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中国学科发展战略·理论与计算化学 
定 价：168 元 丛书名：中国学科发展战略
9 7 4 8 8 7 9 0 1 3 9 0 7 读者对象:本书适用于高层次管理专家 
中国学科发展战略丛书以中国科学院学部开展的"中国科学院学部学科发展战略研究项目"的研究成果为基础，由以院士为主体、众多专家参与的学科发展战略研究组经过深入调查和广泛研讨共同完成，旨在系统分析有关学科的发展态势和规律，提炼关键学科理论和技术问题，提出学科创新发展的新思想和新方法，并为学科的均衡发展提供政策和措施建议。《中国学科发展战略·理论与计算化学》系统梳理了理论与计算化学的学科发展历程，总结了学科发展规律和内在逻辑，前瞻了学科中长期发展趋势，同时面向我国现代化建设的长远战略需求，提炼出学科前沿的重大科学问题和符合中国发展需求的新问题和重大战略方向。
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适读人群 ：本书可供高层次管理专家做战略决策时参考，也可供研究生和有关科研人员阅读，有助于深化对学科发展趋势、发展前景的认识以及了解关键科学问题和前沿领域的重点方向。
学科发展战略研究工作沿袭了由中科院院士牵头的方式，并凝聚相关领域专家学者共同开展研究。他们秉承“知行合一”的理念，将深刻的洞察力和严谨的工作作风结合起来，潜心研究，求真唯实，“知之真切笃实处即是行，行之明觉精察处即是知”。他们精益求精，“止于至善”，“皆当至于至善之地而不迁”，力求尽善尽美，以获取集体智慧。他们在中国基础研究从与发达国家“总量并行”到“贡献并行”再到“源头并行”的升级发展过程中，脚踏实地，拾级而上，纵观全局，极目迥望。他们站在巨人肩上，立于科学前沿，为中国乃至世界的学科发展指出可能的生长点和新方向。
前言
早期化学研究主要依靠实验探索，被看成是纯实验科学。20世纪前后到60年代，化学家运用物理理论处理化学问题，极大地推动了化学的发展。70年代以后，借助计算机能力的快速提高,理论与计算化学如虎添翼，迅速发展。2013年，诺贝尔化学奖颁奖通告中说“如今对化学家来说，电脑同试管一样重要”。从1954年到2014年,诺贝尔化学奖14次授予理论与计算化学，凸显出理论与计算化学研究在推动化学发展中的重要作用。当前化学正从纯实验科学转向依靠“实验、计算、理论”协同推动前进的科学,进入发展的新阶段。理论与计算化学处于蓬勃发展时期，制订正确发展战略、建立合理资助机制和采取必要政策措施促进其发展，不但对加速我国这一学科本身的发展有重要作用，对推动化学整体以及材料科学、生命科学等相关学科的发展也有重要意义。 国家自然科学基金委员会中国科学院学科发展战略研究工作联合领导小组设立“理论与计算化学发展战略研究”项目，委托我主持。项目组由13人组成，根据理论与计算化学的内涵和发展现状，设五个专题，每个专题包含若干主题，邀请国内相关领域优秀中青年专家参加学科发展战略研究工作。 各专题在有关主题负责人认真调研文献的基础上举行了专题学术研讨会。除专题和主题负责人外,还邀请了项目组外的若干专家参加。电子结构理论与计算方法专题邀请向涛、马玉臣、任新国、文振翼、曹泽星、戴希、罗洪刚等；化学中的统计力学专题邀请周昕、徐莉梅、高靓辉等；微观反应机理和反应动态学专题邀请方亚辉；材料科学中的问题专题邀请张振宇、龚新高、郭万林等；生命科学与药物化学中的问题专题邀请肖奕、陈敏伯、季长鸽、朱通、李国辉、杨忠志、何晓等。各专题学术研讨会后，项目组进行全面总结。 为听取更多同行专家的意见，集思广益，项目组2014年6月在太原协助国家自然科学基金委员会化学科学部组织“理论与计算化学发展战略座谈会”，共三十多名出席第十二届全国量子化学学术会议的国内外专家参加了座谈会，包括胡培君、罗毅、林振阳、郑原忠、莫亦荣等专家。