2023年7月28日发(作者：)

计算机在化学中的应用

计算机化学是将计算机科学、数学应用于化学的一门新兴的交叉学科,是化学领域的一个重要分支。

计算机化学的英文叫法有多种,如Computers&Chemistry、Computers in

Chemistry及Computers on Chemistry。有时文献中亦会出现Computer

Chemistry,但应用较少。计算化学(Computational Chemistry)通常指分子力学及量子化学计算等,与计算机化学有较大区别。

计算机与化学的联姻始于60年代。其首先应用领域是分析化学。因为分析化学的最本征特征是借助于诸种手段收集数据及其数据处理。到了70年代,计算机化学得以突飞猛进的发展,几乎在化学的每一分支领域都结满了丰硕的成果。

当今的化学几乎无处不用计算机。计算机(包括数学)已是化学的重要工具,同时计算机化学作为一个学科分支也在迅速发展。本文拟就如下几个方面作一简单介绍。

一、数据库技术

数据库是计算机科学领域中70年代出现的新技术。化学中的许多数据库正是在70年代

历经了由起步、发展,直至成熟的过程。其中,最具代表性的是用于化合物结构解析的谱图数据库。目前,几乎所有的大型分析测试仪器均带有数据库及其检索系统。

各种谱学手段的广泛应用对当代有机化学的发展起到了很大促进作用,因为这些物理方法和手段使人们能较精确地了解化合物的结构。但是,谱图的解释是一较为繁琐,极为费时的工作。然而,随着计算机技术的发展极大地推进了这一领域的革新。

计算机辅助谱图解析方法可粗略地分为两大类:直接谱图库手段,即谱图检索，间接谱图库手段,包括波谱模拟、模式识别和人工智能。目前,应用最广泛的是谱图库检索。此处顺便提及:数据库,英文一般用database或databank表示,而数据库检索却常用librarysearching一词。所谓谱图库,目前用于结构解析的主要是指质谱、核磁谱和红外光谱。 二、有机化合物结构自动解析

该类研究属于人工智能的范畴。人工智能包括的范围很广,如定理证明、语音识别、对奕及专家系统等。对于化学领域,尤以专家系统研究的为最多。所谓专家系统即在规则(常称为知识库)的基础上,模拟专家演绎推理的过程,以得到专家水平的应答。在化学中,除结构解析以外,其它专家系统如分离科学、实验方案的最优设计、工业生产的流程控制及计算机辅助合成(见后)等。

世界上第一个专家系统诞生于化学领域,即美国斯坦福大学建造的DENDRAL系统。该系统利用低分辨质谱和核磁共振波谱来进行有机化合物的结构解析。这一系统的建造成功对整个人工智能领域产生了重要影响。

早年,专家系统主要建造在中、小型机以上的计算机上。后来出现工作站,但由于价格的昂贵使其应用受到限制。到了80年代中期,微机发展极为迅速。目前,世界上至少有60%的专家系统建立在微型计算机上。

作为软件,原则上任何一种计算机语言均可作为专家系统设计工具。但是,由于一般的高级语言字符处理能力较差,所以在选用上应首先选用人工智能语言,如LISP和PROLOG。

几十年来,在结构解析领域中涌现出一大批专家系统,除DENDRAL外,目前比较有影响的系统为CHEMICS(日本)、CASE(美国)、PAIRS(美国)等。在国内,从80年代初在作者的实验室中就开始了计算机自动结构解析的研究工作。并先后建造了含碳、氢、氧有机化合物结构阐明专家系统及含多种杂原子的结构阐明专家系统。

结构解析专家系统工作的逻辑过程为:

(1)由实验数据(如质谱、红外光谱和核磁共振谱等)或者化学信息(如分子式)出发,在知识库如子结构子光谱相关规则)作用下获得化合物中可能含有的结构片断集。

(2)在结构片断集的基础上,利用知识库(如诸多约束条件),经结构产生器(进行结构异构体穷举生成的程序部分)来作整体结构的对接,所生成的异构体常称为候选化合物。

(3)在波谱模拟、碳13谱峰信息、分子张力能计算、模式识别及人机交换信息作用下,进行候选化合物的验证。

三、计算机辅助化合物合成 有机化合物的合成最早开始于1895年,距今已非常久远。但是,计算机辅助合成还是近几十年的事。

计算机辅助合成系统在解决问题中,要用到人工智能技术及专家系统的知识,即计算机辅助合成系统为一专家系统。

1969年,美国哈佛大学的Corey和Wipke首先报道了他们的系统。之后,其他系统相继问世。现在,国际上该类系统已用于工业之中,特别是药物工业其应用尤为普遍。

四、分子设计

计算机辅助分子设计是计算机化学的前沿,目前已用于药物分子设计,蛋白质、核酸等生物大分子设计及材料科学,如高分子材料、无机材料和催化剂设计等。下边将侧重以药物分子设计为例进行介绍。

