計算機化學
基本內容
中文名：計算機化學
類 別：學科
外文名：Computer chemistry
方 式：計算機
簡介
計算機化學圍繞着 「化學信息」這一核心，從計算機化學的基本概念、方法入手，將實驗數據、量測信號、譜圖、分子結構、化學知識和Internet這一系列看似零散但卻有着內在聯繫的內容串聯起來，展現了計算機化學在數據處理、信號分析、結構解析、 有機合成、分子設計等諸多方面的應用。認識物質、改造物質、創造新物質和認識反應、控制反應過程和創造新反應、新過程是計算機化學研究的主體。
它的興起與發展是與計算機技術的發展和計算機的普及緊密聯繫的。目前計算機化學覆蓋的領域主要有：(1)化學 數據挖掘(Data mining)；(2)化學結構與化學反應的計算機處理技術；(3)計算機輔助分子設計；(4)計算機輔助合成路線設計；(5)計算機輔助化學過程綜合與開發；(6)化學中的人工智能方法等。
化學結構與化學反應的計算機處理技術
長期以來 化學家在應用計算機解決化學問題中遇到的第一個困難就是化學結構的計算機處理的問題。可以說化學的一切領域無一不與化合物的結構密切相關。在過去的30多年中，這一問題得到了廣泛的重視和深入的研究，從而形成了計算機化學的一個重要的研究領域。經過多年努力，化學結構計算機處理中的理論和絕大部分技術問題已基本得到解決。然而，這些方法還是有局限性的，難以應用於諸如族性結構處理、結構-活性相關的自動化研究和反應機理研究等方面。即使對確定結構處理中的問題，現有的解決方案仍不為所有化學家所接受。因此，確定結構的計算機處理仍有一些難題，如無機化合物、金屬有機化合物、互變異構的化學結構等，需要做更深入的研究。同時，應當看到這些問題又是計算機化學中諸多領域的基礎，它們的完全解決將有利於計算機化學的發展。
族性結構的計算機處理問題是一個比確定結構更富挑戰性的課題，但又是當今計算機化學必須解決的問題之一。與確定結構不同，族性結構由於在結構式中採用了可變部分而使得一個族性結構對應於一類物質。這類物質可以是有限個確定的化合物，而當採用了「烷基」或「含氮 雜環」這類 通式術語時，也可以代表無限個化學物質。族性結構的這一性質決定了相應的計算機處理系統的複雜性。族性結構的計算機處理，目前還只有一個方向性的解決辦法。但從大的方面來看，要解決能忠實於原來意義的族性結構的表述方法和族性結構的檢索兩個問題。如何根據族性結構的特徵，解決它的計算機表述方法是當前族性結構處理的核心問題。它解決得好，族性結構的檢索問題也將較易解決。族性結構的檢索問題與它的表述有密切聯繫，並可歸結為如下三類問題：①某一確定結構（化合物）是否被包含在一個族性結構中？②一個族 性子結構是否部分或全部為另一族性結構所包含？③兩個不同的族性結構是否有共同的確定結構？族性結構處理中的主要問題目前已基本得到解決。最早的族性結構檢索系統，法國QUESTEL公司開發的Markush-DARC，已運行了15年。但是，現有系統都仍然存在一些不足，這些不足源於族性結構表述的固有困難。可以預見，它們的徹底解決將依賴於組合概念表述的革新，而不是基於現有概念的"打補丁"。這種概念的更新將有可能豐富和推動圖論、 集合論等數學理論的發展，而且也將為性能更好的實用系統的建立奠定基礎。
由於可以將化學反應看成是一些化學結構向另一些化學結構的轉換，因此，化學反應的處理問題說到底是對化學結構的處理。但是，化學反應的計算機成立也有它自己特定的問題，如反應中心的自動識別、反應知識的發現、組織和利用、同類反應的自動產生等問題。這些問題是當前計算機處理化學反應領域內的主要研究方向，它們的解決一方面將推動 化學反應數據庫向更高層次的發展，另一方面將通過與 數據挖掘技術的結合，發現反應知識，使計算機輔助 有機合成路線設計更有紮實的基礎，從而能得到更合理的解決。
計算機輔助分子設計和模擬
工程方面的 計算機輔助設計已是大家所熟悉的了， 化學由於它的特殊性使得計算機輔助化學 設計相對來說發展相對較晚，但化學家已在 分子設計和有機合成設計兩個主要領域取得較大進展並日益發展。
分子設計和模擬的目標是預測具有指定性質（或性能）的可能分子的結構。它們主要應用於醫藥（ 藥物設計）和 農用化學品（ 除草劑設計、農藥設計、 殺蟲劑設計等）領域，在實驗室內分子設計主要應用蛋白質、酶、核酸等大分子的設計。以前發現一個有應用價值的新 化合物主要是憑化學家的經驗和靈感，最常用和最有效的方法就是採用費錢費時的 篩選法，現在已開始採用對 分子結構進行系統的有規律的變化，尋找性質與結構變化之間的 相關關係，從而建立結構-性質 關係模型以用於分子設計。圍繞計算機輔助分子設計，要開展一系列的基礎研究工作，主要有結構-性質關係研究、三維動態分子模型化方法、分子形狀和活性關係、 構象分析、 生物大分子的結構-功能關係，以及分子設計方法在藥物、材料設計中的應用研究等。
計算機輔助合成路線設計
以邏輯的方法而不是單憑經驗和直覺來尋找合成設計路線是化學家長期以來的一個理想。儘管已有大量數據可供參考，化學反應體系的高度複雜性決定了難於用純理論方法來解決合成路線設計問題，還只能從已知知識中找出共同規律，或從類比推測中來近似地解決這些問題。基於前者的方法，發展了檢索型的合成設計，反應數據庫就是這種方法的典型。基於後者的方法是推理型的計算機輔助合成設計。在這一領域當前的主要研究方向有：反應 數據挖掘和反應 知識發現、反應知識模型的表述和反應 知識庫的建立、化合物反應性能的預測、化學知識的 類比推理等。
計算機輔助化學過程綜合與開發
隨着計算機存儲和運算能力的提高，使得計算機正在迅速進入新興產業和傳統產業的各個方面。對於典型的過程工業的化學和 石油化學工業，計算機同樣成為它們的核心部分，對過程進行全面制約並對其變革產生着深刻的影響。從目前來看，過程綜合有兩個層次的含義。由已知的原料條件和產品的性能規格要求，如何找到最佳的工藝製造途徑是過程綜合一個層次的含義。對不同過程的集成，以期達到對能量、物料、設備等資源的最大限度利用的同時，達到消滅污染於過程的目的，是過程綜合另一個層次的含義。這無疑是過程工業在下一世紀最具挑戰性的課題之一。
「過程 概念設計」的提出是計算機輔助化學過程綜合與開發領域技術進步的一個重要標誌。然而，這種進步目前主要表現在知識的積累方面，而在 計算機軟件方面，除在能量系統綜合外，似乎尚未取得突破性的進展。計算機化學至少可以從三個主要方面促進過程綜合與新流程的開發：①集中對化學過程的研究成果，形成數據庫和軟件包；②計算機輔助過程評估、系統設計、關鍵設備設計、動態控制和管理；③充分利用理論研究成果，減少放大步驟。[1]