基于MOL文件格式的氮杂环含能化合物虚拟合成的方法

摘要

本发明公开了一种新型的基于MOL文件格式的氮杂环含能化合物虚拟合成的方法。主要适用于氮杂环含能化合物的虚拟合成，通过对目标化合物进行拆分、取代等操作，得到它可能的前体化合物。该方法中，所有的规则结构和目标结构均采用MOL文件格式进行描述。经验证，该方法对于含能化合物的虚拟合成具有良好效果。使用C++语言开发该方法的应用程序，可以快速地生成目标化合物的可能前体，在指导氮杂环含能化合物的合成方面具有良好的应用前景，对减少实验工作的盲目性，降低新型氮杂环含能化合物研发成本具有特别重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的基于MOL文件格式的氮杂环含能化合物虚拟合成的方法。该方法主要适用于氮杂环含能化合物的虚拟合成，通过对目标化合物进行拆分、取代等操作，得到它可能的前体化合物。

背景技术

寻求新的高能量密度化合物已成为全球含能材料领域密切关注的焦点。氮杂环化合物具有密度高、生成焓高、热稳定性好和感度较低等优点，对于大幅度提高混合炸药的威力以及低特征信号推进剂和洁净推进剂能量具有重要的意义。但由于含能化合物具有一定的危险性，其合成和性能测试存在一定的安全隐患，而且对于开发新型含能化合物既费时、费力，又缺少必要的理论依据，具有一定的盲目性。以上因素决定了当前的含能化合物设计开发缺乏创新性，也难以满足目前武器弹药对新型含能化合物的需求。因此，迫切需要寻找一种高效省力的合成方法。因此如何利用功能强大的计算机技术来代替或部分代替设计人员的工作，指导新型含能化合物设计，降低实验成本，提高合成人员的安全性，成为亟待解决的重要研究课题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于MOL文件格式的氮杂环含能化合物虚拟合成的方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于MOL文件格式的氮杂环含能化合物虚拟合成的方法，其特征在于，该方法在对现有氮杂环含能化合物通过已有的合成规律进行分析的基础上，通过对目标化合物进行拆分、取代的操作，得到它可能的前体化合物；具体按下列步骤进行：

步骤一，制定氮杂环含能化合物虚拟合成的规则；

步骤二，对于目标化合物，找出适用于该目标化合物的规则；

步骤三，根据规则结构与目标结构的对应关系，找出要操作的关键化学键；

步骤四，对关键化学键进行操作；

步骤五，提取新的化合物结构；

步骤六，使用C++开发模块化的氮杂环含能化合物虚拟合成程序。

本发明利用对现有氮杂环含能化合物通过已有的合成规律进行分析，自动产生符合一定规律的前体结构，而这些规律也可以进一步用来设计新型氮杂环含能化合物的合成路线。该方法具有快速、准确生成目标含能化合物结构合成路线的特点。

附图说明

图1表示虚拟合成算法流程；

图2表示合成卤代呋咱规则示意图；

图3表示断键方法；

图4表示MOL添加基团示例；

图5表示添加基团并使之美观流程；

图6表示目标结构的分子；

图7表示最终的前体结构；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的基于MOL文件格式的氮杂环含能化合物虚拟合成的方法，其设计思路是针对现有氮杂环含能化合物，通过已有的合成规律进行分析，通过对目标化合物进行拆分、取代等具体操作，得到它可能的前体化合物。

具体按下列步骤进行：

步骤一，制定氮杂环含能化合物虚拟合成的规则，规则内容是：类似逆合成子的一个主体结构框架，该结构由MOL文件格式表示，规定原子列表中的第12列来存储需要操作的原子标记信息，第13列存储分子结构中原子的来源信息，并且用键列表的第5列存储键的形成情况。

步骤二，对于目标化合物，找出适用于该目标化合物的规则；目标化合物的规则利用VF算法的匹配方法得到。

步骤三，根据规则结构与目标结构的对应关系，找出要操作的关键化学键；利用VF算法中的状态空间所记录的规则分子结构的原子和用户输入的目标分子的原子之间的对应匹配，修改目标分子的原子列表中两个留项，找到目标结构的关键化学键。

步骤四，对关键化学键进行操作，操作方法是：

定义一系列的操作，操作的对象是MOL文件格式表示，由于分子结构是以MOL文件格式表示的，因此对关键化学键的操作就是对MOL文件操作，它们是：

（1）MOL断键操作

从MOL格式来看，断开一个键，是从键表中删去一行键的信息；假设要断开的键两端原子序号分别是i和j，然后，遍历其他键的信息，凡是与i有键的其他原子，必属反应物之一；如果在这个过程中也找到了j，那说明i和j属于同一个反应物，断键相当于成环（因为分析的是产物）；否则，那些没有涉及到的原子（包括j）键，应该属于另一个反应物。这个过程其实是一个具有普适性的算法，能够用来拆分由一个MOL数据结构存储的多个分子；

