專(zhuān)利名稱(chēng)：用于以計(jì)算方式來(lái)確定分子的化學(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)、方法和介質(zhì)的制作方法
用于以計(jì)算方式來(lái)確定分子的化學(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)、方法和介質(zhì)
根據(jù)35USC§ 119(e)，本申請(qǐng)要求享有于2008年3月14日提交的題為 "Systems, Methods and Media for Computationally Determining Chemical Properties of aMolecule"的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)61/036,777的優(yōu)先權(quán)，其公開(kāi)內(nèi)容整體地通過(guò)引用結(jié)合到本文中。
聯(lián)邦政府贊助研究
本申請(qǐng)至少部分地得到Grant No.ONR FRS 442553 和 DARPAFRS 442658 的支 持。美國(guó)政府可以具有本發(fā)明的某些權(quán)利。技術(shù)領(lǐng)域
本公開(kāi)大體上涉及用來(lái)對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并確定器化學(xué)性質(zhì)及其到來(lái)自單獨(dú) 鍵的貢獻(xiàn)的劃分的方法、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
背景技術(shù)：
分子設(shè)計(jì)領(lǐng)域牽涉到操縱分子和固體的化學(xué)和物理性質(zhì)的能力。這通過(guò)首先 測(cè)量或計(jì)算分子或固體的性質(zhì)并隨后確定這些性質(zhì)如何在分子的原子和鍵之間劃分來(lái)實(shí) 現(xiàn)。性質(zhì)常常是由于分子的原子和鍵的小子集而引起的，在這種情況下，將此基團(tuán)稱(chēng)為 官能團(tuán)。通過(guò)對(duì)官能團(tuán)進(jìn)行體系變更以產(chǎn)生最佳性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。因此，將分子劃分成 其功能區(qū)的能力是分子設(shè)計(jì)的本質(zhì)和使能組成部分。
可以通過(guò)直接測(cè)量或根據(jù)計(jì)算來(lái)確定分子的化學(xué)和物理性質(zhì)。并且，存在可用 于實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算的許多計(jì)算技術(shù)。然而，當(dāng)提到將分子劃分成其功能區(qū)時(shí)，僅存在幾種 方法。最被廣泛使用和接受的方法是由Bader，R.F.W., Atoms in Molecules A Quantum Theory, Clarendon Press Oxford, UK, 1990 清楚地表達(dá)的拓?fù)浞?。Bader 構(gòu)造了允許一個(gè)人識(shí)別分子內(nèi)的原子之間的邊界的劃分。這些拓?fù)湓拥男再|(zhì)被明確定義且是加和 的以給出分子性質(zhì)的相應(yīng)值。例如，可以將原子區(qū)的能量加和以給出分子能。還可以確 定原子的其它性質(zhì)且可以估計(jì)單獨(dú)原子或原子團(tuán)對(duì)這些性質(zhì)的貢獻(xiàn)。
然而，Bader劃分法不允許化學(xué)鍵之間的性質(zhì)的劃分。隨著化學(xué)現(xiàn)象牽涉到鍵與 非原子的操縱，允許鍵之間的性質(zhì)劃分的方法的開(kāi)發(fā)對(duì)于分子設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域而言必不 可少。本公開(kāi)解決這種及其它需要。發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)提供與識(shí)別分子或固體的鍵束(bundle)有關(guān)的方法。這在四步過(guò)程中實(shí) 現(xiàn)1)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑；幻識(shí)別包含特定梯度路徑的特定梯度表 面；幻這些定義稱(chēng)為不可減縮束的多面體的表面；以及4)將這些不可縮減束組合以形成 鍵束。