会上，十多人就理论与计算化学发展战略问题发表意见并提出具体建议。2014年8月，项目组和李灿科研组在大连联合举办“太阳能光催化实验理论研讨会”,讨论光催化反应领域理论计算和实验研究中的问题，探讨两者如何紧密配合互动。还请教过几位境外专家，如美国加州大学贝克莱分校 William H Miller等。 遵照中国科学院学部学术与出版工作委员会的规定，2014年11月，项目组协助举办以“理论与计算化学发展战略”为主题的“科学与技术前沿论坛”，安排15个专题报告，除项目组成员报告项目整体和各专题工作情况及研究进展外，还有其他学科的专家（周爱辉、周海军、戴希、罗毅、张振宇、刘利民、兰峥岗、王炜、王任小等）的专题报告，并邀请崔俊芝、陈难先、王崇愚、陈润生、陈凯先等院士到会指导。与会专家就我国理论与计算化学发展战略有关问题展开讨论，从不同视角提出意见和建议。 在上述工作基础上，项目组写出理论与计算化学发展战略研究报告，分析学科发展历史和发展规律，评述学科现状和发展趋势，提出关键科学问题、发展思路和政策建议等。有83人参加撰写工作，详见各专题和主题的研究报告。参加过部分工作的还有鄂维南、胡浩、严以京、孙强、李隽、林小乔、刘海燕等。 项目任务是在国家自然科学基金委员会和中国科学院学部的领导下完成的，工作过程中得到众多专家的指导和帮助，谨表示衷心感谢。尽管项目组在工作过程中注意听取尽可能多专家的意见，多次开会研讨，力求将工作做得细致深入一些，但理论与计算化学是一门多学科交叉的学科，涵盖面很广，限于项目组成员的科学水平和分析能力，研究报告难免存在疏漏之处，恳请同行专家批评指正。 黎乐民 北京大学化学与分子工程学院
本书由国家自然科学基金委员会与中国科学院联合发布。项目主持人为北京大学黎乐民院士。黎乐民院士现任北京大学化学与分子工程学院教授、博士生导师、院学术委员会主任、理学部和校学术委员会委员；兼任《稀土材料化学及应用》国家重点实验室学术委员会主任、《理论与计算化学》国家重点实验室学术委员会主任、《中国科学》（B辑：化学）执行副主编、《高等学校化学学报》副主编、《中国化学快报》副主编等学术职务。
目录
总序i 前言v 摘要xv Abstract Xiii 总论 理论与计算化学发展战略纵览1 第一节 理论与计算化学在基础科学中的地位1 一、化学在经济社会发展中的作用1 二、理论与计算在化学发展过程中发挥重要作用2 第二节 学科内涵、发展历程与规律4 一、理论与计算化学的内涵4 二、学科发展历程5 三、学科发展规律和特点7 第三节 学科发展现状与发展态势7 一、理论与计算化学发展现状7 二、学科发展趋势与显现的特征9 三、我国理论与计算化学发展情况10 第四节 发展战略思路15 一、理论与计算化学发展前景和面临的挑战性难题15 二、学科发展战略思路要点17 第五节 发展方向：关键科学问题和学科重要研究前沿18 一、学科整体的重要研究前沿与关键科学问题18 二、各分支学科核心科学问题与研究前沿20 第六节 资助机制与政策建议22 一、战略性措施22 二、对资助机制与政策措施的建议23 第七节 小结24 第一篇 电子结构理论与计算方法 第一章 电子结构理论与计算方法概述29 第二章 波函数电子相关方法的进展及展望38 第一节 引言38 第二节 多组态自洽场方法和组态相互作用方法39 第三节 耦合簇方法43 第四节 显式相关方法47 第五节 未来的发展方向49 第三章 量子化学中的密度矩阵重整化群方法52 第一节 引言52 第二节 DMRG传统的形式和语言54 第三节 矩阵乘积态56 第四节 算法中的微扰修正和noise的加入60 第五节 对称性的问题60 第六节 激发态的问题61 第七节 DMRG在量子化学中的新发展62 一、轨道排序和轨道类型的问题62 二、DMRG-CASSCF及其他方法优化分子轨道63 三、超越MPS的张量网络态64 四、结合动态相关计算方法的DMRG-CASPT2和DMRG-CT 