第一篇：計算機在化學(xué)中的應(yīng)用(原創(chuàng))

計算機在化學(xué)中的應(yīng)用

計算機化學(xué)是將計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)應(yīng)用于化學(xué)的一門新興的交叉學(xué)科,是化學(xué)領(lǐng)域的一個重要分支。

計算機化學(xué)的英文叫法有多種,如Computers&Chemistry、Computers in Chemistry及Computers on Chemistry。有時文獻中亦會出現(xiàn)Computer Chemistry,但應(yīng)用較少。計算化學(xué)(Computational Chemistry)通常指分子力學(xué)及量子化學(xué)計算等,與計算機化學(xué)有較大區(qū)別。

計算機與化學(xué)的聯(lián)姻始于60年代。其首先應(yīng)用領(lǐng)域是分析化學(xué)。因為分析化學(xué)的最本征特征是借助于諸種手段收集數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)處理。到了70年代,計算機化學(xué)得以突飛猛進的發(fā)展,幾乎在化學(xué)的每一分支領(lǐng)域都結(jié)滿了豐碩的成果。當(dāng)今的化學(xué)幾乎無處不用計算機。計算機(包括數(shù)學(xué))已是化學(xué)的重要工具,同時計算機化學(xué)作為一個學(xué)科分支也在迅速發(fā)展。本文擬就如下幾個方面作一簡單介紹。

一、數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫是計算機科學(xué)領(lǐng)域中70年代出現(xiàn)的新技術(shù)。化學(xué)中的許多數(shù)據(jù)庫正是在70年代

歷經(jīng)了由起步、發(fā)展,直至成熟的過程。其中,最具代表性的是用于化合物結(jié)構(gòu)解析的譜圖數(shù)據(jù)庫。目前,幾乎所有的大型分析測試儀器均帶有數(shù)據(jù)庫及其檢索系統(tǒng)。

各種譜學(xué)手段的廣泛應(yīng)用對當(dāng)代有機化學(xué)的發(fā)展起到了很大促進作用,因為這些物理方法和手段使人們能較精確地了解化合物的結(jié)構(gòu)。但是,譜圖的解釋是一較為繁瑣,極為費時的工作。然而,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展極大地推進了這一領(lǐng)域的革新。

計算機輔助譜圖解析方法可粗略地分為兩大類:直接譜圖庫手段,即譜圖檢索，間接譜圖庫手段,包括波譜模擬、模式識別和人工智能。目前,應(yīng)用最廣泛的是譜圖庫檢索。此處順便提及:數(shù)據(jù)庫,英文一般用database或databank表示,而數(shù)據(jù)庫檢索卻常用librarysearching一詞。所謂譜圖庫,目前用于結(jié)構(gòu)解析的主要是指質(zhì)譜、核磁譜和紅外光譜。

二、有機化合物結(jié)構(gòu)自動解析

該類研究屬于人工智能的范疇。人工智能包括的范圍很廣,如定理證明、語音識別、對奕及專家系統(tǒng)等。對于化學(xué)領(lǐng)域,尤以專家系統(tǒng)研究的為最多。所謂專家系統(tǒng)即在規(guī)則(常稱為知識庫)的基礎(chǔ)上,模擬專家演繹推理的過程,以得到專家水平的應(yīng)答。在化學(xué)中,除結(jié)構(gòu)解析以外,其它專家系統(tǒng)如分離科學(xué)、實驗方案的最優(yōu)設(shè)計、工業(yè)生產(chǎn)的流程控制及計算機輔助合成(見后)等。

世界上第一個專家系統(tǒng)誕生于化學(xué)領(lǐng)域,即美國斯坦福大學(xué)建造的DENDRAL系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用低分辨質(zhì)譜和核磁共振波譜來進行有機化合物的結(jié)構(gòu)解析。這一系統(tǒng)的建造成功對整個人工智能領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響。

早年,專家系統(tǒng)主要建造在中、小型機以上的計算機上。后來出現(xiàn)工作站,但由于價格的昂貴使其應(yīng)用受到限制。到了80年代中期,微機發(fā)展極為迅速。目前,世界上至少有60%的專家系統(tǒng)建立在微型計算機上。

作為軟件,原則上任何一種計算機語言均可作為專家系統(tǒng)設(shè)計工具。但是,由于一般的高級語言字符處理能力較差,所以在選用上應(yīng)首先選用人工智能語言,如LISP和PROLOG。

幾十年來,在結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域中涌現(xiàn)出一大批專家系統(tǒng),除DENDRAL外,目前比較有影響的系統(tǒng)為CHEMICS(日本)、CASE(美國)、PAIRS(美國)等。在國內(nèi),從80年代初在作者的實驗室中就開始了計算機自動結(jié)構(gòu)解析的研究工作。并先后建造了含碳、氫、氧有機化合物結(jié)構(gòu)闡明專家系統(tǒng)及含多種雜原子的結(jié)構(gòu)闡明專家系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)工作的邏輯過程為:

