計算機如何與化學結合

Ⅰ 計算機化學的應用

計算機輔助分子設計和模擬
工程方面的計算機輔助設計已是大家所熟悉的了，化學由於它的特殊性使得計算機輔助化學設計相對來說發展相對較晚，但化學家已在分子設計和有機合成設計兩個主要領域取得較大進展並日益發展。
分子設計和模擬的目標是預測具有指定性質（或性能）的可能分子的結構。它們主要應用於醫葯（葯物設計）和農用化學品（除草劑設計、農葯設計、殺蟲劑設計等）領域，在實驗室內分子設計主要應用蛋白質、酶、核酸等大分子的設計。以前發現一個有應用價值的新化合物主要是憑化學家的經驗和靈感，最常用和最有效的方法就是採用費錢費時的篩選法，已開始採用對分子結構進行系統的有規律的變化，尋找性質與結構變化之間的相關關系，從而建立結構-性質關系模型以用於分子設計。圍繞計算機輔助分子設計，要開展一系列的基礎研究工作，主要有結構-性質關系研究、三維動態分子模型化方法、分子形狀和活性關系、構象分析、生物大分子的結構-功能關系，以及分子設計方法在葯物、材料設計中的應用研究等。
化學結構與化學反應的計算機處理技術
長期以來化學家在應用計算機解決化學問題中遇到的第一個困難就是化學結構的計算機處理的問題。可以說化學的一切領域無一不與化合物的結構密切相關。在過去的30多年中，這一問題得到了廣泛的重視和深入的研究，從而形成了計算機化學的一個重要的研究領域。經過多年努力，化學結構計算機處理中的理論和絕大部分技術問題已基本得到解決。然而，這些方法還是有局限性的；難以應用於諸如族性結構處理、結構-活性相關的自動化研究和反應機理研究等方面。即使對確定結構處理中的問題，現有的解決方案仍不為所有化學家所接受。因此，確定結構的計算機處理仍有一些難題，如無機化合物、金屬有機化合物、互變異構的化學結構等，需要做更深入的研究。同時應當看到這些問題又是計算機化學中諸多領域的基礎，它們的完全解決將有利於計算機化學的發展。
化學反應的處理問題
由於可以將化學反應看成是一些化學結構向另一些化學結構的轉換，因此，化學反應的處理問題說到底是對化學結構的處理。但是，化學反應的計算機成立也有它自己特定的問題，如反應中心的自動識別、反應知識的發現、組織和利用、同類反應的自動產生等問題。這些問題是當前計算機處理化學反應領域內的主要研究方向，它們的解決一方面將推動化學反應資料庫向更高層次的發展，另一方面將通過與數據挖掘技術的結合，發現反應知識，使計算機輔助有機合成路線設計更有扎實的基礎，從而能得到更合理的解決。
族性結構的計算機處理問題
族性結構的計算機處理問題是一個比確定結構更富挑戰性的課題，但又是當今計算機化學必須解決的問題之一。與確定結構不同，族性結構由於在結構式中採用了可變部分而使得一個族性結構對應於一類物質。這類物質可以是有限個確定的化合物；而當採用了「烷基」或「含氮雜環」這類通式術語時，也可以代表無限個化學物質。族性結構的這一性質決定了相應的計算機處理系統的復雜性。族性結構的計算機處理，還只有一個方向性的解決辦法。但從大的方面來看，要解決能忠實於原來意義的族性結構的表述方法和族性結構的檢索兩個問題。如何根據族性結構的特徵；解決它的計算機表述方法是當前族性結構處理的核心問題。它解決得好，族性結構的檢索問題也將較易解決。族性結構的檢索問題與它的表述有密切聯系，並可歸結為如下三類問題：①某一確定結構（化合物）是否被包含在一個族性結構中？②一個族性子結構是否部分或全部為另一族性結構所包含？③兩個不同的族性結構是否有共同的確定結構？族性結構處理中的主要問題已基本得到解決。最早的族性結構檢索系統，法國QUESTEL公司開發的Markush-DARC，已運行了15年。但是，現有系統都仍然存在一些不足，這些不足源於族性結構表述的固有困難。可以預見，它們的徹底解決將依賴於組合概念表述的革新，而不是基於現有概念的打補丁。這種概念的更新將有可能豐富和推動圖論、集合論等數學理論的發展，而且也將為性能更好的實用系統的建立奠定基礎。
人工智慧的化學應用
人工智慧技術已有40多年的歷史，它在化學中的應用也不是新鮮事了，因為DENDRAL系統就開始了人工智慧的化學應用，而且正是它的成功而開創了當代已得到蓬勃發展與廣泛應用的稱之為專家系統的人工智慧中的一個重要分支。但是，由於人工智慧技術是一個多學科的綜合研究領域，它的內容與應用常常難於理解，因此盡管人工智慧已經走出了它的嬰兒期而日趨成熟，但至今仍有許多人並不十分了解人工智慧的作用。作為事實科學的化學，盡管其理論近幾十年來得到了長足的進展，但是化學家解決問題主要還是依靠經驗和直覺。人工智慧正好能提供將理論與經驗結合起來的手段。因此，不少化學家與人工智慧專家都認為化學是人工智慧最理想的試驗場與用武之地。當前化學中人工智慧的主要研究有應用自然語言處理技術的化學文獻文摘的自動生成、化學數據中的智能檢索方法、化學實驗室的自動化與機器人、神經網路方法的化學應用、化學中的NP-完備性問題及其解決辦法、化工過程系統綜合、故障診斷、過程式控制制中的人工智慧方法等，其中最活躍而且也是最成功的是研究開發由譜圖數據，包括紅外、質譜、核磁共振，特別是從二維和高維核磁共振數據藉助於計算機快速推定未知化合物結構的解析系統。但是，盡管已有不少這類系統，但真正能解決實際問題的系統還不多，研製實用的結構解析系統是這一領域的重要課題。
計算機輔助化學過程綜合與開發
隨著計算機存儲和運算能力的提高，使得計算機正在迅速進入新興產業和傳統產業的各個方面。對於典型的過程工業的化學和石油化學工業，計算機同樣成為它們的核心部分，對過程進行全面制約並對其變革產生著深刻的影響。從目前來看，過程綜合有兩個層次的含義。由已知的原料條件和產品的性能規格要求，如何找到最佳的工藝製造途徑是過程綜合一個層次的含義。對不同過程的集成，以期達到對能量、物料、設備等資源的最大限度利用的同時，達到消滅污染於過程的目的，是過程綜合另一個層次的含義。這無疑是過程工業在下一世紀最具挑戰性的課題之一。
「過程概念設計」的提出是計算機輔助化學過程綜合與開發領域技術進步的一個重要標志。然而，這種進步主要表現在知識的積累方面，而在計算機軟體方面，除在能量系統綜合外，似乎尚未取得突破性的進展。計算機化學至少可以從三個主要方面促進過程綜合與新流程的開發：①集中對化學過程的研究成果，形成資料庫和軟體包；②計算機輔助過程評估、系統設計、關鍵設備設計、動態控制和管理；③充分利用理論研究成果，減少放大步驟。

Ⅱ 有哪些化學專業問題可以藉助計算機完成

現在許多化學問題都可以通過計算機計算解決，這個專業方向為計算化學。

計算化學主要應用已有的電腦程序和方法對特定的化學問題進行研究。而演算法和電腦程序的開發則由理論化學家和理論物理學家完成。計算化學在研究原子和分子性質、化學反應途徑等問題時，常側重於解決以下兩個方面的問題：

• 為合成實驗預測起始條件

• 研究化學反應機理、解釋反應現象