專利名稱：一種利用計算機模擬計算化學物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用計算機模擬計算化學物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法，特別涉及一種計算聚合物油田化學劑的溶解度參數(shù)。
背景技術(shù)：
化學物質(zhì)的溶解度參數(shù)在石油化工行業(yè)應用廣泛。比如在油田化學領(lǐng)域，為了保護油層，防止聚合物油田化學劑可能引起的油層污染，因此在選擇聚合物或者溶劑時，都應事先考慮它們的水溶性或酸可溶性，這就要求必需了解它們的溶解度參數(shù)?；瘜W物質(zhì)溶解度參數(shù)是決定化學物質(zhì)是否相容的重要因素，因而決定了它在油田化學領(lǐng)域中的重要性。獲得化學物質(zhì)溶解度參數(shù)的通常做法是查閱化學手冊或者直接實驗，然而，相當多的化學物質(zhì)是化學手冊中所沒有的，而做實驗既費時又費力，還消耗大量的實驗經(jīng)費。因此通過計算機模擬計算化學物質(zhì)的溶解度參數(shù)來解決工業(yè)應用問題是一個非常好的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中很多化學物質(zhì)的溶解度參數(shù)無法通過實驗獲得或者實驗工作量巨大的缺點，本發(fā)明提供一種利用計算機模擬計算化學物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法。本發(fā)明方法所采用的計算機模擬軟件為Materials Studio (以下簡寫為MS),該軟件是美國Accelrys公司研發(fā)、中國創(chuàng)騰科技有限公司(ht tp://www. neotrident, com)代理的一種計算機模擬軟件。MS是專門為材料科學領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可運行在PC上的模擬軟件，支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺。本發(fā)明提供的利用計算機模擬軟件計算化學物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法包括以下步驟(I)利用MS軟件的Visualizer模塊畫出待計算化學物質(zhì)的分子模型，作為基本的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件；(2)利用MS軟件的Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(I)中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件進行能量最小化處理，得到經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件；(3)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的construction程序?qū)Σ襟E(2)中經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件進行待計算化學物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)的建立；(4)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的Minimize程序或Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(3)中所建立的待計算化學物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進行能量最小化處理，得到初步的能量最小化構(gòu)象；(5)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的Dynamics程序或Discover模塊中的Dynamics程序?qū)Σ襟E(4)中經(jīng)能量最小化處理后的待計算化學物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進行分子動力學結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到分子動力學軌跡文件；(6)利用MS軟件Amorphous cell模塊中的analysis程序進行對步驟(5)中得到的分子動力學軌跡文件或選擇該軌跡文件中的能量最小化構(gòu)象進行分析，得到待計算化學物質(zhì)的內(nèi)聚能密度，對該密度值取平方根即是待計算化學物質(zhì)的溶解度參數(shù)。在所述步驟(2)中對所述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件進行能量最小化處理時，可選用SmartMinimize 方法、Steepest Descent 方法、Conjugate Gradient 方法和 Newton 方法中的一種，力場可選用Compass力場、PCFF力場、Dreiding力場、universal力場和CVFF力場中的一種，范德華力和靜電力的截取距離(cutoff distance)設(shè)定為6A~20人,優(yōu)選9λ~ 15人,計算步數(shù)為1000-100000步，優(yōu)選5000-50000步。