(1)由實驗數(shù)據(jù)(如質(zhì)譜、紅外光譜和核磁共振譜等)或者化學(xué)信息(如分子式)出發(fā),在知識庫如子結(jié)構(gòu)子光譜相關(guān)規(guī)則)作用下獲得化合物中可能含有的結(jié)構(gòu)片斷集。

(2)在結(jié)構(gòu)片斷集的基礎(chǔ)上,利用知識庫(如諸多約束條件),經(jīng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生器(進行結(jié)構(gòu)異構(gòu)體窮舉生成的程序部分)來作整體結(jié)構(gòu)的對接,所生成的異構(gòu)體常稱為候選化合物。

(3)在波譜模擬、碳13譜峰信息、分子張力能計算、模式識別及人機交換信息作用下,進行候選化合物的驗證。

三、計算機輔助化合物合成有機化合物的合成最早開始于1895年,距今已非常久遠。但是,計算機輔助合成還是近幾十年的事。

計算機輔助合成系統(tǒng)在解決問題中,要用到人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng)的知識,即計算機輔助合成系統(tǒng)為一專家系統(tǒng)。

1969年,美國哈佛大學(xué)的Corey和Wipke首先報道了他們的系統(tǒng)。之后,其他系統(tǒng)相繼問世。現(xiàn)在,國際上該類系統(tǒng)已用于工業(yè)之中,特別是藥物工業(yè)其應(yīng)用尤為普遍。

四、分子設(shè)計

計算機輔助分子設(shè)計是計算機化學(xué)的前沿,目前已用于藥物分子設(shè)計,蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子設(shè)計及材料科學(xué),如高分子材料、無機材料和催化劑設(shè)計等。下邊將側(cè)重以藥物分子設(shè)計為例進行介紹。

為分子設(shè)計近年來發(fā)展了很多種方法,其中,開展得尤為廣泛的是定量結(jié)構(gòu)活性/性質(zhì)相關(guān)性(QSAR/QSPR)研究。這種方法的要點是由分子式結(jié)構(gòu)出發(fā)來構(gòu)造某種數(shù)學(xué)模型,然后運用這種模型去預(yù)測未知化合物的活性/性質(zhì),從而為新分子的設(shè)計提供理論依據(jù)。

五、化學(xué)計量學(xué)方法的研究及應(yīng)用

化學(xué)計量學(xué)(Chemometrics)是將數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用于化學(xué)的邊緣學(xué)科。它是數(shù)學(xué)與化學(xué)之間的一座橋梁。

數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的語言,它在化學(xué)中的地位和作用日益突出和重要。自70年代以來,隨著計算機技術(shù)的迅速普及,數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)在化學(xué)中應(yīng)用日益廣泛,于是化學(xué)計量學(xué)的方法和內(nèi)容得到充實和發(fā)展,使化學(xué)計量學(xué)成為化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)化學(xué)、環(huán)境化學(xué)及藥物化學(xué)中信息處理的強有力手段。1974年,由美國的Kowalski和瑞典的Wold等發(fā)起,在美國華盛頓大學(xué)成立了國際化學(xué)計量學(xué)學(xué)會,開展了一系列學(xué)術(shù)交流活動,推動了化學(xué)計量學(xué)的迅速發(fā)展。從1982年起,在美國分析化學(xué)雜志(Anal.Chem.)兩年一度的評論中開辟了Chemomet-rics專題。一些年來,國內(nèi)國外都不斷有化學(xué)計量學(xué)方面的專著問世。

化學(xué)計量學(xué)是建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的橫向?qū)W科。反過來,它在多種學(xué)科中的應(yīng)用也在逐年迅速增加。1994年的Anal.Chem.中化學(xué)計量學(xué)專題評論,僅計算機檢索(事實證明漏檢很多),有關(guān)文章已多達20000篇,而1996年度又增至25000

篇?；瘜W(xué)計量學(xué)在化學(xué)學(xué)科的發(fā)展中起著越來越大的作用?；瘜W(xué)計量學(xué)主要包括:

(1)統(tǒng)計學(xué)(statistics)

(2)最優(yōu)化(optimization)

(3)信號處理(signalprocessing)

(4)分解(resolution)

(5)校正(calibration)

(6)參數(shù)測定(parameterestimation)

(7)模式識別(patternrecognition)

在化學(xué)中,主要用于化合物的分類。經(jīng)典的方法如聚類分析、PCA、KNN、SIMCA及逐步判別分析(SDA)等。目前,人工神經(jīng)網(wǎng)作為模式識別器在諸多應(yīng)用中均獲良好結(jié)果。

