量子化学方法

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量子化学方法范文第1篇

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

量子化学方法范文第2篇

关键词 青蒿素；定量构效关系；多元线性回归

中图分类号 TQ463 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0214-02

近年来，随着计算机计算软件日益成熟，利用计算机绘图软件进行辅助药物设计，已经成为比较热门的研究方向，这种趋势在制药业尤其明显。计算机辅助药物设计这门新兴的边缘学科已经逐渐占领了药物开发的制高点，主要原因是利用其具有明显缩短研发人员开发药物的时程，降低成本，药性定向准确等多项优点，恰能解决以往开发新药所遭遇的缺失。

青蒿素发现以来，人们进行了大量的药理学研究。结果表明青蒿素对疟原虫红内期有直接的杀伤作用，而对组织期无效。药物化学工作者对青蒿素结构进行了大量的修饰合成，但是方向不是很清晰，目前在临床上应用的比较普遍衍生物包括蒿甲醚、青蒿琥脂、二氢青蒿素、蒿乙醚。另外部分青蒿素类似物虽然体外活性较高，但是由于毒性较高，暂时无法开发成临床药物。利用计算机软件服务平台，进行量子化学计算和QSAR研究将为开发利用度较高的青蒿素类似物或衍生物指引方向。

香港大学与拜尔公司合作开发研制得到一系列新的青蒿素衍生物，其结构及活性数据如下表所示。本文将用量子化学密度泛函理论结合QSAR方法对该系列青蒿素衍生物的量子化学结构性质进行计算分析，最终找到这一系列青蒿素衍生物的量化性质与其抗疟活性的关系。

1 计算方法

实验采用将9组化合物的构型先进行优化，首先采用Materials_Studio3.2软件中分子力学模块进行几何构型优化，然后将分子力学优化好的分子用Dmol3工具再进行几何构型的优化，最后用Dmol3对用Dmol3优化完成的分子进行量化参数计算。将绘制完成的分子结构用MS中的分子力学工具进行中等精度的几何优化。

2 计算结果（见表2、3、4）

3 实验结果

用活性体积、键长、HOMO的平方对PEC90进行多元线性回归分析，设定最小相关系数：0.90000000进行拟合。青蒿素类药物的抗疟活性与分子量化参数的QSAR关系式：

PEC90多元回归方程：Y = 152.419845316 * [(HOMO)2] - 6.671025217

PEC50多元回归方程：Y = 146.814332722 * [(HOMO)2] - 6.314422185

4 结论

1）10位取代和氮杂衍生物的活性比9位取代衍生物的抗疟活性高。

2）青蒿素类药物的抗疟活性和分子的HOMO本征值的平方成正比。

3）过氧键的给电子能力直接影响化合物的抗疟活性。可以用来通过计算一些新颖的青蒿素类化合物的量化参数（HOMO的本征值）来计算预测其抗疟活性。

参考文献

[1]张珉,张万年,宋云龙,盛春泉.全新药物设计方法的新进展[J].药学进展,2003,6(27):327-332.

[2]蒋华良,陈凯先,嵇汝运.计算机辅助药物设计正在走向成功[J].生命科学,1996,4(8).

[3]曾宪栋.青蒿素类抗疟药定量构效关系研究[J].2004硕士论文,华南师范大学.

量子化学方法范文第3篇

目的合成标题化合物并对其结构进行了理论研究。方法以丹皮酚和糠胺为原料合成席夫碱，经硼氢化钠还原得标题化合物；使用Hyperchem7.0程序，用半经验方法计算了化合物分子中能量分布、主要键长、键角以及主要原子的净电荷分布和前言轨道分布。结果标题化合物，收率65.6%；计算结果分析表明，分子中主要原子之间的键长、键角基本在正常的范围内；负电荷主要集中于O1，O2，O3和N1上。结论合成的目标产物属于四齿配体，分子呈现最优化的结构并具体一定的稳定性。

【关键词】 丹皮酚； 糠胺； 席夫碱； 合成； 量化计算

Abstract：The title compound was synthesized and its structure was studied in theory.The Schiff base compound was synthesized by condensation of paeonol with furylfurylamine，then it was deoxidized by Sodium borohydried.The energies，bound lengths，bound angles，the net charges of main atom and contributive percents of frontier orbital in the title compound have been calculated by software HyperChem 7.0 in half experience method.The yield rate of title compound was 65.6%.The result of calculation showed that the most of the bond lengths and angles in the system were in the the normal range，negative charge mainly concentrate on O1，O2，O3 and N1.The title compound behaves as quadridentate ligand. The molecular structure is stabilized and it is displayed the optimum structure.

