一种燃料分子的设计方法与流程
1.本发明涉及燃料分子设计方法，特别涉及一种燃料分子设计方法。
背景技术：
2.飞行器动力燃料设计研究是航空航天技术中重点关注的基础领域，其关 系到飞行器动力大小，从而直接影响飞行器航程、航速以及载荷等重要指标 性能。为提高飞行器动力，在飞行器燃料箱容积有限的要求下，一般需要燃 料具有较高的密度与体积燃烧热值。因此，十分有必要开展燃料分子设计研 究，加速高性能燃料分子的研制进程。
3.现有技术主要依靠实验科学家的化学直觉，根据已有燃料分子特点，通 过主观认识构建数个燃料分子结构，从而实现燃料分子的设计。该技术虽然 可能获得性能不错的目标分子，但其十分依赖于设计人员长期积累的对燃料 分子结构与化学性质关系的认识，需要极大的时间成本与人力成本，影响高 性能燃料分子研制速度。并且，由于设计分子样本量小且分子结构大多受限 于设计人员的惯性认识，使得得到的目标分子在性能很难突破现有水平。此 外，因为设计过程中未考虑设计分子的合成可行性，没有评估目标分子能否 合成或合成难度。因此，为加速高性能燃料分子研制进程，在兼顾燃料分子 特点的同时，需要运用更有效的设计筛选策略，才更有可能得到综合性能优 异且具有实验研究价值的新型高性能燃料。
技术实现要素：
4.针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种燃料分子设计方法。
5.为此，本发明提供的燃料分子设计方法包括：
6.步骤1，构建初始材料数据库，所述初始分子数据库中含有若干个材料 分子，各分子的密度大于0.8g/cm3、体积热值大于44.0mj/l、熔点小于 273.15k、常压下闪点大于56.0℃、比冲性能参数大于330s、且合成难 度小于4；
7.步骤2，对于初始分子数据库中的含有非环原子的材料和不含非环原子 的材料分别进行如下处理：把含有非环原子材料中的非环原子去除，之后将 去除非环原子后的环结构分子片段存入数据集a中；将初始分子数据库中不 含非环原子的材料分子存入数据集b中；
8.步骤3，构建多个结构不同的新分子，其中任意一个新分子由分子片段 a上的任一氢原子位点和分子b上的任一氢原子位点连接而成，其中分子片 段a为数据集a中的任一分子片段，材料b为数据集b中的任一材料分子；
9.步骤4，分别计算各新分子的密度、体积热值、熔点、常压下闪点、比 冲性质和合成难度；选取密度大于0.8g/cm3、体积热值大于44.0mj/l、 熔点小于273.15k、常压下闪点大于56.0℃、比冲大于330s、且合成难 度小于4的新分子作为设计的燃料分子。
10.优选的，所述数据集a中的各环结构分子片段的结构不同。
11.优选的，所述步骤1包括：
12.s11，选择材料密度需大于0.8g/cm3的材料；
13.s12，在s11所选材料中选择材料体积热值大于44.0mj/l的材料；
14.s13，在s12所选材料中选择材料熔点小于273.15k的材料；
15.s14，在s13所选材料中选择材料常压下闪点大于56.0℃的材料；
16.s15，在s14所选材料中选择材料比冲性能参数大于330s的材料；
17.s16，在s15所选材料中选择合成难度小于4的材料构成初始材料数据 库。
18.进一步，步骤1在106级及以上数据中搜索筛选构建初始材料数据库。
19.可选的，采用基团加和法计算所述密度、体积热值、熔点、常压下闪点 和比冲性能参数。
20.本发明采用密度、体积热值、熔点、常压下闪点、比冲以及合成难度筛 选可选出性能优异且合成步骤少的燃料分子；再在满足所有筛选判据的分子 基础上，裁剪所述材料上所有非环内原子，并将拆分后片段与不含非环内原 子的分子组合，设计新燃料分子；最终通过筛选判据，从其中选出性能优异 且合成步骤少的目标燃料分子。本发明克服了传统方法设计样本量小、分子 结构受限于设计人员认识以及未考虑分子合成可行性等缺陷。可缩短燃料分 子设计筛选时间，提高燃料分子设计效率。
附图说明
21.图1为本发明实施例设计的的五个目标燃料分子结构；
22.图2为本发明实施例示出的所述材料非环内原子识别与裁剪步骤示例 图；
23.图3为是本发明实施例示出的不含非环内原子片段与分子的组合设计示 例图。
具体实施方式
24.除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语根据相关领域普通技术人员 的认识理解。
25.本发明的方法实现立足于分子结构，因此只要是分子数据库(内部存储 数据为分子结构的)均适用于本发明。以下实施例以gdb-13数据库为例， 主要目的是因为该gdb-13数据库存储的都为饱和碳氢分子(可减少针对元 素筛选以及化学键筛选的步骤)。
26.所述基团加和法源于文献[j.marrero；r.gani,group-contributionbased estimation of pure component properties.fluid phase equilib. 2001,183-208]。
[0027]
所述合成难度数值是基于scscore方法。所述scscore方法源于文献 [coley,c.w.；rogers,l.；green,w.h.；jensen,k.f.,scscore: synthetic complexity learned from a reaction corpus.j.chem.inf. model.2018,58,252-261]。
