计算化学和计算材料学项目式实验设计:锂离子电池有机电解液分子动力学模拟

分子动力学模拟已在化学、材料等科研领域得到广泛应用,但在本科化学、材料学实验中鲜有涉及。为培养学生化学、材料计算设计思维,同时帮助学生充分掌握分子动力学模拟方法,基于锂离子电池有机电解液研究案例设计了一个分子动力学模拟综合实验。本实验设计包括分子和溶液结构建模、结构优化、模拟退火、热浴平衡、后处理性质计算等操作步骤,帮助学生初步掌握分子动力学模拟的基本原理、流程和分析方法,实现理论方法水平和软件操作技能的双重提升。     

锕系计算化学进展

本文简要总结了过去十年中应用量子力学方法研究锕系化学的若干结果。我们将其大致归为几何与电子结构和化学反应两类。对于前者,简要总结了锕系元素化合物中的An-O键和金属-金属键;而后者则涉及水合反应和配体交换反应,歧化反应,氧化反应,铀酰离子的还原,氢胺化反应以及铀的叠氮化合物的光解反应等。     

计算化学辅助无机化学课堂教学模式的探索

根据无机化学教学的特点,针对目前无机化学课堂教学的问题,研究了以计算化学为辅助教学,促进无机化学课堂教学的方法。该创新模式的实施,不仅有利于学生理解无机化学知识难点,发挥主观能动性,也普及了计算化学的实践应用,为高校化学大数据平台的建立提供了契机。     

复杂化学体系的分子模拟研究——2013年诺贝尔化学奖浅析

随着化学科学研究水平的日益提高,人们对物质世界的分子水平的理解也在逐步加深。化学研究中对原理性理解的要求越来越高,也要求越来越准确的定量研究。化学传统上以实验为主,而现代化学对理论具有了强烈依赖性。理论化学的发展取得了巨大进步,成为化学学科的一个重要组成部分。理论与计算化学不但帮助解释实验结果,更提供对实验观察的预言和对材料药物等的合理设计。通过与统计力学和量子力学的紧密结合,在现代计算机技术的支持下分子模拟在化学、材料、生物等学科中得到广泛应用,处理多尺度实际体系的能力越来越强,具有非常广阔的发展前景。但分子模拟作为一个研究手段还需要大力发展,以提高其普适性,使之具有更坚实的理论基础,同时更加系统化和实用化。     

量子化学计算辅助化学教学的探索与实践

量子化学的发展不仅为化学教学提供了形象而生动的教学案例,而且也为化学概念和现象提供了具体可视化的解释。以“科研教学互动”为核心,通过具体的量子化学前沿成果辅助教学应用实例、量子化学计算软件辅助教学等方面阐述了量子化学计算在大学化学教学中的应用前景。这种将量子化学计算与化学教学相结合的教育方式,将对化学课程的发展、化学教学的改革及学生科研创新能力的培养起到推动作用。     

分子及团簇的分子动力学模拟——介绍一个计算化学实验

分子动力学方法在化学及相关学科研究中的重要地位日趋凸显,但在本科化学实验中鲜有涉及,现有计算化学实验多侧重量子化学方法对分子性质的计算。为普及分子动力学模拟这一有力工具,同时帮助学生理解分子的动态行为,本文以丙氨酸二肽模型分子为例设计了一个简单的分子动力学模拟实验。通过本实验学生能初步掌握分子动力学模拟的基本原理、流程和分析方法,同时加深对物理化学中势能面等抽象概念的理解。本实验即可作为单独设课的计算化学实验的内容,亦可在物理化学实验中作为拓展实验开设。     

计算化学在分子轨道教学中的应用

分子轨道理论是理解分子电子结构与微观性质的重要理论之一,也是本科生与研究生结构化学教学中的重点与难点。学生对原子轨道组合形成分子轨道、分子轨道能级交叉混合等知识的理解缺乏形象直观、定量的认识。本文通过基于量子化学或密度泛函理论的Gaussian 03计算软件,计算、绘制并分析了F_2、O_2、N_2、HF、CO等的分子轨道能级图,将学生较难理解的内容定量、直观地呈现出来,形象地解释了分子轨道成键原则与电子填充原则等分子轨道理论中的重难点,加深了学生对分子轨道理论的理解,特别是sp轨道混杂导致的σ_(2p_z)与π_(2p)轨道能级交叉这一难点,激发了学生学习的主动性和积极性,提高了教学质量。在此基础上,利用分子轨道理论分析了CO_2的电子结构,使学生学会应用分子轨道理论解决实际问题,巩固了相关课堂理论知识。     

主族元素AB4型含氧酸根的成键分析——推荐一个研究型计算化学实验

介绍了一个面向高年级本科生的研究型计算化学实验。主族元素AB4型含氧酸根是无机和结构化学理论课程中讨论化学键类型的例子,然而其结果却存在争议。本实验利用常用量子化学软件,通过计算化学方法分析化学成键,验证猜测,并得出结论。旨在通过本实验,锻炼学生对量子化学计算方法的运用,进而加深对化学基础知识的理解。     

复杂化学体系多尺度模型——2013年诺贝尔化学奖成果简介

简要介绍了2013年诺贝尔化学奖获奖工作——复杂化学体系多尺度模型的探究过程、模型建立、具体应用及发展前景。     

甲醛分子的结构和性质的计算化学研究——介绍一个计算化学实验

介绍一个为化学专业本科生设计的、运用通用量子化学软件Gaussian和GaussView完成的计算化学实验.实验内容包括最基本的构型优化、频率计算和电子结构分析.旨在通过本实验,使学生初步掌握用量子化学计算方法研究分子结构和性质的基本过程,并能在将来的科研工作中学以致用.     

