《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2Lecturesand labs1.Lecturesand computerlabs1.inclass,laptops,20-30mininclasses2.Coursematerialswillbepostedon百度网盘、U盘3.Questions1.In class:raiseyour hand;Afterclass:chaowu@xjtu.edu.cn (preferred)QQ:2.140180893.Oficehourbyappointment曲江校区西二楼A1044.Rules&grades:1.Attendance (20%,missing>3sessions,grade=0point),2.Project (80%; related to your group's research;a reportin English is required; computational results,includinglog files)课程属性和考核1、【课程是理论课+计算实践】，两者混合进行。从下次课开始每次授课最后半小时为计算实验，希望各位准备好笔记本电脑，保持1小时左右的电量。下课后能够多多练习所学计算知识。2、课程ppt以及相关内容会上传到网上ppt都是英文的，中文讲述，术语会在讲课时标明。使用英文对于你们以后看文献更方便，大量术语，且有些术语翻译繁琐且没有统一。ppt会在课前或课后提供，不用抄写ppt的内容。可以记录自已的理解。3、如有问题，请及时提出课内：举手即可。课下：给我发信/约答疑时间：班长可以建一个QQ群讨论共性的问题，但不在网上“短信式”答疑。4、课程要求和考核方式。1、学校规定：未请假的缺课和到15分钟以上多于3次，课程成绩为0。Il、每次课都有相关的练习（exercise），自己做不计分；作业（assignments），第11周时布置，考试前【大概第17周】，邮件给我。会在第11周再次强调。内容类似实验报告，包括：对问题的简单分析，如何进行计算设置的，主要的计算结果（图、表），对结果进行简单的讨论分析，给出结论。计算的结果log文件也作为作业的一部分发给我。川、作业抄袭问题【如果作业出现抄袭，将记零分！避免过度“讨论“】

幻灯片 2 2 Lectures and labs 1. Lectures and computer labs 1. In class, laptops, 20-30 min in classes 2. Course materials will be posted on 百度网盘、U盘 3. Questions 1. In class: raise your hand; 2. After class: chaowu@xjtu.edu.cn (preferred) QQ: 14018089 3. Office hour by appointment 曲江校区西二楼A104 4. Rules & grades: 1. Attendance (20%, missing >3 sessions, grade = 0 point), 2. Project (80%; related to your group’s research; a report in English is required; computational results, including log files) 课程属性和考核 1、【课程是理论课+计算实践】，两者混合进行。 从下次课开始每次授课最后半小时为计算实验，希望各位准备好笔记本电脑， 保持1小时左右的电量。 下课后能够多多练习所学计算知识。 2、课程ppt以及相关内容会上传到网上 ppt都是英文的，中文讲述，术语会在讲课时标明。 使用英文对于你们以后看文献更方便，大量术语，且有些术语翻译繁琐且没有 统一。 ppt会在课前或课后提供，不用抄写ppt的内容。可以记录自己的理解。 3、如有问题，请及时提出 课内：举手即可。 课下：给我发信/约答疑时间；班长可以建一个QQ群讨论共性的问题，但不在 网上“短信式”答疑。 4、课程要求和考核方式。 I、学校规定：未请假的缺课和迟到15分钟以上多于3次，课程成绩为0。 II、每次课都有相关的练习（exercise），自己做不计分； 作业（assignments），第11周时布置，考试前【大概第17周】，邮件给我。会在 第11周再次强调。 内容类似实验报告，包括：对问题的简单分析，如何进行计算设置的，主要的 计算结果（图、表），对结果进行简单的讨论分析，给出结论。 计算的结果log文件也作为作业的一部分发给我。 III、作业抄袭问题【如果作业出现抄袭，将记零分！避免过度“讨论“】

反对抄袭是学术界通行的做法，其严格定义、执行标准，要参加游戏，必须守规矩。【板书：抄袭copy&paste：可能导致o分。】5、考试，闭卷1、约定时间。第17（？）周的周末、某天晚上？这样你们有1（2）周的复习时间。II、考试形式：汉语（加注英语术语），问答论述题，可以使用中文或者英文回答，语言不影响分数。I川、考试内容A、测试你对某些概念的理解是否清楚，比如举出3个电子结构计算中的重要假设，并对其进行定性的描述，【但不会考复杂公式和推导】。B、测试你对实际计算问题如何计划解答。这部分跟计算实验结合紧密。比如，在能计算反应恰变的基础上，我会给你一个具体反应，让你写出主要的计算步骤（反应物、产物的优化，优化结构的频率分析，应使用哪个计算的能量）。如何提高精度？排除错误等等。这些依赖与你的计算实践。6、是否有问题？

