計算化學（Computational Chemistry）是化學的一個分支，它使用計算機模擬來幫助解決化學問題。 它使用理論化學方法并入計算機程序來計算分子、分子基團和固體的結構和性質。該學科彌補了以分析或封閉形式實現化學系統的精確量子力學描述并不可行的問題。
計算化學主要涉及密度泛函理論計算新方法研究和功能材料結構與性能理論兩大領域。其課程主要內容是運用數學、統計學與計算機科學的方法，進行化學、化工中的數據與信息的處理、分類、解析和預測。
發展歷史
20世紀80年代是計算化學計算飛速發展的時期。 出現了計算化學研究的重要工具gaussian軟件，其是由1998年諾貝爾化學獎得主沃爾特·庫恩(Walter Kohn)和約翰·波普(John Pople)開發的，它是進行從頭算的鼻祖。 Gaussian程序是一個最普及的程序，它最早的版本是1970年的Gaussian70，最新的版本是Gaussian09。 它可以進行各種類型的從頭算，半經驗和密度泛函 [30] 。 Gaussian程序可以預言分子和化學反應的許多性質，如分子能量和結構，電子密度分布，熱力學性質，振動頻率，紅外和拉曼光譜，NMR化學位移，極化率和靜電勢等。 2013年諾貝爾化學獎得主Martin Karplus (馬丁·卡普拉斯)等開發的Charmm軟件，Charmm是Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics的縮寫，是一個用來進行經典的、量子的或量子經典雜化的模擬計算程序，目前其在科研學術和藥物開發商業等領域都得到了廣泛應用。 在Charmm軟件的基礎上，Paul Weiner研究組開發了Amber 程序的第一個版本，Wilfred van Gunsteren研究組，開發出了GROMOS程序。 NAMD程序，更是基于Charmm進行了并行化的處理，發揮了Charmm的功能。 此外還有Gamess軟件、Amber軟件、Vasp軟件等都在計算化學領域有重要的應用。 例如在模擬藥物如何到達體內靶蛋白的實驗中，電腦可直接對與藥物相互作用的靶蛋白原子執行量子理論計算，精確分析出藥物發生作用的全過程。
在中國二十世紀八十年代中期，胡文祥在中國科學院上海有機化學研究所攻讀博士學位期間，就建立了分子力學與量子化學聯算的基本思路和方法，博士畢業后到軍事醫學科學院六所工作，在惲榴紅教授支持下與計算機專家合作，編制了自動挑選數據的程序，開創了全新的計算過程，從經典的分子力學計算分子的低能構型構象等幾何參量入手， 再輸入給量子化學程序計算分子的軌道能量和電荷密度等電子參數，或者使用分子力學計算整個分子骨架幾何參量，用量子化學計算活性中心的電子參數，如此一來計算效率得到了極大提高。 從分子力學計算直接過渡到量子化學計算，發揮了兩者的長處，得到了兩類結果。 他應用這一聯算方法，研究膽堿能藥物空間構象與構效關系等，獲得了國家和軍隊科技進步獎等一系列成果。 胡文祥教授實驗室繼續發揚計算化學方面的優勢，進行分子力學與量子化學聯算、量子參數與反應性關系、核磁共振化學位移統一計算、藥物分子二維和三維定量構效關系、 分子動力學模擬和分子對接研究等研究工作，不斷取得新結果。
基本簡介
研究范圍
計算化學主要涉及密度泛函理論計算新方法研究和功能材料結構與性能理論兩大領域。
主要方法
計算化學方法包括：計算方法和分子模擬。計算方法包括分子力學(MM)和量子力學(QM)方法；而分子模擬包括分子動力學(MD模擬)和統計力學(SM)模擬。
研究領域
計算化學主要涉及密度泛函理論計算新方法研究和功能材料結構與性能理論兩大領域。
密度泛函理論計算新方法研究：該研究領域主要采用現代數學理論和方法研究多電子體系電子結構，以解決大尺度化學體系量化計算的可行性與精確性。目前研究的主要內容包括兩個方面：(a) 溶劑效應對若干有機反應的影響：將實驗和理論研究相結合，從反應機理入手研究溶劑效應對若干有機反應的影響，以理論計算來解釋反應現象，建立一系列溶劑效應的計算模型，探討溶劑效應對若干有機反應的影響。掌握溶劑效應對反應影響的規律可以有效的控制反應條件，以得到更多的目標產物，這對于目標產物的工業化生產具有很重要的應用價值。 (b) 分子間的弱相互作用：采用密度泛函理論研究分子間弱相互作用—氫鍵，掌握氫鍵存在對物質性質的影響和對有機反應影響的規律。
②功能材料結構與性能理論：這一方向主要定位于研究功能材料結構與性能之間的構效關系、功能材料的設計與模擬。通過研究材料表面的原子排列、電子結構、吸附與脫附、界面原子之間以及粒子與表面原子的相互作用規律，獲得功能材料的電磁、電光、電熱或電聲的耦合機理并給予可靠的理論支持，同時設計、模擬出新的具有特殊結構和優異性能的功能材料，為結構化學基礎研究和高技術光電子功能材料研究提供創新源泉。