七、計算機輔助化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用

教學(xué)思想上要有意識地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，只有思想上有這種意識。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維才會貫穿于教學(xué)中，也才能真正的、最大程度的達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的目的。如果思想上沒有這種意的主導(dǎo)作用。就是要打破“師講生聽”接受式的課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，在教師的組織、引導(dǎo)下實現(xiàn)信息的主動獲取和知識意義的主動建構(gòu)。一般的過程是老師或某一個小組提出課程內(nèi)容的具體要求：各小組依次對學(xué)習(xí)內(nèi)容發(fā)表見解，提問或發(fā)表自己的看法；由老師或小組負責(zé)人進行總結(jié)：最后由老師評價，評價包括學(xué)生對知識的掌握程度、運用知識解決新問題的能力以及學(xué)生在活動中的表現(xiàn)等。

在這個過程中教師要注意多褒獎，不貶低，對學(xué)生答錯的問題，要認真點撥、啟發(fā)、誘導(dǎo)，對有創(chuàng)新的見解要給予充分的肯定、熱情地贊揚。教師與學(xué)生的會話交流的形式是多種多樣的，直接間接的，間接的如利用網(wǎng)絡(luò)平臺進行的討論等；無形有形的．有形的如體態(tài)語等；有聲無聲的，無聲的如作業(yè)批語等；實時和非實時的，非實時的如利用E—mail、BBS等。但不管哪種形式，都要特別關(guān)注教師給予指導(dǎo)和學(xué)生予以反應(yīng)類的交流活動。

八、結(jié)論

本文介紹了計算機化學(xué)中的主要內(nèi)容。作為數(shù)據(jù)庫檢索,由于起步較早,發(fā)展得已比較成熟。目前,在大型分析測試儀器(如MS、IR、NMR等)中,數(shù)據(jù)庫已成為

其重要的組成部分。結(jié)構(gòu)解析的人工智能研究,盡管起步較早,但是鑒于問題的復(fù)雜性和難度,至今尚在發(fā)展中。目前研究的焦點集中在多維波譜的應(yīng)用上。計算機輔助合成在國外已有許多商用系統(tǒng),但國內(nèi)開展還極少,亟需加強。

參 考 文 獻許祿.化學(xué)計量學(xué)方法.科學(xué)出版社, 北京: 1995許祿, 郭傳杰.計算機化學(xué)方法及應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社, 1990

3許祿,胡昌玉,計算機化學(xué),中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所 1998

4黃德海,淺談計算機輔助化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用，廣東省始興縣始興中學(xué)，2004

第二篇：計算機在化學(xué)中的應(yīng)用學(xué)習(xí)心得

計算機在化學(xué)中的應(yīng)用學(xué)習(xí)心得

這學(xué)期通過學(xué)習(xí)計算機在化學(xué)中的應(yīng)用，在初步接觸高分子化學(xué)的同時與當(dāng)前日新月異的計算機領(lǐng)域相結(jié)合，從而對高分子化學(xué)，數(shù)據(jù)分析以及公式編輯等其他方面有了更深的認識，同時也掌握了一種新的學(xué)學(xué)習(xí)方法，使得在今后的學(xué)習(xí)、工作、生活中更方便。

通過對ChemSketch的學(xué)習(xí)，對很多課本上見到的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)式有了更進一步的認識，這在一定程度上也提高了學(xué)習(xí)興趣，與此同時ChemSketch的強大分析能力如對異構(gòu)體的全面準(zhǔn)確分析使得自學(xué)一定程度上變得簡單，對我們的學(xué)習(xí)很有幫助，同時在以后的畢業(yè)論文設(shè)計以及在更遠的將來對論文的編輯工作中對ChemSketch的熟練應(yīng)用是必不可少的，如繪制結(jié)構(gòu)式，定性繪制一些相應(yīng)的曲線。而且ChemSketch使得原本抽象的事物變得清晰直觀，有助于對知識的理解，這是最重要的。

通過對公式編輯器的學(xué)習(xí)，現(xiàn)在可以編輯很多美觀的公式，突破了之前只能依靠有限的數(shù)學(xué)符號只能寫出不直觀的公式，在今后論文的編寫中非常重要。

通過對Origin的學(xué)習(xí)對數(shù)據(jù)分析有了更近一步的認識，對復(fù)雜的實驗數(shù)據(jù)的處理再不是一件耗時又低效的事，用Origin對數(shù)據(jù)進行線性擬合求斜率和截距等參數(shù)都有能把誤差降到最低，從而對實驗的分析相對更容易一些。

在學(xué)習(xí)計算機在化學(xué)中的應(yīng)用這門課的同時，不僅從這門課程本身學(xué)到了有用的知識，也明白了科技的飛速發(fā)展對我們的學(xué)習(xí)生活提供了很多的便捷之處，因此要善于利用這些更好的服務(wù)于我們的學(xué)習(xí)生活，不斷取得更好的成績。