Key words：Paeonol；Furylfurylamine；Schiff Base; Synthesis； Quantum chemistry calculation

自Schiff 碱发现以来，由于Schiff 碱及其配合物具有杀菌、抗病毒、抗癌、可逆结合氧气、荧光、磁性、仿酶催化等一系列优良性能［1～4］，一直是引人注目的研究对象。Schiff 碱是一类非常重要的配体，其合成相对容易，能灵活地选择各种胺类及带有羰基的不同醛或酮反应物进行反应，所以它在配位化学发展过程起着重要的作用；但是，从结构上看，部分Schiff 碱配体具有比较强的刚性，而Schiff 碱还原后得到的化合物的柔性则有了显著地提高，因此，参与配位时有较大的自由度，更有可能通过分子自组装形成多核配合物。

2-羟基-4-甲氧基苯乙酮，俗名丹皮酚，是植物牡丹干燥根或全草的主要有效成分，现代医学研究证明丹皮酚具有抑菌抗炎、解热镇痛、抗过敏、增强免疫功能等作用，在医药、香料、化工领域具有广泛的用途［5～8］。目前，国内外对丹皮酚的研究报道主要集中在其药理性质的研究，而对丹皮酚Schiff 碱的报道很少，对于Schiff 碱的还原，还未见报道。由于丹皮酚特殊的药理性质，因此，研究丹皮酚Schiff 碱以及Schiff 碱化合物的还原，具有深远的意义。

1 仪器与试剂

Perkin Elmer240型元素分析仪测定； Spectrum One B型付立叶红外光谱仪测定，溴化钾压片； Bruker DRX-300MHz型超导核磁共振仪测定（CHCl3为溶剂，TMS为内标）。

丹皮酚，糠胺，硼氢化钠，无水甲醇等皆为市售化学纯，用前皆未作任何处理。

2 方法与结果

2.1 反应原理见图1。

2.2 合成方法在500 ml的圆底烧瓶中加丹皮酚 1.66 g(10 mmol) 和糠胺0.97 g (10 mmol)，加150 ml无水甲醇搅拌溶解，加热回流3h后，冷却至室温，得到黄色Schiff碱溶液。室温下，在烧瓶中分批加入还原剂硼氢化钠1.52 g (40 mmol)，黄色Schiff碱溶液慢慢变为无色；加浓HCl中和多余的还原剂，反应后产生大量白色固体，过滤；溶液用100 ml氯仿，萃取3次，取氯仿层；往氯仿层中加入无水Na2SO4干燥，充分干燥2 h后过滤；减压蒸馏，得到深棕色油状物1.62 g，收率65.6%；b. p. 187～189℃（-0.1 MPa）。元素分析，C8H14N2O，实测值（计算值）：C 68.09（68.01），H 6.93（6.85），N 5.60（5.52）。1H NMR（D2O）δ：7.34(t， 1H， furan ring)，6.08-6.25(t， 2H， furan ring)，6.28-6.86(t， 3H，)，4.10 (t， 1H， Ar-CH-)， 3.76(s， 3H， OCH3)，1.38(d， 3H， CH3)。IR（KBr）n：3360（OH），2931（CH2），1506（NH），1474-1335（furan ring， phenyl ring）。

2.3 标题化合物的量化计算随着量子化学理论的发展和量子化学方法以及计算机技术的进步，使得用半经验甚至从头计算方法探索分子的结构和反应性之间的关系成为可能；化学研究也由传统意义上的实验科学走上了实验与理论并重的程度。近年来的研究表明，量子化学计算方法对于有机分子的结构、物理性质、反应机理和反应活性，都能提供系统而可信的解释，并作出一些指导实践的预测［9］。因此，在许多方面，理论计算方法甚至比实验方法更为有力。

2.3.1 计算模型的建立利用Chemoffice程序包中Chemdraw程序初步构建标题化合物的基本结构，导入HyperChem7.0程序后，应用分子力场MM+方法对结构进行初步优化，然后用半经验MNDO方法进行结构优化，计算了化合物分子中能量分布、主要键长、键角、二面角以及主要原子的净电荷分布和前沿轨道分布等。

2.3.2 计算结果与讨论该化合物量子化学计算共涉及35个原子；96个电子，89个轨道，其中占据轨道48个，空轨道41个；体系电荷为0。有关标题化合物能量的量化计算结果见表1；标题化合物分子量化计算主要键长和键角见表2～3；计算模型的前沿分子轨道中部分原子轨道分布以及各原子的净电荷分布见表4；标题化合物推测的结构图见图2。表1 目标产物有关能量的量化计算结果（略）

化合物结构整体上稳定性与体系的能量分布以及前沿分子轨道有密切关系。计算得到标题化合物的总能量为E = -73 871.160 649 4(kcal/mol)，前沿分子轨道能量最高占据轨道HOMO为EHOMO = -8.597 929 kcal/mol，最低空轨道能量ELUMO = 0.192 665 7 kcal/mol，两前沿轨道的能量间隙为ELUMO - EHOMO = 8.790 594 7 kcal/mol，从体系总能量和占据前沿轨道能量表明，该化合物具有很高的稳定性。

从表2可以看出，分子中，苯环中的C-C键长范围是从1.413～1.429A，都介于单、双键之间，因而在苯环分子中电子具有高度的离域作用；C(7)-N(1)和C(11)-N(1)的键长分别为1.478 和1.467 ，都属于典型的C-N单键；C(5)-O(1)和C(1)-O(2)的键长分别为1.357 和1.363 ，分别属于典型的酚及芳香醚中的C-O键；呋喃环中主要原子之间的键长也在正常的范围内；从表1中也可以看出，分子中的键角也在正常的范围内。 表2 目标产物的部分键长（略）

