论结构化学中的量子化学计算方法

摘 要：相较于传统实验室测试来说，量子化学计算方法在实验化学研究、药物学、含能材料等结构化学领域中的应用优越性明显。但需要注意的是，不同量子化学计算方法的特点和适用范围有着一定的差异性，如何结合实际情况合理的进行选择至关重要。基于以上，本文从量子化学计算方法相关概述入手，分析了不同种类计算方法的原理和特点，之后着重探讨了从头计算法、简单分子与半经验分子轨道法及神经网络计算法等其他方法在结构化学中的具体应用，旨在为相关研究和实践提供参考。

关键词：结构化学；量子化学计算方法；应用

作为研究化学问题的重要学科之一，量子化学侧重于在量子力学理论指导下，完成问题研究过程。相比传统实验室测试化学反应以及仪器设备的运用等，采用量子化学计算，可能对瞬间发生的反应进行计算，且对过渡态或激发态几何构型、活性位电荷转移等进行预测。但如何使这些优势充分发挥出来，仍是当前结构化学应用量子化学计算方法中面临的主要难题。因此，本文对结构化学中量子化学计算方法的应用研究，具有十分重要的意义。

一、量子化学计算方法相关概述

关于量子化学，其主要通过Schrodinger方程进行描述，整个电子体系中的电子结构，都可根据该方程进行求解，将复杂原子体系特性表达出来。为使描述计算后的近似解更为精确，需在量子化学计算方法上进一步简化。从量子化学计算方法常见方法看，主要表现以下几方面：

第一，从头计算方法。该方法运用的基础主要以轨道近似、Born-Oppenheimer近似与非相对论近似为主，且在基本物理常数包括电量、电子质量以及Planck常数等，无需参考半经验或经验参数，便可计算分子积分，完成量子力学方程求解过程。由于该算法应用下得到的结果可靠性与准确度都较高，所以应用范围也较广。

第二，简单分子与半经验分子轨道方法。对于简单分子轨道法，较多如EHMO、HMO等方法都可作為该类型计算方法，在计算共轭体系方面极为适用。但需注意由于其包含较多近似内容，仅可使简单分子规律被推测出来。而从半经验分子轨道方法看，间略微分重叠INDO、全略微分重叠CNDO等，都为计算主要类型。尽管其应用下，对有机物平衡几何构型等计算都可适用，但由于其计算结果在特性上表现为定性、半定量等，所以可靠性、准确性都难以保障，所以应用范围有一定的限制。

第三，密度泛函理论。以广义梯度近似GGA、自然密度泛函近似LSDA等为例，都为密度泛函理论的具体表现，在“基”的选择上，强调利用密度函数取代轨道波函数。从该理论优势看，密度泛函表现出计算速度快、结果精确等特征，特别在结合分子动力学下，可使理论化学研究更为深入。需注意的是该计算方法实际应用中，也难与所有体系相吻合，如相比共价键与氢键，应用于范德瓦尔键体系取得的效果并不明显。

第四，其他计算方法。除上述量子化学计算方法外，其他如Xα方法、遗传算法、神经网络方法等都较为常见。其中Xα方法一般可作为密度泛函理论中的一种，可使计算工作量减少，且计算精确度得到提高。再如遗传算法，其应用中通常以变异、杂交等遗传算子为指标，完成计算过程。此外，神经网络算法实现的依据多表现在人体神经元方面，适用性较强。

二、结构化学中量子化学计算方法的应用分析

（一）结构化学中从头计算法的应用

从头计算方法在优势上主要以可靠性、精确性较高，特别在计算机技术配合下，更使该计算方法的优势凸显出来。一般对于晶体、分子或原子等性质的预测、解释，都可通过从头计算方法实现，而其他分子几何构型、化学反应活化能、分子间作用力以及化学键等方面，从头计算法的适用性都较强。例如，从头计算法以往应用下更侧重于对无机化合物的处理，而当前模拟化合物、功能材料、生物大分子以及有机化合物都可被计算出来。若实际计算中，能够充分利用HONDO、GAMESS等计算软件，更多大分子化合物如金属原子簇合物、过渡金属配合物等在计算中都可利用从头计算法。

（二）结构化学中简单分子与半经验分子轨道法应用

对于简单分子轨道法，尽管其计算近似较多，有一定的局限性，但在量子化学早期研究中应用仍较为频繁。以氧化还原电势在有机共轭分子中的表现、酸碱反应涉及的常熟以及定位活性指标在有机反应中的表现等，都可利用HMO进行研究。对于版经验分子轨道法，引入到结构化学中，对许多如激发能、反应热、生成热、原子化热、电荷分布等，都可适用。但也要注意，虽然其在优势上表现为应用范围广、计算工作量少，但最终的结果不具有较强的可靠性与准确性，半定量、定性等特征极为明显，所以该方法应用下应慎重。

（三）其他算法应用分析

量子化学计算方法中，神经网络、遗传算法以及密度泛函理论等应用都较为常见。以神经网络为例，在反应过程控制以及蛋白质二级结构预测中氨基酸序列的应用等。再如遗传算法，其最初由Holland提出，经过较多学者研究分析，引入到化学、生物与材料领域中，尤其在化学反应研究方面该算法应用下更能取得良好效果。此外，密度泛函理论应用，分子电子结构、催化活性位选择、电离能计算方面，都可被分析出来。

量子化学计算方法的应用是提高结构化学研究水平的关键所在。实际应用中，应正确认识量子化学计算方法的内涵，将其中密度泛函、遗传算法、神经网络、简单分子轨道法以及从头计算法的优势充分发挥出来，运用于结构化学中，以此使结构化学研究水平得以提高，推动化学学科的整体发展。

参考文献：

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作者简介：

张迪（1984—），女，吉林长春人，硕士，助教，研究方向：材料物理与化学。