CN112823393B 用于计算化学反应的过渡态的计算机实现的方法 （科思创德国股份有限公司）

2021.04.16PCT/EP2019/07811120WO2020/079093DE2020.04.23用于计算化学反应的过渡态的计算机实现本发明涉及一种用于计算化学反应的过渡21.用于计算化学反应的过渡态的计算机实现的方法，包括以下步骤A产生起始几何结构A1提供处于能量基态的至少一个分子的三A2选择所述至少一个分子的至少一个键并选择所述键的长度，其中所选择A3以笛卡尔坐标和/或内部坐标进行所述起始几何结构的三B1规定函数空间，该函数空间包括来自步骤A2的至少一个键和通过所述键连接的原B3确定优化的起始几何结构的梯度范数B3，其中所述梯度范数是B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Enao1,则将所述优化的起始几何结构分类B3为v>0.07Ehao1,则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定C1.1从步骤B1中选择的函数空间中随机选C2借助于量子化学方法并使用边界条件对所述过渡态的初始阶段进行几何结构优化，C3从步骤C2中确定所述过渡态的初步阶段的梯度范数C3，其(a)在步骤C1至C3已执行一次的情况下，如果所述过渡态的初始阶段的几何结构的梯(b)在多次执行步骤C1至C3的情况下，在步骤C1中改变所述优化的起始几何结构的几得的所有梯度范数C3和B3相比具有最低的梯度范数C33D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉夫森算法，使来自步骤C4.1的初始阶段或来自步D2通过使所述过渡态偏转来确定平衡态，使得获得偏转的过其中Eh代表Hartree能量，而a0代表玻尔半径，其中1Eh＝4.3597·10-18J并且1a0=并且在步骤A2中替代或附加于所述至少一个键，还能够选择来自分子I的至少一个原子与9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，来自分子A1提供处于能量基态的至少一个分子的三A2选择所述至少一个分子的至少一个键并选择所述键的长度，其中所选择4A3以笛卡尔坐标和/或内部坐标进行所述起始几何结构的三B1规定函数空间，该函数空间包括来自步骤A2的至少一个键和通过所述键连接的原B3确定所述优化的起始几何结构的梯度范数B3，其中所述梯度范化学方法对函数E＝f(x)求一阶导数获得的，其中E＝所述优化的起始几何结构的总能量，B4.1如果梯度范数B3为V,则将所述优化的起始几何结构分类B3为v>0.07Ehao1,则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定C1.1从步骤B1中选择的函数空间中随机选C2借助于量子化学方法并使用边界条件对所述过渡态的初始阶段进行几何结构优化，C3从步骤C2中确定所述过渡态的初步阶段的梯度范数C3，其(a)在步骤C1至C3已执行一次的情况下，如果所述过渡态的初始阶段的几何结构的梯(b)在多次执行步骤C1至C3的情况下，在步骤C1中改变所述优化的起始几何结构的几得的所有梯度范数C3和B3相比具有最低的梯度范数C3D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉夫森算法，使来自步骤C4.1的初始阶段或来自步D2通过使所述过渡态偏转来确定平衡态，使得获得偏转的过5其中Eh代表Hartree能量，而a0代表玻尔半径，其中1Eh＝4.3597·10-18J并且1a0=A1提供处于能量基态的至少一个分子的三A2选择所述至少一个分子的至少一个键并选择所述键的长度，其中所选择A3以笛卡尔坐标和/或内部坐标进行所述起始几何结构的三B1规定函数空间，该函数空间包括来自步骤A2的至少一个键和通过所述键连接的原B3确定所述优化的起始几何结构的梯度范数B3，其中所述梯度范化学方法对函数E＝f(x)求一阶导数获得的，其中E＝所述优化的起始几何结构的总能量，B4.1如果梯度范数B3为V,则将所述优化的起始几何结构分类B3为v>0.07Enao1,则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定C1.1从步骤B1中选择的函数空间中随机选C2借助于量子化学方法并使用边界条件对所述过渡态的初始阶段进行几何结构优化，C3从步骤C2中确定所述过渡态的初步阶段的梯度范数C3，其C4.1如果梯度范数C3为v,0≤v≤0.07Ehao',则用步骤D1继续该方法，或者果梯度范数C3为V>0.07Ehao-1,则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为(a)在步骤C1至C3已执行一次的情况下，如果所述过渡态的初始阶段的几何结构的梯6(b)在多次执行步骤C1至C3的情况下，在步骤C1中改变所述优化的起始几何结构的几得的所有梯度范数C3和B3相比具有最低的梯度范数C3D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉夫森算法，使来自步骤C4.1的初始阶段或来自步D2通过使所述过渡态偏转来确定平衡态，使得获得偏转的过其中