CN109935278A - 晶体结构碰撞快速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于量子化学领域，具体涉及一种晶体结构碰撞快速检测方法，利用晶体结构的周期性性质，加以一定的数学推导，只用最小限度的扩胞就能检测周期性导致的分子碰撞；由于晶体结构的周期性，一个晶胞内会包含不跨越晶胞边界的所有信息；对于跨越晶胞边界的信息，只需要考虑它的作用范围内的邻域即可；因此，把扩胞的范围缩小到最大碰撞距离的邻域即可检测出所有的碰撞；最后利用改进的欧式距离计算方法加速碰撞检测计算。本发明提供了一个快速、精确的计算方法依据经验判断晶体结构是否在空间位置的角度上合理；提高计算准确率和效率。
Description
技术领域
本发明属于量子化学领域，具体涉及一种晶体结构碰撞快速检测方法。
背景技术
分子的结构在化学（比如说有机化学反应、构象多晶型）、生物（比如药物分子活性构象、酶催化反应）具有决定性的作用。有机分子的结构不是一个刚体，具有转动、拉伸、弯曲等构象自由度。分子组成晶体的时候，分子由旋转、反演、反映等操作，产生一个含有多个分子的、具有特定对称性的晶胞。然后这个晶胞沿三个晶格基矢做平移操作形成整个晶体。
在分子晶体的结构预测、结构优化的时候，通常是固定它的对称性，根据受力、能量或者经验判断调整分子构象和晶格基矢。而依据经验判断调整时由于没有连续的势能面作为参考，晶体中的分子就可能会发生碰撞。这里的碰撞是指以原子的经验成键半径乘以一个给定的系数c的值为半径，所构造的球体发生了碰撞。发生碰撞意味着这次调整操作破坏了原有的构象，或者构象不符合对称性要求，产生了错误的结构。虽然这种错误可以在力场、DFT等计算中发现，但是不仅会造成计算资源浪费而且效率很低，还带来了额外的排错工作。因此，可以用碰撞检测来快速判断是否产生了碰撞。
现有的碰撞检测方法是根据前述由分子构成晶体的理论直观地进行的。先做原始晶胞内的对称性碰撞检测，根据对称操作展开对称性，两重循环检测对称单元间是否碰撞。再做周期性碰撞检测，沿着晶格基矢，以原始晶胞为中心展开周围1~2圈晶胞，一重循环检测原始晶胞所包含的分子是否与周围的晶胞的分子碰撞。每次碰撞检测，用两重循环遍历需要检测的两个原子坐标构成的点集，逐个计算原子间距离，判断是否小于两元素共价半径。
由于没有充分利用晶体的性质导致效率与正确率低下。
当分子伸出晶胞部分过长，以至于碰撞发生在2圈外的晶胞所包含的分子时，将会检测不到。虽然这可以通过增加扩胞数量或者两重循环遍历扩胞对检测到，但由于这是一个后验的结论，无法在计算前预知。为了提高这一准确性，将会导致所有检测操作都要增加一个数量级的计算量。
距离计算：朴素的使用两点平方差开根号的方法会造成很多计算重复进行。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种晶体结构碰撞快速检测方法，提高预测效率。
具体技术方案为：
晶体结构碰撞快速检测方法，利用晶体结构的周期性性质，加以一定的数学推导，只用最小限度的扩胞就能检测周期性导致的分子碰撞；由于晶体结构的周期性，一个晶胞内会包含不跨越晶胞边界的所有信息；对于跨越晶胞边界的信息，只需要考虑它的作用范围内的邻域即可；因此，把扩胞的范围缩小到最大碰撞距离的邻域即可检测出所有的碰撞；最后利用改进的欧式距离计算方法加速碰撞检测计算。
具体的包括以下步骤：
（1）依据经验性成键距离判断键的连接；如果用户认为当前分子结构不可信，也可以自行输入键的连接，作为初始参照；
（2）根据晶格基矢，将所有原子移动到一个周期内；
（3）依据距离检查当前的原子碰撞，排除键连接的原子对，将余下的信息记录为自我碰撞，作为输出1；
（4）展开晶体的对称性，产生对称镜像，把对称镜像的原子移动回一个周期内；依据距离检查原始分子和对称镜像分子以及对称镜像分子间的碰撞，产生的碰撞全部作为输出2；
（5）以可能存在的最大的碰撞半径tol的距离扩展邻域；当有轴角在[45°, 135°]范围外且原子间最大可能成键距离超出一个晶胞时，在计算前通过格基规约或额外的扩胞以确保检测完备性，保证不会出现漏检；
（6）检测跨边界的碰撞，只选择边界附近内外各tol距离范围内的原子，检测碰撞；在所有检出的碰撞中，排除相同对称单元且有键连的原子对，其余加入输出3；
（7）最后综合输出1~3即可知当前结构是否为正确的晶体结构。
本发明提供的晶体结构碰撞快速检测方法，具有以下技术优势：
（1）提供了一个快速、精确的计算方法依据经验判断晶体结构是否在空间位置的角度上合理；
（2）将扩胞的参数从后验变为先验，提高计算准确率和效率；
（3）可以更好的在晶体结构预测过程中筛选结构，减少错误结构的产生，提高预测效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为现有技术的流程图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
采用如图1所示本发明的步骤进行以下检测：
1、一个合理结构，CCDC编号QAXMEH。
运行无返回值，循环执行1000遍时，耗时0.06秒。
2、一个高度重叠的结构，CCDC编号QAXMEH结构的C4-C3-N1-C9二面角，C4-C3-N1面旋转120度得到，硝基和苯环高度重叠的不合理结构。
运行返回数十组碰撞，循环执行1000遍时，耗时0.07秒。
3、一个轻微重叠的结构，CCDC编号QAXMEH结构的C4-C3-N1-C9二面角，C4-C3-N1面旋转150度得到，硝基氧和杂环硫距离过近的不合理结构。
运行返回两组碰撞，循环执行1000遍时，耗时0.06秒。
图2为现有的原始计算方法，对比原始的计算方法，本发明的方法计算量减少很多。
Claims (3)
1.晶体结构碰撞快速检测方法，其特征在于，利用晶体结构的周期性性质，加以用最小限度的扩胞，把扩胞的范围缩小到最大碰撞距离的邻域即可检测出所有的碰撞；最后利用改进的欧式距离计算方法加速碰撞检测计算。
2.根据权利要求1所述的晶体结构碰撞快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）依据经验性成键距离判断键的连接；如果用户认为当前分子结构不可信，也可以自行输入键的连接，作为初始参照；
（2）根据晶格基矢，将所有原子移动到一个周期内；
（3）依据距离检查当前的原子碰撞，排除键连接的原子对，将余下的信息记录为自我碰撞，作为输出1；
（4）展开晶体的对称性，产生对称镜像，把对称镜像的原子移动回一个周期内；依据距离检查原始分子和对称镜像分子以及对称镜像分子间的碰撞，产生的碰撞全部作为输出2；
（5）以可能存在的最大的碰撞半径tol的距离扩展邻域；
（6）检测跨边界的碰撞，只选择边界附近内外各tol距离范围内的原子，检测碰撞；在所有检出的碰撞中，排除相同对称单元且有键连的原子对，其余加入输出3；
（7）最后综合输出1~3即可知当前结构是否为正确的晶体结构。
3.根据权利要求2所述的晶体结构碰撞快速检测方法，其特征在于，步骤（5）中，当有轴角在[45°, 135°]范围外且原子间最大可能成键距离超出一个晶胞时，在计算前通过格基规约或额外的扩胞以确保检测完备性，保证不会出现漏检。
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