最后真心感謝一學(xué)期以來老師的諄諄教誨，在教給我們高分子化學(xué)知識的同時不辭辛苦的傳授給我們其他課程對化學(xué)的促進和應(yīng)用。

第三篇：計算機在化學(xué)化工中的應(yīng)用學(xué)習(xí)心得

《計算機在化學(xué)化工中的應(yīng)用》學(xué)習(xí)心得

計算機在當(dāng)今社會正逐漸占據(jù)越來越重要的位置，而理所當(dāng)然的，計算機在自然科學(xué)中對繪圖和計算量較大的工科的地位也可謂坐著火箭上升。同時計算機技術(shù)在化學(xué)化工的應(yīng)用也逐漸從傳統(tǒng)的圖像繪制，計算數(shù)據(jù)擴展到了設(shè)備模擬，設(shè)備優(yōu)化，工藝嘗試以及教學(xué)輔助等不同方面。

在剛接觸到這門學(xué)科時，我就對其產(chǎn)生了濃厚的興趣。作為一個在大學(xué)呆了兩年的工科生，我已深深明白熟練應(yīng)用計算機的重要性。這種熟練掌握不僅僅是對于Office等辦公軟件的掌握，這些對于大學(xué)生來說應(yīng)是最基本的一項技能，除此之外，還應(yīng)加強對檢索文獻、數(shù)據(jù)處理或設(shè)備設(shè)計等更多軟件的掌握。

開學(xué)以來，老師為我們介紹了Word，Origin，EndNote，ChemSketch等各種軟件。在Word中，我在原有的知識上更了解了一些小技巧，如如何不用插入符號而打出℃，如何移動更小距離來精確調(diào)整圖片位置等；在Origin中，我學(xué)會如何導(dǎo)入數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)制成曲線或直線，然后將圖形線性擬合或歸一化，得到所需函數(shù)；在EndNote中，我學(xué)習(xí)到了如何管理文獻建立本地數(shù)據(jù)庫，并通過這個軟件在Word中插入?yún)⒖嘉墨I；在ChemSketch中，我學(xué)會了分子結(jié)構(gòu)的繪制及其他化學(xué)圖形的繪制，化學(xué)反應(yīng)式的繪制，預(yù)測化合物的宏觀性質(zhì)，同時也簡單了解了ChemDraw的操作。除這些軟件外，我對ACS等數(shù)據(jù)庫有了更深的認識，并學(xué)會了如何利用主題、作者、刊名、ISSN等進行文獻檢索，還了解了論文的撰寫格式和投稿要求。

在以上眾多軟件中，我對Origin和EndNote興趣最為濃厚。

對于Origin，在接觸到這門學(xué)科之前，我也僅僅是聽過這個軟件，卻一直疏于學(xué)習(xí)。因此在上學(xué)期的物化實驗中，對于數(shù)據(jù)的處理還只是限于手工計算和在坐標(biāo)紙上手畫圖形。然而本學(xué)期對Origin的學(xué)習(xí)使我在化工原理實驗中對數(shù)據(jù)的處理更加得心應(yīng)手，圖線的擬合，自動生成圖線函數(shù)，都能通過Origin一步到位，由此省下了很多時間和精力。

Origin具有兩大主要功能：數(shù)據(jù)分析和繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析主要包括統(tǒng)計、信號處理圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數(shù)學(xué)分析功能。準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)分析時，只需選擇所要分析的數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令即可。Origin的繪圖是基于模板的，Origin本身提供了幾十種二維和三維繪圖模板而且允許用戶自己定制模板。繪圖時,只要選擇所需要的模板就行。用戶可以自定義數(shù)學(xué)函數(shù)、圖形樣式和繪圖模板；可以和各種數(shù)據(jù)庫軟件、辦公軟件、圖像處理軟件等方便的連接。

另一方面經(jīng)過本學(xué)期的學(xué)習(xí)，我對如何進行文獻的檢索和整理的認識都上升了一個臺階，不僅以往經(jīng)常使用的搜索引擎百度與google中也學(xué)習(xí)到了一些過去不了解的搜索方法與技巧，同時對一些化學(xué)化工的文獻數(shù)據(jù)庫也有所了解，如中國知網(wǎng)，工程索引EI，科學(xué)引文索引SCI等等，這些數(shù)據(jù)庫令我在未來查詢文件時不再茫無目標(biāo)，而能做到有的放矢。此外對于如專利檢索等對我們未來學(xué)習(xí)研究必不可少的技巧也做到初步了解，相信在未來這些技能一定可以發(fā)揮出無與倫比的作用。

最后，作為一名化工專業(yè)的學(xué)生，不但要掌握基本的計算機操作知識，更應(yīng)掌握化工領(lǐng)域常用的專業(yè)性計算機軟件。無論是在以后的學(xué)習(xí)或是工作中，這種掌握只會使自己越來越專業(yè)，提高自己的競爭力，為我們未來的學(xué)習(xí)與發(fā)展鋪墊出一塊堅定的基石。

第四篇：計算機在化學(xué)中的應(yīng)用實踐總結(jié)報告

計算機在化學(xué)中的應(yīng)用實踐總結(jié)報告

第十四周實踐內(nèi)容分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)式的繪制、分子結(jié)構(gòu)及能量優(yōu)化、化學(xué)反應(yīng)機理的分子力學(xué)和量子化學(xué)計算