首先，識(shí)別特定電荷密度梯度路徑。這通過(guò)定義分子中的恒定電荷等值面來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后將電荷密度梯度矢量的幅值映射到恒定的電荷等值面上。然后識(shí)別等值面上的 電荷密度梯度矢量的一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)。通過(guò)沿著梯度路徑將所 述最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)連接到相應(yīng)的臨界點(diǎn)來(lái)定義特定電荷密度梯度。
然后通過(guò)將所述特定電荷密度梯度路徑組合來(lái)構(gòu)造不可縮減束。將共享公共鍵 臨界點(diǎn)的不可縮減束接合以識(shí)別鍵束。然后可以根據(jù)該鍵束來(lái)確定分子性質(zhì)。
還提供了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法、以及被配置為執(zhí)行該方法的計(jì)算機(jī)可 讀介質(zhì)。


圖1描繪苯中的電荷密度的表面圖。
圖2A描繪其中多個(gè)表面圍繞萘原子的恒定電荷不連續(xù)等值面。
圖2B描繪被映射到圖3A的恒定電荷等值面的電荷密度梯度矢量的幅值。
圖2C描繪被映射到恒定電荷等值面的電荷密度的最大值、最小值、和鞍點(diǎn)。
圖2D描繪通過(guò)識(shí)別映射的鞍點(diǎn)所確定的萘的環(huán)形臨界點(diǎn)與碳原子之間的特定電 荷密度梯度路徑。
圖3A描繪包括萘的原子臨界點(diǎn)和鍵臨界點(diǎn)的恒定電荷等值面。
圖3B描繪將萘的電荷密度梯度矢量映射到圖3A中的恒定電荷等值面。
圖3C描繪鍵CP與環(huán)CP之間的特定電荷密度梯度路徑。
圖4A描繪乙烯的分子平面中的電荷密度的等值線圖表。
圖4B描繪包含碳-碳軸的垂直面中的電荷密度的等值線圖表。
圖5A描繪形成來(lái)自圖4的不可縮減束的邊緣的特定梯度路徑。
圖5B描繪包含不可縮減束的邊緣的零通量表面。
圖6A-D描繪用于A)乙烷、B)苯、C)乙烯、和D)乙炔的碳-碳鍵路徑附 近的鍵束。
圖7描繪苯的鍵束識(shí)別。
圖8是根據(jù)本公開(kāi)的可以用來(lái)確定分子或固體的性質(zhì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方框圖。
圖9A-9E是圖8的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各過(guò)程的流程圖。
具體實(shí)施方式
本公開(kāi)提供用來(lái)對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并確定分子的化學(xué)性質(zhì)的方法、計(jì)算機(jī)可 實(shí)現(xiàn)方法、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)和圖形。這些包括識(shí)別電荷密度中的特定梯度 路徑的方法。所述特定梯度路徑將空間劃分成可以被組合而產(chǎn)生鍵束的不可縮減束。然 后可以使用這些來(lái)預(yù)測(cè)開(kāi)放系統(tǒng)的性質(zhì)，例如，諸如分子和表面的系統(tǒng)。輸出包括特定 電荷密度梯度路徑、不可縮減束、鍵束、和分子性質(zhì)的圖形表示。
I.使電荷密度與分子結(jié)構(gòu)和鍵相關(guān)聯(lián)
從Hohenberg-Kohn定理已知基態(tài)分子性質(zhì)是電荷密度的結(jié)果，表示為P (r)的 標(biāo)量場(chǎng)。電荷密度還必須包含分子結(jié)構(gòu)的要素，其可以根據(jù)其臨界點(diǎn)(CP)-此場(chǎng)的梯 度的零點(diǎn)-以拓?fù)浞绞絹?lái)描述，如例如Bader，R.F.W., Atoms in Molecules A Quantum Theory, Clarendon Press Oxford, UK, 1990 ； Zou, P.F. ； Bader, R.F.W.，ATopologicalDefinition of a Wigner-Seitz Cell and the Atomic Scattering Factor, Acta Crystallographica A 1994，50，714-725 ；禾口 Bader，R.F.W. ； Nguyen-Dang, T.T. ； Tal, Y., Quantum Topology of Molecular Charge Distributions II Molecular Structure and its Charge, The Journal of Chemical Physics 1979, 70，(9)，4316-43 所描述的。
