《分子电子结构》研究生课程教学资源（Electronic Structure of Molecules）Lecture 1 is the introduction to the course

幻灯片6Coursegoals1. Understand the capabilities, limitations, and reliabilityof various molecularmodeling methods (esp.electronicstructure calculations);:Provide somebackgroundon thetheoreticalandcomputational methods used in molecular modeling2.Providehands-onexperiencewithbasic molecularmodelingtechniques;Gaussian16andGaussview6·3.Graspgeneralstrategyforconductingcomputationalchemistry research课程目的1、了解计算化学方法，【特别是电子结构计算】的能力、局限性和可靠性理解技术背后的基本的理论方法；2、掌握基本、实用的计算技术；Gaussian16和Gaussview6高斯是一种通用度很高的计算软件，可视化部分是GV；我们用的是windows版16的A版，实际是2016年的产品，虽然也有五六年了，但是还是很多文献的主要计算工具。3、知道如何开展计算化学的研究，能够根据实际情况设计相关的计算

幻灯片 6 Course goals 6 1. Understand the capabilities, limitations, and reliability of various molecular modeling methods (esp. electronic structure calculations); • Provide some background on the theoretical and computational methods used in molecular modeling 2. Provide hands-on experience with basic molecular modeling techniques; • Gaussian 16 and Gaussview 6 3. Grasp general strategy for conducting computational chemistry research 课程目的 1、了解计算化学方法，【特别是电子结构计算】的能力、局限性和可靠性； 理解技术背后的基本的理论方法； 2、掌握基本、实用的计算技术； Gaussian 16 和 Gaussview 6 高斯是一种通用度很高的计算软件，可视化部分是GV；我们用的是 windows版16的A版，实际是2016年的产品，虽然也有五六年了，但是还 是很多文献的主要计算工具。 3、知道如何开展计算化学的研究,能够根据实际情况设计相关的计算

幻灯片7Shiftof researchparadigm·1998 Nobel Prize in Chemistry with one half toProfessorJOHNA.POPLE:Poplehasdevelopedquantumchemistryintoatoolthat canbeused bythegeneral chemistand hastherebybroughtchemistryintoanewerawhereexperimentandtheorycanworktogetherintheexplorationof thepropertiesofmolecularsystems.Chemistryisnolongerapurelyexperimental scienceInotherwords,theory/computation/simulationhasbecomeexperiment insilico;·Not only for chemistry:physics,materials science,chemicalengineering,biology...科学研究范式的变化很久很久以前，即1998年，各位的出生年？1、这是诺贝尔网站的一段话。瑞典皇家科学院把1998年的诺贝尔化学奖的一半颁给了P教授，因为他将量子化学发展成普通化学工作者都能使用的工具，使化学进入了新的时期，理论和实验化学可以配合共同探索分子系统。化学不再是纯的实验科学了。我们将使用的高斯就是他和他的学生的作品。而且现在几种主要的电子结构计算软件（GAMESS；Q-Chem；NWChem..）也是他和他的学生们开发的。2、另外一半诺奖给了ProfessorWALTERKOHN,UniversityofCaliforniaatSantaBarbara，California，USA.Kohn教授开拓了另一派计算方法，密度泛函理论DFT。3、【板书：insilico在硅中->在电脑中->电脑模拟(invivo在活体内，invitro在活体外，insitu原位，operando在实际操作条件下】

幻灯片 7 7 Shift of research paradigm • 1998 Nobel Prize in Chemistry with one half to Professor JOHN A. POPLE • Pople has developed quantum chemistry into a tool that can be used by the general chemist and has thereby brought chemistry into a new era where experiment and theory can work together in the exploration of the properties of molecular systems. Chemistry is no longer a purely experimental science. • In other words, theory/computation/simulation has become experiment in silico; • Not only for chemistry: physics, materials science, chemical engineering, biology . 科学研究范式的变化 很久很久以前，即1998年，各位的出生年？ 1、这是诺贝尔网站的一段话。 瑞典皇家科学院把1998年的诺贝尔化学奖的一半颁给了P教授，因为他将量子化 学发展成普通化学工作者都能使用的工具，使化学进入了新的时期，理论和实 验化学可以配合共同探索分子系统。化学不再是纯的实验科学了。 我们将使用的高斯就是他和他的学生的作品。而且现在几种主要的电子结构计 算软件（GAMESS；Q-Chem；NWChem.）也是他和他的学生们开发的。 2、另外一半诺奖给了Professor WALTER KOHN, University of California at Santa Barbara, California, USA. Kohn教授开拓了另一派计算方法，密度泛函理论DFT。 3、【板书：in silico在硅中->在电脑中->电脑模拟 (in vivo在活体内, in vitro在活体 外, in situ原位，operando在实际操作条件下)】