65 第八节 总结和展望66 第四章 价键理论方法70 第一节 引言70 第二节 从头算价键理论方法进展71 一、基于离域轨道的价键理论方法72 二、基于定域轨道的价键理论方法72 三、基于分子轨道方法波函数分析75 四、考虑凝聚态体系的价键理论方法75 第三节 价键理论方法关键问题76 第五章 微扰理论的发展现状及展望80 第一节 引言80 第二节 单参考态微扰理论81 一、单参考态闭壳层微扰理论81 二、单参考态开壳层微扰理论82 第三节 多参考态微扰理论83 第四节 显含Tl2的微扰理论86 第五节 Monte Carlo方法在微扰理论中的应用87 第六节 总结87 一、微扰理论的优点87 二、微扰理论的缺点88 第七节 展望88 第六章 密度泛函理论基础进展及其与多体理论的关系92 第一节 引言92 第二节 发展现状综述和评价94 一、从分数电荷／自旋的角度审视离域误差和静态误差94 二、绝热连接：建立密度泛函理论与多体理论之间的联系98 第七章 近似密度泛函的发展106 第一节 主要科学问题106 第二节 现有近似泛函的大致分类106 第三节 近似泛函的系统评测107 一、生成热109 二、带电物种109 三、键能109 四、反应能垒110 五、非共价键相互作用110 第四节 近似泛函的重要误差来源110 第五节 亟待解决的重大问题112 第六节 可能解决问题的途径114 第七节 20篇标志性论文114 第八章 TDDFf的发展与在激发态计算和开放体系中的应用123 第一节 引言123 第二节 历史与现状124 一、基本TDDFT方法124 二、泛函形式的发展126 三、TDDFT线性标度计算129 四、强电磁场过程131 五、流密度泛函理论132 六、开放体系与量子输运133 第三节 展望与建议137 第九章 多体格林函数方法140 第一节 引言140 第二节 理论框架141 一、单粒子格林函数和双粒子格林函数142 二、Dyson方程、Hedin方程和GW方法143 三、Bethe-Salpeter方程144 第三节 发展历程146 一、GW方法146 二、Bethe-Salpeter方程149 三、计算程序和应用151 第四节 发展趋势152 一、自能算符的进一步深入研究152 二、处理简并体系相关理论方法的研究152 三、处理双激发现象相关理论方法的研究153 四、激发态作用力计算方法的研究153 五、电声相互作用对电子结构和激发态影响的研究153 六、自能算符快速计算方法的研究153 第十章 强关联材料的第一性原理电子结构理论156 第一节 引言156 第二节 基于对LDA/GGA修正的第一性原理方法157 一、LDAI+U方法158 二、杂化泛函158 三、SIC-LDA 159 第三节 基于格林函数的第一性原理多体理论方法160 第四节 结合模型哈密顿量的第一性原理方法161 一、downfolding概念161 二、HubbardU值的第一性原理计算162 三、LDA+DMFT方法163 四、GW+DMFT方法164 第五节 总结与展望166 第十一章 相对论分子量子力学中的若干基本问题与解决方案169 第一节 引言169 一、相对论效应169 二、量子电动力学效应171 三、相对论分子量子力学172 第二节 相对论哈密顿173 一、全电子相对论哈密顿173 二、价电子相对论哈密顿177 第三节 相对论电子相关179 第四节 相对论电子性质179 第五节 结论与展望180 第十二章 量子蒙特卡罗方法184 第一节 引言184 第二节 变分蒙特卡罗方法185 第三节 实几何空间格林函数蒙特卡岁方法186 一、固定节面扩散蒙特卡罗方法188 二、自修复节 面扩散蒙特卡罗方法190 第四节 反对称组态空间蒙特卡罗方法191 一、全组态相互作用量子蒙特卡罗方法191 二、辅助场量子蒙特卡罗方法193 第五节 蒙特卡罗方法巾的激发态计算问题194 