有机化学进展(2011~2012)

本文综述了中国大陆地区有机化学研究人员2011至2012年两年内在合成方法学、有机合成化学、元素有机化学以及天然产物化学等领域获得的重要成果。文章中共引用参考文献355篇,其中110多篇手性金属配合物和有机小分子催化的不对称反应、金属催化的碳氢键活化等合成方法学论文和30余篇氟有机化学论文基本来源于德国《应用化学》(国际版)和《美国化学杂志》。本文汇集了中国有机化学家两年中合成的150多个具有生物活性和化学结构多样性的天然产物,其中不乏具有高度挑战性的复杂天然分子。在近两年中中国有机化学家从陆地和海洋的生物体内发现各种不同类型新天然产物90多个。     

The Mechanism of Biochemical NO-Sensing: Insights from Computational Chemistry

The binding of small gas molecules such as NO and CO plays a major role in the signaling routes of the human body. The sole NO-receptor in humans is soluble guanylyl cyclase (sGC) – a histidine-ligated heme protein, which, upon NO binding, activates a downstream signaling cascade. Impairment of NO-signaling is linked, among others, to cardiovascular and inflammatory diseases. In the present work, we use a combination of theoretical tools such as MD simulations, high-level quantum chemical calculations and hybrid QM/MM methods to address various aspects of NO binding and to elucidate the most likely reaction paths and the potential intermediates of the reaction. As a model system, the H-NOX protein from Shewanella oneidensis (So H-NOX) homologous to the NO-binding domain of sGC is used. The signaling route is predicted to involve NO binding to form a six-coordinate intermediate heme-NO complex, followed by relatively facile His decoordination yielding a five-coordinate adduct with NO on the distal side with possible isomerization to the proximal side through binding of a second NO and release of the first one. MD simulations show that the His sidechain can quite easily rotate outward into solvent, with this motion being accompanied in our simulations by shifts in helix positions that are consistent with this decoordination leading to significant conformational change in the protein.     

Computational and Theoretical Chemistry in Structure-Reactivity Studies of Organophosphorus Compounds

Computational multivariation analysis, molecular orbital calculation as well as molecular mechanics study were used for the qualitative and quantitative evaluation of the relationship between chemical structure and reactivity of organophosphorus compounds.     

我国理论化学2006年研究进展

从理论方法的建立及其应用两个方面综述了2006年中国大陆理论化学研究工作的进展.     

计算化学实验的课程建设

With the fast development of theoretical chemistry methodologies and computer hardware and software technologies, computational chemistry has become more and more imperative in chemical science. Accordingly, we have initiated "Computational Chemistry Experiments" course based on "Introductory Computational Chemistry" course developed in the Department of Chemistry, Tsinghua University since 2013, to provide basic training and computational chemistry practices for undergraduate students. The popular quantum chemistry software Gaussian is used as the major tool in the course. We focus on the exploratory feature of computational chemistry, creating initial structures and optimizing geometries, to provide fundamental training for students to comprehend the difference of traditional experimental chemistry and modern computational chemistry. Systematic research training is offered to develop the creative thinking capacity of students in using computational chemistry methods in chemistry education and research.     

金属有机骨架的高通量计算筛选研究进展

近年来，金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）在气体吸附分离领域的研究获得爆发式增长.随着MOFs数量的剧增，高通量计算筛选成为从大量MOFs中发现高性能目标材料和挖掘其构效关系的最有效研究方法.本综述对MOFs的高通量计算筛选中所用到的数据库包括实验合成的MOFs组成的数据库（experimental MOFs，eMOFs）和计算机设计的MOFs数据库（hypothetical MOFs，hMOFs）、计算筛选方法包括基于分子模拟和机器学习的筛选方法，及其在CH₄储存、H₂储存、CO₂捕捉和其他气体分离领域的研究进展进行了总结.旨在通过梳理该领域的研究进展和思路，明确未来的研究方向和面临的挑战，加快MOFs的研发进程，促进MOFs的商业化应用.     

光谱法鉴定手性化合物的绝对构型——从仪器表征到理论计算

手性化合物的结构确定,尤其是新型手性化合物的绝对构型测定一直是不对称研究的重要工作.除单晶测试外,光谱学方法近年来被广泛应用于手性分子结构鉴定,主要包括电子和振动圆二色谱、旋光光谱、旋光拉曼谱等.本文对上述测试方法的原理、应用范围和相关理论计算方法做了介绍.把谱学测试与理论计算相结合,将成为手性分子结构鉴定的重要发展方向.     

分子的酸碱性质与氢键强度之间关系的探讨*——介绍一个计算化学实验

介绍一个面向高年级本科生的计算化学实验。通过利用量子化学计算,确定嘧啶碱基的酸碱性质以及它们与水分子之间的相互作用能,构建氢键复合物分子间相互作用与分子酸碱性之间的定量关系,使学生对分子的酸碱性、分子间相互作用、分子识别之间的关系有一定的直观认识。该实验有助于学生梳理课堂学到的碎片化知识,提升学生逻辑分析及创新能力。