计算机化学(Computer chemistry)是应用计算机研究化学反应和物质变化的科学。它以计算机为技术手段,建立化学化工信息资源化和智能化处理的理论和方法,研究的主体是创造新物质和认识反应、控制反应过程和创造新反应的新过程。
1 计算机化学的诞生、特点和研究方法
60年代末随着计算机在工业化国家的普及,为人类探索化学物质的奥秘打开了新的大门,计算机化学也因此而应运而生了。计算机化学是化学与数学、计算机科学、物理学、药物学、材料科学等学科高度交叉、相互渗透的新的生长点,是许多实用技术的基础,并深受当今计算机与网络通讯技术飞速发展的影响,而处在迅速发展和不断演变之中。计算机化学的这一特点决定了它在现代化学中,是要帮助现代化学家在研究方法和化工产品生产方式上不断革新。是绿色化学和化工的基础。因此,计算机化学对现代化学学科发展的促进作用不可低估,没有它的发展就没有现代化学。
计算机化学作为一门独立的学科有其独特的解决问题的方法。它可分为面向信息的(Information oriented)和面向逻辑的(Logic oriented)两类。前者是经验性的,对已知信息检索来解决问题,实现知识创新,因此,这一类方法开始得较早,也极为成功,突出的实例是各种化学信息系统(数据库)的建立和广泛使用。后者非经验性的,基于严格的数学结构和逻辑推理来实现知识创新,但化学中可以转化为能有效地应用计算机来解决形式数学(Formal mathematics)的问题还不多,绝大多数化学知识的信息量大,又多是经验和各种数据类型相混杂。化学仍然是需要化学家的经验和直觉的科学,它的这一特性阻碍了用计算机解决化学问题的进一步深入和发展。
2 我国计算机化学的研究领域、取得的成果
我国在开展计算机化学研究之初,就积极瞄准学科新前沿,开拓新的研究领域。
(1)追赶国际先进水平,培养人才。这一阶段计算机化学的研究工作卓有成效地缩短了我国计算机化学与国外的差距,确立了在国际计算机化学界的地位。例如:上海有机化学研究所钱诚倡导的化学结构处理方法研究二维结构的算法显示、环系统对称性识别和特征分析等国际先进水平的成果;袁身刚开创的计算机辅助结构一性质关系研究系统是后来计算机辅助分子设计系统的基础。
(2)注重发挥计算机化学独立学科的作用,逐渐形成了自己的学术特点,提出了我国计算机化学应该围绕解决化学的三类永久性问题而发展,解决问题的方法应尽早由我们已经习惯了的面向信息的(Information oriented)方法转向面向逻辑的(109ic oriented)方法。在此过程中要解决的问题有三类:结构确定(Identification of Chemical Structure)、分子设计(Molecular Modeling)和合成设计(synthesis Design)。
(3)计算机化学取得了一系列令人瞩目的成果。以化学结构的2D/3D处理技术的研究为主干线。比较重要的成果有:基于二维核磁共振的结构解析系统等。基于2D NMR的结构解析系统CISOC-SES、三维分子结构检索系统CISOC-ST3D、碳-13核磁共振谱图模拟系统CISOC-SSCNMR、计算机辅助分子设计系统CISOC-CAMD。这些研究成果的完成表明了在诸多理论领域,如图论及其应用、数据库技术、人工智能方法和图示学等方面所开展的一系列创新研究已取得了重大突破;满足了我国医药、农药和精细化学品工业对这些技术日益增长的需要,从而为提高我国的综合竞争力作出了贡献。
十多年前化学家使用计算机的还不多,而现在已十分普及;十多年前对化学计算的要求主要是在化学信息的采集、加工储存和利用上,而如今除了以上的基本要求之外,更强调了由化学信息发现新知识和化合物物性的定量预测。计算机网络技术的飞速发展与普及,对计算机化学来说是一个发展的机遇,而愈来愈高的计算要求是计算机化学发展面临的新挑战。
3 计算机化学软件、化学数据库简介
长期以来,人们不仅希望能定性的掌握而且希望能定量的了解化学学科的规律;而计算机的能力及相关技术的高速发展,正在帮助人们一步一步的实现这个愿望。从理论化学的计算、图谱解析、化学计量学、化学过程模拟、热力学的复杂计算,都在计算机的帮助下得到了很大的发展。计算机在化学研究中的应用一般可分为四个方面,即:计算机与计算化学、计算机与应用化学、计算机与化学工程、化学数据库与专家系统。
（1)ChemLab套装软件:该软件系统涉及了化学的广泛领域,可用于结构检索、自动命名、波谱模拟、结构解析、物性计算,还可以进行分子设计。
(2)计算机辅助合成设计系统(CISOC-RetroSyn):该系统利用反应知识,对提供的化合物进行分析,提供用于合成该化合物的一组可能的合成路线,为新化合物的合成提供了辅助工具。
(3)化学反应知识获取系统(CISOC—ASRK):该系统可以对收集的有机化学反应数据,并以反应中心模式的分类规则对反应数据进行分类,最终可获得用于指导新化合物合成路线设计的反应知识。
(4)虚拟化合物结构生成系统(CLSOC—VCSG):该系统是由用户输入骨架结构,计算机通过自动选择取代基、结构片段的组合组装以及结构唯一性判别等操作后得到用户期望的结构。用于计算机辅助分子设计的虚拟活性化合物的生成、药库的建立和虚拟筛选等,是发现新的活性先导化合物的一个有力工具。
(5)红外波谱模拟(IR Spectral Simulation):用于对有机化合物的红外谱进行模拟的软件。
此外还有:未开发化合物(Uncultivated Compounds),结构解析(Structure Elucidation),反应数据库(Reaction Database),同类反应知识库(Generic Reaction Knowledge Base)。
4 小结与展望
今天,计算机化学和计算化学的结合已开始孕育一个新的更带数字化色彩的学科方向——模型化学(Model Chemistry);基于web技术的化学应用软件已露峥嵘。这些都表明化学的严密化进程正在加快。扑面而来的虚拟化学实验室就将推动这一进程。
实际上计算机化学覆盖的面还要广得多,比较公认的研究领域至少有:(1)化学数据挖掘(Data mining);(2)化学结构与化学反应的计算机处理技术;(3)计算机辅助分子设计;(4)计算机辅助合成路线设计;(5)计算机辅助化学过程综合与开发;(6)化学中的人工智能方法等。因此,在今后的一段时期内,计算机辅助结构解析、分子设计和合成路线设计将是计算机化学的主题。
参考文献
[1]袁身刚．化学知识创新的尖兵—— 计算机化学[J]．世界科技研究与发展,1998:117～120．
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