第六节 含时量子蒙特卡罗方法195 第七节 减少QMC计算误差的算法196 一、表层塌滑量子蒙特卡罗方法196 二、减少方差、偏差的方法和力的计算197 第八节 总结与展望199 一、量子蒙特卡罗方法的优点199 二、量子蒙特卡罗方法的缺点与待解决的主要难题199 三、展望200 第十三章 约化密度矩阵理论203 第一节 引言203 第二节 二阶约化密度矩阵理论204 一、二阶约化密度矩阵的N可表示问题204 二、变分二阶约化密度矩阵理论206 三、收缩的薛定谔方程208 第三节 一阶密度矩阵泛函理论211 第四节 总结215 第十四章 超大体系的处理方法218 第一节 引言218 第二节 大体系的量子化学计算方法219 一、不断改进量子化学计算方法以适应大体系计算219 二、计算机披术对实现大体系计算做出持续不断的贡献220 三、GPU技术将会对计算化学带来的革命性影响220 第三节 超大体系的处理方法简述221 一、采用近似数值计算方法221 二、改变计算策略222 第四节 结论和展望225 第二篇 化学中的统计力学 第一章 化学中的统计力学概述231 第一节 历史简介232 一、统计力学的建立——两位奠基人232 二、量子统计的提出233 三、非平衡统计力学的发展233 四、相变研究234 五、应用统计力学234 六、学术期刊的演变235 第二节 近20年重要进展及展望236 第二章 统计力学基础与涨落定理243 第一节 引言243 第二节 量子统计力学245 一、本征态热化假设245 二、量子纠缠与典型性246 第三节 涨落定理的相关研究进展248 一、Bochkov-Kuzovlev涨落耗散关系（涨落定理的早期版本）248 二、EvansSearles涨落定理（涨落定理的现代表述）248 三、Jarzynski等式249 四、Crooks功涨落定理（连接两个平衡态的涨落定理）250 五、涨落定理的实验验证250 六、随机热力学251 第四节 展望252 第三章 凝聚相量子动力学256 第一节 引言256 第二节 理论方法的主要进展256 一、系统-环境方法257 二、有效近似方法259 三、从不含时方法得到动力学信息261 四、凝聚相光谱理论与计算261 第三节 总结与展望262 第四章 复杂分子体系电子激发态动力学理论方法266 第一节 引言266 第二节 理论方法的主要进展267 一、MCTDH方法267 二、混合量子经典方法268 三、基于Meyer-Miller-Stock-Thoss-mapping模型的半经典方法269 四、高斯波包方法270 第三节 总结与展望271 第五章 数值路径积分方法展望274 第一节 引言274 第二节 虚时间路径积分：路径积分分子动力学／蒙特卡罗平衡统计方法276 第三节 基于路径积分的实时间动力学方法277 第四节 总结和展望280 第六章 增强抽样283 第一节 引言283 第二节 分子模拟研究存在的主要科学问题及增强抽样方法的发展284 一、分子模拟的时间与空间尺度问题284 二、分子模拟中的增强采样方法285 三、对给定坐标空间的增强取样285 四、无特定坐标的取样方法287 五、轨迹空间的增强取样289 六、数据分析及取样290 第三节 展望290 第四节 小结291 第七章 粗粒化理论思想295 第一节 引言295 第二节 粗粒化方法发展历史、现状及挑战296 一、实用性方面的问题298 二、粗粒化方法学方面的问题299 三、粗粒化方法的统计物理基础300 第三节 展望301 第八章 高分子统计理论与数值模拟303 第一节 引言303 第二节 高分子统计理论与数值模拟的现状与挑战304 一、粗粒化分子动力学模拟方法的现状与挑战304 二、高分子体系自洽场方法的现状及挑战307 三、应用增强抽样方法的必要性308 第三节 展望308 第九章 生物分子统计模拟方法311 第一节 引言311 第二节 