基于量子化学计算和统计分析的沥青质代表性分子选取方法

本发明涉及一种用于沥青分子建模中选择沥青质分子时的沥青质代表性分子选取方法，特别涉及一种基于量子化学计算和统计分析的沥青质代表性分子选取方法。

背景技术：

1、沥青的物理化学性质由其分子结构所决定，要从分子结构出发探究沥青的性质，首先就要给出沥青的分子结构式。在沥青所有组分中，沥青质的分子结构最复杂，极性最强且容易形成沉淀，是四组分中研究的热点。虽然现有研究已总结出许多沥青质分子模型，但由于沥青分子的来源不同，这些分子通常性质各异，难以用少数几个沥青质分子囊括各种品类的沥青质的性质。沥青质中杂原子基团位置、芳环大小以及烷烃链长度等因素对沥青质分子的聚集行为和沥青质的物理化学性质有显著影响。但在如何选取沥青质分子方面的研究却较少，这导致在沥青分子模拟和量子化学计算中，对沥青质分子的选择往往随意，这加大了模拟计算结果与实际沥青性能表现的偏差。为了加强沥青质分子选取的针对性，需要对沥青质分子之间的相似性进行研究，从而选出与其他沥青质分子有明显区别，具有代表性沥青质分子。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于量子化学计算和统计分析的沥青质代表性分子选取方法，该方法可定量描述沥青质分子之间分子形态、分子极性和分子红外光谱特征的差异性，从而在沥青分子建模时给出沥青质代表性分子选取的针对性建议。进一步的，对于不同品类的沥青，该方法可以基于沥青试验的结果选出更符合试验沥青性质的沥青质分子。

2、为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种基于量子化学计算和统计分析的沥青质代表性分子选取方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、s1、搜集若干种沥青质分子，对各沥青质分子的结构式进行识别，得到对应的分子结构式，转为三维结构，建立各沥青质的三维分子模型；

5、s2、对各沥青质的三维分子模型进行几何优化和频率计算，得到优化后的分子模型和波函数；

6、s3、对各沥青质分子的波函数进行分析，计算沥青质分子的分子形态指标、分子极性指标以及红外光谱指标；

7、s4、分别计算沥青质分子的各项分子形态指标和分子极性指标的散点矩阵和相关系数，判断各项指标间的相关程度，并对各项分子形态指标和分子极性指标进行主成分分析，根据特征值和累计方差百分比选出能够囊括大部分沥青质分子差异性的主成分；

8、s5、对沥青质分子的红外光谱指标进行主成分分析，选取能够囊括大部分沥青质分子差异性的主成分来表征沥青质分子之间的差异性；

9、s6、基于沥青质分子的各项主成分分数，计算沥青质分子间的欧几里得距离，并对沥青质分子的分子形态、分子极性和分子红外光谱指标进行系统聚类，根据聚类结果选出沥青质代表性分子。综合沥青质分子在分子形态、分子极性和分子红外光谱上表现出的特性，给出与其他沥青质分子有明显差异且具有代表性的沥青质分子，为沥青质分子的针对性选取提供建议。

10、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

11、进一步的，所述s1中搜集的沥青质分子，来自于文献中基于sara组分归类的沥青分子，以及各类原油沥青原料组分测定试验中被视为沥青质的分子。

12、进一步的，所述s1中，通过king draw对沥青质分子的结构式进行识别并得到对应的分子结构式，经过校正后通过chem3d转为三维结构；所述s2中，采用gaussian 09对沥青质分子模型进行几何优化和频率计算；所述s3中，使用multiwfn对沥青质分子的波函数进行分析。

13、进一步的，所述s2中，计算任务选择几何优化和频率计算，计算方法选择密度泛函理论，泛函选择b3lyp，基组选择6-31g(d,p)，计算完成后检查分子振动频率，当所有振动频率均为正值时达到收敛标准，几何优化完成，得到沥青质分子的稳定构型及其波函数。

