量子化学基本原理与应用精选(九篇)
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第1篇：量子化学基本原理与应用范文
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）10-0153-02
量子力学是一门比较成熟，但还在发展中的学科，而且作为普通高校物理学专业学生的按照规定必须学习的学科，所以对于教师来说，在教学过程中可以使用启发式讲授技巧，不能只是在乎知识的传递，重点应放在培养学生多方面的能力上。根据现在大部分普通高校的物理学专业的授课计划，全部是在完成基础力学的学习基础上再学习量子力学，但是学生在进入对于量子力学的学习之前，接触到的都是宏观世界的概念，从量子力学开始，就变成了微观世界的概念与计算公式，这就导致了在学习中的一些领悟上的障碍。
我建议在领会及理解量子力学之前，应开设量子物理这部分知识的课程，用《新概念物理教程・量子物理学》这本书为教材，书中的概念是以实验的真实结果为起点，由简单的内容启发部分复杂的内容，使许多概念更加容易理解。选取使用狄拉克符号以及矩阵等数学工具，还有不遵照逻辑方面的严谨和理论知识上的全面性和细致性的讲述结构，这本书中主要针对量子力学方面的内容进行阐述说明，并没有包含一些基础的计量方法。描述了微观世界量子力学的基本原理和基本方法，同时也用了量子力学的知识来解释认识源自世界的基本规律，也会了解一些必要的近代物理学实验。但是这本书和“量子力学”内容之间存在着差异，所以普通高校的物理学专业的学生在学习了“量子物理”内容之后，一定要再掌握“量子力学”内容。有了量子物理的基础，再去学习量子力学就会变得容易理解一些，有助于学生更好的学习量子力学。
《新概念物理教程・量子物理》这个教材在撰写和讲授的思路上是与新概念物理教程系列的力学、热学教材是一脉相通的。本书包含实验基础和基本原理，双态系统、从一维系统到凝聚态物质到原子、分子到原子核、粒子以及量子力学中的新的研究成果和线性代数、高斯函数和高斯积分、物理常量等三个附录，所表述的都是偏向于基础概念的内容。在实质特征方面，这本书注重于用普通基础的课程风格来讲述量子物理。
量子物理实则是普通高校物理学的学生的必须学习的知识，在制定人才培养方案中就应列为主干课程。根据此书的内容来看，是所要学习的基础物理学中结尾的一部分，也打开了近代物理这个新世界的大门。主要经过这部分的内容的领会，学生就会了解微观世界的物理现象，让学生懂得使用已获得的内容去理解。本课程教学有着承前启后的意义，通过对此课程的学习，为接下来要学习的课程奠定实质性基础，比如量子力学、固体物理学、近代物理学实验等。
在之前的学习普通物理内容的第五部分是“原子物理”，而此书却有了很大区别，它启发了新的教学思路，起初就应用量子力学内容上的定义，但是更加周详的阐述了当代量子物理的各个方面，不算原子物理课程已经成形知识的讲授之外，同时还有如量子共振、势垒隧穿、半导体、超导体、能带、声子与元激发、约瑟芬森结等内容，还有一些近一段时间内量子物理方面的新成果。
从知识的连贯性看，此书规定学生要掌握光学、微积分和线性代数的知识。课时的规定是与原子物理课程相似。在拟定物理专业的讲授方案上，会遇到一个麻烦，就是如固体物理学、原子核物理学等主要的一些科目，需要等量子力学这部分知识学习之后再继续学习获得。那么在学生学习了“量子物理”的内容之后，以后的教学内容就可以在学完量子力学课程之前安排，使学校的教学变得更加机动了，而且学生做近代物理实验时非常有益。
普朗克量子论中可知晓普朗克量子论的发现和发展的主要过程，还有量子力学在科学研究上和人类社会发展上起到了重要的作用。量子论诞生到现在也有近一百年的时间了，量子力学也逐渐完善，时间也非常久远。高校所学的基础物理课程中量子物理的知识在许多地方都是一带而过，但是所学的量子的知识在基础物理中是具有举足轻重的部分。量子力学一些原理是根据偏微分方程得出的，对学生基本学习内容要求的高，就会造成理解领悟上的难度，导致有些问题一直不能完成，然而，大多数普通高校物理专业的学生将在大三时期去学这门课程。