在三維空間中存在四種CP:局部最小值、局部最大值、和兩種鞍點(diǎn)。這些CP 用指數(shù)來(lái)表示，該指數(shù)是正曲率的數(shù)量減去負(fù)曲率的數(shù)量。例如，最小CP具有沿三個(gè)正 交方向的正曲率并表示為(3，3)CP。第一個(gè)數(shù)量?jī)H僅是空間的維度的數(shù)量，而第二個(gè)數(shù) 量是正曲率的凈數(shù)量。最大值表示為(3，-3)，因?yàn)槿康娜齻€(gè)曲率都是負(fù)的。三個(gè)曲 率中的兩個(gè)為負(fù)的鞍點(diǎn)表示為(3，-1)，而另一鞍點(diǎn)是(3，DCP0
可以使電荷密度的拓?fù)湫再|(zhì)與分子結(jié)構(gòu)的元素和鍵合相關(guān)聯(lián)。鍵路徑與連接兩 個(gè)核子的最大電荷密度的脊相關(guān)聯(lián)，使得沿著此路徑的密度相對(duì)于任何相鄰路徑而言是 最大值。由核子之間的(3，-1)CP的存在來(lái)確保此類(lèi)脊的存在。同樣地，兩個(gè)核子之 間的脊CP稱(chēng)為鍵CP。其它類(lèi)型的CP已與分子結(jié)構(gòu)的其它特征相關(guān)聯(lián)。在拓?fù)渖弦?(3，-1)CP在例如苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的中心處。因此，將其稱(chēng)為環(huán)CP。用單個(gè)(3，3)CP來(lái) 表征籠形結(jié)構(gòu)，并且再次地對(duì)其給定籠CP的描述名。始終發(fā)現(xiàn)核子與最大值(3，-3)CP 一致，因此將其稱(chēng)為原子CP。
圖1示出苯中的電荷密度的表面圖。六個(gè)大的最大值(用實(shí)心黑圈標(biāo)記出一個(gè)) 對(duì)應(yīng)于碳原子，而六個(gè)較小的最大值(只有其中的五個(gè)是可見(jiàn)的)對(duì)應(yīng)于氫原子。相鄰 原子CP之間的鍵路徑表現(xiàn)為連接局部最大值的最大電荷密度的脊。用灰色點(diǎn)來(lái)標(biāo)記沿著 一個(gè)碳-碳鍵路徑的鍵CP。最后，6成員碳環(huán)的中心上的最小值是環(huán)CP。
存在包含單個(gè)核子的區(qū)域，對(duì)于該區(qū)域而言，性質(zhì)被明確定義且是加和的，以 給出分子性質(zhì)的相應(yīng)值。例如，可以將這些區(qū)域的能量加和以給出分子能。這些區(qū)域稱(chēng) 為“分子中的原子”或“Bader原子”。用于描繪Bader原子的邊界的充分條件是其由 在電荷密度的梯度中的零通量的表面(也稱(chēng)為零通量表面(ZFS))來(lái)界定，該表面在本申 請(qǐng)中簡(jiǎn)稱(chēng)為零通量表面。
可以將每個(gè)分子或固體劃分成體積Ω”使得每個(gè)由表面S界定，其中，對(duì)于S 上的所有r而言Vp(r>n(r) = 0，并且n是在r處的s的法線。ω上的可觀察量j的值 被定義為，
A(O) Ξ (i)Q =/^r pA(,；
其中，P A(r)是的性質(zhì)密度，亦即
pji^r) = (*) J {ψ*Αφ + (λφ^ φ)
N是系統(tǒng)中的電子的數(shù)量且τ ‘是這些電子中的N-I個(gè)的旋轉(zhuǎn)和空間坐標(biāo)。只 有在由零通量表面來(lái)界定所述體積的條件下，才發(fā)現(xiàn)可觀察量的分子值由其來(lái)自每個(gè)Ω] 的貢獻(xiàn)的和給出，換言之，
(A)=EA(S·)·i
除Bader原子之外，還可以構(gòu)造由圍繞單個(gè)電荷密度最小值，即籠臨界點(diǎn)的零通量表面界定的體積，如例如 Pendas，A.M. ； Costales, Α., Luana, Α., Ions in crystals The Topology of the Electron Density in Ionic Materials I Fundamental，Physical Review B1997, 55，(7)，4275-4284 所描述的。
除這些劃分之外，Eberhart描述了空間到作為不可縮減束的由零通量表面界定的 體積的最薄、在化學(xué)上有意義的劃分，參見(jiàn)Eberhart，M.，A Quantum Description of the Chemical Bond, Philosophical MagazineB2001, 81，(8)，721-729。
