[发明专利]用于自动和高效地计算化学反应的动力学数据的蒙特卡洛方法

说明书

本发明涉及一种用于计算化学反应的过渡态的计算机实现的方法，以及一种用于数据处理的系统，该系统包括用于执行所述方法的装置，一种计算机程序，该计算机程序包括促使计算机执行所述方法的指令，以及涉及所述计算机程序的用途。

技术领域

本发明涉及一种用于计算化学反应的过渡态的计算机实现的方法，以及一种用于数据处理的系统，该系统包括用于执行所述方法的装置，一种计算机程序，该计算机程序包括促使计算机执行所述方法的指令，以及所述计算机程序的用途。本发明还涉及用于自动和有效地确定化学反应的动力学数据的系统、方法和装置。

背景技术

在化学反应期间，参与的原子会改变其几何结构，并且键会断裂并形成新的键。在此，参与的原子的能量也会改变并且在该化学反应的变化过程期间达到最大能量的状态，即所谓的过渡态。所述过渡态代表将化学反应的反应物与产物分开的势垒或活化势垒。如果克服了活化势垒，则形成所述产物。化学反应期间的能量可以借助于所谓的势能超表面来表示，所述势能超表面根据参与反应的原子的几何结构来映射参与反应的原子的势能。在此，势能超表面还映射不形成任何产物的状态。在克服过渡态的条件下形成产物的直接反应路径可以被显示为曲线，在该曲线中绘制了分子的各个原子之间的距离与能量的关系。借助于量子化学方法和数学近似方法，可以计算出分子或多个分子的系统的几何结构能量，其中在此要观察的函数空间包括所述分子的自由度。这些方法使得可以确定过渡态时的几何结构，并且允许预测化学反应的反应动力学。

一种可以用于确定过渡态时的几何结构的公知方法是牛顿-拉夫森方法。但是，借助于牛顿-拉夫森方法计算过渡态具有一些缺点。首先，牛顿-拉夫森算法不能应用于分子的每个任意起始几何结构，而只能应用于已经非常接近于过渡态的几何结构的分子几何结构。这是费事的，因为分子几何结构与过渡态的几何结构相近似通常是手动进行的，即，在计算机上手动设置键长。还已知以下方法，其中首先使用其他方法来计算势能超表面，从所述势能超表面中标识出可能的鞍点。因此，在这些方法中也必须首先确定已经非常接近于过渡态的几何结构的几何结构。由于这些原因，利用目前的计算机技术，借助于牛顿-拉夫森算法特别是对于具有多于100原子的分子计算过渡态特别耗时且成本高昂。为了使用牛顿-拉夫森程序和基于牛顿-拉夫森程序的近似，还必须根据所观察分子的核坐标强制计算能量的二阶导数。所述二阶导数的计算耗费与分子大小成平方比例关系，因此决定了计算活化能的速度。

Lin等人（“A flexible transition state searching method for atmosphericreaction systems（大气反应系统的柔性过渡态搜索方法）”，Chemical Physics 450-451，2015年，21-31页）公开了一种用于在气相中研究大气化学反应的方法。在第一步骤中，该方法包括使用力场方法基于蒙特卡洛方法筛选势能超表面，其中标识出近似的鞍点状区域。在该文献中，对应蒙特卡洛方法所使用的观测值是能量函数的值。然后基于此尝试借助于牛顿-拉夫森方法来定位化学过渡态。使用该文献中公开的蒙特卡洛方法必须首先仿真整个势能超表面，然后才能标识出近似的鞍点状区域。因此，使用这种蒙特卡洛方法无法有针对性地优化鞍点状区域。由于这个原因，不可能有效地使用用于定位所需鞍点的计算资源。使用目前的计算机技术将该文献中公开的方法的使用限制为具有7到30个原子的小分子。此外，使用数学上高度简化的方法。