反对抄袭是学术界通行的做法，其严格定义、执行标准，要参加游戏，必须守 规矩。【板书：抄袭copy & paste：可能导致0分。】 5、考试，闭卷 I、约定时间。 第17（？）周的周末、某天晚上？这样你们有1（2）周的复习时间。 II、考试形式：汉语（加注英语术语），问答论述题，可以使用中文或者英文回 答，语言不影响分数。 III、考试内容 A、测试你对某些概念的理解是否清楚，比如举出3个电子结构计算中的重要假 设，并对其进行定性的描述，【但不会考复杂公式和推导】。 B、测试你对实际计算问题如何计划解答。这部分跟计算实验结合紧密。 比如，在能计算反应焓变的基础上，我会给你一个具体反应，让你写出主要的 计算步骤（反应物、产物的优化，优化结构的频率分析，应使用哪个计算的能 量）。 如何提高精度？排除错误等等。这些依赖与你的计算实践。 6、是否有问题？

幻灯片3SyllabusWeek 1-2Course overview; introducing Gaussian & GaussviewWeek 3-4Review QM; single point energy calculationWeek 5-6Hatom,Hartree-Fockmethod; orbitalanalysisWeek 7-8Various approximations (BOA, LCAO, Semi-empirical methods,basis set);relatedcalculationsWeek 9-10Potentialenergy surface/scan,geometry optimization (transitionstate),vibrationWeek11-12Model chemistry, thermochemistry, SCF convergency; one electronproperties,electroncorrelation,densityfunctionaltheoryWeek 13-14Solvation,excited statesWeek 15-16Comprehensive examples, selected topics, review大纲1、本课程共16周，各周的暂时安排如下，具体会根据实际情况调整。2、放假放掉2次课（9.21和10.5），不补。3、理论上包括了电子结构计算的框架、主要概念；实践操作包括基本的计算技术

幻灯片 3 Syllabus 3 Week 1-2 Course overview; introducing Gaussian & Gaussview Week 3-4 Review QM; single point energy calculation Week 5-6 H atom, Hartree-Fockmethod; orbital analysis Week 7-8 Various approximations (BOA, LCAO, Semi-empirical methods, basis set); related calculations Week 9-10 Potential energy surface/scan, geometry optimization (transition state), vibration Week 11-12 Model chemistry, thermochemistry, SCF convergency; one electron properties, electron correlation, density functional theory Week 13-14 Solvation, excited states Week 15-16 Comprehensive examples, selected topics, review 大纲 1、本课程共16周，各周的暂时安排如下，具体会根据实际情况调整。 2、放假放掉2次课（9.21和10.5），不补。 3、理论上包括了电子结构计算的框架、主要概念；实践操作包括基本的计算技 术

幻灯片4Abouttextbooks1.JamesB.Foresman,AleenFrisch.ExploringChemistrywithElectronicStructureMethods.Wallingford,USA:Gaussian,2015.中文版：探索化学的奥秘：电子结构方法2.FrankJensen.IntroductiontoComputationalChemistry.West Sussex, UK:Wiley,2017.1、教材，包括参考书，提供相应的电子版。如有需要自己打印，大约40-60元/本。Foresman的书最实用，里面内容大部分都会涉及。Jensen的书给出了更为严格的理论讨论。目前中文书没有合适的。2、上课+计算练习+我会给出每部分相应的书籍章节=比较好地掌握计算化学

幻灯片 4 About textbooks 4 1. James B. Foresman, Aleen Frisch. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods. Wallingford, USA: Gaussian, 2015. 中文版：探索化学的奥秘：电子结构方法 2. Frank Jensen. Introduction to Computational Chemistry. West Sussex, UK: Wiley, 2017. 1、教材，包括参考书，提供相应的电子版。如有需要自己打印，大约40-60元/ 本。 Foresman的书最实用，里面内容大部分都会涉及。 Jensen的书给出了更为严格的理论讨论。 目前中文书没有合适的。 2、上课+计算练习+我会给出每部分相应的书籍章节 = 比较好地掌握 计算化学

幻灯片5Prerequisites1.Undergrad Pchem/Structural chemistry or theequivalent;2. Introduction to Quantum Chemistry, desirablebut not required;3.Minimum math to present the modelingmethods and underlying theory;4.FamiliaritywithWindowsisdesirable1、我在这里调查一下各位同学的基础，物理化学也就是pchem学过没有？【板书：Pchem物理化学】量子化学的入门课程呢【结构化学】？记得粒子在一维势模型么？量子谐振子模型？薛定方程？2、不提供基于Mac的软件安装和使用支持

幻灯片 5 Prerequisites 5 1.Undergrad Pchem/Structural chemistry or the equivalent; 2. Introduction to Quantum Chemistry, desirable but not required; 3.Minimum math to present the modeling methods and underlying theory; 4. Familiarity with Windows is desirable 1、我在这里调查一下各位同学的基础，物理化学也就是pchem学过没有？ 【板书:Pchem 物理化学】 量子化学的入门课程呢 【结构化学】？ 记得粒子在一维势阱模型么？量子谐振子模型？薛定谔方程？ 2、不提供基于Mac的软件安装和使用支持

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