應用前景
計算化學在生物化學方面的應用，有金海曉等采用計算化學方法探明蛋白激酶在水溶液中的動態行為，包括磷酸化對蛋白激酶構象的影響、磷酰基轉移機理以及蛋白激酶與抑制劑的作用模式等，這些工作為合理設計藥物提供了參考。 此外，曹冉等對計算化學方法在基于受體結構的藥物分子設計中的多種應用，包括小分子結合位點的成藥性評估、化合物數據庫的虛擬篩選、先導化合物的結構優化等進行了探討。
計算化學在化學合成上多用于化合物的理論計算結果與其實驗結果的對比。 如邢波等 [40] 用GaussView軟件模擬苯的分子結構，用量子化學計算軟件Gaussian 03W的密度泛函法，在B3LYP/6-31G基組水平上，優化苯分子結構、計算能量和頻率，及其紅外光譜，并與實驗結果對比。 根據成鍵軌道(natural bond orbital, BO)和電子密度計算結果，探討苯的穩定性，分子軌道能量，原子靜電荷分布規律和前沿分子軌道組成的特征，計算得出HOMO和LUMO的能量差是0.25191 eV，HOMO是比較大的負值(?0.24819 eV)，說明苯有較好的穩定性，看來采用納米TiO2光催化方法降解苯是可行的。 邢波等還 [41] 通過應用計算化學軟件Gaussian 03WHF方法中的3—21G基組優化苯和甲苯分子結構，預測苯和甲苯分子的紅外光譜。 找到苯環振動吸收峰分別是苯紅外圖中的1658 cm。 與甲苯紅外圖中的1667 cm~。 與苯和甲苯文獻檢索紅外譜圖相對應(特征吸收峰分別是1478和1485 cm?1)，符合較好。 還找到苯環C-H拉伸振動吸收峰3080 cm?1 (苯)和3040 cm?1 (甲苯)。 此外，還有對多種類似化合物進行化學計算進行對比，如盛旭玲 [42] 采用Materials Studio軟件中的DMol^3模塊，對18種苯的二取代在藥物研發過程中手性化合物絕對構型的確定是一個極其重要的問題，藥物分子的立體構型與藥物的療效、毒性密切相關，因此，藥物分子立體結構的研究具有重要意義。 目前，手性化合物立體結構的研究方法也倍受關注，運用計算化學方法確定手性化合物的立體構型是一種簡便而有效的方法，已經被越來越多的研究者接受并采用。 王重娟等 [43] 利用計算化學方法，對旋光計算、電子圓二色譜(ECD)計算、振動圓二色譜(VCD)計算，以及13C-核磁共振(13C-NMR)計算等方法進行綜述。 為了在化學領域中更好地應用微波能，需要深入研究微波與化學反應相互作用的機理，由于等效介電系數常常被用來描述在化學反應中微波的吸收和傳輸情況，因而，化學反應中反應物的等效介電系數就成為微波化學研究的關鍵問題之一。 華偉等 [44] 基于反應溶液中單位體積內的分子個數隨溫度變化的情況對黃卡瑪提出的經驗公式進行了改進。 以碘化鉀和高錳酸鉀兩個氧化還原反應為例，對實驗結果和計算結果進行了分析比較，結果表明其具有很好的一致性，而且計算精度較改進前的公式得到了改善。
計算化學在對天然產物絕對構型的確定上也有重要應用。 由于傳統方法在天然產物絕對構型確定方面存在一定局限性和不足，而大部分工作交由計算機完成的計算化學方法，在保持同樣高精確度的基礎上，可以節約大量時間。 李楨等 [45] 文章中有多個應用兩種或多種計算光譜法相結合在天然產物絕對構型確證的實例，表明計算化學方法在天然產物研究中已經逐漸被認可。
隨著化學理論的不斷發展，以及計算機性能的迅猛發展，計算化學通過對涵蓋若干公理的一個系統方程的求解，解決化學的問題。 它不依賴傳統化學實驗儀器設備、試劑和藥品，是建立在理論的演繹思維的基礎上的電腦模擬。 計算化學的第一原理是具有公理結構的，經過數學和邏輯演繹而得到關于物質的形式理論體系，再從形式理論出發利用物理假設出發，利用物理模型近似，二次形式化和計算，得到理論預計值，最后在再去與實驗結果核對。 因此，以量子力學，統計力學為核心的計算化學在理論化學與實驗化學之間起到了很大作用。
參考資料 >
課程介紹.北京化工大學.2024-09-25
計算化學學科方向.嶺南師范學院二級學院網站.2024-09-25
計算化學研究組.濟寧醫學院生物信息研究中心.2024-09-29
計算化學.中國大學MOOC.2024-09-25
計算化學的發展.hanspub.2024-09-25
計算化學相關研究進展 Progress in Computational Chemistry.hanspub.2024-09-29