在所述步驟(3)中建立所述無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)時，待計算化學物質(zhì)的分子個數(shù)可以根據(jù)分子的大小選擇1-800個，優(yōu)選1-500個，設(shè)定的溫度在200Κ-600Κ之間，優(yōu)選300Κ-500Κ,晶胞結(jié)構(gòu)的密度設(shè)定為O. 5-1. 2g/cm3之間，優(yōu)選O. 6-1. Og/cm3,晶胞類型選擇周期性晶胞，力場選用與步驟2相同的力場。在所述步驟(4)中用Minimize程序?qū)λ龃嬎慊瘜W物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進行能量最小化處理時，計算步數(shù)為1000-100000步，優(yōu)選5000-50000步，其它方法或參數(shù)的設(shè)置同步驟(2)。 在所述步驟(5)中用Dynamics程序?qū)λ龃嬎慊瘜W物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進行分子動力學結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，可采用NVE、NVT和NPT系綜中的一種，優(yōu)選NPT系綜，溫度設(shè)定在200K-800K之間，優(yōu)選300K-600K，溫度計算方法選用Andersen方法、VelocityScale方法、Nose方法和Berendsen方法中的一種，力場選用與步驟2相同的力場，范德華力和靜電力的截取距離(cutoffdistance)設(shè)定為6人~ 20A,優(yōu)選9A ~ 15Λ^最優(yōu)選IlA -14Α,時間步長為I飛秒(fs)，總模擬時間為50-5000皮秒(PS)，優(yōu)選100-2000皮秒，壓力設(shè)定為0. OOOlGPa，結(jié)果記錄文件可以設(shè)置為每計算100-1000步輸出一個構(gòu)象，保存于分子動力學軌跡文件中。在所述步驟(6)中用利用Amorphous cell模塊中的analysis程序進行分析時，所用的分析對象為步驟(5)所得到的分子動力學軌跡文件，也可通過MS軟件生成的能量進展曲線(energy evolution)找到分子動力學軌跡文件中的最低能量構(gòu)象作為分析對象。在本發(fā)明計算方法中，當需要設(shè)定隨機數(shù)種子時，均采用系統(tǒng)缺省設(shè)定值。在不同版本的MS軟件中，在本發(fā)明方法中計算時所調(diào)用的模塊或程序會有少許的不同，但不會影響本發(fā)明方法解決化學物質(zhì)溶解度參數(shù)計算的技術(shù)難題。利用本發(fā)明方法與傳統(tǒng)的實驗方法相比具有以下明顯的優(yōu)點(I)測定范圍廣，任意化學物質(zhì)的溶解度參數(shù)均可計算，無論其結(jié)構(gòu)如何復雜，只要有這種物質(zhì)存在，就可以計算，解決了實驗中無法完成的難題。而且，這一方法還可以推廣到任何溫度下的溶解度參數(shù)的計算。(2)實驗材料易于在計算機上建立分子模型，只要存在這種結(jié)構(gòu)，就可以通過計算機得到它的構(gòu)象，避免了在實驗上找不到實驗原料的問題。(3)計算迅速，且操作簡單，幾小時的時間就可以算出結(jié)果，減少了繁重的實驗工作量。(4)設(shè)備要求低，在普通的PC機上即可進行計算，不需要進行購買大量的實驗設(shè)備,節(jié)省了大量的實驗成本。(5)計算結(jié)果準確，與理論值非常接近，相對誤差小。
具體實施例方式下面通過實施例1-9來進一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點。在此所采用的MS軟件的版本為4. 4，然而本發(fā)明并不限于使用此版本，任何版本具有本申請所用到的模塊和程序的MS軟件皆可適用。在實施例1-9中所使用的計算方法及參數(shù)分別編號如下步驟(2)-(5)中所使用的同一力場
Compass 力場L-1PCFF 力場L-2Dreiding 力場L-3universal 力場L_4CVFF 力場L-5步驟⑵、⑷中所使用的Minimize方法Smart Minimize 方法M-1Steepest Descent 方法M_2Conjugate Gradient 方法M_3Newton 方法M_4步驟(5)中所使用的模塊Amorphous cell 模塊D_1Discover 模塊D_2步驟(5)中所使用的溫度計算方法Andersen 方法W-IVelocity Scale 方法W-2Nose 方法W-3Berendsen 方法W-4步驟(6)中所使用的分析對象分子動力學軌跡文件F-I利用能量進展曲線找到的最低能量構(gòu)象F-2實施例I(I)利用MS軟件的Visualizer模塊畫出己烷分子，作為基本的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件，命名為 hexane, xsd。(2)利用MS軟件的Discover模塊中的Minimize程序?qū)exane, xsd進行能量最小化處理，先在Discover模塊中的Setup程序選擇Compass力場，范德華力和靜電力的截
取距離(cutoff distance)設(shè)定為9. 5人，然后在Minimize中程序中選用Smart Minimize