幻灯片8Nobel prizes fortheoretical/computational chemistry:RobertS.Mulliken1966"forhisfundamental work concerningchemical bondsandtheelectronicstructureofmoleculesbythemolecularorbitalmethod":KenichiFukuiandRoaldHoffmann1981"fortheirtheories,concerningthecourseofchemicalreactionsWalterKohnand JohnPople1998"fortheir developments of density-functional theoryandcomputationalmethodsinquantumchemistryMartinKarplus,Michael Levitt,andAriehWarshel2013"forthedevelopmentofmultiscalemodels forcomplexchemicalsystems与理论、计算化学相关的诺贝尔奖当然再早的还有LinusPauling或者更早的还有发展量子力学的一票人。1、Mulliken的【板书：分子轨道】方法已经是目前解决计算化学、计算材料学和计算物理的总的通用方法“Themoreaccuratethecalculationsbecome,themoretheconceptstendtovanishintothinairMulliken,R.S.J.Chem.PhyS.,43,S2(1965)2、前线轨道理论【板书：前线轨道理论frontierorbitals】解释反应活性、选择性等问题。福井谦一【板书：《图解量子化学(illustratedquantumchemistry)》】。TheWoodward-Hoffmannrules(orthepericyclic周环反应selectionrulesrationalizeorpredictcertainaspectsofthe stereochemical outcomeandactivationenergy of pericyclic reactions。【板书：Hoffmann的SolidsandSurfaces：AChemistsviewofbondinginextendedstructures】。3、计算理论转变为计算方法和软件Pople->Gaussiansoftware和QchemHohenberg-Kohn和Kohn-Sham理论是所有密度泛函理论dft方法的理论基础。4、跨尺度大规模的计算方法和软件Karplus哈佛的老教师，MD创始人之一，代表作品CHARMM，其徒弟包括再传徒孙基本上垄断了美国MD领域；Levitt斯坦福老师，最早用MD做DNA折叠；Warshel南加大老师，最早实现QM/MM，爱与人论战基本概念

幻灯片 8 8 Nobel prizes for theoretical/computational chemistry • Robert S. Mulliken 1966 “for his fundamental work concerning chemical bonds and the electronic structure of molecules by the molecular orbital method” • Kenichi Fukui and Roald Hoffmann 1981 “for their theories, concerning the course of chemical reactions” • Walter Kohn and John Pople 1998 “for their developments of density-functional theory and computational methods in quantum chemistry” • Martin Karplus, Michael Levitt, and Arieh Warshel 2013 “for the development of multiscale models for complex chemical systems” 与理论、计算化学相关的诺贝尔奖 当然再早的还有Linus Pauling或者更早的还有发展量子力学的一票人。 1、Mulliken的【板书：分子轨道】方法已经是目前解决计算化学、计算材料学 和计算物理的总的通用方法 “The more accurate the calculations become, the more the concepts tend to vanish into thin air” Mulliken, R. S. J. Chem. Phys., 43, S2(1965). 2、前线轨道理论【板书：前线轨道理论frontier orbitals】解释反应活性、选择 性等问题。 福井谦一【板书：《图解量子化学(illustrated quantum chemistry)》】。 The Woodward–Hoffmann rules (or the pericyclic 周环反应 selection rules rationalize or predict certain aspects of the stereochemical outcome and activation energy of pericyclic reactions。 【板书：Hoffmann的Solids and Surfaces：A Chemist’s view of bonding in extended structures】。 3、计算理论转变为计算方法和软件 Pople->Gaussian software和Qchem； Hohenberg–Kohn和Kohn-Sham理论是所有密 度泛函理论dft方法的理论基础。 4、跨尺度大规模的计算方法和软件 Karplus哈佛的老教师，MD创始人之一，代表作品CHARMM，其徒弟包括再传徒 孙基本上垄断了美国MD领域； Levitt斯坦福老师，最早用MD做DNA折叠； Warshel南加大老师，最早实现QM/MM, 爱与人论战基本概念