[0028]
下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细描 述。应当理解，以下实施例或者附图仅仅用于说明本发明，不用于限制本发 明的保护范围。
[0029]
实施例：
[0030]
该实施例采用本发明步骤11-16在gdb-13数据库(开源有机分子数据库 gdb-13；该数据库网址为https://www.gdb.unibe.ch/downloads/)中筛选 后，得到5475数据；
[0031]
采用本发明步骤2构建数据集，最后数据集b中共有1872个材料分子， 数据集a中包含5734个环结构片段；
[0032]
采用步骤3所述步骤，总共构建了包含有858723842新分子的设计分子 集合；经步骤4所述条件筛选出37896个符合筛选标准的燃料分子，参阅图 1，给出了五个设计燃料分子示例，各燃料分子的性质见下表1。
[0033]
表1
[0034][0035][0036]
为提高工作效率，以上方案具体操作中可采用与数据库相应的编码、开 源软件实现。必要时，可采用现有的计算机编程程序实现数据的批量处理。
[0037]
具体从gdb-13数据库中批量读取材料smiles编码信息；之后利用编码 和相应开源软件计算分子相关参数；
[0038]
所述读取材料smiles编码信息方法为：调用开源软件包pandas中子程 序pd.read_csv()批量读取材料smiles编码信息；
[0039]
所述密度、熔点、体积热值、常压下闪点以及比冲性能参数通过调用开 源软件包rdkit中的chem.molfromsmiles()子程序将某材料smiles编码 转变为该材料的mol格式结构；然后编程识别该材料的各个基团数目，之后 通过基团加和法计算得到；
[0040]
所述体积热值、常压下闪点以及比冲性能参数计算所需的生成焓数据由 开源软件mopac程序在pm7计算精度下获得。
[0041]
以gdb-13数据库中smiles码为cc1cc2c3cccc23c2cc12c的分子为例，
[0042]
先由chem.molfromsmiles()子程序将smiles编码转变为mol格式结 构；再通过chem.molfromsmarts()定义各基团结构，然后通过子程序 mol.getsubstructmatches()识别各基团，最终获得各基团数目(包括ch3： 2；ch2
cyc
：5；ch
cyc
：4；c
cyc
：2；ch
cyc-ch3：1；c
cyc-ch3：1；ch
multi-cyc
：3；c
multi-cyc
： 2；)，其中下标cyc表示该基团属于环结构内、multi-cyc则表示该基团属 于多个环结构内；
[0043]
利用mopac程序在pm7精度获得该材料的生成焓为46.2kj/mol；然后 将该生成焓数据与基团数目通过基团加和法获得该材料的密度为0.893 g/cm3、熔点为284.9k、体积热值为38.28mj/l、常压下闪点为77.9℃、 比冲为340.9s。具体的，某材料的合成难度，根据scscore方法，通过计 算机程序批量计算，实现批量读入某材料的smiles编码，然后利用该方法 模型计算最终的scscore，同样以以gdb-13数据库中smiles码为 cc1cc2c3cccc23c2cc12c的分子为例，该材料的合成难度为3.508。
[0044]
具体方案中利用编码和开源软件实现步骤2的操作为：
[0045]
s20：读入步骤1筛选的某材料的smiles编码；
[0046]
s21：利用开源软件包rdkit中chem.molfromsmiles()子程序将该材 料smiles编码转换为mol格式结构；
[0047]
s22：实现非环原子识别，具体可利用计算机程序识别，遍历该材料所有 原子；
[0048]
s23：判断该材料是否存在非环原子；
[0049]
s24-a：若所述材料不存在非环原子，则将该材料smiles编码存入数据 集b；
[0050]
s24-b-1：若所述材料存在非环原子，则对该材料中非环原子裁剪，具体 可利用计算机程序实现原子裁剪；
[0051]
s24-b-2：将裁剪后不含非环原子的片段smiles编码存入数据集a；
[0052]
示例：参见图2，通过chem.molfromsmiles()读入smiles编码为 c1c2cc1c1c3c1c1cc3c3c2c13以及c1cc1c(c1cc1)(c1cc1)c1cc1的两个分子 (分子1与分子2)；再通过chem.molfromsmarts()识别包括('[ch4]'、 '[ch3]'、'[ch2；！r]'、'[ch1；！r]'、'[ch0；！r]')等非环结构；最后通过 判别包含上述五种非环结构的数目，若数值非零则代表含有非环原子，其中， 分子1不存在非环原子存入数据集b；分子2存在非环原子，图2中用阴影 标注，然后利用murckscaffold.getscaffoldformol()获得裁剪支链基团 的骨架结构(即去除掉’[ch3]’基团，此例中分子2不包含ch3基团)，接 着利用setintprop()对该分子里的化学键进行登记，通过getringinfo ()与bondrings()获得环结构化学键的序号，进而获得非环结构键的序 号，再利用fragmentonbonds()对非环结构键进行裁剪，即获得分子2中 环结构，虽然分子2中裁剪后包含四个三元环，但由三元环结构相同，则只 将一个三元环存入数据集a中，确保数据集a中的各环结构分子片段的结构 不同。