对于在大学期间以物理学为专业的学生来说，大部分都是高中的优秀学生，他们对在物理方面所取得的成果，都有着浓厚的兴趣。兴趣是发现问题解决问题的原动力，一旦量子物理这门课带领学生进入微观的世界，就可以激起和持续的给学生带来兴趣，这一定会有助于学生们学习量子力学，解决了直接学习量子力学的困难。如今，很多相关范围的内容，如量子化学、量子生物学很多相关知识与量子的知识相辅相成，都是以量子物理这门学科作为基石，正是因为如此，可以自信的认为，如果没有量子物理的知识，那么就不会有人类现在的生活方式和生活水平。
参考文献：
[1]赵凯华，罗蔚茵.《新概念物理教程.热学》改革的思路[J].大学物理.1998，17（4）：35-36
[2]战丽波.高等师范院校《量子力学》教学内容与教学方法研究[C].鲁东大学.2006
第2篇：量子化学基本原理与应用范文
[关键词] 天然化合物波谱解析；天然化合物；教学方法
[中图分类号] Q94 [文献标识码] B [文章编号] 1674-4721（2014）02（b）-0123-03
《天然化合物波谱解析》是研究天然化合物结构的一门课程，适合于中药学、中药制药、制药工程、药物制剂等专业的本科生，是中药学、药学类专业的选修课程之一。通过本课程的学习，使学生掌握如何根据天然化合物的波谱，尤其是四大光谱即磁共振波谱（NMR）、质谱（MS）、红外光谱（IR）、紫外光谱（UV）鉴定其化学结构，并掌握各种结构类型天然化合物的主要波谱特征。
天然药物化学成分研究的重要途径就是利用各种先进的色谱分离技术将中药中所含的化学成分分离出来并鉴定结构，由于各种先进色谱技术的发展，化学成分的提取分离已经变得越来越容易，而化学成分的结构研究主要依靠波谱方法，而波谱解析相对来说比较困难，因此天然化合物的结构解析是天然药物化学成分研究的核心问题与关键步骤。笔者在多年的《中药化学》《天然药物化学》本科及硕士研究生《天然化合物波谱解析》的教学工作，积累了一些经验，于2008年编写出版了《中药化学成分波谱解析》[1]。2012年担任主编组织编写出版了全国高等院校中医药类专业卫生部“十二五”规划教材、全国高等医药教材建设研究会规划教材《波谱解析》[2]。在多年的教学科研工作和编写论著的过程中，对于本科生的波谱解析课程教学方法，积累了一些经验，现总结如下。
1 与《仪器分析》课程的联系与区别
《仪器分析》[3-5]是一门介绍各种现代仪器分析方法的物理和化学原理，仪器的结构原理、测试原理和定性定量分析方法的课程，是药学专业的必修专业课程。《天然化合物波谱解析》是在学习过《仪器分析》中的波谱理论后，对波谱理论的实践应用，会加深对波谱理论的理解。然而，波谱技术的基本原理涉及量子力学、电学、磁学和光学等广泛领域，一般的化学工作者并不精通这些领域，会觉得比较难于理解。《仪器分析》在介绍波谱解析方法时均以小分子有机化合物为研究实例，而中药化学成分的结构比较复杂，结构研究比小分子有机化合物要复杂得多，学生普遍感到比较困难。因此，《波谱解析》在介绍波谱学基础知识时，应避开量子化学等波谱基本原理，以具体天然化合物为例，侧重于介绍波谱的解析方法和应用，以及结构解析的规律和过程，四大光谱中应重点讲授结构解析最有力的方法——磁共振谱。例如，在磁共振理论中要重点讲授化学位移值、耦合常数、峰型等与分子结构的关系，在质谱理论中讲授各种质谱裂解技术的特点、使用范围和选择依据，以及常见天然化合物的质谱裂解特征。掌握这些内容即可解析中药化学成分的结构，这是本课程与《仪器分析》的不同之处。
2 与《中药化学》及《天然药物化学》课程的联系与区别
《中药化学》[6-7]和《天然药物化学》[8-9]是一门运用有机化学、分析化学等现代科学理论和技术等研究中药或天然药物中化学成分的课程，研究内容包括化学成分的物理化学性质、提取分离、结构鉴定、生物合成途径等。这两门课程中虽然举例介绍常见天然化合物的波谱特征，但是没有讲授如何从图谱入手解析结构。