每個(gè)不可縮減束與四面體異物同形，四面體的四個(gè)頂點(diǎn)與環(huán)CP、鍵CP、籠 CP、和原子CP —致。四面體的六個(gè)邊對(duì)應(yīng)于梯度路徑(GP)(參見(jiàn)表1)。這些梯度路 徑中的某些是唯一的，例如，連接原子和鍵CP的那些。另一方面，存在無(wú)窮多個(gè)連接例 如原子和籠的其它CP的GP。在這種情況下，其是被用來(lái)定義不可縮減束的邊緣的是最 小長(zhǎng)度的梯度路徑。其四個(gè)表面隨后被定義為包含其邊緣的最小區(qū)域的ZFS。不可縮減 束所包含的所有梯度路徑源自于同一籠CP并在同一原子CP處終止。
可以以各種方式來(lái)封裝不可縮減束以產(chǎn)生任何電荷密度拓?fù)?。Bader原子是共享 同一原子CP的所有不可縮減束的聯(lián)合。鍵束被定義為共享公共鍵CP的不可縮減束的聯(lián) 合(組合)。在本定義中，可以將分子劃分成空間填充區(qū)域，每個(gè)包含單個(gè)鍵臨界點(diǎn)和鍵 路徑。這些區(qū)域的性質(zhì)是鍵的那些性質(zhì)并可以進(jìn)行加和以給出分子性質(zhì)。
II.識(shí)別開(kāi)放系統(tǒng)中的鍵
描述上述不可縮減束的常規(guī)方法比較困難，因?yàn)椴豢煽s減束的一個(gè)頂點(diǎn)必須是 籠CP且另一頂點(diǎn)必須是環(huán)CP，在諸如分子的開(kāi)放系統(tǒng)中，其中的任何一個(gè)都不需要存 在。例如，識(shí)別苯的不可縮減束的常規(guī)方法要求識(shí)別四個(gè)臨界點(diǎn)。然而，唯一的籠點(diǎn)是 漸進(jìn)最小值。因此，不能通過(guò)常規(guī)方法來(lái)對(duì)將此籠點(diǎn)連接到環(huán)、鍵、和原子點(diǎn)的最短長(zhǎng) 度的GP進(jìn)行定位。因此，不能構(gòu)造不可縮減束。
本文所公開(kāi)的方法通過(guò)回避識(shí)別開(kāi)放系統(tǒng)中的所有臨界點(diǎn)要求來(lái)解決這一困 難。這通過(guò)識(shí)別在本文中稱(chēng)為特定梯度路徑的電荷密度中的特定梯度路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。最不 陡、最陡、和鞍式斜坡的這些路徑是不可縮減束的邊緣。由于其是電荷密度的拓?fù)湟?特征，所以可以在不存在籠和環(huán)CPU的情況下對(duì)其進(jìn)行定義。
A.識(shí)別特定電荷密度梯度路徑
本文所公開(kāi)的方法通過(guò)首先定義分子中的三維恒定電荷等值面來(lái)解決電荷密度 中的特定梯度路徑的識(shí)別。然后將電荷的梯度的幅值映射到恒定電荷等值面，在這里稱(chēng) 為映射。然后在等值面上識(shí)別電荷密度梯度矢量的一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或 鞍點(diǎn)。單個(gè)梯度路徑在映射中穿過(guò)這些臨界點(diǎn)中的每一個(gè)。這些稱(chēng)為特定梯度路徑。因 此，特定梯度路徑是將電荷等值面內(nèi)所包含的臨界點(diǎn)與恒定電荷的等值面上的電荷密度 的梯度幅值中的最小值、最大值、或鞍點(diǎn)相連的路徑。
下面更詳細(xì)地討論這些步驟中的每一個(gè)。
1.恒定電荷等值面
在第一步驟中，選擇分子周?chē)暮愣姾傻戎得?。一般而言，等值面形成一個(gè) 或多個(gè)閉合的二維表面。在各種實(shí)施例中，恒定電荷等值面因此可以包括每個(gè)圍繞離散 CP的多個(gè)不連續(xù)表面、圍繞CP組的多個(gè)電荷密度表面或圍繞分子的所有CP的單個(gè)恒定 電荷等值面。
根據(jù)定義，恒定電荷等值面上的每個(gè)點(diǎn)具有相同的電荷。等值面的選擇不是關(guān) 鍵的，只要等值面的值小于用來(lái)構(gòu)造特定梯度路徑的臨界點(diǎn)處的電荷密度的值。在某些 實(shí)施例中，將恒定電荷等值面的電荷的幅值選擇為任意值。在其它實(shí)施例中，將恒定電 荷的幅值預(yù)先選擇為包括分子中的所有原子CP、分子中的所有鍵CP、分子中的所有環(huán) CP、或分子中的所有CP (不包括漸進(jìn)最小值)。
從分子的已知電荷分布找到恒定電荷等值面?？梢酝ㄟ^(guò)本領(lǐng)域中的任何方法來(lái) 找到電荷分布，包括計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)方法。
