[发明专利]化学反应规则库的生成方法及生成化学反应网络的方法

说明书

本申请公开了一种化学反应规则库的生成方法及生成化学反应网络的方法，可以根据输入化学反应方程式对模型进行训练，训练后的模型具有一定的反应路径和新反应的预测能力。所述方法不仅适用于现有的反应规则，也适用于未知的反应规则。训练过程：根据反应机理中的反应方程，转化为反应拓扑矩阵；通过分析将原始反应信息规律存储到模型中，模型将反应拓扑矩阵演化为反应规则。运行过程：输入物种到模型，输出可能的反应网络。

技术领域

本发明涉及化学反应网络的生成算法领域，尤其是一种化学反应规则库的生成方法及生成化学反应网络的方法。

背景技术

对于复杂反应体系，手绘建立反应网络的任务是非常繁重的，几乎是不可能的。而复杂系统的反应网络可以由计算机自动生成，具体步骤包括：物种和反应的矢量化，根据反应类别建立矢量转换算法描述化学反应，根据特定环境和约束条件通过程序迭代实现反应网络的自动生成。

通过计算机自动生成反应网络的方法近年来不断发展，已被应用于催化裂化、异构化、燃烧、生物过程等各种反应体系。不同系统的反应网络发生器也在开发中，使我们不仅可以检测已知的反应路径，还可以检测新的反应路径，而无需任何人为干预。而现有的反应网络发生器在实现网络生成方面具有一定的局限性。一方面，特殊的反应发生器只能适用于相应的体系，这些生成方法通常是基于经验，建立的化学反应规则与反应变换算法之间是一一对应的。另一方面，研究人员需要根据测试的表征结果和仿真计算等过程，根据经验建立反应路径，使机理研究不仅费时而且效率不高，同时也无法保证反应网络的完整性和可靠性。

目前，缺少一种自动生成化学反应网络的方法，提取以往的反应机理知识中的规律，又能形成新的反应规则，实现新路径和新反应的预测。

发明内容

本发明提出了一种新的方法，实现了反应知识驱动的计算机自动生成反应网络。首先，根据文献中的机理提取反应方程，确定反应过程和过渡态变化，并用拓扑矩阵表示；然后建立反应过程的拓扑矩阵表达，以及反应过程特征识别算法；最终将其转化为反应规则。在运用过程中，根据输入物种信息以及相应的约束条件，实现反应网络的自动生成。这样的方法可以提取出初始反应网络的反应规律，并存储在反应规则模型中。反应规则模型将成为反应规律的载体，可以接受训练，方法为将可用的机理反应作为输入，不断训练成反应规律存储于反应规则库。研究人员可以通过将新发现的物种或者中间过程，根据反应规则库自动生成有限的反应网络途径，而不是依赖过去的经验，有利于提高他们的研究效率，减轻寻找反应路径的困难。

一种化学反应规则库的生成方法，包括以下步骤：

1)根据物种中包含的原子和化学键将已知的化学反应方程式中的反应物种和产物物种转化成拓扑矩阵表达；

2)将反应物种的拓扑矩阵组合，得到反应态拓扑矩阵TS-f；将产物物种的拓扑矩阵组合，得到产物态拓扑矩阵TS-p；根据拓扑矩阵最简变换的方式将TS-f变换为TS-p，并将变换过程记录为反应矩阵；

根据反应矩阵中成断键变化得到反应物种中的反应中心原子和子结构，所述子结构包括所述反应物种的反应中心原子、设定的拓扑距离内的其他原子以及原子之间的连接方式；

将子结构和反应矩阵储存在反应规则子模块中；

3)将各个化学反应方程式生成的反应规则子模块组成反应规则库。

可选的，所述步骤2)中TS-f变换为TS-p的变换过程采用如下方法得到：

根据已有的TS-p矩阵和TS-f对应的元素序列，按照元素守恒，即同种元素对应的前提下，通过合同变换将TS-f变换为TS-p；将反应矩阵每行每列取绝对值求和最小时，定义为最简变换；

可选的，所述步骤2)中反应中心原子采用如下方法确定：

得到的反应矩阵中1为成键位置，-1为断键位置，0为不反应的位置；反应矩阵中非零位置的行号或列号即为反应中心原子。