结构鉴定是中药化学研究领域中难度较大的一个环节。《天然化合物波谱解析》课程是本科生在学习《中药化学》或《天然药物化学》课程后，在掌握了天然化合物的结构类型、结构特征和理化性质的基础上，在结构研究方面的进一步深化、提高。因此，本课程在教学内容上应与《中药化学》或《天然药物化学》中介绍的化学成分的类型基本一致，主要包括糖苷类、小分子酚酸类、香豆素、木脂素类、黄酮类、醌类、萜类、甾体类、含氮有机化合物类、脂肪酸类、鞣质类等。对于二苯乙烯类、苯乙醇苷和色原酮类化合物，虽然《中药化学》或《天然药物化学》中没有涉及，但是这些类型的化学成分在天然药物中分布相对比较广泛，而且结构骨架比较有规律，所以也可以适当介绍。而多糖和蛋白质类成分，虽然分布很广泛，但是结构研究非常复杂，需要借助于化学方法和NMR、2D-NMR、3D-NMR、MS-MS等先进的波谱技术。
笔者在本科生、研究生教学中，发现学生虽然学习过波谱理论和常见中药化学成分的波谱特征，但对于解析中药化学成分图谱的学习仍感到比较困难，这是因为四大光谱的解析要比波谱数据分析困难的多，从图谱得到波谱数据需要波谱理论和分析图谱的实践经验。因此，本课程应介绍各类中药化学成分如何从图谱入手解析结构，例如在介绍NMR图谱解析方法时，应教会学生如何分析排除图谱中的溶剂信号、杂质信号、水峰等干扰信号，确定1H-NMR峰面积积分值与氢质子数目的对应关系，多重峰峰型和耦合常数的分析方法等。
3 注意教学内容的代表性
本课程介绍的化合物应为在天然药物中分布较广泛，结构特征具有代表性，在《中药化学》或《天然药物化学》课程教学重点介绍的化合物。例如，在小分子酚酸类化合物中介绍咖啡酸、阿魏酸、苯甲酸等结构解析方法，在黄酮一章中介绍芹菜素、山萘酚、木犀草素、槲皮素、葛根素、芦丁等化合物，在单萜中介绍梓醇、栀子苷等化合物，在三萜中介绍齐墩果酸、熊果酸、羽扇豆醇等化合物，学生对这些化合物的结构比较熟悉，而且结构具有代表性，在中药中分布较广泛，通过解析这些化合物的结构并掌握其波谱特征，就能够熟练解析该类化合物的结构。
4 与研究生课程的区别
本课程是药学类本科生、研究生两个层面均设课的一门必修课程，在教学中应针对不同阶段学生讲授的侧重点不同。对于本科生来说，本课程是一门难度较大的专业课程，因此，应重点介绍在天然药物中分部广泛且结构简单、结构规律明显的化合物，例如黄酮一章中应介绍黄酮类、黄酮醇类、二氢黄酮类、异黄酮类、查尔酮、黄酮碳苷类、二氢黄酮醇、二氢异黄酮、二氢查尔酮、黄烷醇、高异黄酮等其他黄酮就不再介绍；在单萜类化合物中应重点介绍环烯醚萜类，在化合物中讲授紫罗兰酮类，在三萜类化合物中讲授齐墩果酸类化合物，对于结构复杂的倍半萜、二萜、四环三萜可不用讲授；在二苯乙烯类和间苯三酚类化合物中应介绍单聚体，对于二聚体、三聚体等多聚体不再讲授；在含氮化合物中讲授结构简单的麻黄碱类生物碱以及结构规律性强的小檗碱类生物碱；鞣质类化合物中讲授可水解鞣质单聚体，对于可水解鞣质二聚体以上以及缩合鞣质、复合鞣质均不介绍。
5 授课方式
本课程授课过程中给出大量图谱，故需要采用多媒体教学。建议授课时以讨论式教学方式，带领学生分析讨论每个化合物的图谱，详细介绍如何从图谱入手解析各类天然化合物的结构，并且对每类化合物的波谱特征和规律进行归纳总结。
5.1 注重对各类化合物波谱规律、特征的总结
中药化学成分是存在于自然界的天然化学成分，每类成分均有其独特的结构特征，这种结构上的特征会相应地反映在波谱中。因此，解析完每一类化合物后，结构解析中在介绍每类化合物的结构解析方法以后，重点总结各类化合物的波谱特征和规律，这对于学生掌握天然化合物的结构研究方法具有非常重要的意义。
5.2 注重图谱的真实性
本课程授课过程中讲授的各种图谱均应为真实图谱，有些图谱中甚至有杂质信号，这都反映了实验室常规测试的实际情况。教师不能刻意将图谱优化，例如去掉1H-NMR图谱中的溶剂峰、水峰、杂质峰、旋转边峰等干扰信号，图谱解析应具有实战性，否则学生不能很好地掌握图谱解析方法。
综上所述，《天然化合物波谱解析》是本科药学专业本科生的一门难度较大、专业性较强的课程，教学中应根据本科生的特点，选择天然化合物中分布广泛、结构简单、结构规律性强、具有一定代表性的化合物，化合物结构由简到难、从小到大，从真实图谱分析入手，分析讨论图谱，得出波谱数据并推断结构，在此基础上总结每类化合物的波谱特征和规律，使学生较快掌握天然化合物的结构解析方法。
[参考文献]
[1] 冯卫生，王彦志，郑晓珂.中药化学成分波谱解析[M].北京：科学出版社，2008.
