理论与计算化学的发展现状和前景展望

HΨ=EΨ理论与计算化学

的发展现状和前景展望1理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024理论和实验密切结合化学作为自然科学的基础学科之一，有其自己的理论体系。现代化学的理论是基于量子力学和统计力学建立的。近年来国际上在理论和计算技术两方面都取得了重要进展，使得理论与计算化学在化学学科发展中发挥越来越大的作用。通过理论计算与模拟，可以获得化学问题的微观至宏观诸层次的静态与动态信息，使越来越多的实验现象和数据通过计算手段而重现，从而被正确地解释，并可以起到预测和指导作用。

理论与计算化学的主要目标是发展化学学科的理论方法、提出新的概念并解释和预测新的实验现象以及应用于解决生命科学、材料科学、能源科学、环境科学等领域的科学问题。2理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024瑞典皇家科学院颁奖文件评价:JohnPoplehasdevelopedquantumchemistryintoatoolthatcanbeusedbythegeneralchemistandhastherebybroughtchemistryintoanewerawhereexperimentandtheorycanworktogetherintheexplorationofthepropertiesofmolecularsystems.Chemistryisnolongerapurelyexperimentalscience.化学不再是一门纯实验科学了！JohnPople:1998NobelPrizeinChemistry3理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024以物理方法，建立化学分子模型，最终研究化学反应和生物大分子相关问题

—TheNobelPrizeinChemistry20134理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024

1986：李远哲：“在十五年前，如果理论结果与实验有矛盾，那么经常证明是理论结果错了。但是最近十年则相反，常常是实验错了。…量子力学有些结果是实验工作者事先未想到的，或者是难以实现的”H2分子的解离能理论计算值 36117.4cm-1实验值 36113.4

0.3cm-1改进实验手段后测得 36117.3

1.0cm-15理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024量子化学发展史上的前辈们：楷模的集体照6理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024量子化学发展史上的前辈们：楷模的集体照7理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/20248理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024分子结构通过计算不同分子结构的体系能量，量子化学方法可以找到分子势能面上的最低点，从而确定分子在某一电子态的稳定构型;

通过电子结构的分析，可以得到化学键的作用形式。理论与计算化学的研究内容9理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024YanliZengetal,ChemPhysChem,2011,12,3584-3590.10理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024QTAIM分析

C6H6∙∙∙LiCl和πC6H6∙∙∙LiCl复合物的分子图(a)(b)11理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/202412理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024TypeITypeII

13理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024GeometryofArZnZnAr(b)ELFmapofArZnZnAr

(c)Moleculargraphof(η5‑C5H5)2M2(d)Molecularformationdensitydifferencesmap(a)(b)(c)(d)14理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/202415理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/202416理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/202417理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/202418理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024化学反应化学反应的过程可以看做分子体系在势能面上滑动的过程。通过量子化学的计算，可以找到势能面上的“驻点”----处于最低点的反应物和产物以及处于鞍点的过渡态，对比所有可能的反应途径及其相对应的反应活化能，可以找到最有可能的反应途径。、

由于化学反应的计算涉及分子体系电子态的激发、电子转移等过程，因而在计算方法上与基态分子结构有很大不同，且是目前较有挑战性的研究领域之一。

19理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/202420理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024YanliZeng,etal,J.Phys.

Chem.A.108(47),10527-10534.(2004)

FNCY

FYCN(Y=O,S,Se)过程的电子密度拓扑研究FNCSTSaIMTSbFSCN21理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024ReactionCoordinateSEnergy/kcal·mol-1ReactionCoordinateSEnergy/kcal·mol-1ReactionCoordinateSEnergy/kcal·mol-122理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024Sa=-2.30Sa=-2.20(STS)Sa=-2.10Sb=-0.31Sb=-0.30(STS)Sb=-0.29Sb=0.00TSb(ETS)Sa=0.00TSa(ETS)FNCOFOCN23理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024分子性质量子化学计算可以获得分子体系的电子波函数，通过这些电子波函数可以求算偶极矩、极化率等分子性质的计算，但是由于数学方法的局限，量子化学计算方法只能逼近真实的分子体系能量，是一种近似计算，虽然能量的计算可以获得较好的结果，但是获得的电子波函数质量却很差，因而分子性质计算的精度远远不及分子体系能量的计算。另一方面改进量子化学计算方法以获得质量更好的电子波函数也是量子化学家目前面临的挑战之一。24理论与计算化学的发展现状和前景展望5/9/2024构效关系—为探讨作用机制、设计催化剂等提供重要信息2