Eh代表Hartree能量，而a0代表玻尔半径，其中1Eh＝4.3597·10-18J并且1a0=A1提供处于能量基态的至少一个分子的三A2选择所述至少一个分子的至少一个键并选择所述键的长度，其中所选择A3以笛卡尔坐标和/或内部坐标进行所述起始几何结构的三B1规定函数空间，该函数空间包括来自步骤A2的至少一个键和通过所述键连接的原B3确定所述优化的起始几何结构的梯度范数B3，其中所述梯度范化学方法对函数E＝f(x)求一阶导数获得的，其中E＝所述优化的起始几何结构的总能量，B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Ehau',则将所述优化的起始几何结构分类B3为v>0.07Ehao1,则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定C1.1从步骤B1中选择的函数空间中随机选C2借助于量子化学方法并使用边界条件对所述过渡态的初始阶段进行几何结构优化，C3从步骤C2中确定所述过渡态的初步阶段的梯度范数C3，其7(a)在步骤C1至C3已执行一次的情况下，如果所述过渡态的初始阶段的几何结构的梯(b)在多次执行步骤C1至C3的情况下，在步骤C1中改变所述优化的起始几何结构的几得的所有梯度范数C3和B3相比具有最低的梯度范数C3D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉夫森算法，使来自步骤C4.1的初始阶段或来自步D2通过使所述过渡态偏转来确定平衡态，使得获得偏转的过其中Eh代表Hartree能量，而a0代表玻尔半径，其中1Eh＝4.3597·10-18J并且1a0=18.将根据权利要求16所述的计算机程序产品或根据权利要求17所述的计算机可读存8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，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，[0003]一种可以用于确定过渡态时的几何结构的公知方法是准牛顿-拉夫森方法，也称准牛顿-拉夫森算法不会在分子的每个任意起始几何结构的情况下都导致过渡态，而只会则该方法容易出现错误。基于伪牛顿-拉夫森的方法通常导致获得局部最小值而不是所需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。9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模拟整[0005]E.Martínez-Núiez等人的“Anautomatedtransitionstatesearchusingclassicaltrajectoriesinitializedatmultipleminima(使用在多个最小值处初始14912-21；“tsscds2018：Acodeforautomateddiscoveryofchemicalreactionmechanismsandsolvingthekinetics(用于化学反应机制自动发现和求解动力学的代[0006]Jacobson等人(“AutomatedTransitionStateSearchandItsApplicationtoDiverseTypesofOrganicReactions(自主过渡态搜索及其在多种类型的有机反应[0007]Hu等人(“Agradient-directionMonteCarlomethodforglobaloptimizationadiscretespace:Applicationtoproteinsequencedesignand通过这种方式可以减少诸如处理器和存储介质的资不与在所述分子的能量基态下的键的长度对应，使得获得所述化学反应的起始几何结构，[0017]B4.1如果梯度范数B3为则将所述优化的起始几何结过包括以下步骤的方法确定所述化学反应的过渡步阶段的梯度范数C3，其中所述梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一[0024]C4.1如果梯度范数C3为v,0≤v≤0.07Ehau',则用步骤D1继续该方法，或者C4.2如果梯度范数C3为则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为的初始阶段的几何结构的梯度范数C3的值低于所述优化的起始几何结构的梯度范数B3的[0025]D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉蒙特卡罗方法中使用直接反应路径的曲线的梯度范数作为可观测量，可以解决所述任务。的计算机技术，还可以利用根据本发明的方法来明显更短和更快地计算出具有多达100个态下的键长度不同的键长度比在能量基态下的键大10％至90优选地20％至40％。优选[0029]在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，在步骤A1中提供至少两个分子I和中该距离的长度特别是最多230pm，优选最多200pm，进一步优选为最多180pm，更优选[0031]在步骤A3中，以笛卡尔坐标和/或内部坐标来表示在步骤A2中获得的所选择的起界条件是在步骤A2中选择的至少一个键的长度保持恒定，使得获得优化的起始几何结构。