14、进一步的，所述s3中，在分子形态指标方面，以分子量、sp2杂化碳原子占比、范德华体积、密度、范德华表面积、sdp和mpp作为指标；在分子极性指标方面，以adch电荷、偶极矩、mpi、pi、分子极性表面积占比、平均mayer键级和homo-lumo能隙作为指标；在红外光谱方面，绘制沥青质分子红外光谱图，将不同波数下的吸收系数作为表征沥青质分子差异性的指标。

15、进一步的，所述分子量根据沥青质分子式计算得出；sp2杂化碳原子占比通过对分子结构式进行统计得出；范德华体积和范德华表面积通过marching tetrahedron算法进行计算，其中电子密度等值面为0.001a.u.；密度通过分子量和范德华体积计算得出；sdp和mpp为衡量分子平面性的指标，mpp为各个原子距离拟合平面的方均根偏差，sdp为所有被考虑的原子与拟合平面距离的最大跨度；所述偶极矩通过hirshfeld函数算得；adch电荷通过hirshfeld布居的电荷经过原子偶极矩校正后得到；分子的mpi、pi和分子极性表面积占比为分子表面静电势计算结果的统计量，其中mpi是分子表面静电势绝对值的均值，pi为分子表面静电势的平均偏差，分子极性表面积占比为分子表面静电势绝对值大于10kcal/mol的部分占总表面积的比值；平均mayer键级通过multiwfn中的键级分析模块算得；homo-lumo能隙通过multiwfn中的分子轨道计算模块算得。

16、进一步的，所述沥青质分子的红外光谱数据通过multiwfn计算得到，通过红外光谱数据绘制沥青质分子红外光谱图。

17、进一步的，所述s4和s5中，对分子形态指标、分子极性指标和红外光谱指标进行主成分分析的具体过程为：对各沥青质分子的各项指标数据进行标准化，对标准化后沥青质分子的各项指标进行主成分分析，并根据方差贡献率由大到小的顺序选取主成分使累计方差百分比达到85％以上，并计算每种沥青质的主成分分数。

18、进一步的，所述s6中，系统聚类的方法为：将s4和s5所算得的沥青质各项主成分分数作为沥青质分子的欧几里得空间坐标，分别计算出各沥青质分子在分子形态、分子极性和分子红外光谱指标下的欧几里得距离，绘制出各沥青质分子的系统聚类图，总结在每种聚类中与其他沥青质分子有明显差异的代表性沥青质分子，选出沥青质代表性分子。

19、进一步的，所述s4中，分子形态指标的主成分分析中，前两个主成分的累计方差百分比达到85％以上，前两个主成分的评分函数为：

20、pc1＝0.42a-0.12b+0.46c-0.07d+0.46e+0.45f+0.43g

21、pc2＝0.17a+0.68b+0.12c+0.69d+0.10e-0.001f-0.09g

22、其中，a-g分别为标准化后的分子量、sp2杂化碳原子占比、范德华体积、密度、范德华表面积、sdp和mpp；

23、分子极性指标的主成分分析中，前三个主成分的累计方差百分比达到85％以上，前三个主成分的评分函数为：

24、pc1＝0.26h+0.55i+0.55j+0.39k+0.41l+0.06m

25、pc2＝-0.67h–0.10i-0.01j+0.12k+0.36l+0.63m

26、pc3＝0.39h–0.02i–0.02j+0.26k–0.55l+0.69m

27、其中，h-m分别为沥青质分子的adch电荷、偶极矩、mpi、pi、极性表面积占比、平均mayer键级和homo-lumo能隙。

28、有益效果

29、与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

30、1)本发明通过计算沥青质分子的各项量子化学指标，探究了沥青质分子在分子形态、分子极性和分子红外光谱层面的特征，有助于建立沥青宏观理化性能和微观分子结构间的联系；

31、2)本发明能够根据沥青子分子结构，通过量子化学计算定量描述沥青质分子之间的差异性；

32、3)本发明可基于沥青试验结果，对不同品类的沥青的分子建模针对性提出沥青质代表性分子选择方案，降低沥青分子模拟计算结果与实际沥青性能表现的偏差；

33、4)本发明方法具有良好的可复现性和扩展性，通过加入更多的沥青质分子结构样本可进一步提升分子选取的针对性，减小沥青分子模型和实际沥青间的性质偏差。