传统量子化学计算方法正广泛应用于研究中小尺度体系的电子结构和各种各样的性质。然而,由于这些方法随体系增大计算量迅速增加,将它们应用于大体系计算仍比较困难,从而需要更有效的算法来求解各种理论模型下相应的方程。一种常用的方案是对不同区域采用不同的理论水平。确切地说,即只对目标分子中很小但很重要的区域进行高精度计算,而对其它部分则采用低精度方法来研究。对于某些化学变化发生在局部区域(如酶催化反应)的复杂系统,这类杂化的方法已获得了相当的成功。另一方面,理论化学家发展了各式各样的线性标度方法,它们大多基于密度矩阵的衰减性或电子相关的短程性。这类方法预期能够适用于更普遍的大体系,因此更有发展前景。在各类线性标度方法中,我们组发展的推广的基于能量的分块(GEBF)方法已表明对多种生物分子和分子簇能够提供精确的结果。本论文的主要工作是将GEBF方法进一步拓展至大分子几何结构的优化、振动光谱和热化学计算。并且,我们通过对静电势的多极展开从理论上推导出该方法,对GEBF方法的精度给出了合理的解释。论文的另一部分是应用上述杂化方法研究一些短肽分子在一个自组装空腔中的构象取向,以探讨主一客体相互作用对短肽分子构象的影响。本论文的主要成果和创新总结如下：1.在第3章,我们将推广的基于能量的分块方法拓展至一般大分子和团簇的几何构型优化和振动光谱计算。在该方法中,目标大分子的总能量、能量导数、及一些性质可以通过对一系列由目标分子衍生出的子体系的常规计算得到。通过将每个子体系均嵌入在子体系外的所有原子产生的背景点电荷中,该方法近似地考虑了块与块之间的长程相互作用和极化作用。该方法的计算量随体系的增大呈线性增加,且能够用于大规模的并行化。通过对数个测试体系,包括一个多肽和一个水团簇,的传统和GEBF计算方法的比较,我们发现GEBF方法对含有极性或带电基团的大分子体系的几何结构、振动频率、和热化学数据能提供相当可信的预测,对振动强度也能给出令人满意的描述。2.在第4章,我们在Hartree-Fock水平下,将静电势多极展开到首项,推导出GEBF的能量方程。对一个模型体系的数值计算表明,GEBF方程的高精度主要来源于平衡处理了单和双电子积分的近似。数值计算显示对于中小基组,我们之前工作中所采用的距离判据(3.5—4.0埃)是合理的,但是对大基组则需要使用更大的距离判据。该工作也表明GEBF可以通过引入静电势的更高阶展开项而进一步完善。这样的修正有望会提高GEBF方法计算基态能量和某些性质的精度。3.在第5章,我们基于相关实验工作进行了计算研究,以理解四个短肽在一个自组装的空腔中的构象取向。在该研究中,我们结合分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟、以及量子力学计算获得了四个肽及其相应的包合物的一些低能构象的能量和结构。我们在B3LYP和MP2水平下的计算表明,每个肽在空腔中呈现的构象(由晶体结构所揭示)并不能代表其在气相中的最低能量构象。通过对于(同一个肽的)气相和空腔中一些低能构象比较,我们发现笼子对于肽的构象取向有极其显著的影响。首先,每个肽都有一个羰基氧倾向于与笼子上的一个二价锌相结合,形成锌氧键。该键的形成导致了从笼子到肽的显著的电荷转移。笼子与肽之间的静电作用是造成这类包合物稳定的主要原因。其次,锌氧键的形成导致肽经受一些局域的构象变化。对于较大尺寸的肽,比如五肽、六肽,我们的计算也显示了由于受到宿主的限制作用,其某些构象必须经历显著的构象变化。该计算研究揭示了主客体相互作用对于短肽构象取向的显著影响,为所研究的“空穴保护”实验提供了详细的解释。基于我们的研究,我们建议在“空穴保护”实验中主体不能包含配位不饱和的金属中心,并且构造的空腔应尽可能大,以使得能够容纳短肽(或其他分子)而不对它们造成显著的构象变化。