和II的优选实施方式中，在几何结构优化时来自分子I的至少一个原子与来自分子II的至[0036]该方法的进一步执行取决于所获得的梯度范数B3的大小。如果梯度范数B3为v,0则可以将所述优化的起始几何结构分类为化学反应的过渡态B3为v>0.07Eha,',则执行该方法的步骤C，并首先确定所述化学反应的过渡态的初始阶段，而且是从所述优化的起始几何结构出发。在此，Eh代表Hartree能量，其中1Eh=m。所述优化的起始几何结构，其方式是对由一个分子或优选地至少两个分子I和II的几何结[0038]蒙特卡洛算法或方法是通过数值逼近法求解以解析方式无法求解或只能困难求集合体的整个函数空间，并且将整个集合体的可观测量的变化视为减小的函数空间的函C1.2b中选择所述偏转的方向，其中在步骤C1.2a中选择的原子的位置确定所述向量的方[0044]在步骤C2中借助于量子化学方法对所获得的过渡态的初始阶段进行几何结构优阶段确定梯度范数C3，其中该梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一阶[0045]该方法的进一步执行取决于所获得的梯度范数C3的大小。如果梯度范数C3为m。度范数C3为v,0≤v⃞最低梯度范数的分子几何结构以执行重复，即优化的起始几何或重复中获得的过渡态的段与迄今为止所有获得的梯度规范C3和B3相比具有梯度范数C3或B3函数空间(即参与所观察的键解离或优选合成反应的原子的子空间)的原子坐标跨越在包所述函数值之前，通过利用(一个或多个)边界条件的几何结构优化来使整个分子结构松[0052]在步骤D1中，借助于量子化学方法和[0053]为此，优选地为了将相应的分子几何结构转换为固定点(G＝0)进行几何结构优似，特别优选密度泛函理论方法，例如具有def2-SVP基本集的TPSS密度泛函，正如在算机，所述核心处理器的时钟频率为3.20GHz，所述缓冲存储器具有128GBDDR42400rg[0058]如果在该方法的优选实施方案中提供至少两个分子I和II，则可以优选地重复该有最低梯度范数C3的过渡态的初始阶段，以及以所选择的过渡态的初始阶段执行步骤D1[0062]在所述方法的上述优选实施方式中，首先针对分子的不同过渡态和/或根据步骤D.2确定的平衡态有关的信息报告给用D.1确定的过渡态和/或根据步骤D.2确定不与在所述分子的能量基态下的键的长度对应，使得获得所述化学反应的起始几何结构，[0075]B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Ena-',则将所述优化的起始几何结[0076]B4.2如果梯度范数B3为v>0.07Ehao1,则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定所述化学反应的过渡步阶段的梯度范数C3，其中所述梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一C4.2如果梯度范数C3为V>0.07Ehao1,则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为的初始阶段的几何结构的梯度范数C3的值低于所述优化的起始几何结构的梯度范数B3的[0083]D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉不与在所述分子的能量基态下的键的长度对应，使得获得所述化学反应的起始几何结构，[0092]B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Ena-',则将所述优化的起始几何结[0093]B4.2如果梯度范数B3为v>0.07Eha0-1,则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定所述化学反应的过渡步阶段的梯度范数C3，其中所述梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一[0099]C4.1如果梯度范数C3为v,0≤v≤0.07Eha-',则用步骤D1继续该方法，或者C4.2如果梯度范数C3为V>0.07Ehao1,则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为的初始阶段的几何结构的梯度范数C3的值低于所述优化的起始几何结构的梯度范数B3的[0100]D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉[0103]本发明还涉及根据本发明的计算机程序或根据本发明的计算机可读存储介质用不与在所述分子的能量基态下的键的长度对应，使得获得所述化学反应的起始几何结构，[0111]B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Ena-',则将所述优化的起始几何结[0112]B4.2如果梯度范数B3为v>0.07Enao1,则从所述优化的起始几何结构出发过包括以下步骤的方法确定所述化学反应的过渡步阶段的梯度范数C3，其中所述梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