方法，計算步數(shù)為10000步,得到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件,命名為hexanel. xsd。(3)利用 MS 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 construction 程序?qū)?hexanel. xsd進行己烷聚集體晶胞結(jié)構(gòu)的建立，溫度設(shè)為300K，密度設(shè)為0. 6g/cm3,晶胞類型選擇周期性晶胞，選擇30個己燒分子,力場選用Compass力場,得到30個己燒分子聚集體的晶胞結(jié)構(gòu)，命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexanel. xtd。(4)利用MS軟件的Amorphous cell模塊中的Minimize程序?qū)λ⒌木ОY(jié)構(gòu)hexanel. xtd進行能量最小化處理，計算步數(shù)為10000，其它方法或參數(shù)的設(shè)置同步驟(2)，得到初步的能量最小化構(gòu)象，命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexane2. xtd ；(5)利用MS軟件的Discover模塊中的Dynamics程序?qū)ОY(jié)構(gòu)hexane2. xtd進行分子動力學結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用NPT系綜，Andersen方法，溫度設(shè)定為300K，壓力設(shè)定為O. OOOlGPa，選用的力場同步驟(2)，時間步長為I飛秒(fs)，總模擬時間為500皮秒(ps)，范德華力和靜電力的截取距離(cutoff distance)設(shè)定為13. 5人，每計算500步輸出一個構(gòu)象，保存于分子動力學軌跡文件中，命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexane3. xtd ；(6)利用 Amorphous cell 模塊中的 analysis 對 hexane3. xtd 進行分析，通過 MS軟件生成的能量進展曲線(ennergy evolution)找到其最低能量構(gòu)象,命名為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件hexane4. xtd,用該最低能量構(gòu)象得到該物質(zhì)的內(nèi)聚能密度為55. 4338cal/cm3,對該值取平方根即是該物質(zhì)的溶解度參數(shù)值7. 44539 (cal/cm3)1/2，與文獻值7. 4 (cal/cm3)1/2 一致，相對誤差為0. 6%。
實施例2-9按照與實施例I相同的步驟分別計算苯分子、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)分子、苯偏三酸三辛酯(TOTM)分子、環(huán)氧大豆油(ESO)分子、聚合度為2000的聚氯乙烯(PVC)分子、乙醇分子、甲酸分子、苯酚分子的溶解度參數(shù)，標記為實施例2-9。在實施例1-9的各步驟中所選用的程序、方法、各個參數(shù)的設(shè)定以及最終溶解度參數(shù)的計算結(jié)果和誤差列于表1，實施例2-9步驟(5)中溫度設(shè)定值、壓力設(shè)定值、輸出一個構(gòu)象的計算步數(shù)和時間步長同實施例2，均為300K、0. 0001GPa、500步和lfs。雖然本發(fā)明已通過所述實施例公開，然而這些實施例并非用以限定本發(fā)明，任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應當可以作各種的變動與修改。本實施例中所計算分子的結(jié)構(gòu)及其溶解度參數(shù)的理論值可參見復旦大學出版社于1990年10月出版的《高分子物理》或化學工業(yè)出版社于2002年9月出版的《增塑劑及其應用》。表I
權(quán)利要求
1.ー種利用計算機模擬計算溶解度參數(shù)的方法，包括以下步驟(1)利用MaterialsStudio軟件的Visualizer模塊畫出待計算化學物質(zhì)的分子模型，作為基本的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件；(2)利用MaterialsStudio軟件的Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(I)中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件進行能量最小化處理，得到經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件；(3)利用Materials Studio 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 construction 程序?qū)Σ襟E(2)中經(jīng)能量最小化處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件進行待計算化學物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)的建立；(4)利用Materials Studio 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 Minimize 程序或Discover模塊中的Minimize程序?qū)Σ襟E(3)中所建立的待計算化學物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進行能量最小化處理，得到初歩的能量最小化構(gòu)象； (5)利用Materials