在各種計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法中，可以使用本領(lǐng)域中已知的任何坐標(biāo)系以數(shù)學(xué)方式表 示分子的電位、電荷密度場(chǎng)、及其它性質(zhì)。
2.映射電荷密度矢量的幅值
在本文所公開(kāi)的方法中，確定電荷密度梯度矢量|\7ρ|Ω的幅值并將其映射到恒 定電荷等值面。IVpb是標(biāo)量場(chǎng)，因此，在此二維表面上，IVpb具有其自己的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，具有局部最大值、最小值和鞍點(diǎn)。
可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的任何計(jì)算或?qū)嶒?yàn)方法來(lái)確定電荷密度。計(jì)算上的計(jì)算 可以包括本領(lǐng)域中已知的從頭計(jì)算法，諸如使用Levin Quantum Chemisty 2008 (Prentice Hall ；第6版)中所描述的Hartree-Fock或Density Functional法的那些?；蛘?，可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的X射線衍射測(cè)量來(lái)確定電荷密度。
在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法中，可以使用計(jì)算子程序來(lái)將電荷密度梯度場(chǎng)的幅值映射到 恒定電荷等值面?？梢愿鶕?jù)電荷密度來(lái)計(jì)算等值面上的電荷密度梯度場(chǎng)的幅值。
3.識(shí)別電荷密度等值面上的一個(gè)或多個(gè)最大值、最小值、和/或鞍點(diǎn)以識(shí)別特定 電荷密度梯度路徑。
然后識(shí)別恒定電荷表面上的一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)。所述最 大值和最小值可以是局部或全局最大值和最小值。通過(guò)所識(shí)別的每個(gè)最大值、最小值、 和/或鞍點(diǎn)，分別通過(guò)最陡、最不陡或鞍式斜坡的特定梯度路徑?？梢詫⑻囟ㄌ荻嚷窂?表示為圖形表示。
在圖2和3中描繪了用于識(shí)別用于代表性分子萘的特定路徑的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的 示例。萘具有共享公共芳香鍵的兩個(gè)環(huán)己基芳香環(huán)?？梢源_定特定梯度路徑、由這些路 徑形成的不可縮減束、和由該不可縮減束形成的最終鍵束。
在圖2A中，首先將恒定電荷等值面選擇為包括僅圍繞分子中的原子CP的電荷 密度。因此，恒定電荷等值面包括分子內(nèi)的圍繞每個(gè)原子碳和氫原子的多個(gè)空間不連接 表面。
然后將電荷密度梯度矢量的幅值映射到在圖2A中選擇的恒定電荷等值面。圖 2B描繪電荷密度梯度矢量到萘的恒定電荷等值面的映射。
然后識(shí)別被映射到恒定電荷等值面的電荷密度梯度矢量的幅值的最小值、最大 值、和/或鞍點(diǎn)。圖2C描繪用于萘的被映射到恒定電荷密度等值面的電荷密度梯度的幅 值。在某些實(shí)施例中，通過(guò)識(shí)別映射函數(shù)的梯度中的零來(lái)找到最小值、最大值、和/或 鞍點(diǎn)。
穿過(guò)映射的最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)的梯度路徑是特定梯度路徑。圖2D描繪萘的鞍點(diǎn)與碳原子臨界點(diǎn)之間的連接?？梢詷?gòu)造從鍵CP到原子CP的另一鞍點(diǎn)。因 此確定位于a)每個(gè)鍵CP與原子CP、b)環(huán)CP與原子CP、和c)籠CP與原子CP之間的 特定梯度路徑。
然后通過(guò)選擇第二恒定電荷等值面來(lái)確定a)環(huán)CP與鍵CP、b)籠CP與鍵CP、 和C)籠CP與環(huán)CP之間的特定梯度路徑。在圖3A中，將第二恒定電荷等值面選擇為包 括碳原子CP以及萘碳原子之間的鍵CP。圖3B描繪恒定電荷等值面上的映射。然后識(shí) 別最大值、最小值、和鞍點(diǎn)。
穿過(guò)映射的最小值并在鍵CP處終止的梯度路徑是將無(wú)窮遠(yuǎn)處的籠CP連接到鍵 CP的特定梯度路徑。因此，不需要對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處的CP進(jìn)行定位以便確定特定電荷密度梯 度路徑。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到可以在確定不同的特定電荷密度梯度路徑時(shí)定義單 獨(dú)的恒定電荷等值面，在其它實(shí)施例中，可以選擇單個(gè)電荷密度梯度。