一[0118]C4.1如果梯度范数C3为v,0≤v≤0.07Enao1,则用步骤D1继续该方C4.2如果梯度范数C3为V>0.07Ehao1,则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为的初始阶段的几何结构的梯度范数C3的值低于所述优化的起始几何结构的梯度范数B3的[0119]D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉的至少一个分子具有最多100个原子的大小和/或在步骤A2中选择的键的长度为最大[0123]Cl.2a从步骤B1中选择的函数空间中确定择来自分子I的至少一个原子与来自分子II的至少一个原子之间的至少一个距离以及所述有最低梯度范数C3的过渡态的初始阶段，以及以所选择的过渡态的初始阶段执行步骤D1在步骤A2中选择的来自分子I的至少一个原子和/或来自分子II的至少一个原子之间的距自分子I和来自分子II的原子的总和小于不与在所述分子的能量基态下的键的长度对应，使得获得所述化学反应的起始几何结构，[0143]B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Eha',则将所述优化的起始几何结[0144]B4.2如果梯度范数B3为v>0.07Enao',则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定所述化学反应的过渡步阶段的梯度范数C3，其中所述梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一[0150]C4.1如果梯度范数C3为v,0≤v≤0.07Eha-',则用步骤D1继续该方法，或者C4.2如果梯度范数C3为V>0.07Ehao-1,则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为的初始阶段的几何结构的梯度范数C3的值低于所述优化的起始几何结构的梯度范数B3的[0151]D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉算机执行所述程序时促使所述计算机执行一不与在所述分子的能量基态下的键的长度对应，使得获得所述化学反应的起始几何结构，[0159]B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Ena-',则将所述优化的起始几何结[0160]B4.2如果梯度范数B3为v>0.07Enao],则从所述优化的起始几何结构出发，通过包括以下步骤的方法确定所述化学反应的过渡步阶段的梯度范数C3，其中所述梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一[0166]C4.1如果梯度范数C3为v,0≤v≤0.07Eha-',则用步骤D1继续该方法，或者C4.2如果梯度范数C3为V>0.07Ena-1,则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为的初始阶段的几何结构的梯度范数C3的值低于所述优化的起始几何结构的梯度范数B3的[0167]D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉令在由计算机执行时促使所述计算机执行一种方不与在所述分子的能量基态下的键的长度对应，使得获得所述化学反应的起始几何结构，[0175]B4.1如果梯度范数B3为v,0≤v≤0.07Enao',则将所述优化的起始几何结[0176]B4.2如果梯度范数B3为v>0.0过包括以下步骤的方法确定所述化学反应的过渡步阶段的梯度范数C3，其中所述梯度范数是通过借助于量子化学方法对函数E＝f(x)求一[0182]C4.1如果梯度范数C3为v,0≤v≤0.07Enao1,则用步骤D1C4.2如果梯度范数C3为V>0.07Enao',则重复步骤C1至C3，直到获得梯度范数C3为的初始阶段的几何结构的梯度范数C3的值低于所述优化的起始几何结构的梯度范数B3的[0183]D1借助于量子化学方法和伪牛顿-拉起始几何结构。在此估计原子或键之间的距离，其方式是将处于基态的典型键长延长10-90％。在表格A2中所示的实施例的情况下，例如根据方法步骤A1，借助于诸如TMoleX或或Avogadro的分子可视化程序将根据方法步骤A3以此方式产生的分子几何结构存储在笛结构作为随后借助于准牛顿-拉夫森进行几何结构优化的起点，所述优化的起始几何结构[0197]所有量子力学计算在此均使用程序包TURBOMOLE执行。所使用的密度泛函理论方法是具有def2-SVP基本集的TPSS密度泛函，正如在Turbomole程序包中按照标准实现的那样。为此，作为计算机使用了具有16个核心处理器和25MB缓冲存储器的IntelXeonE5-2667v4，所述核心处理器的时钟频率为3.20GHz，所述缓冲存储器具有128GBDDR42400rg[0198]使用该计算机，可以利用本发明的方法在最多2小时内针对一个反应的10个不同每个起始几何结构将需要2到3天的时间花费才能找到可以应用伪牛顿-拉夫森方法的几何[0201]-对于每个研