5、这里面Hoffmann、Kohn、Levitt、Warshel都是犹太人！其父辈或者自己曾在德国或附近生活过，都在美英服务

5、这里面Hoffmann 、Kohn 、Levitt、Warshel 都是犹太人！其父辈或者自己 曾在德国或附近生活过，都在美英服务

幻灯片9Anexemplarydisputeofmodelslowbarrierhydrogen bondlied 2013)nOn Catalytic Preorganization inOxyanionHoles:HighlightingtheProblemswiththeGas-PhaseModeling2.minimal gas phase modelsof Oxyanion Holes and IllustratingtheNeedforCompleteEnzymeModels3.reactantstatedestabilizationShina C. L. Kamerlin,Zhen T. Chu, and A. Warshel重点批划对象）J.Org.Chem.2010,75,63916401knelalanahsissin1971)ozyme model-contradicticsofthefirstlawofthermodynamics"onsTrutiar, D. G (Wis-Mason刚才提到Warshel喜欢辩论，那我现在举一个科研他论战的例子。主要反映了做计算模拟的人们对各种模型的认同差异带来的争议。Warshel的一篇JOC文章点名或者点文章的批判了，据我不完全统计，20个领域内的知名、著名人物。这篇文章的大意是说带负电的氧原子会通过氢键导致周围的催化酶的结构进行重新组织，主要是强调【气态模型】不能处理这个问题，需要【酶的全模型】。1、LBHB，批判超短氢键【O.H-O2.8A】这一概念,认为其是伪科学概念，现在还有争论；e.g.Low-barrierhydrogen bonds inenzymecooperativityNaturevolume573,pages609-613(2019)However, since their initial proposal, the contribution of LBHBs to enzyme catalysis-and eventheirmere existence-has been under debate.2、气态模型的问题3、讨论是稳定反应物还是稳定过渡态4、对别人的对酶的简化模型也不够满意5、直接指出有人违背了热力学第一定律，该定律是能量守恒定律

幻灯片 9 1. low barrier hydrogen bond W. Wallace Cleland (Wisconsin-Madison, old opponent died 2013), Perry A. Frey(Wisconsin-Madison), John A Gerlt (UIUC), Christopher J. Halkides (North Carolina Wilmington), Christopher J. Murray (U of Washington), Mildvan, A. S. (Johns Hopkins) , Kim KS (Pohang University of Science and Technology), Bruice TC (UC at Santa Barbara) 2. minimal gas phase models Michael A. McAllister (University of North Texas, Denton) Herschlag, D. (Stanford) 3. reactant state destabilization Goodman, J. M (Cambridge，重点批判对象) Broadwith, P (Science correspondent) Gao J (Wisconsin-Madison) Mo Y (Western Michigan U) Tina L. Amyes (SUNY Buffalo) [lack of " logical analysis"] Jencks, W. P (died 2007, National Academy of Sciences in 1971) 4. simplified theozyme model Houk KN (UCLA), Baker D (U of Washington), Stoddard, B. L.(UCLA); 5. "contradictions of the first law of thermodynamics" Gao J (Wisconsin-Madison) Truhlar, D. G (Wisconsin-Madison) 9 An exemplary dispute of models On Catalytic Preorganization in Oxyanion Holes: Highlighting the Problems with the Gas-Phase Modeling of Oxyanion Holes and Illustrating the Need for Complete Enzyme Models Shina C. L. Kamerlin, Zhen T. Chu, and A. Warshel J. Org. Chem. 2010, 75, 6391–6401 刚才提到Warshel喜欢辩论，那我现在举一个科研他论战的例子。主要反映了做 计算模拟的人们对各种模型的认同差异带来的争议。 Warshel的一篇JOC文章点名或者点文章的批判了，据我不完全统计，20个领域 内的知名、著名人物。这篇文章的大意是说带负电的氧原子会通过氢键导致周 围的催化酶的结构进行重新组织，主要是强调【气态模型】不能处理这个问 题，需要【酶的全模型】。 1、LBHB，批判超短氢键【O.H-O 2.8 A】这一概念,认为其是伪科学概念，现 在还有争论； e.g. Low-barrier hydrogen bonds in enzyme cooperativity Nature volume 573, pages609–613(2019) However, since their initial proposal, the contribution of LBHBs to enzyme catalysis— and even their mere existence—has been under debate. 2、气态模型的问题 3、讨论是稳定反应物还是稳定过渡态 4、对别人的对酶的简化模型也不够满意 5、直接指出有人违背了热力学第一定律，该定律是能量守恒定律