人工智能：根据反应物、产物的分子结构，自动预测化学反应网络

前言

AMS中有三种用于反应网络方面分析的工具：

PES Exploration：
- 人工智能：自动探索表面吸附位点
- 人工智能：自动探索表面化学反应机理-氧化物表面的水离解
ChemTraYzer
ACE Reaction Network（本文将介绍）

ACE ReactionNetwork是其中最快的工具，可用于网络的快速初始猜测，由用户指定的反应物和产物后，生成反应网络。工作原理：基于分子图创建中间体的初始猜测，然后使用几何优化来确认中间体的有效性。在本教程中，将展示使用ACE Reaction生成网络，以及如何理解这些结果。以如下加成反应为例：

ACE Reaction Network需要选择活性原子作为输入，活性原子数目不能大于11。上图中的红色原子是我们期望参与成键、断键的原子。我们可以利用化学直觉来预测反应机制，然后使用ACE Reaction来确认这种反应是一种可能的选择。我们预期的反应机制包括

二酮的去质子化（通过与两个氧原子结合，负电荷得到稳定）
质子化环己烯酮分子的亲电加成
通过质子跳跃从烯醇重新生成酮

参数设置

这里我们基于Mopac作为计算电子结构的引擎。AMSinput模块从默认的ADF切换到ACE Reaction Network，Engine选择Mopac，或者ReaxFF、ADF、DFTB。

如果选择Mopac，则使用Mopac默认参数即可，如果选择ReaxFF作为引擎，则需要在窗口右边部分底部的ReaxFF选项卡中，进入ReaxFF，设置相关力场即可，其他方面的流程与本教程并无二致，不过结果有可能略有不同。ADF、DFTB则也需要进入底部的对应选项卡，设置ADF、DFTB相关参数，例如泛函、基组、DFTB方法与参数集。

现在可以导入或绘制反应物和产物结构，这里涉及3个物种，包括2个反应物、1个产物，所以我们可以在AMSinput左边建模窗口创建这三种物质。底部已经显示Reactant、Product切换按钮，用户可以选择Reactant栏，然后Edit → New molecule再打开一个栏，命名为Reactant2

用户分别选中三个标签，即可往里面创建分子。

创建分子有一种简单方法，即复制SMILES后在AMSInput窗口选中对应的区域，然后直接Ctrl v即可。三种分子的SMILES分别为：

反应物 1: O=C1C=CCCC1
反应物 2: CC(=O)CC(C)=O
产物: CC(=O)C(C(C)=O)C1CCCC(=O)C1

并确保Engine设置为Mopac：

按住shift键，选中两种反应物中的所有活性原子（活性原子是唯一被允许参与断键裂和成键过程的原子），其中反应物1中应包含5个原子 (2个H、2个C、1个O)，反应物2包含6个原子（3个H、3个C），合计11个原子，然后点击反应物下方Active Atoms栏后面的+：

切换到Model → Fragments窗口，稍等1分钟左右，即产生Fragments列表：

根据活性原子的选择，这些片段是尽可能小的片段。用户应检查这些碎片的电荷是否合理，主要是看它作为中间体的正确电荷。

如何检查每个frag有哪些原子：这些frag分别来自各个反应物，Model → Region，然后点击左边窗口某个反应物区域，将列出这个反应物分子所对应的frag，去除Region里面的勾选，逐个勾选，就可以看到勾选的这个Region包含哪些原子。一般而言，包括活性原子构成的一个Region，活性原子里面各个H分别构成一个frag，活性原子之外的区域构成一个frag。

所有活性H原子都有+1的电荷（这个电荷会被它们配位的片段补偿掉）。我们提出的反应的第一步确实涉及质子转移，这就需要转移的H原子具有正电荷。因此对于H，中间体的预期电荷与猜测的碎片电荷是相匹配的，我们可以接受它们作为合理的猜测。一般所有片段都是不稳定的，这意味着含有这些纯片段的中间体将不会被接受（这部分内容如果不十分理解，阅读后面的内容后，再回过来应该就理解了）。

现在已经准备好运行ACE反应作业。

ACE Reaction计算总是由三个步骤组成：

生成中间体：通过反复破坏和形成反应物分子中的键，来生成中间体。
创建反应网络：根据哪些新产生的“中间体对”，能通过基本反应连接起来，从而创建反应网络。
反应网络最小化：删除涉及过多断键、成键过程的路径。

默认情况下，这三个步骤都将执行，但用户也可以选择只执行其中一个步骤。如果只选择了步骤2或3，则需要提供一个重启目录，这里我们保留“All”的默认选择。

还有最后一个选项“Analyze Network”，它也需要指定一个重启目录，软件将从重启目录中读取一个反应网络，并可以调整“min number of shortest paths written”的值（默认值为5，对于反应通道可能性较多的情况，可以适当调大，例如10，阅读后面的内容后，对该值应会有更明确的认知），此时这个值将生效，最短路径的选择将写入一个单独的*.rkf文件。

File → Run运行作业，或在AMSJobs窗口按照AMS标准方式提交作业。一般几分钟后作业完成。

结果查看

1，最短反应路径

SCM → Movie，将显示从反应物到产物的五条最短路径。

也可以在AMSMovie中查看完整的反应网络，但不太容易理解。File → Open…打开生成的*.results/ams.rkf文件：

可以看出，整个网络包含的信息太多，在AMSMovie中无法有意义地显示。我们将使用shortest_path窗口做进一步的解释。

2，理解ACE Reaction作业

在AMSjobs窗口，点开作业名前面的小三角，列出所有文件：

双击logfile行，将打开logfile文件窗口（或者选中这个作业，SCM → logfile也一样），翻到文件最后The shortest paths from reactant to product的部分：

对于五条路径中的每一条，都列出了中间体的名称，中间包含箭头 -N→ 符号，其中N是该基元反应的化学距离（断键、成键总数被称为“化学距离”）。在每行末尾，标注了该通道的总化学距离。
五条路径中，最短化学距离的路径是第一条，总化学距离为3，涉及的中间体为1_1_2。快速浏览AMSMovie可以发现，虽然这条路径是最短的，但它并不是能量最低的路径。
最低能垒的路径，是第二条路径，通过两个中间体1_1_1和1_1_5连接反应物（R1）和产物（P1），总化学距离为5。
AMSMovie中的反应图显示，中间体1_1_1对应于State 5，中间体1_1_5对应于State 6。在AMSMovie窗口的左侧面板中，我们可以使用底部的滚动条滚动到State 5和State 6。