11.4 计算化学

化学在传统上一直被认为是一门实验科学，但随着计算机技术的应用，化学家成为大规 模使用计算机的用户，化学科学的研究内容、方法乃至学科的结构和性质随之发生了深刻变 化。计算化学（computational chemistry）是化学和计算机科学等学科相结合而形成的交叉学 科，其研究内容是如何利用计算机来解决化学问题。计算化学这个术语早在 1970 年就出现

了，并且在上世纪 70 年代逐步形成了计算化学学科。 因此，计算化学可以帮助实验化学家，或者挑战实验化学家来找出全新的化学对象。

有些化学问题是无法用分析方法解决的，只能通过计算来解决。计算化学一般用于解决 数学方法足够成熟从而能在计算机上实现的问题。计算化学有两个用途：一是通过计算来与 化学实验互为印证、互为补充；一是通过计算来预测迄今完全未知的分子或从未观察到的化 学现象，或者探索利用实验方法不能很好研究的反应机制。

计算化学的研究内容很多，我们简单介绍化学数据库和分子模拟（或分子建模），前者 是关于化学信息表示、存储和查找的，后者是研究化学系统结构和运动的。

化学数据库是专门存储化学信息的数据库，其中的化学信息可以是化学结构、晶体结构、 光谱、反应与合成、热物理等类型的数据。以化学结构数据为例，学过中学化学课程的人都 知道，化学家通常用直线表示原子之间的化学键，利用化学键将若干原子连接在一起，形成 了分子结构的二维表示。这种表示对化学家来说是理想的、可视的，但对化学数据的计算机 处理来说是很不合适的，尤其是对数据的存储和查找。为此，需要建立分子结构的计算机表 示，如小分子可以用原子的列表或 XML 元素表示，而大分子（如蛋白质）可用氨基酸序列 来表示。当今一些大的化学结构数据库存储了成百万的分子结构数据（存储量高达 TB 级）， 可以方便而高效地查找信息。

分子模拟利用计算机程序来模拟化学系统的微观结构和运动，并用数值计算、统计方法 等对系统的热力学、动力学等性质进行理论预测。宏观化学现象是无数个分子（原子）的集 体行为，一般通过统计方法来研究。然而，化学统计力学通常仅适用于“理想系统”（如理 想气体、完美晶体等），量子力学方法也不适用于动力学过程和有温度压力变化的系统。作 为替代方法，分子模拟将原子、分子按经典粒子处理，提供了化学系统的微观结构、运动过 程以及与宏观性质相关的数据和直观图象，从而能在更一般的情形下研究系统行为。分子模 拟有两种主要方法，一是基于粒子运动的经典轨迹的分子动力学方法，一种是基于统计力学 的蒙特卡洛方法。分子模拟技术不仅在计算化学中有用，而且还可用于药物设计和计算生物 学中的分子系统（从小的化学系统到大的生物分子）。

计算化学内部还包括量子化学计算、化学人工智能、化学 CAD 和 CAI 等领域，可以解 决识别化学结构与性质之间的相关性、化合物的有效合成、设计能与其他分子按特定方式进 行反应的分子（如新药设计）等问题。解决问题过程中所用到的计算化学方法有些是高度精 确的，更多的则是近似的。计算化学的目标是使计算误差极小化，同时保证计算是可行的。