[发明专利]COSMOplex：自组织系统的自洽模拟

说明书

一种使用基于分子表面片段的成对相互作用的统计热力学的准化学计算来模拟，特别是计算机化计算一种或多种化学物质的系统的至少一个物理特性的方法，所述系统包括溶解在至少一种非均匀分布的化学物质中的至少一种化学物质。根据本发明，由空间区域的统计热力学群体过剩或群体不足引起的压力作为附加的连续体响应函数与原子体积相互作用，从而影响在液体系统的1维、2维或3维结构化模拟体积中的分子的统计热力学分布的迭代计算期间系统中的分子状态的热力学权重。

本发明涉及一种使用基于分子表面片段的成对相互作用的统计热力学的准化学计算来模拟，特别是计算机化计算一种或多种化学物质的系统的至少一个物理特性的方法，所述系统包括溶解在至少一种非均匀分布的化学物质中的至少一种化学物质。

发明领域

在分子水平上对材料进行模拟已获得了巨大的技术重要性，因为它无需进行先前的实验工作即可选择最佳的材料组分，并且因为它提供了机械见解，这对于控制和改进正在考虑的材料或系统是非常重要的。液体材料和柔软的准液体物质，例如乳液和热塑性聚合物，在一般化学、制药、农用化学、生化、石化和化妆品工业以及清洁产品中特别重要。尽管对于大范围的化学领域来说，理解和模拟均匀大量液体中的分子仍然非常重要，但非均匀的液体系统，例如吸附到固体界面、液-液界面和液-气界面的胶束、乳液、分子，以及液晶和受限液体，的技术重要性日益提高，尤其是在技术、制药、农用化学、生物、石化和化妆品工业中。

背景技术

虽然液体系统模拟的主流方法是分子动力学(MD)或蒙特卡洛(MC)模拟，其中模拟体积中的巨大分子团及其所有3D相互作用都得到了明确的模拟，基于分子表面片段的成对相互作用的统计热力学的准化学模型[1]，例如UNIFAC[2]或COSMO-RS[3,4]，已被证明是模拟大量、均匀、液体系统的非常有效的工具，节省了大约4个数量级的计算机时间，并为溶液中分子的自由能提供了大约两倍的MD/MC模拟精度[5,6]。但是，准化学方法似乎仅限于均匀液体，而非均匀液体似乎仍然是MD/MC模拟的领域。

在Klamt等人采用的COSMOmic方法[7,8]中，当将COSMO-RS方法扩展到模拟溶质在例如胶束和生物膜的一维非均匀液体系统中的分布和分配时，这种情况发生了变化。COSMOmic将非均匀液体视为分层的均匀液体，对每一层使用COSMO-RS方法，并计算所有可能状态下的溶质，即该分层液体背景前的构象、位置和取向。但是COSMOmic受以下事实的限制：它只能模拟在非均匀(主要是胶束)液体中无限稀释的溶质分子的行为，并且它依赖于有关非均匀系统结构的外部信息，该信息通常必须由在前的昂贵的MD模拟产生。

发明内容

本发明包括通过引入压力能量惩罚，补充非均匀系统内的某些状态下分子的其他能量贡献，尤其是准化学能，来将COSMOmic构思推广到对非均匀、自组织系统的自洽模拟。这种压力惩罚降低了分子处于拥挤的空间区域的可能性。因此，在COSMOmic中用于计算溶质分布的类似算法现在可以应用于非均匀系统的组成部分，例如表面活性剂分子和水。这克服了COSMOmic无限稀释的局限，并且消除了对昂贵的外部信息的需求。

具体实施方式

COSMO-RS方法基于以下构思：组成液体系统的所有分子都将有关其表面特性的信息传递给液体的连续体描述。在其最简单的版本中，相关的表面特性是在量子化学COSMO计算中计算的表面极化电荷密度，以及从相同计算中得出的原子量信息。基于所得的总表面连续体组成，即在其最简单的版本中，通过求解准化学方程式来计算溶剂的σ-概况(σ-profile)，热力学响应函数σ-势(σ-potential)。然后，通过对该溶剂连续体S中的每个分子X的所有表面片段的各个σ-势进行求和来计算该分子X的自由能。