B.構(gòu)造不可縮減束和鍵束
然后可以使用特定電荷梯度路徑來(lái)形成不可縮減束。不可縮減束是由具有公共 起點(diǎn)和終點(diǎn)的梯度路徑的“束”形成的多面體。不可縮減束的頂點(diǎn)是臨界點(diǎn)且邊緣是連 接臨界點(diǎn)的梯度路徑。在本方法中，不可縮減束的邊緣與特定梯度路徑一致，因此，可 以在不首先對(duì)所有不可縮減束頂點(diǎn)定位的情況下進(jìn)行識(shí)別。不可縮減束的面是由特定梯 度路徑界定的電荷密度的梯度中的零通量的最小面積表面。
在用于構(gòu)造不可縮減束的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法中，可以使用計(jì)算子程序來(lái)組合不可 縮減束?？梢詫⒉豢煽s減束表示為諸如計(jì)算機(jī)輸出的圖形表示等有形輸出。然后由共享 公共鍵CP的不可縮減束的組合來(lái)構(gòu)造鍵束。
圖6通過(guò)系列乙烷、苯、乙烯、和乙炔示出碳-碳鍵束的變化。用于A)乙烷、 B)苯、C)乙烯、和D)乙炔的各C-C鍵路徑附近的鍵束。所示的所有鍵束具有無(wú)限域， 并且已被截?cái)嘁杂欣诳梢暬?。乙烷被相?duì)于交叉球體截?cái)?。苯和乙烯被沿著士ζ方?截?cái)?，并且乙炔被相?duì)于交叉圓柱截?cái)唷?br> 為了圖解不可縮減鍵束的識(shí)別，考慮圖4和圖6C所描繪的平面乙烯分子。參照 圖4A和4B，碳原子CP和碳-碳鍵CP周?chē)奶囟ㄌ荻嚷窂奖皇緸閷?shí)線和虛線。在圖4A 中，存在分子平面中在碳原子CP處終止的六個(gè)特定梯度路徑。其中的三個(gè)是位于碳-碳 鍵與每個(gè)碳-氫鍵之間的鍵路徑(最不陡斜坡的梯度路徑)。在無(wú)窮遠(yuǎn)處起源的三個(gè)路徑 具有鞍式斜坡。在圖4B中，在碳原子CP處終止且被包含在垂直平面中的其余兩個(gè)特定 梯度路徑是具有最陡斜坡的梯度路徑。
由于其對(duì)稱(chēng)性，特定梯度路徑位于分子平面或包含碳核的垂直平面中。在每個(gè) 碳點(diǎn)處的原子CP周?chē)?，和在分子平面中，存在六個(gè)特定梯度路徑，其中的三個(gè)每個(gè)具有 鞍式和最不陡斜坡。后者對(duì)應(yīng)于此平面中的鍵路徑-兩個(gè)碳-氫鍵和一個(gè)碳-碳鍵。在 垂直平面中，找到具有最陡斜坡的兩個(gè)附加梯度路徑。在碳-碳鍵CP周?chē)?，找到六個(gè) 特定梯度路徑，在分子平面中具有鞍式斜坡的兩個(gè)、在垂直平面中具有最不陡斜坡的兩 個(gè)、和從鍵點(diǎn)延伸到碳原子CP并形成碳-碳鍵路徑的兩個(gè)路徑。
被示為實(shí)線的特定梯度路徑是單個(gè)不可縮減束的邊緣。如圖5A所示，這些特定 梯度路徑位于沿著不可縮減束的邊緣的位置。包含這些邊緣的零通量表面在圖5B中示出并一起形成不可縮減束的邊界。請(qǐng)注意，對(duì)稱(chēng)性要求存在共享碳-碳鍵CP的八個(gè)不可縮 減束。存在八個(gè)不可縮減束，其共享碳-碳鍵CP作為其頂點(diǎn)之一。合起來(lái)，這些組成 圖6C中所描繪的乙烯的碳-碳鍵束。
將圖6B中的苯作為另一示例，鍵束由苯環(huán)的單個(gè)碳-碳鍵周?chē)陌藗€(gè)不可縮減 束的聯(lián)合組成。每個(gè)不可縮減束具有作為頂點(diǎn)的四個(gè)臨界點(diǎn)原子CP、鍵CP、環(huán)CP、 和籠CP。特定電荷密度梯度路徑連接CP。通過(guò)使特定電荷密度梯度路徑沿著中央路徑 從原子CP延伸到環(huán)的中心來(lái)找到第一不可縮減鍵束。通過(guò)從鍵CP的中點(diǎn)延伸到相鄰碳 原子CP之一來(lái)找到第二特定電荷密度梯度路徑。第三特定電荷密度梯度路徑從環(huán)CP延 伸到鍵CP。這是不可縮減束的基礎(chǔ)。不可縮減鍵束的體積從苯環(huán)的平面上的每個(gè)原子 CP、鍵CP、和環(huán)CP延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)處的籠CP。
第二不可縮減束的基礎(chǔ)由相同的環(huán)CP和鍵CP形成，并且到鍵中的第二原子 CP。不可縮減束的體積在苯環(huán)的平面上延伸到籠CP。第三和第四不可縮減束在苯環(huán)的 平面下面延伸到苯環(huán)的籠點(diǎn)。
C.計(jì)算鍵性質(zhì)
使用上述構(gòu)造，可以將分子劃分成每個(gè)包含單鍵的不重疊、空間填充區(qū)域。由 電荷密度梯度中的零通量的非任意表面來(lái)界定這些區(qū)域中的每一個(gè)。因此，可以通過(guò)估 計(jì)鍵束的適當(dāng)積分來(lái)確定鍵的能量(或其它廣延性質(zhì))，即，對(duì)于由量子機(jī)械可觀察量 給定的性質(zhì)而言，由下式給出鍵性質(zhì)A的值，