軟件：ChemOffice 2010、Gaussian 09、MOPCA2010 第15周實踐內(nèi)容：復(fù)雜體系多組分定性定量分析的化學(xué)計量學(xué)方法

軟件：Matlab 2012、程序：MCR-ALS（多元曲線分辨-交替最小二乘）、PLS（偏最小二乘）、SVM（支持向量機）、PCA（主成分分析）、ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）第16周實踐內(nèi)容：計算機輔助藥物分子設(shè)計、化學(xué)數(shù)據(jù)庫與化學(xué)信息學(xué) 軟件：MOE 2008、VMD、NAMD、Amber、Autodock、Matlab 2012 數(shù)據(jù)庫：蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、ZINC數(shù)據(jù)庫

chemoffice的組成主要有ChemDraw 化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖，Chem3D 分子模型及仿真，ChemFinder 化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng)，此外還加入了 E-Notebook Ultra 10.0，BioAssay Pro 10.0，量化軟件 MOPAC、Gaussian 和 GAMESS 的界面，ChemSAR, Server Excel, CLogP, CombiChem/Excel等等，ChemOffice Pro 還包含了全套 ChemInfo 數(shù)據(jù)庫，有 ChemACX 和 ChemACX-SC，Merck 索引和 ChemMSDX等等Gaussian是一個功能強大的量子化學(xué)綜合軟件包。其可執(zhí)行程序可在不同型號的大型計算機，超級計算機，工作站和個人計算機上運行，并相應(yīng)有不同的版本。高斯功能：過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑，計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行?？梢灶A(yù)測周期體系的能量，結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學(xué)反應(yīng)機理，勢能曲面和激發(fā)能等等。常常與gaussview連用。軟件包括很多很強大的新功能，比如系統(tǒng)命名法，工具板，改進的質(zhì)子核磁共振的預(yù)測、質(zhì)譜碎片，支持多種格式的圖形文件和支持化標(biāo)記語言等。將軟件中的結(jié)構(gòu)剪貼或者粘貼到軟件中，能轉(zhuǎn)化空間結(jié)構(gòu)模型。軟件涉及的范圍包括化學(xué)作圖、分子模型生成、化學(xué)數(shù)據(jù)庫信息管理等，主要功能是繪制化學(xué)常用的平面圖形，比如描繪化合物的結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式、化工流程圖、簡單的實驗裝置圖等圖形，為化學(xué)工作者日常的教學(xué)工作和科研工作帶來了很大的方便，解決了人工繪畫、分析化學(xué)圖形帶來的不便。分子結(jié)構(gòu)繪制：軟件可以建立和編輯一切與化學(xué)有關(guān)的圖形，主要是建立和編輯各類化學(xué)式、立體圖形、對稱圖形、軌道、化合物的結(jié)構(gòu)式、化學(xué)反應(yīng)方程式等。實驗裝置繪制：軟件提供了非常豐富的常用的實驗儀器模板和各種玻璃器皿，可以很方便的用來繪制實驗裝置圖，用戶還可以根據(jù)自己的需要，自己編輯或者從外部其他文件中導(dǎo)入圖形。分子性質(zhì)預(yù)測及分析：軟件可以預(yù)測分子的很多性質(zhì)和參數(shù)，比如分子量、摩爾體積、元素組成比、表面張力、密度等，還可以粗略的預(yù)測質(zhì)譜以及核磁共振；還提供了元素周期表，這樣方便用戶查詢各種元素的相關(guān)數(shù)據(jù)。化學(xué)結(jié)構(gòu)：軟件可以優(yōu)化調(diào)整化學(xué)結(jié)構(gòu)，使化學(xué)結(jié)構(gòu)更加美觀；還可以檢查化合物分子式是否正確，并能將不正確的地方標(biāo)記出來，方便修改；還能使分子結(jié)構(gòu)在三維空間旋轉(zhuǎn)，并能借助軟件進行自動三維優(yōu)化即先第章二種工具軟件的相關(guān)介紹借助軟件將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)再優(yōu)化。軟件不僅可以將輸入的化學(xué)物質(zhì)名稱直接轉(zhuǎn)為物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖，省去繪圖的麻煩；而且可以對已知結(jié)構(gòu)”的化學(xué)物質(zhì)命名，給出正確的化學(xué)物質(zhì)名稱⑷。其它功能：所繪制的圖形具有矢量圖的特點，無論怎么操作邊緣都不會出現(xiàn)鋸齒狀，可以直接拷貝至、中使用，也可以使用鏈接使用。而且此軟件默認設(shè)置和用戶自定義設(shè)置都可隨意保存和回復(fù)，也可以插入文明，添加注釋，還能夠根據(jù)需要定義文字和圖形的大小、字體、顏色等屬性，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)、圖形進行縮小、放大、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、移動等操作，還能進行剪切、粘貼、刪除、復(fù)制、存儲等操作。

