Computer Modeling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Warshel, Arieh

出品人:

页数:256

译者:

出版时间:1997-3

价格:1312.00 元

装帧:

isbn号码:9780471184409

丛书系列:

图书标签:

• 酶化学
• 化学动力学
• 计算化学
• 分子模拟
• 溶液化学
• 反应机理
• 生物物理化学
• 量子化学
• 计算机科学
• 酶反应

书籍简介：深入探索计算化学的理论与实践 书名：《计算化学基础与应用：从分子模拟到材料设计》 作者：[此处可填写虚构的作者姓名，例如：张伟，李芳] 出版社：[此处可填写虚构的出版社名称，例如：科学技术出版社] --- 第一部分：计算化学的理论基石 本书旨在为读者提供一个全面且深入的计算化学领域入门指南，重点阐述支撑现代分子模拟和量子化学计算的核心理论框架。我们摒弃了对特定生物化学反应的深入探讨，转而聚焦于构建这些模拟工具所需的数学和物理基础。 第一章：量子力学的数学表述 本章从薛定谔方程的建立入手，详细解析了波函数的物理意义、算符的定义及其在三维空间中的应用。我们深入探讨了变分原理（Variational Principle）在近似求解基态能量中的关键作用，并介绍了如何利用微扰理论（Perturbation Theory）处理弱相互作用体系。重点分析了角动量和自旋算符的对易关系，以及它们如何指导电子结构计算的对称性处理。本章将避免涉及酶催化循环的具体例子，而是侧重于原子和分子体系中电子行为的普遍规律。 第二章：从薛定谔方程到近似方法 精确求解多电子体系的薛定谔方程是极其困难的。本章系统地介绍了各种有效近似方法的推导过程和适用范围。首先，我们详细阐述了波恩-奥本海默近似（Born-Oppenheimer Approximation）的物理前提及其对计算化学的决定性影响。随后，对 Hartree-Fock (HF) 方法进行了详尽的讨论，包括 Fock 矩阵的构建、LCAO（线性组合的原子轨道）的引入，以及自洽场（SCF）迭代过程的收敛性分析。我们清晰地区分了平均场近似的局限性，并为后续的电子相关方法奠定了基础。 第三章：电子相关方法的引入 电子相关（Electron Correlation）是准确描述化学键和分子间作用力的关键。本章系统梳理了后 HF 时代的计算方法。我们首先介绍了组态相互作用（CI）方法，特别是完全 CI (FCI) 的理论上的精确性与计算上的不可行性。接着，重点剖析了二次组态相互作用（CISD）在处理电子激发态和基态体系中的优缺点。随后，本书详细介绍了摄动理论在电子相关计算中的应用，特别是 Møller-Plesset (MP2, MP3, MP4) 方法的能量表达式和收敛性特征。本章的重点在于理解不同相关方法在计算成本与精度之间的权衡，而不涉及任何酶活性位点的特定参数化。 第四章：密度泛函理论（DFT）的原理与实践 密度泛函理论（DFT）是现代计算化学中最广泛应用的方法之一。本章深入探讨了 Hohenberg-Kohn 定理的精妙之处，并详细介绍了 Kohn-Sham 体系的构建。重点分析了交换-关联泛函的设计哲学，从 LDA（局域密度近似）到 GGA（广义梯度近似，如 BLYP、PBE）再到混合泛函（如 B3LYP）。我们通过数学推导展示了泛函的迭代改进如何逐渐逼近真实的交换能和关联能，并强调了函数选择对结构优化和频率计算结果的敏感性。 --- 第二部分：分子模拟与应用计算 在掌握了量子化学的核心理论后，本部分将视角转向如何利用这些理论和更宏观的力场方法，对分子体系进行动态模拟和结构预测。本部分重点关注计算方法的普适性，而非特定生物体系的建模。 第五章：经典分子力场与参数化 分子力场（Molecular Mechanics）是处理大体系和长时间尺度模拟的基石。本章详细介绍了势能函数（Potential Energy Function）的构成，包括键合项（伸缩、弯曲、扭转）和非键合项（范德华和静电相互作用）。我们重点讨论了各种经典力场的演化，如 AMBER、CHARMM 和 OPLS，强调了它们在原子类型划分和参数化过程中的经验性与系统性。本章将详细分析如何通过实验数据和高精度量子化学计算来校准力场参数，确保其对通用化学体系的有效性。 第六章：分子动力学（MD）模拟的算法 分子动力学模拟是研究分子体系随时间演化的核心工具。本章系统地介绍了数值积分算法，特别是 Verlet 算法及其速度 Verlet 变体的推导和稳定性分析。重点讨论了时间步长的选择标准和对系统能量守恒的影响。此外，我们详细介绍了各种热力学和压力控制方法，包括 Langevin 动力学和 Berendsen 热浴的实现，以及 Nosé-Hoover 热浴在保持微正则系综中的优势。本章侧重于算法层面的优化和数值误差的控制。 第七章：蒙特卡洛（MC）模拟与统计力学 蒙特卡洛方法提供了一种基于概率抽样的替代性模拟手段。本章深入讲解了 Metropolis 准则在分子模拟中的应用，包括如何设计有效的采样算法以覆盖高能垒区域。我们讨论了如何利用 MC 方法计算配分函数（Partition Function）及其导数，从而获得宏观热力学性质。本章将对比 MC 和 MD 在不同体系（如晶体结构优化、配体结合能估算）中的优劣，并介绍高级采样技术，如 Umbrella Sampling 在穿越势能面时的应用。 第八章：结构优化、振动分析与反应路径探索 本章关注如何利用计算化学方法确定体系的能量极小点并理解其动力学行为。详细介绍了梯度下降法、牛顿法及其准牛顿近似（如 BFGS）在几何优化中的收敛性要求。随后，我们探讨了 Hessian 矩阵的计算和解析，以及如何利用 Hessian 分析确定驻点的性质（鞍点、极小点）。振动分析部分重点解释了零点能的计算及其对热力学性质的影响。最后，简要介绍了反应路径搜索方法，如线性同步势（LS-MPA）和 Nudged Elastic Band (NEB) 方法，这些方法是探索化学转化路径的通用工具，独立于任何特定的酶促反应机理。 第九章：计算结果的可靠性与后处理 成功的计算化学研究不仅依赖于正确的理论，还依赖于对结果的严格评估。本章强调了方法学选择的批判性思维。我们将讨论收敛性测试、基组依赖性（Basis Set Superposition Error, BSSE）的校正，以及系统误差的量化。此外，我们深入探讨了后处理技术，如自由能微扰（FEP）和热力学积分（TI）在计算准确自由能变化中的应用，以及如何通过数据拟合和可视化工具（如 VMD, PyMOL 基础功能）有效传达复杂的模拟结果，确保计算结果的透明度和可重复性。 --- 总结 《计算化学基础与应用：从分子模拟到材料设计》是一本为严肃的计算科学学习者准备的教材。它系统地构建了从量子力学基本假设到复杂分子动力学模拟的完整知识体系。本书强调理论的严谨性、算法的实现细节，以及对不同计算方法的适用范围进行严格的批判性评估，是构建扎实计算化学基础的理想读物。

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