生物分子统计模拟方法的发展介绍312 一、多元动力学方法314 二、马尔科夫态模型315 三、打桩算法316 四、过渡路径抽样算法316 五、过渡界面采样方法317 六、前向流采样方法317 第三节 展望318 第三篇 微观反应机理和反应动态学 第一章 微观反应机理和反应动态学概述323 第二章 气相小分子体系量子动力学——气相小分子体系量子动力学研究的突破性进展、面临的问题和展望330 第一节 引言330 第二节 发展历史和现状332 一、势能面的构建332 二、量子动力学334 三、半经典动力学339 四、经典力学在反应动力学中的应用341 第三节 展望343 第三章 光化学反应机理和动力学346 第一节 引言346 第二节 历史和现状347 一、势能面锥形交叉结构和性质347 二、非绝热动力学351 三、羰基化合物光解离机理356 四、金属配合物光催化水分解356 第三节 展望：未来重要发展方向和重点研究的科学问题358 第四章 热化学反应机理：气相和溶液中典型化学反应机理——突破性进展、目前和未来要解决的重大问题和一些思路362 第一节 引言362 第二节 研究现状和面临挑战及相关重要进展364 一、计算精度和速度的挑战365 二、溶剂效应的计算所面临的挑战366 三、新的计算方法和模型的提出367 四、新的反应模式的提出369 五、对于复杂反应体系如何能考虑到所有而不是有限的几条反应途径370 六、分叉过渡态(bifurcation-transition-state)和非玻尔兹曼(Boltzmann)分布的反应考虑371 七、隧道效应的考虑373 八、体系中真正催化物种的认识的挑战374 九、反应规律的总结与归纳377 十、利用反应机理信息来设计和指导化学反应条件的优化和新反应的设计377 第三节 展望380 第五章 多相催化理论研究进展384 第一节 引言384 第二节 发展历史和现状386 一、结构和活性的关联386 二、理性催化设计的基本判据390 三、固液界面催化的理论方法392 第三节 展望397 第六章 光催化反应及相关理论与计算研究401 第一节 引言401 第二节 拓展光催化材料的光谱响应范围402 一、元素掺杂调控能带结构402 二、固溶体调控能带结构402 三、Ti02氢仳调节能带结构403 四、复合光催化材料结构设计403 五、近红外及全太阳谱光催化405 第三节 提高光生载流子分离效率406 一、复合半导体体系406 二、金属／半导体复合体系407 三、石墨烯（类石墨烯）／半导体复合体系407 四、自发极化材料408 第四节 光催化理论研究中的计算问题408 一、激发态问题409 二、结构和尺度问题410 第五节 总结与展望412 第七章 煤转化过程的理论与计算——回顾与前瞻415 第一节 引言415 第二节 回顾过去、研究现状和存在的问题416 第三节 未来展望425 第八章 燃烧反应机理研究进展430 第一节 引言430 第二节 燃烧机理研究现状和存在的主要问题431 一、燃烧反应的基元过程431 二、燃烧复杂反应机理437 三、燃烧反应分子模拟441 第三节 展望442 第九章 分子间弱相互作用与自组装理论445 第一节 引言445 第二节 分子间弱相互作用与自组装理论的发展及存在的问题147 一、分子间弱相互作用计算方法447 二、自组装理论449 第三节 展望454 第四篇 材料科学中的问题 第一章 材料科学中的问题概述——材料模拟对理论与计算化学的挑战461 第一节 结构预测对理论与计算化学的挑战462 第二节 面向材料功能预测的微观理论464 第三节 材料的生长微观机理与动态演化466 第二章 结构搜索方法469 第一节 科学问题469 第二节 稳态结构预测471 第三节 过渡态结构预测475 第四节 未解决的问题与展望478 第三章 复合材料表界面与微孔材料的计算模拟482 第一节 引言482 第二节 关键科学问题、解决思路、面临的主要困难和挑战483 一、表界面形貌及热力学性质的模拟483 二、表（界）面分子及分子聚集体的电子结构486 三、表（界）面分子组装487 四、多孔材料的理论研究490 第三节 展望494 第四章 非晶态材料理论计算领域的机遇与挑战497 第一节 引言497 第二节 非晶态材料计算发展概述499 一、非晶硅和锗499 二、非晶磷族材料（磷、砷、锑、铋）501 三、非晶硫族材料（硫、硒、碲）502 四、硒、碲液晶相（1SclTclSc.:Tci。）