Chem3d軟件是一個很好的三維模型設(shè)計軟件是一個具有較強功能的結(jié)構(gòu)化學(xué)計算軟件。用軟件制作的化合物分子模型來演示化學(xué)反應(yīng)方程式，就更加形象、生動。軟件具備以下幾種實用的功能：軟件可以直接將二維的平面結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換為三維的空間模型；軟件具有模型線狀模型、模型棒狀模型、模型球棍模型、模型圓柱模型、模型比例模型等顯示模式；軟件可以使用或等分子力場對化合物分子進行自動校正后創(chuàng)建結(jié)構(gòu)多樣的化合物分子模型，還能自動判斷化合物分子模型是否正確，實時直觀生動的顯示出三維化合物分子模型，進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)計算、動態(tài)立體化學(xué)變化過程的演示，并可以通過計算最小化能量給出最恰當(dāng)?shù)幕衔锓肿涌臻g構(gòu)象】。軟件可以輸出多達種三維化合物分子文件的格式包括常見的、、等格式，也可以存儲為多種高分辨率的位圖、矢量圖形格式、、、方便在幻燈片中清晰的呈現(xiàn)出分子的三維模型。在整個演示過程中，化合物分子都是以三維動態(tài)的直觀形式呈現(xiàn)的，形象生動地表示了化合物分子在每一步變化中鍵長、鍵角及鍵能的變化，其動態(tài)演示的過程可以動畫形式記錄下來?？梢陨筛袷降膭赢?，可以形象的顯示變動的或者旋轉(zhuǎn)的化合物分子模型。同時，軟件也是一種功能非常全面的物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)計算軟件，該軟件在有機化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，軟件還可以作為化學(xué)教學(xué)演示軟件。

Chem3d軟件、vmd軟件這兩種軟件是化學(xué)常用的兩種軟件，功能比較強大，可以解決很多傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)中不能解決的問題；軟件是制作動畫軟件。軟件可以將格式的圖片作為喊，將這些幀不停的顯示出來就形成了動畫，而軟件、軟件也可以將圖片保存為格式。先用軟件、軟件制作出格式的圖片，再將這些圖片添加到軟件中，根據(jù)動畫的不同需求，調(diào)整中貞的播放速度，還可增加文本效果，使制作出的動畫達到最優(yōu)化。

化學(xué)有部分知識抽象難懂，傳統(tǒng)的教學(xué)中一般釆用模型、掛圖及幻燈等教學(xué)手段，無法將抽象的知識形象化，學(xué)生也會感到枯燥、無味，沒有興趣學(xué)習(xí)化學(xué)知識。而借助一些工具軟件制作出動畫，就能生動形象的表現(xiàn)這部分抽象難懂的知識，再將它們運用到化學(xué)教學(xué)中，可以使抽象的知識形象化，降低教學(xué)難度，提髙這部分知識的教學(xué)效果，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。軟件就是一種常用的制作動畫的軟件，該軟件操作簡單，應(yīng)用方便。

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第五篇：核磁共振在化學(xué)中的應(yīng)用

核磁共振技術(shù)在有機化學(xué)構(gòu)型等方面的應(yīng)用

摘要: 本文綜述了核磁共振在復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)解析、光學(xué)活性化合物構(gòu)型確定、有機合成反應(yīng)機理研究、組合化學(xué)、高分子化學(xué)等方面的應(yīng)用進展。關(guān)鍵詞: 核磁共振、化學(xué)構(gòu)型 1 概述

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance ,NMR)現(xiàn)象是1946 年由哈佛大學(xué)的伯塞爾(E.M.Purcell)和斯坦福大學(xué)的布洛赫(F.Bloch)用不同的方法在各自的實驗室里觀察到的[1]。六十年來,核磁共振波譜技術(shù)取得了極大的進展和成功.檢測的核從1H 到幾乎所有的磁性核;儀器不斷向更高頻率發(fā)展;從連續(xù)波譜儀到脈沖傅立葉變換譜儀,并隨著多種脈沖序列的采用而發(fā)展了各種二維譜和多量子躍遷測定技術(shù);固體高分辨核磁技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)的出現(xiàn)[2]。隨著這些實驗技術(shù)的迅速發(fā)展,核磁共振的研究領(lǐng)域不斷擴大。核磁共振提供分子空間立體結(jié)構(gòu)的信息,是分析分子結(jié)構(gòu)和研究化學(xué)動力學(xué)的重要手段。在化學(xué)領(lǐng)域,核磁共振為化學(xué)家提供了認識未知世界的有效途徑。應(yīng)用核磁共振確定有機化合物絕對構(gòu)型