[2] 冯卫生.波谱解析[M].北京：人民卫生出版社，2012.
[3] 李发美.分析化学[M].北京：人民卫生出版社，2011.
[4] 梁生旺，万丽.仪器分析[M].9版.北京：中国中医药出版社，2012.
[5] 尹华，王新宏.仪器分析[M].北京：人民卫生出版社，2011.
[6] 匡海学.中药化学[M].北京：中国中医药出版社，2003.
[7] 石任兵.中药化学[M].北京：人民卫生出版社，2012.
[8] 吴立君.天然药物化学[M].北京：人民卫生出版社，2011.
第3篇：量子化学基本原理与应用范文
Abstract：Rational drug design is important component of medicine chemistry，which can guide the innovative drug research.The rational drug design can not only improve the efficiency and save the cost of drug research，but also accelerate the development of medicine chemistry.Here，some important methods of drug design，such as properties based drug design，ligand based drug design， receptor base drug design are introduced in medicine chemistry，and the corresponding samples are used to demonstrate the idea of drug design.Obviously，the innovative drug design integrated into medicine chemistry teaching not only boosts the innovation consciousness in drug research，but also is the basis for cultivation of creative student.
Keyword：Medicine Chemistry；Drug Design；Teaching Research；Teaching Reform
随着药物化学的产生与发展，药物设计这一学科也应运而生。早在1919年，langmuir[1]就提出了电子等排体的概念；1925年Grimm[2]将电子等排体概念广义化；1932年Erlenmeyer[3]将有机化学的电子等排原理和环等当体概念用于药物设计，首次提出了具有理论性的药物分子结构修饰；1964年，Hansch[4-5]提出了线性自由能模型，即Hansch方程，使得药物设计由定性进入定量研究阶段。为在三维空间探讨药物结构与生物活性之间量变关系，19世纪80年代前后逐渐出现了三维定量构效关系研究方法。例如，1979年Crippen[6]提出“距离几何学方法”；1980年Hopfinger[7]等人提出“分子形状分析方法（MSA）”；1988年Cramer[8]等人提出了“比较分子场分析方法（CoMFA）”；1994年Klebe[9]在CoMFA基础上又提出“比较分子相似性指数分析方法（CoMSIA）”。三维定量构效关系的出现给药物设计注入了新的活力，让药物设计更趋于合理，也是目前应用最为广泛的药物设计方法之一。
20世纪70年代之后，随着分子生物学的进展与人类基因组计划的顺利完成，对酶与受体的认识更趋深入，更多酶的性质、反应历程、药物-酶复合物的结构得以阐明，使得药物设计更为合理。同时，计算机图形学、分子生物学、计算机科学等学科的发展与交叉应用，不仅为新药设计带来了更多的机遇，同时也让药物研究面临更多了挑战。显然，药物设计方法在药物化学中的地位也越发显得重要。目前，药物设计开始综合运用药物化学、生物化学、分子生物学、量子化学、药理学、计算机科学、信息学等学科的研究内容，使得药物设计受到药学研究人员的广泛重视，已成为药物研究中的基本工具与必备手段。