504 五、金属玻璃505 第三节 非晶态材料计算方法面临的困难和挑战506 第四节 非晶态材科理论研究的解决方案508 第五节 总结与展望508 第五章 极端条件下的材料结构512 第一节 概述——主要科学问题512 第二节 发展历史和现状解决问题的思路和面临的主要困难和挑战514 一、成功的结构预测方法概述和解决问题的思路514 二、高压极端条件下材料结构预测的成功范例515 三、尚未解决的关键科学问题517 第三节 展望未来重要发展方向和重点研究的科学问题518 一、大尺度结构预测方法的发展518 二、高压极端条件下的功能材料519 三、行星内部材料的结构521 第六章 生长机理的理论研究：现状与展望524 第一节 引言524 第二节 晶体生长理论简介525 第三节 生长机理研究中的关键科学问题527 一、复杂多通道反应路径的搜寻527 二、生长动力学模型的建立529 三、系统与环境的耦合531 四、生长的理论设计532 第四节 总结与展望532 第七章 光学材料的理论计算536 第一节 有机发光材料的理论与计算536 一、引言536 二、分子激发态电子结构方法的进展及存在的问题538 三、分子激发态衰变过程的理论进展539 四、有机发光材料的理论研究进展540 第二节 非线性光学材料的计算542 一、导数法543 二、非线性格林函数方法543 三、态求和方法544 四、周期体系的非线性响应理论544 第三节 总结与展望545 第八章 电子传输材料的理论模拟551 第一节 引言551 第二节 无机半导体电荷传输552 一、声子散射552 二、缺陷散射553 三、载流子载流子散射553 第三节 有机半导体电荷传输554 一、有机分子材料554 二、聚合物材料558 第四节 低维碳材料559 第五节 分子电子学561 第六节 展望562 第九章 磁性材料与自旋调控565 第一节科学问题565 第二节理论与方法发展566 第三节磁性材料设计与白旋调控570 一、新概念磁性材料570 二、自旋的电场控制571 第四节前景与展望572 第十章 新型光伏材料与热电材料的理论模拟575 第一节 新型光伏材料575 一、有机太阳能电池相关研究576 二、染料敏化太阳能电池相关研究579 三、钙钛矿太阳能电池相关研究582 第二节 热电材料585 一、研究进展和理论方法介绍586 二、存在的问题和展望590 第五篇 生命科学与药物化学中的问题 第一章 生命科学与药物化学中的问题概述597 第二章 生物大分子的量子化学计算与分子力场605 第一节 引言605 第二节 生物大分子的量子分块计算方法606 第三节 生物分子力场与极化效应609 第四节 量子力学和分子力学(QM/MM)组合计算方法611 一、能量分析611 二、区域和方法选择613 三、边界衔接613 四、平衡态和非平衡态诱导极化615 第五节 展望616 第三章 生物分子动力学模拟方法619 第一节 引言619 第二节 分子模拟方法620 第三节 蛋白质配体相互作用自由能计算622 第四节 粗粒化多尺度模型625 第五节 展望629 第四章 生物分子中的电荷与能量转移632 第一节 引言632 第二节 电子转移过程633 一、电子转移理论基础和发展现状633 二、电子转移的分子动力学模拟635 三、电子转移的QM/MM模拟636 第三节 质子转移过程638 