有機化學(xué)家常常需要確定合成或分離得到的光學(xué)活性化合物的絕對構(gòu)型。應(yīng)用核磁共振方法測定有機化合物的絕對構(gòu)型,主要是測定R和S手性試劑與底物反應(yīng)的產(chǎn)物的1 H 或13 C NMR 化學(xué)位移數(shù)據(jù),得到Δδ值與模型比較來推定底物手性中心的絕對構(gòu)型[3]。包括應(yīng)用芳環(huán)抗磁屏蔽效應(yīng)確定絕對構(gòu)型的NMR 方法和應(yīng)用配糖位移效應(yīng)確定絕對構(gòu)型的NMR 方法。表中,將計算的Δδ值與表中的配糖位移效應(yīng)比較,確定底物仲醇手性中心的絕對構(gòu)型。2.1 芳環(huán)抗磁屏蔽效應(yīng)確定絕對構(gòu)型

利用芳環(huán)抗磁屏蔽效應(yīng)測定有機化合物絕對構(gòu)型最為典型的方法是應(yīng)用1 H

1NMR 和應(yīng)用19 F NMR 的Mosher 法[4-5]。H NMR 的Mosher 法是將仲醇(或伯胺)分別與(R)和(S)-MTPA(α2甲氧基三氟甲基苯基乙酸)反應(yīng)形成酯(Mosher 酯),然后比較(R)和(S)-MTPA 酯的1 H NMR 得到Δδ(Δδ=δS-δR), 在與Mosher 酯的構(gòu)型關(guān)系模式圖比較的基礎(chǔ)上,根據(jù)Δδ的符號來判斷仲醇手性碳的絕對構(gòu)型。19 F NMR 的Mosher 法的應(yīng)用前提是β位取代基的立體空間大小不同。通常情況下,兩個非對映異構(gòu)體(R)和(S)-MTPA 酯中其它影響19 F NMR化學(xué)位移因素是相對固定的,19 F NMR 化學(xué)位移的不同主要是由于兩個非對映異構(gòu)體中羰基對19 F 的各向異性去屏蔽作用不同引起。通過比較(R)和(S)-MTPA 酯的19 F NMR 的化學(xué)位移值結(jié)合模型圖確定手性中心的絕對構(gòu)型。2.2 配糖位移效應(yīng)確定絕對構(gòu)型

應(yīng)用配糖位移效應(yīng)通過核磁共振可確定二級羥基絕對構(gòu)型,如運用13 C 的配糖位移效應(yīng)來測定仲醇的絕對構(gòu)型[6-7]。這種方法包括5 個步驟(13 CNMR 圖譜在吡啶里測定):測定仲醇的13 CNMR 圖譜;合成仲醇β-D-或α-D-葡萄吡喃配糖體;測定β-D-或α-D-葡萄吡喃配糖體的13 CNMR 圖譜;計算葡萄糖單元端基碳、仲醇α碳和兩個β碳的配糖位移;將已知絕對構(gòu)型的仲醇的配糖位移Δδ值總結(jié)列于表中,將計算的Δδ值與表中的配糖位移效應(yīng)比較,確定底物仲醇手性中心的絕對構(gòu)型。3 應(yīng)用核磁共振解析復(fù)雜化合物結(jié)構(gòu)

核磁共振技術(shù)是復(fù)雜化合物結(jié)構(gòu)解析最為主要的技術(shù)。利用該技術(shù)可以獲得化合物豐富的分子結(jié)構(gòu)信息,廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)解析。其近期技術(shù)革新主要在于以下幾個方面:探頭、線圈和核磁管相關(guān)技術(shù)、固相核磁新技術(shù)、核磁共振

[8]。在天然產(chǎn)物分析中,核磁共振儀的檢出限較其它波譜分析儀器為高,這對于產(chǎn)率較低的天然產(chǎn)物化合物來說無疑是一種瓶頸制約因素。所以,研究和發(fā)展新的核磁共振技術(shù)來降低檢出限就顯得尤為重要。除了提高有限的磁場強度外,更多集中在對核磁共振儀的探頭、線圈和核磁管等的改進。常規(guī)的5 mm 核磁管及相匹配的探頭、線圈在NMR 譜測定時所需樣品一般在mg 級以上。近年來逐步發(fā)展了微量核磁管及相匹配的探頭、線圈,使得樣品的檢出限大為降低,達到μg 級,甚至ng 級。有關(guān)探頭、線圈和核磁管相關(guān)技術(shù)的最新典型應(yīng)用是Rus2sell 等應(yīng)用3 mm 低溫探頭在500 MHz 核磁共振儀上測定了溶解在150μL 氘代苯中的40μg 士的寧的HSQC 譜,在相同的信噪比下比應(yīng)用傳統(tǒng)探頭下所需積分時間降低12—16倍[9 ]。此技術(shù)對于解析質(zhì)量和容積有限的復(fù)雜天然化合物樣品結(jié)構(gòu)具有非常大的優(yōu)點。4 核磁共振在有機合成反應(yīng)中的應(yīng)用

核磁共振技術(shù)在有機合成中不僅可對反應(yīng)物或產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)解析和構(gòu)型確定,在研究合成反應(yīng)中的電荷分布及其定位效應(yīng)、探討反應(yīng)機理等方面也有著廣泛應(yīng)用。