药物化学是药学学科的专业基础课，本身所涉及的药学研究内容较多，对教师的理论教学提出了较高要求。然而，药物设计因属于多学科交叉前沿研究领域，涉及多个学科的研究内容，对学生的理论基础知识提出更高的要求。此外，在传统的药物化学教学中并未将药物设计的概念、研究方法、研究手段单独提出，这就让学生对药物设计产生神秘感，增加了药物设计的教学难度。因此，如何将药物设计的理念、研究方法、研究手段有机融入到药物化学的理论与实践教学中，需要长时间深入的研究与探讨。该文将介绍药物化学理论教学中常见的几种药物设计方法，将药物设计理念融入到药物化学的教学内容中，为培养创新型药学人才奠定基础。
1 药物化学教学中的药物设计方法
1.1 基于性质的药物设计
基于性质的药物设计针对药物或先导物结构进行药物性质设计与优化，以改善药物或先导物的吸收、分布、代谢、毒副作用为目的。在药物化学理论教学中，药物设计案例随处可见，诸如软药设计、硬药设计、孪药设计、生物电子等排等，在先导化合物的优化中得到广泛应用。药物分子通过简单的设计或改造，可以改善其某些物理化学性质或不良效应，提高药物的选择性、稳定性、溶解性、作用时间、生物利用度、增强药效与降低毒副作用等。例如由乙酰水杨酸与对乙酰氨基酚拼合而成贝诺酯，不仅可以解决水杨酸对胃的酸性刺激，而且因协同作用而增强的药效。再如治疗前列腺疾病的已烯雌酚会产生雌激素副作用，将其设计成已烯雌酚二磷酸酯，因前列腺肿瘤组织中磷酸酯酶含量高于正常组织，可以在癌组织中酶解出高浓度的已烯雌酚，从而增强了对前列腺肿瘤组织的选择性。
1.2 基于配体的药物设计
基于配体的药物设计是根据现有药物分子结构，分析结构与生物活性的之间量变关系，据此设计新的化合物以提高其的生物活性。定量构效关系研究在基于配体的药物设计中应用最为广泛，可分为二维、三维定量构效关系研究方法。定量构效关系研究可以追溯到1868年提出的Crum-Brown[10-11]方程，该方程认为化合物生理活性可用化学结构的函数式表示，但是并未建立明确的数学模型。直到1964年Hansch提出线性自由能模型，使得构效关系研究进入定量研究阶段。20世纪80年代，三维定量构效关系研究方法的出现使得构效关系研究更为直观，也大大提高了药物设计的效率。例如环丙沙星的发现就是基于系列喹诺酮类药物的Hansch方程，方程显示喹林羧酸的1位取代基的最佳长度是0.417 nm，因此1位取代基为环丙基（0.414 nm）比乙基（0.411 nm）的生物活性更优，结果表明环丙沙星的抗菌效果优于诺氟沙星。
1.3 基于受体的药物设计
基于受体的药物设计是指基于X射线衍射、核磁共振或同源建模等提供的受体三维结构信息，筛选或设计能够与其发生相互作用并能调节其功能的小分子化合物。随着人类基因组计划的完成，大量与疾病相关的基因被发现，且越来越多药物受体的三维结构被测定，尽管有些具有重要药理作用药物靶点地三维结构还未测定，但可以通过同源模建或从头计算方法获得相关信息，为创新药物设计奠定了基础。基于受体的药物设计包括如下步骤：（1）确定药物作用的是受体分子；（2）确定受体分子的三维结构以及结合位点；（3）基于受体与结合位点信息，设计或筛选小分子化合物，并模拟出最佳复合物的结构模型；（4）合成模拟得到的最佳化合物，进行活性测试；（5）重复上述过程直到满意为止。在药物化学的理论教学中，卡托普利是基于受体药物设计的典型案例。对血管紧张素转化酶的结构分析发现，该酶中有一个锌离子，对受体与配体的结合具有重要作用；此外，受体分子的精氨酸残基带有阳离子，可与带负电荷的基团形成离子键。卡托普利的巯基与羧基能够很好的满足与受体结合的要求，具有良好的酶抑制活性，因此卡托普利也是第一个上市的血管紧张素转化酶抑制剂。
1.4 基于机理的药物设计
基于机理的药物设计是指基于疾病发生的全过程，根据药物靶点的结构、功能与药物的作用方式以及产生生理活性的机理，通过抑制某些与疾病相关的生理、生化过程以阻断疾病的发生，从而达到疾病治疗的目的。基于机理的药物设计技术建立对介导疾病病理生理过程的蛋白质分子结构和功能认识的基础之上。在过去，对药物作用机理的认识往往滞后于药物的发现，而现在药物研发的重心已经转到了探寻分子机理并据此设计药物上。基于机理的药物设计是药物设计发展的重要方向，相比基于结构的药物设计更为合理。例如在精神病药物的开发中，经典的多巴胺受体（DA2）拮抗剂容易产生锥体外系副作用，而5-HT2受体与情绪、抑郁等密切相关，当其拮抗时可使黑质-纹状体通路的多巴胺释放，使多巴胺神经节调节运动的功能恢复。基于该机理设计的利培酮可同时拮抗5-HT2和多巴胺DA2受体，具有很好的抗精神病作用而锥体外系的副作用很小。