一、质子转移理论基础638 二、质子转移理论发展现状638 第四节 质子耦合电子转移过程640 一、质子耦合电子转移理论基础641 二、质子耦合电子转移研究现状643 第五节 生物分子中的电荷相能量转移发展前景展望645 第五章 蛋白质结构与功能649 第一节 引言649 第二节 蛋白质结构预测650 一、蛋白质结构预测的主要方法650 二、CASP与蛋白质结构预测方法展望652 第三节 金属蛋白质652 一、金属蛋白的结构与其功能的关系653 二、金属蛋白的理论与计算模拟653 第四节 膜蛋白质654 一、膜蛋白质结构预测655 二、通道蛋白的分子模拟655 三、受体和转运体蛋白的模拟657 四、脂质与蛋白相互作用658 第五节 蛋白质-蛋白质相互作用658 一、复杂多样的蛋白质-蛋白质相互作用机制658 二、蛋白质复合物结构的计算分析659 三、蛋白质-蛋白质复合物结构的预测与对接计算660 第六节 前景与展望662 第六章 蛋白质设计666 第一节 引言666 第二节 蛋白质设计666 一、蛋白质设计所涉及的主要计算方法667 二、全新蛋白质设计(de noro oprotein design)668 三、蛋白质功能设计668 第三节 蛋白质结构、功能与设计发展前景展望671 第七章 核酸与生物膜675 第一节 引言675 第二节 核酸和蛋白质核酸相互作用676 一、RNA三级结构预测676 二、RNA动力学677 三、蛋白质DNA分子对接677 四、蛋白质RNA复合体结构预测678 第三节 生物膜679 一、脂质力场679 二、生物膜模拟680 第四节 战略展望681 一、核酸与蛋白质核酸相互作用681 二、生物膜681 第八章 生物大分子信号传导和网络685 第一节 引言685 第二节 生物分子自组装686 一、生物分子自组装的发展现状686 二、分子组装的功能设计686 三、分子组装的调控多样性687 第三节 拥挤现象687 一、拥挤现象的理论模型687 二、拥挤现象与生物表型的相关性688 第四节 生物分子相互作用及信号传导688 一、DNA与蛋白质之间的相互作用688 二、RNA与蛋白质之间的相互作用689 三、核酸与核酸之间的相互作用690 四、蛋白质与蛋白质相互作用研究690 第五节 生物分子网络692 一、基于生物分子网络的疾病基因和生物标记物识别692 二、基于生物分子网络的生物系统动力学研究693 第六节 网络药理学694 一、基于分子网络的多靶点药物和药物组合预测694 二、基于分子网络的药物重新定位696 第七节 展望697 第九章 药物设计与开发701 第一节 引言701 第二节 分子对接701 第三节 打分函数703 第四节 药效团、结构活性关系704 第五节 药物治疗的微观作用机理705 第六节 药物设计中的化学信息学707 第七节 药代动力学性质和毒性预测709 第八节 药物设计新思路710 附录关于建立“计算化学软件平台专项”的建议714 关键词索引726
摘要
一、回顾理论与计算化学发展的历程，揭示学科交叉的重要性 早期化学研究主要依靠实验摸索和总结经验，被看成是纯实验科学。通过不断吸纳物理学和数学的理论成果，利用计算科学发展产出的强大计算能力，构建自身的理论体系，用于化学过程以及相关领域的研究中，逐步形成理论与计算化学。学科发展历程大致可分为四个阶段。第一阶段，以实验探索和总结实验事实为主，通过建立简单理论模型说明实验现象。第二阶段，吸纳物理学中热力学和统计力学的成果，建立化学热力学和化学统计力学。第三阶段，吸纳量子力学的成果，利用其概念和基本原理处理化学问题成果丰硕，极大推动了化学的发展。运用统计力学理论成果也有重要进展。第四阶段，吸纳计算机和计算数学成果，逐步向掌握化学变化定量规律的目标迈进；分子模拟逐渐成为研究复杂体系热力学和动力学性质的重要工具；化学信息学也有很大进展，成为发现有指定用途化学新物质的有效途径。 