4.1 研究合成反應(yīng)中的電荷分布及其定位效應(yīng)

配合物中金屬離子與配體的相互作用強弱雖然可以用紫外光譜、紅外光譜、電化學(xué)等方法來研究和表征,但核磁共振譜能夠精細地表征出各個H 核或C 核的電荷分布狀況,通過研究配合物中金屬離子與配體的相互作用,從微觀層次上闡釋配合物的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。芳環(huán)上原子周圍的電子云密度大小可以通過化學(xué)位移值得到反映,芳環(huán)碳上的電子云密度大小又與其連接取代基的電子效應(yīng)有關(guān),取代基對苯環(huán)的影響為誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)的綜合。可以通過單取代苯的13 C 化學(xué)位移計算常見基團的誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)及電子效應(yīng),進而根據(jù)電子效應(yīng)強度值定量地表征定位效應(yīng)、定位規(guī)律和苯環(huán)的活化與鈍化[10 ]。4.2 推測反應(yīng)機理

有機合成反應(yīng)對反應(yīng)機理的研究主要是對其產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的研究和動力學(xué)數(shù)據(jù)的推測來實現(xiàn)的。1H NMR 可以由積分曲線得到總質(zhì)子數(shù)和部分質(zhì)子數(shù),以及由化學(xué)位移鑒別羧酸、醛、芳烴(有取代)烷基、鏈烷基的質(zhì)子和雜原子,斷定鄰接不飽和鍵等的甲基、亞甲基和次甲基的相關(guān)氫信息,從自旋2偶合討論鄰接基團, 或鑒別C1 至C4 的各種烷基結(jié)構(gòu);而13 C NMR 則可以確定碳數(shù),同時還可以從碳的偏共振去偶法確定鍵合于碳上的氫數(shù),以及鑒別SP3碳、SP2碳和羧基碳,并由羧基碳的化學(xué)位移等確定羰基碳的種類, 還可以確定甲基、芳基取代基的種類等獲得相關(guān)碳的雜化形式、碳的骨架等信息[11]。核磁共振技術(shù)在組合化學(xué)中的應(yīng)用

組合化學(xué)的飛速發(fā)展拓展了常規(guī)固相NMR 技術(shù)的空間,出現(xiàn)了新的超微量探頭。魔角自旋技術(shù)(magic angle spinning , MAS)的應(yīng)用和消除復(fù)雜高聚物核磁共振信號的脈沖序列技術(shù)的出現(xiàn),已經(jīng)可以保證獲得與液相NMR 相同質(zhì)量的圖譜。高通量NMR 技術(shù)已經(jīng)用于篩選組合合成的化合物庫,成為一種新的物理篩選方法。5.1 核磁共振在固相合成的應(yīng)用

固相合成的特征是以聚合樹脂為載體,載體與欲合成化合物之間連有官能團連接橋,欲合成分子通過連接橋逐步鍵合到樹脂上,最終產(chǎn)物通過特定的切割試劑切落下來。固相合成發(fā)展的一個主要障礙是缺少可以對反應(yīng)歷程進行實時監(jiān)測的簡單、快速、無破壞性的分析方法。核磁共振光譜法是鑒定有機化合物結(jié)構(gòu)的重要手段之一。但是,對于與固相載體相連的化合物來說,高聚物的流動性有限,載體上有

機分子的流動性也很有限,這都會使譜線變寬,分辨率下降。另外,載體骨架產(chǎn)生的背景信號會掩蓋化合物的信號峰,使之難以辨別。近年來,魔角自旋技術(shù)解決了這方面的困難,魔角自旋是指在偏離靜態(tài)磁場54.7°下旋轉(zhuǎn)樣品,這個角度能將偶極偶合平均到零,消除了因固體或非均相溶液中磁化率的不同和樣品表面以及邊緣磁化率的不連續(xù)性造成的譜線加寬。魔角自旋技術(shù)與一系列新技術(shù)在固相NMR 中的廣泛應(yīng)用,使譜圖分辨率和譜線質(zhì)量得到很大地提高。目前,已經(jīng)有多種固相NMR 技術(shù)應(yīng)用于合成研究中。如HR/ MAS-NMR 可以直接跟蹤固相有機合成反應(yīng),為快速優(yōu)化組合合成的化學(xué)反應(yīng)條件提供了一個新方法[12 ]。6 結(jié)束語

隨著科學(xué)的進步和現(xiàn)代儀器的發(fā)展,核磁共振技術(shù)的發(fā)展很快。通過與計算機科學(xué)的完美結(jié)合,核磁共振正在成為發(fā)展最迅猛、理論最嚴(yán)密、技術(shù)最先進、結(jié)果最可靠的一門獨立系統(tǒng)的分析學(xué)科[14] ,不僅應(yīng)用于化學(xué)學(xué)科各領(lǐng)域,而且廣泛滲透到自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用等各個方面,成為一個異常廣闊的譜學(xué)研究領(lǐng)域。參考文獻

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