（2）MOL改变键操作

从MOL格式来看，改变一个键，是查找键表并修改键级；如把第i号原子和第j号原子的键之间的单键变为双键（或三键），就是要在键表中找到两端原子序号分别是i（或j）和j（或i）的键信息，修改其键级，把1改为2（或3）；

（3）MOL键添加操作

从MOL格式来看，添加一个键，是从键表中添加一行键的信息；如在第5号，第6号原子之间添加一个单键则是在键表中填加了一个连接信息。其存储结构是【5  6  1  0  0  0  0】，其中5和6代表了原子序号，1代表单键，其余的0代表其他属性。

（4）MOL添加基团操作

从MOL格式来看，给一个分子结构添加一个基团，即：反应物的分子结构加上一个基团就可以得到产物的分子结构，是可以在原子列表中加入这个基团的原子列表信息，键列表中加入这个基团的键列表信息，并且连接相关的键；然而，一个分子结构加入一个基团时，该基团的坐标信息可能与原分子结构的某些原子重合或发生冲突，使得结果不直观；因此，需要通过对该分子和基团作适当的旋转和平移操作，来实现基团的添加。

步骤五，提取新的化合物结构：通过标记，提取新的结构，得到目标化合物的前体。

步骤六，使用C++开发模块化的氮杂环含能化合物虚拟合成程序。

通过以上步骤就可以完成拆分，成环等其他策略的虚拟合成。

本发明根据逆合成子的原理和VF算法来实现逆合成算法。经验证，该方法对于含能化合物的虚拟合成具有良好效果。使用C++语言开发该方法的应用程序，可以快速地生成目标化合物的可能前体，在指导氮杂环含能化合物的合成方面具有良好的应用前景，对减少实验工作的盲目性，降低新型氮杂环含能化合物研发成本具有特别重要的意义。

以下结合图1说明虚拟算法流程：启动程序，输入目标结构，提取出目标结构的相关信息，对规则库中的规则进行逐一匹配，当匹配时，获取规则结构与目标结构之间的对应关系，做相应标记，找出关键化学键，并根据规则中的操作对目标结构进行操作，根据标记信息提取新分子结构信息。

结合图2和下表1，说明取代规则示例：

MOL文件由两部分组成：头文件块和连接表块。

表1的骨架MOL文件中1—3行是头文件块，其他的属于连接表。在连接表块中，第4行是计数块，标明文件中的分子由多少原子组成，包含多少个键，分子是否为手性等；第5—11行是原子块表，每个原子的信息用一行表示，包括笛卡尔坐标、原子符号、元素周期表中的质量的差别、电荷和9个其他的属性；第12—18行是键块表，每个键亦用一行表示，包括第一个原子序号、第二个原子序号、键类型（1代表单键，2代表双键等）以及一些其他属性；最后一行表示属性块表。

对于合成卤代呋咱规则，采取MOL格式的存储结构，对原子信息的第12列作标记1，2等，指出相关操作：断开标记为1，2的原子之间的键，并在1号标记的原子上连接一个官能团：硝基。

表1：卤代呋咱规则的存储结构

结合图3和下表2，说明MOL断键示例：具体到逆合成反应，可以通过键表中的对应关系，得知应该断开的键信息，即在MOL文件原子编号中对应的第6号原子和第7号原子之间的键应该断开。

从第3号和第7号原子出发的键的连接信息，进行重新的连接就可以得到反应物，并且这些反应物的原子和键均来自产物，继承了产物的信息。由于反应物是从产物倒推出来的，所以尽管每个反应物各原子之间的拓扑关系是正确的，可显示时各原子的显示坐标还是产物的，这虽然这对于检索没有影响，但未经过调整使得坐标在显示时并不能达到易识别的效果。因此本文中用一个简单的解决办法，就是把所有反应物提取出来经过对原子序号的重新编号组成新的MOL文件，并以MOL文件显示最后的合成式。

结合图4，图5说明MOL添加基团示例，求出分子的“重心”A，并找出要连接点B，旋转整个分子，使重心和连接点的线段AB与水平方向成45度，并求AB的延长线上单位长度C；计算出基团分子的“重心”的坐标D，并找出要连接点的坐标E，旋转整个基团，使其重心和连接点的线段ED和水平方向成225度，并平移官能团，使E与C重合；连接B，E，得到目标分子结构。

结合图6，图7，表3说明取代示例，当用户输入一个满足示例规则结构的分子，用VF算法对他们进行匹配（R代表任意原子），通过状态空间可以得该分子和上述规则中原子的对应关系，通过此对应关系修改MOL文件中第12列中相应的标记。对该MOL文件，做官能团旋转，平移，进行断键：断开分子中标记为1，2的原子之间的键；官能团添加：添加硝基官能团，在标记为两个1的原子，用户输入的分子结构就变成了如图的形式，即得到了一个前体。

表2：偶氮呋咱断键示例

表3：修改的MOL文件