[0053]
具体方案中，利用编码和开源软件实施步骤3的操作如下：
[0054]
s30-a：通过开源软件包rdkit以及编程实现从数据集a中读入一片段， 并生成对应mol格式结构，记为am；
[0055]
s30-b：通过开源软件包rdkit以及编程实现从数据集b中读入一材料分 子，并生成对应mol格式结构，记为bm；
[0056]
s31-a：通过开源软件包rdkit使所述片段am上氢原子显式表示，再编 程实现氢原子识别与标记，所述片段am标记后记为am-*；
[0057]
s31-b：通过开源软件包rdkit使所述片段bm上氢原子显式表示，再编 程实现氢原子识别与标记，所述材料bm标记后记为bm-*；
[0058]
s32：定义组合规则：am-*+bm-*
→
cm，cm为新分子；根据所述组合 规则设计新分子，具体可利用计算机程序实现满足组合规则的am-*与bm-* 组合设计生成新材料分子；
[0059]
示例：参阅图3，从数据集a中选取一个片段记为am，其smiles编码为 c12c3c4c3c5cc1c6c2cc4c56，通过chem.addhs()将氢原子显示表示，再 通过replacesubstructs将一个氢原子表示为*(识别为连接位点)，由于该 片段结构对称，则只存在7个不同的am-*；
[0060]
从数据集b中选取一个分子记为bm，其smiles编码为 c12cc1c34cc5c6c5c3c7c2c4c67，通过chem.addhs()将氢原子显示表示， 再通过replacesubstructs将一个氢原子表示为*(识别为连接位点)，由于 该分子结构不对称，则存在13个不同的bm-*；再根据定义的组合规则am-*+ bm-*
→
cm，该示例中am-*与bm-*总共会生成91个新分子；
[0061]
利用本发明基于数据库的高性能燃料分子设计方法克服了传统方法设 计样本量小、分子结构受限于设计人员认识以及为考虑分子合成可行性等缺 陷，实现了从数据库中获取燃料分子结构性质特性规律并以此设计新型高性 能燃料分子。
[0062]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本 领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
技术特征：
1.一种燃料分子设计方法，其特征在于，方法包括：步骤1，构建初始材料数据库，所述初始分子数据库中含有若干个材料分子，各分子的密度大于0.8g/cm3、体积热值大于44.0mj/l、熔点小于273.15k、常压下闪点大于56.0℃、比冲性能参数大于330s、且合成难度小于4；步骤2，对于初始分子数据库中的含有非环原子的材料和不含非环原子的材料分别进行如下处理：把含有非环原子材料中的非环原子去除，之后将去除非环原子后的环结构分子片段存入数据集a中；将初始分子数据库中不含非环原子的材料分子存入数据集b中；步骤3，构建多个结构不同的新分子，其中任意一个新分子由分子片段a上的任一氢原子位点和分子b上的任一氢原子位点连接而成，其中分子片段a为数据集a中的任一分子片段，材料b为数据集b中的任一材料分子；步骤4，分别计算步骤3所得各新分子的密度、体积热值、熔点、常压下闪点、比冲性能参数和合成难度；选取密度大于0.8g/cm3、体积热值大于44.0mj/l、熔点小于273.15k、常压下闪点大于56.0℃、比冲性能参数大于330s、且合成难度小于4的新分子作为设计的燃料分子。2.如权利要求1所述的燃料分子设计方法，其特征在于，所述数据集a中的各环结构分子片段的结构不同。3.如权利要求1所述的燃料分子设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：s11，选择材料密度需大于0.8g/cm3的材料；s12，在s11所选材料中选择材料体积热值大于44.0mj/l的材料；s13，在s12所选材料中选择材料熔点小于273.15k的材料；s14，在s13所选材料中选择材料常压下闪点大于56.0℃的材料；s15，在s14所选材料中选择材料比冲性能参数大于330s的材料；s16，在s15所选材料中选择合成难度小于4的材料构成初始材料数据库。4.如权利要求1或3所述的燃料分子设计方法，其特征在于，在含106级及以上数据中搜索筛选构建初始材料数据库。5.如权利要求1所述的燃料分子设计方法，其特征在于，采用基团加和法计算所述密度、体积热值、熔点、常压下闪点和比冲性能参数。
技术总结
本发明公开了一种燃料分子设计方法。所公开的方法包括采用密度、体积热值、熔点、常压下闪点、比冲以及合成难度筛选可选出性能优异且合成步骤少的燃料分子；再在满足所有筛选判据的分子基础上，裁剪所述材料上所有非环内原子，并将拆分后片段与不含非环内原子的分子组合，设计新燃料分子；最终通过筛选判据，从其中选出性能优异且合成步骤少的目标燃料分子。本发明克服了传统方法设计样本量小、分子结构受限于设计人员认识以及未考虑分子合成可行性等缺陷。可缩短燃料分子设计筛选时间，提高燃料分子设计效率。料分子设计效率。