權(quán)利要求
1.一種識(shí)別分子的一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑的方法，包括 基于分子的電荷密度數(shù)據(jù)來(lái)定義所述分子中的恒定電荷等值面；將所述電荷密度數(shù)據(jù)的電荷密度梯度矢量的幅值映射到所述恒定電荷等值面上； 識(shí)別所述等值面上的所述電荷密度梯度矢量的一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或 鞍點(diǎn)；以及沿著梯度路徑將所述一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)連接到相應(yīng)的臨界點(diǎn) 以構(gòu)造特定電荷密度梯度路徑。
2.—種構(gòu)造不可縮減束的方法，包括根據(jù)權(quán)利要求1的方法來(lái)識(shí)別臨界點(diǎn)的特定電荷密度梯度路徑； 以及將所述特定電荷梯度路徑組合以構(gòu)造所述不可縮減束。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述臨界點(diǎn)是鍵臨界點(diǎn)、環(huán)臨界點(diǎn)、籠臨界點(diǎn)或原子臨 界點(diǎn)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，所述最大值和/或最小值是局部最大值和/或最小值。
5.—種識(shí)別鍵束的方法，包括根據(jù)權(quán)利要求2來(lái)構(gòu)造對(duì)應(yīng)于臨界點(diǎn)的一組不可縮減束；以及 將共享同一鍵臨界點(diǎn)的一組不可縮減束組合以識(shí)別所述鍵束。
6.一種確定鍵的性質(zhì)的方法，包括根據(jù)權(quán)利要求5的方法來(lái)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)鍵束；以及 計(jì)算分子的性質(zhì)。
7.一種用于識(shí)別一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要 求1的方法來(lái)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑以產(chǎn)生其圖形表示。
8.一種用于識(shí)別一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，包括根據(jù)權(quán) 利要求1的方法來(lái)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑以產(chǎn)生其圖形表示。
9.一種識(shí)別分子的一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑的系統(tǒng)，包括 存儲(chǔ)器，其用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可讀代碼；以及處理器，其被可操作地耦接到所述存儲(chǔ)器，所述處理器被配置為 基于分子的電荷密度數(shù)據(jù)來(lái)定義所述分子中的恒定電荷等值面； 將所述電荷密度數(shù)據(jù)的電荷密度梯度矢量的幅值映射到所述恒定電荷等值面上； 識(shí)別所述等值面上的所述電荷密度梯度矢量的一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或 鞍點(diǎn)；以及沿著梯度路徑將所述一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)連接到相應(yīng)的臨界點(diǎn) 以定義特定電荷密度梯度路徑。
10.一種構(gòu)造不可縮減束的系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器還被配置為將所述特定電荷梯度路 徑組合以構(gòu)造所述不可縮減束。
11.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，所述臨界點(diǎn)是鍵臨界點(diǎn)、環(huán)臨界點(diǎn)、籠臨界點(diǎn)或原子 臨界點(diǎn)。
12.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，所述最大值和/或最小值是局部最大值和/或最小值。