学科发展历程表明，理论与计算化学发展的推动力首先源于化学整体向前发展的要求，理论与实验研究伴生并行，相互促进。其次也源于理论与计算学科自身发展的需要，即发展高效率和有足够精度的理论和计算方法。学科交叉重叠起关键作用：化学家不断吸纳物理学理论成果以及应用数学与计算科学成果是学科形成的实质性过程，而将理论与计算化学方法用于化学其他分支以及材料科学、生命科学、药物学等领域的研究推动学科持续向前发展。 二、概述学科现状、分析发展趋势 化学进入发展的新阶段，逐步发展为依靠实验、计算、理论三方面协同工作推动的科学。理论和计算模拟方法在化学研究和相关领域中的应用日趋广泛。理论计算与实验工作紧密配合互动有效提高了研究效率。计算科学飞速进步使对真实复杂体系结构和运动过程的数学模拟成为可能。近年来理论与计算化学的进步主要表现在两个方面：研究对象从简化模型向真实复杂体系和过程逐步逼近；研究目标从对问题的定性分析走向追求定量结论。当前理论与计算化学的发展趋势与显现的特征是：理论分析与计算模型力求逼近复杂的真实化学体系和过程；研究重心从静态结构逐步转向动态过程，从简单基元过程扩展到多种过程耦合；阐明与生命现象相关的化学过程的计算模拟成为热点；强化对材料结构与功能关系的理论研究；对计算精度的要求进一步提高，建立新理论模型、发展高效率高精度的计算方法，成为学科本身的研究重点；重视发展能计算巨大体系和模拟复杂体系变化过程的方法；理论与计算方法在化学及相关研究中被广泛应用，与实验研究紧密配合互动逐步成为研究工作的常态；理论与计算研究正在逐步进入产业部门。 三、展望学科前景，指出面临的难题 学科发展新阶段——跃上新台阶的标志：在质的方面表现为科学水平的提高。理论与计算方法将具备处理更复杂实际体系和过程的能力，对计算结果的误差有可靠估计，对实验结果的解释更可靠，指导实验探索的作用更强。在量的方面表现为发挥作用范围扩大，研究人员采用实验与理论计算紧密配合互动的工作方式将成为常态。 目前存在的主要问题：研究结论没有足够的可靠性，计算结果通常不能作为独立的科学论据，只能作为佐证或者旁证。对于复杂体系的研究，结果与实验不一致时，无法判断是物理模型有缺陷还是数学计算的误差。计算方面的基本困难：量子化学计算的基本矛盾是计算量和精度难于兼顾，研究化学过程对计算精度要求很高，高精度理论研究的计算量非常大；简化计算模型和/或作计算近似，得出的结论可靠性没有保证。运用统计力学理论面临两大困难：可靠的分子力场很难获得，超大尺度的空间和时间模拟计算量极大，现有计算机难以胜任。发展高效率、高精度、低计算量、误差可控（或可估计）的理论与计算方法是理论和计算化学的核心攻坚任务。 四、概述学科关键科学问题和学科重要研究前沿 在理论与计算化学基础性研究方面，提出学科整体向前发展亟需解决的七个关键科学问题。在实际体系的理论计算研究方面，强调重视有关学科发展前沿，与实验研究紧密配合互动开展工作；同时重视以物理学基本原理为依据，为实验研究预测发展新方向和新领域。 对学科涵盖的电子结构理论与计算方法、化学中的统计力学、微观反应机理和反应动态学、材料科学中的问题、生命科学和药物化学中的问题五个专题中各个主题的关键科学问题和重要前沿研究方向，在全书各章分别进行阐述和深入讨论。 五、提出发展思路，建议采取相应战略性措施 强化理论与计算化学与数学、物理、材料、生命、计算科学、信息科学等领域的交叉合作；强化理论和实验研究的紧密结合，特别是两者的直接配合互动；加强队伍建设，要从国外引进高端人才，更要立足国内培养；推广理论与计算方法在化学及相关研究中的有效运用，在普及的基础上提高。 六、提出促进学科发展的资助机制与政策的八项具体建议 鉴于目前没有一个公共计算化学软件平台严重影响我国理论与计算化学发展速度，项目组提出《关于建立“计算化学软件平台专项”的建议》
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