Annual Reports in Computational Chemistry pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Spellmeyer, David C. 编

出品人:

页数:263

译者:

出版时间:2005-3

价格:$ 272.33

装帧:HRD

isbn号码:9780444519160

丛书系列:

图书标签:

Computational Chemistry
Annual Reports
Theoretical Chemistry
Molecular Modeling
Quantum Chemistry
Chemical Physics
Computational Methods
Reviews
Science
Chemistry

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具体描述

"Annual Reports in Computational Chemistry" is a new periodical providing timely and critical reviews of important topics in computational chemistry as applied to all chemical disciplines. Topics covered include quantum chemistry, molecular mechanics, force fields, chemical education, and applications in academic and industrial settings. Each volume is organized into (thematic) sections with contributions written by experts. Focusing on the most recent literature and advances in the field, each article covers a specific topic of importance to computational chemists. "Annual Reports in Computational Chemistry" is a 'must' for researchers and students wishing to stay up-to-date on current developments in computational chemistry. It provides broad coverage of computational chemistry and up-to-date information. The topics covered include quantum chemistry, molecular mechanics, force fields, chemical education, and applications in academic and industrial settings. Each chapter reviews the most recent literature on a specific topic of interest to computational chemists.

结构化学与分子模拟：从基础理论到前沿应用图书简介本书旨在为结构化学、计算化学以及相关领域的研究人员、高级本科生和研究生提供一本全面、深入的教材与参考手册。它系统地梳理了现代计算化学的理论基础，涵盖了从量子力学基础到分子动力学模拟的广泛主题，并重点探讨了这些工具在解决复杂化学、材料科学及生物物理学问题中的实际应用。本书结构严谨，内容组织遵循从微观到宏观、从理论到实践的逻辑链条。全书共分为七大部分，共二十章，力求在保证理论深度和计算严谨性的同时，突出其实际操作性和前瞻性。 --- 第一部分：量子化学基础与基组理论 (Quantum Chemistry Fundamentals and Basis Set Theory) 本部分构建了整个计算化学大厦的理论基石。我们将从薛定谔方程的非相对论形式出发，详细探讨其在多电子体系中的应用所面临的挑战。第一章：电子结构理论的数学基础本章深入探讨了变分原理、线性组合的原子轨道（LCAO）方法，并详细解析了哈密顿量在分子体系中的构建。重点讲解了著名的Hartree-Fock（HF）方法，包括其方程的迭代求解过程、自洽场（SCF）的概念及其收敛性问题。此外，我们还将引入密度矩阵重整化群（DMRG）等前沿方法在处理强关联体系中的初步概念。第二章：超越Hartree-Fock：电子相关性的引入 HF方法由于忽略了电子之间的瞬时相互作用而存在系统性的误差。本章聚焦于如何修正这些误差。我们将详细阐述微扰理论（Møller-Plesset，MPn方法，如MP2, MP4）的推导和应用范围。随后，重点介绍耦合簇（Coupled Cluster, CC）方法，尤其是CCSD(T)作为“黄金标准”的地位，以及其计算成本的来源。对于涉及大分子的体系，本章还将介绍Møller-Plesset方法在不同截断水平下的适用性分析。第三章：基组理论与计算效率基组的选择直接决定了计算的精度和成本。本章系统地分类和比较了高斯型函数（GTOs）的特性，包括Slater型函数（STOs）的替代优势。我们将详细讨论各类基组的构建策略，如分裂价层（Split-Valence）、极化函数（Polarization Functions）和弥散函数（Diffuse Functions）的引入意义。此外，如何评估基组超限（Basis Set Superposition Error, BSSE）以及在进行几何优化和频率计算时应选择的基组级别，也将作为本章的实践重点。 --- 第二部分：密度泛函理论 (Density Functional Theory, DFT) DFT是现代计算化学中最常用、最成功的工具之一。本部分将详尽介绍其理论框架、实际应用中的挑战与解决方案。第四章：DFT的核心原理与HK定理本章从 Hohenberg-Kohn 定理出发，推导出 Kohn-Sham 方程。我们将深入探讨泛函的构建——即交换关联泛函（Exchange-Correlation Functional）的分类：局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA，如PBE, BLYP）、以及元GGA（Meta-GGA）和混合泛函（Hybrid Functionals，如B3LYP, PBE0）。第五章：泛函的选择与性能评估选择合适的泛函是DFT成功的关键。本章通过大量案例研究，对比了不同泛函在预测键能、反应能垒、分子光谱和晶格常数方面的优劣。特别关注了处理范德华（van der Waals, vdW）相互作用的必要性（如DFT-D3, vdW-DF方法），以及在半导体和过渡金属氧化物体系中，如何利用Hubbard参数（U）修正d/f电子的局部自相互作用误差。 --- 第三部分：分子结构、能量与振动分析本部分侧重于利用量子化学计算的结果来推导结构化学的核心信息。第六章：几何优化与能量最小化详细介绍基于梯度和Hessian矩阵的优化算法，如Steepest Descent, Newton-Raphson及其准牛顿法（BFGS, D-F-P）。重点讲解如何有效地处理鞍点问题，并分析收敛标准对最终结构稳定性的影响。第七章：频率分析与热力学本章解释了如何通过二阶导数矩阵（Hessian）计算分子的振动模式。区分零点能（ZPE）的意义，并展示如何利用计算得到的频率数据来校正热力学量（焓、熵、吉布斯自由能）。此外，还讨论了如何通过计算虚频来确认过渡态结构。第八章：激发态计算与光谱预测超越基态，本章介绍了处理电子激发态的理论方法，包括时间依赖性密度泛函理论（TD-DFT）和从头算激发态方法（如EOM-CC）。重点阐述如何预测紫外-可见吸收光谱、荧光寿命以及圆二色谱（CD）。 --- 第四部分：分子动力学模拟 (Molecular Dynamics, MD) 分子动力学提供了一个随时间演化的视角，是研究凝聚态、软物质和生物大分子的核心工具。第九章：经典分子动力学的理论框架本章从牛顿运动方程出发，介绍Verlet积分算法及其变体（如Velocity Verlet）。详细讨论了在模拟中如何保持体系的恒定条件：NVE、NVT（采用Langevin或速度重标度算法）和NPT系综（采用Berendsen或Parrinello-Rahman耦合器）。第十章：力场（Force Fields）的构建与应用力场是经典MD的灵魂。本章分类介绍各种经验力场的组成部分：键合项（伸缩、弯曲、扭转）、非键合项（范德华、静电相互作用）。深入分析常见的力场类型（如AMBER, CHARMM, OPLS）及其在蛋白质、脂质双层等体系中的参数化策略。第十一章：处理长时间尺度问题 MD模拟的局限性在于时间尺度。本章介绍提高采样效率的高级算法，如元动力学（Metadynamics）、伞形采样（Umbrella Sampling）及其用于计算反应自由能的路径积分方法（如WHAM）。 --- 第五部分：环境效应与溶剂模型真实化学过程大多发生在溶剂或复杂界面中。本部分聚焦于如何量化环境的影响。第十二章：溶剂化效应的理论描述系统介绍处理溶剂化问题的两大类模型：显式溶剂模型（Explicit Solvent）和隐式溶剂模型（Implicit Solvent）。重点解析连续介质模型（如PCM, COSMO, IEF-PCM）的物理假设、数学形式以及其在计算反应活化能中的应用。第十三章：QM/MM 耦合模拟当反应中心（如酶活性位点）需要高精度量子化学描述，而周围环境（如蛋白质大分子）可以用经典力场描述时，QM/MM方法成为桥梁。本章详细介绍QM/MM的耦合点、相互作用势的定义，并展示其在模拟酶催化机理中的强大威力。 --- 第六部分：先进计算技术与大数据处理本部分面向高通量计算和机器学习在化学中的融合趋势。第十四章：自由能微扰与热力学积分精确计算溶解能、结合自由能或反应自由能的理论方法。详细推导和比较自由能微扰（FEP）理论和热力学积分（TI）公式，以及它们在处理相变和溶解过程中的差异与优势。第十五章：高通量计算与自动化流程介绍如何利用脚本语言（如Python）和任务管理系统（如SLURM）构建自动化工作流，实现对大量分子或晶体的结构筛选和性质预测。讨论如何设计高效的参数扫描和敏感性分析。第十六章：机器学习在化学中的应用介绍如何利用分子描述符（如原子电荷、拓扑指数）构建训练集，应用机器学习（ML）模型预测分子性质。重点关注神经元网络和高斯过程回归在快速势能面构建中的潜力，以及如何利用势能网络（Neural Network Potentials）实现媲美量子化学的精度与分子动力学的速度。 --- 第七部分：特定领域的应用案例本部分通过具体的科研实例，展示前述工具的集成应用。第十七章：催化剂设计与表面化学应用DFT计算非均相催化剂表面的吸附能、覆盖度效应及反应路径。重点分析多相催化中金属-载体相互作用的电子结构解析。第十八章：药物发现中的分子对接与动力学结合分子对接（Docking）的快速筛选和分子动力学模拟的精确验证，阐述如何评估小分子配体与靶蛋白的结合亲和力，包括计算结合自由能的量化方法。第十九章：材料科学中的缺陷工程利用周期性边界条件的DFT方法，精确计算晶格缺陷（如空位、间隙原子、位错）的形成能、迁移势垒及其对材料电学和力学性质的影响。第二十章：复杂体系的势能面探索针对具有多个稳定构象或复杂转子运动的体系（如大分子柔性构象、有机固态结构），介绍如何结合统计热力学和MD模拟，系统性地映射和描述其多维势能面。 --- 本书的编写风格力求清晰、逻辑性强，避免使用过于晦涩的术语解释，并在关键公式推导后提供直观的物理图像。每章末尾均附有“进阶阅读推荐”和“关键计算步骤”指南，确保读者不仅理解理论，还能将其转化为实际的计算结果。