13.一種識(shí)別鍵束的系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器還被配置為將共享同一鍵臨界點(diǎn)的 一組不可縮減束組合以識(shí)別所述鍵束。
14.一種確定鍵的性質(zhì)的系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器還被配置為計(jì)算分子的性質(zhì)。
15.一種識(shí)別分子的一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑的系統(tǒng)，包括用于識(shí)別分子中的等值面上的所述電荷密度梯度矢量的一個(gè)或多個(gè)最小值、最大 值、和/或鞍點(diǎn)的裝置；以及用于沿著梯度路徑將所述一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)連接到相應(yīng)的臨 界點(diǎn)以定義特定電荷密度梯度路徑的裝置。
16.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中，所述用于識(shí)別的裝置可操作用于基于分子的電荷密度 數(shù)據(jù)來(lái)定義所述分子中的恒定電荷等值面，并將所述電荷密度數(shù)據(jù)的電荷密度梯度矢量 的幅值映射到所述恒定電荷等值面上。
17.一種構(gòu)造不可縮減束的系統(tǒng)，包括 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)；以及用于將所述特定電荷密度梯度路徑組合以構(gòu)造所述不可縮減束的裝置。
18.一種識(shí)別鍵束的系統(tǒng)，包括 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)；以及將共享同一鍵臨界點(diǎn)的一組不可縮減束組合以識(shí)別所述鍵束的裝置。
19.一種確定鍵的性質(zhì)的系統(tǒng)，包括 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，以及 用于計(jì)算分子的性質(zhì)的裝置。
20.一種用于識(shí)別分子的一個(gè)或多個(gè)特定電荷密度梯度路徑的制品，包括 用于計(jì)算機(jī)可讀代碼的有形計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀代碼包括 基于分子的電荷密度數(shù)據(jù)來(lái)定義所述分子中的恒定電荷等值面的操作；將所述電荷密度數(shù)據(jù)的電荷密度梯度矢量的幅值映射到所述恒定電荷等值面上的操作；識(shí)別所述等值面上的所述電荷密度梯度矢量的一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或 鞍點(diǎn)的操作；以及沿著梯度路徑將所述一個(gè)或多個(gè)最小值、最大值、和/或鞍點(diǎn)連接到相應(yīng)的臨界點(diǎn) 以定義特定電荷密度梯度路徑的操作。
21.—種構(gòu)造不可縮減束的制品，包括根據(jù)權(quán)利要求20所述的制品，所述計(jì)算機(jī)可讀代碼還包括將所述特定電荷梯度路徑 組合以構(gòu)造所述不可縮減束的操作。
22.權(quán)利要求20的制品，其中，所述臨界點(diǎn)是鍵臨界點(diǎn)、環(huán)臨界點(diǎn)、籠臨界點(diǎn)或原子 臨界點(diǎn)。
23.權(quán)利要求20的制品，其中，所述最大值和/或最小值是局部最大值和/或最小值。
24.—種識(shí)別鍵束的制品，包括根據(jù)權(quán)利要求21所述的制品，所述計(jì)算機(jī)可讀代碼還包括將共享同一鍵臨界點(diǎn)的一組不可縮減束組合以識(shí)別所述鍵束的操作。
25.—種用于確定鍵的性質(zhì)的制品，包括根據(jù)權(quán)利要求24所述的制品，所述計(jì)算機(jī)可讀代碼還包括計(jì)算分子的性質(zhì)的操作。
全文摘要
本發(fā)明描述了識(shí)別開(kāi)放系統(tǒng)(諸如分子)的不可縮減束和鍵束的方法。還提供了確定分子的化學(xué)性質(zhì)的方法、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102027477SQ200980117127
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者M·E·埃伯哈特, T·E·瓊斯 申請(qǐng)人:科羅拉多礦業(yè)大學(xué)