为分子设计近年来发展了很多种方法,其中,开展得尤为广泛的是定量结构活性/性质相关性(QSAR/QSPR)研究。这种方法的要点是由分子式结构出发来构造某种数学模型,然后运用这种模型去预测未知化合物的活性/性质,从而为新分子的设计提供理论依据。

五、化学计量学方法的研究及应用

化学计量学(Chemometrics)是将数学、统计学应用于化学的边缘学科。它是数学与化学之间的一座桥梁。

数学是自然科学的语言,它在化学中的地位和作用日益突出和重要。自70年代以来,随着计算机技术的迅速普及,数学和计算机科学在化学中应用日益广泛,于是化学计量学的方法和内容得到充实和发展,使化学计量学成为化学、生物化学、医学化学、环境化学及药物化学中信息处理的强有力手段。1974年,由美国的Kowalski和瑞典的Wold等发起,在美国华盛顿大学成立了国际化学计量学学会,开展了一系列学术交流活动,推动了化学计量学的迅速发展。从1982年起,在美国分析化学杂志(.)两年一度的评论中开辟了Chemomet-rics专题。一些年来,国内国外都不断有化学计量学方面的专著问世。

化学计量学是建立在多学科基础上的横向学科。反过来,它在多种学科中的应用也在逐年迅速增加。1994年的.中化学计量学专题评论,仅计算机检索(事实证明漏检很多),有关文章已多达20000篇,而1996年度又增至25000篇。化学计量学在化学学科的发展中起着越来越大的作用。化学计量学主要包括:

(1)统计学(statistics)

(2)最优化(optimization)

(3)信号处理(signalprocessing)

(4)分解(resolution)

(5)校正(calibration)

(6)参数测定(parameterestimation)

(7)模式识别(patternrecognition)

在化学中,主要用于化合物的分类。经典的方法如聚类分析、PCA、KNN、SIMCA及逐步判别分析(SDA)等。目前,人工神经网作为模式识别器在诸多应用中均获良好结果。

七、计算机辅助化学教学的应用

教学思想上要有意识地培养学生创新思维，只有思想上有这种意识。培养学生的创新思维才会贯穿于教学中，也才能真正的、最大程度的达到培养学生创新思维的目的。如果思想上没有这种意的主导作用。就是要打破“师讲生听”接受式的课堂教学模式，让学生成为教学活动的主体，在教师的组织、引导下实现信息的主动获取和知识意义的主动建构。一般的过程是老师或某一个小组提出课程内容的具体要求：各小组依次对学习内容发表见解，提问或发表自己的看法；由老师或小组负责人进行总结：最后由老师评价，评价包括学生对知识的掌握程度、运用知识解决新问题的能力以及学生在活动中的表现等。

在这个过程中教师要注意多褒奖，不贬低，对学生答错的问题，要认真点拨、启发、诱导，对有创新的见解要给予充分的肯定、热情地赞扬。教师与学生的会话交流的形式是多种多样的，直接间接的，间接的如利用网络平台进行的讨论等；无形有形的．有形的如体态语等；有声无声的，无声的如作业批语等；实时和非实时的，非实时的如利用E—mail、BBS等。但不管哪种形式，都要特别关注教师给予指导和学生予以反应类的交流活动。

八、结论

本文介绍了计算机化学中的主要内容。作为数据库检索,由于起步较早,发展得已比较成熟。目前,在大型分析测试仪器(如MS、IR、NMR等)中,数据库已成为其重要的组成部分。结构解析的人工智能研究,尽管起步较早,但是鉴于问题的复杂性和难度,至今尚在发展中。目前研究的焦点集中在多维波谱的应用上。计算机辅助合成在国外已有许多商用系统,但国内开展还极少,亟需加强。

参 考 文 献

1 许禄. 化学计量学方法. 科学出版社, 北京: 1995

2 许禄, 郭传杰. 计算机化学方法及应用. 化学工业出版社, 1990

3 许禄,胡昌玉,计算机化学,中国科学院长春应用化学研究所 1998

4 黄德海,浅谈计算机辅助化学教学的应用，广东省始兴县始兴中学，2004