由表4可见，氧原子和氮原子都带负电荷，通常原子上负电荷越多，亲核性越强，其与金属成键形成配合物的能力亦愈强，因此分子中N原子的配位能力比O原子强；与苯环直接相连的两个O原子，其配位能力比呋喃环上O原子的配位能力强；分子中与N原子、O（1）以及O（2）直接相连的碳原子都正电荷，这是因为这3个原子具有比较大的电负性。在轨道分布中，标题化合物丹皮酚部分不仅最低空轨道所占贡献比较大，具有接受电子的能力；而且在最高占据轨道所占比例也比较大，具有提供电子的能力。整个体系其他原子电荷分布趋于均匀化，这也是由于电子的离域作用使体系的自由能达到最小。表3 目标产物的部分键角（略）表4 目标产物主要原子的净电荷和前沿轨道分布（略）

3 结论

以丹皮酚和糠胺为原料，通过缩合反应合成中间产物Schiff 碱，用还原剂硼氢化钠还原Schiff base，得到目标产物，并通过元素分析和红外光谱对产物进行表征；该目标产物属于四齿配体，用HyperChem7.0程序采用半经验方法对标题化合物进行量化计算。

【参考文献】

［1］杨恭孝，杨荣华.席夫碱金属配合物的研究进展［J］.山东化工，2004，33(3):14.

［2］陈玉红，丁克强，王庆飞，等.席夫碱应用研究新进展［J］.河北师范大学学报（自然科学版），2003，27(1)：71.

［3］Choudhary Nosheen F.，Connelly Neil G.，Hitchcock Peter B.，et al. New compounds of tetradentate Schiff bases with vanadium(IV) and vanadium(V)［J］. Journal of the Chemical Society， Dalton Transactions: Inorganic Chemistry，1999， 24， 4437.

［4］孙宏建，李晓燕，崔学桂，等.过度金属Schiff碱配合物研究［J］.高等学校化学学报，1982 10(9)：1168.

［5］章灵华，尚培根，黄 艺，等.丹皮酚的药理与临床研究进展［J］.中国中西医结合杂志，1996；16(3)：187.

［6］Sillanpaa， E. R. J.; Al-Dhahir， Adnan; Gillard， R. D. Bis-paeonoliminatocopper(II)［J］.Polyhedron， 1991，10(17)，2051.

［7］Xu， Xing-You; Gao， Jian; Chen， Jun; Li， Shan-Zhong; Yang， Xu-Jie; Song， Hai-Bin .Preparationand crystal structure of paeonol［J］.Jiegou Huaxue， 2005， 24(4)， 436.

量子化学方法范文第4篇

本书的主要目的，就是要证明这样的替代物是存在的，它与50年前人们讨论的所谓唯象随机量子力学以及随机零点场理论密切相关。这是一种涨落场，属于经典Maxwell方程的解，但是在零温下有非零平均能。作者们认为量子化源于经典物理与这种零点场涨落紧密联系的深刻随机过程，而量子力学的基本理论建筑在第一原理的基础上，这个原理揭示从更深层次的随机过程引发的涌现（Emergency，或译突现）现象的量子化。

作者们在本书所呈现的理论观点是经过长时间的努力寻找而获得的答案。长期以来，科研人员试图寻找答案的以下问题：哪些概念对量子力学的发展起重要作用；是什么为这些概念提供了物理基础；量子力学背后的物理学的最新发现中，有哪些对这些问题的回答形成了综合的和自洽的新的理论框架。

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本书阐明了量子理论一些核心特点的根源，诸如原子的稳定性，电子自旋，量子涨落、量子非定域性和纠缠。这里发展的理论重新确认了诸如实在性、因果性、局域性和客观性等基本的科学原理

全书内容共分10章：1.量子力学：某些问题；2.唯象随机方法：通向量子力学的简捷途径；3.普朗克分布，涨落零点场的一个必然推论；4.通向薛定谔方程的漫长旅途；5.通向海森伯量子力学之路；6.超越薛定谔方程；7.解开量子纠缠； 8.量子力学的因果性、非定域性和纠缠； 10.零点场波（和）物质。

本书适合熟悉量子力学的最基本概念和结果的读者阅读。其内容适用于从事理论物理、数学物理、实验物理、量子化学和物理哲学的研究人员、研究生和教师参考。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）

Ding Yibing，Professor

（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al

Supersymmetry After the

Higgs Discovery

2014

http：///book/

10.1007/978-3-662-44172-5

量子化学方法范文第5篇

英文名称：Chinese Journal of Structural Chemistry

主管单位：中国科学院

主办单位：中国科学院福建物质结构研究所

出版周期：月刊

出版地址：福建省福州市

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种：双语

开

本：大16开

国际刊号：0254-5861

国内刊号：35-1112/TQ

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发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1982

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CA 化学文摘(美)(2009)

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CBST 科学技术文献速报(日)(2009)

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