[发明专利]搜索化学反应的最低反应路径的方法及系统

说明书

本发明公开了一种搜索化学反应的最低反应路径的方法及系统，首先指定化学反应的过渡态的坐标，定义化学反应过程的反应坐标；然后将限制势加入原有势能面中，并以能量下降的方向向反应物、产物两侧以设定步长搜索反应路径，得到最低反应路径坐标的构型；再对得到的各个构型的坐标分量插值，得到期望反应坐标的构型。本发明在已有势能面上从过渡态向反应物、产物两侧搜索最低反应路径的方法，以克服最低能量路径无法连接反应物或产物的缺点。本发明要求的代码量小，在普通电脑中即可快速运行得到结果，计算效率高，精确度有保证。

技术领域

本发明涉及化学反应动力学中一种搜索化学反应的最低反应路径(minimumreaction path,MRP)的方法，特别是涉及一种利用计算机程序在已有势能面上搜索化学反应的最低反应路径的方法。

背景技术

化学反应的最低反应路径基于过渡态理论(transition state theory,TST)。该理论认为任何绝热的基元化学反应过程，都要经历一个势能较高的过渡态，此时原有的化学键尚未完全断裂、新的化学键仍未完全形成，处于过渡态的反应既可生成产物、也有一定几率回到反应物。过渡态理论近似描述化学反应的过程，广泛应用于计算化学反应速率常数。由于过渡态存在的时间极短，很难通过实验测量其性质。

在理论计算中，孤立的N原子体系，每一个原子核的构型都在3N-6维的绝热势能面上有确定的能量。过渡态的几何构型对应于势能面中的一阶鞍点，其数学特性是，沿着某个方向及其反方向的能量是下降最快的，而沿着其它方向的能量不是下降最快的或者是上升的。从过渡态出发，沿着能量下降的方向向两侧搜索，可以找到最邻近的极小点，这条路径被称作最低能量路径(minimum energy path,MEP)。正因为MEP只能找到最邻近的极小点，而化学反应通常都是从反应物的渐近区开始的，故MEP无法用于描述化学反应过程。

因此，从过渡态出发，如果能通过理论计算找到一条连接反应物、过渡态、产物的反应路径，并且这条路径在一定程度上是能量最低的反应路径，那么通过这条路径可更好地描述整个化学反应过程，并可用于后续的反应速率等计算。这成了亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种搜索化学反应的最低反应路径的方法及系统，在已有势能面上从过渡态向反应物、产物两侧搜索最低反应路径的方法，以克服MEP无法连接反应物或产物的缺点。本发明要求的代码量小，在普通电脑中即可快速运行得到结果，计算效率高，精确度有保证。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种搜索化学反应的最低反应路径的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)指定化学反应的过渡态的坐标，定义化学反应过程的势能面上的反应坐标；

(2)将限制势加入原有势能面中，并按能量下降的方向向反应物、产物两侧以设定步长搜索反应路径，得到最低反应路径上一系列反应坐标对应的构型；

(3)当在所述步骤(2)中得到的各个构型存在反应坐标明显偏离期望反应坐标时，对在所述步骤(2)中得到的各个构型的坐标分量插值，得到期望反应坐标的构型。

优选地，在所述步骤(1)中，通过数学方法进行优化，得到过渡态几何构型，确认过渡态为势能面上的一阶鞍点；根据过渡态的坐标，定义反应坐标变换公式，将任意时刻的3N个笛卡尔坐标变换到一维反应坐标ξ。过渡态是高维势能面中的鞍点，故可通过数学方法优化得到非常精确的过渡态几何构型。

优选地，在所述步骤(1)中，反应物的反应坐标为ξ＝0，过渡态的反应坐标ξ＝1，无量纲。