Studio 軟件的 Amorphous cell 模塊中的 Dynamics 程序或Discover模塊中的Dynamics程序?qū)Σ襟E(4)中經(jīng)能量最小化處理后的待計算化學物質(zhì)無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)進行分子動力學結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到分子動力學軌跡文件；(6)利用MaterialsStudio軟件Amorphous cell模塊中的analysis程序進行對步驟(5)中得到的分子動力學軌跡文件或選擇該軌跡文件中的能量最小化構(gòu)象進行分析，得到待計算化學物質(zhì)的內(nèi)聚能密度，對該密度值取平方根即是待計算化學物質(zhì)的溶解度參數(shù)。
2.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(2)進行能量最小化處理時，選用 Smart Minimize 萬法、Steepest Descent 萬法、Conjugate Gradient 萬法和Newton方法中的一種，力場選用Compassカ場、PCFFカ場、Dreidingカ場、universalカ場和CVFF力場中的ー種，范德華力和靜電カ的截取距離設(shè)定在6A ~ 2OA之間，計算步數(shù)為1000-100000 歩。
3.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(3)中建立所述無定形聚集體晶胞結(jié)構(gòu)時，選擇1-800個待計算化學物質(zhì)的分子，設(shè)定的溫度在200K-600K之間，晶胞結(jié)構(gòu)的密度為0. 5-1. 2g/cm3之間，晶胞類型選擇周期性晶胞，力場選用Compassカ場、PCFFカ場、Dreidingカ場、universalカ場和CVFF力場中的一種。
4.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(4)中進行能量最小化處理時，選用 Smart Minimize 方法、Steepest Descent 方法、Conjugate Gradient 方法和Newton方法中的一種，力場選用Compassカ場、PCFFカ場、Dreidingカ場、universal力場和CVFFカ場中的ー種，范德華カ和靜電カ的截取距離設(shè)定為6A~20A,計算步數(shù)為1000-100000 歩。
5.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述步驟(5)中用Dynamics程序進行分子動力學結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，采用NVE、NVT和NPT系綜中的ー種，溫度設(shè)定在200K-800K之間，溫度計算方法選用Andersen方法、Velocity Scale方法、Nose方法和Berendsen方法中的一種，力場選用Compassカ場、PCFFカ場、Dreidingカ場、universalカ場和CVFF力場中的ー種，范德華カ和靜電カ的截取距離設(shè)定為6A~ 20A,時間步長為I飛秒(fs)，總模擬時間為50-5000皮秒(ps)，壓カ設(shè)定為0. OOOlGPa，結(jié)果記錄文件設(shè)置為每計算100-1000步輸出ー個構(gòu)象。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟(5)中，采用NPT系綜。
7.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在干，范德華力和靜電カ的截取距離設(shè)定為9A~15A。
8.按照權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,在所述步驟(6)中用利用Amorphouscell模塊中的analysis程序進行分析時，所選擇的分析對象為步驟(5)所得到的分子動力學軌跡文件。
9.按照權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,在所述步驟(6)中用利用Amorphouscell模塊中的analysis程序進行分析時，通過MS軟件生成的能量進展曲線找到所述分子動カ學軌跡文件中的最低能量構(gòu)象作為分析対象。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用計算機模擬計算化學物質(zhì)溶解度參數(shù)的方法，該方法包括構(gòu)建待計算化學物質(zhì)的分子模型并進行能量最小化計算；構(gòu)建待計算化學物質(zhì)無定形聚集體的晶胞結(jié)構(gòu)，對該晶胞結(jié)構(gòu)進行能量最小化計算和分子動力學計算，計算得到該化學物質(zhì)的內(nèi)聚能密度，對其取平方根得到溶解度參數(shù)。本發(fā)明方法計算快速、結(jié)果準確，適于解決石油化工行業(yè)不同物質(zhì)間相容性不易判斷的技術(shù)難題。
文檔編號G06F17/50GK102831256SQ201110161790
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者任強, 房韡, 代振宇, 周涵 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院