本发明涉及一种通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的方法，具体的涉及一种通过引入分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算有效熵变和自由熵变、分析分子构型和空间构象变化规律的方法。
背景技术：
1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个热力学系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个热力学系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热量总会自发的从热物体向冷物体流动，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式：dS = dQ/T。
1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼在研究分子运动统计现象的基础上采用统计学方法建立了熵函数：S=klnΩ，其中，Ω为热力学系统分子的微观状态数，k为玻尔兹曼常数。这个公式反映了熵函数的统计学意义，它将热力学系统的宏观物理量S与微观物理量Ω联系起来，成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。基于上述熵与热力学概率之间的关系，可以得出结论：热力学系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，热力学系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；热力学系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。热力学系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是隔离系统“熵增加原理”的微观物理意义。
1906年，德国物理学家、物理化学家瓦尔特·能斯特提出了热力学第三定律：在0K时任何完整晶体中的原子或分子只有一种排列方式，即只有唯一的微观状态，其熵值为零。从熵值为零的状态出发，使体系变化到P=1.013×105Pa和某温度T，如果知道这一过程中的热力学数据，原则上可以求出过程的熵变值，它就是体系的绝对熵值。于是人们求得了各种分子在标准状态下的摩尔绝对熵值，简称标准熵，单位为kJ/mol。
在热力学中，熵是表征分子状态的参量之一，通常用符号S表示。对于可逆过程，熵增定义为dS = dQ/T，若过程是不可逆的，则dS > dQ/T，式中T为分子的热力学温度，dQ为熵增过程中分子吸收的热量。从微观上说，熵是组成热力学系统的大量分子无序度的量度，热力学系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是热力学系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。
在生命科学中，熵表征的是生命现象的时间序、空间结构序与功能序。生命体是一个开放的热力学系统，时刻与外界进行着物质、能量、信息的交换，符合“耗散结构”，可以用熵来分析一个生命体从生长、衰老、病死的全过程，用“生命熵”来独立定义。生命熵的内容包含生命现象的时间序、空间结构序与功能序，生命熵变就直接反应这三个序的程度变化之和。
构型是指分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的稳定的立体结构，如D-甘油醛与L-甘油醛，D-葡萄糖和L葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型，α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖是环状葡萄糖的两种构型。由于共价键具有方向性，所以每个分子具有一定的几何构型，一个分子的三维形状可以用电子畴理论ED预测。一般情况下，分子构型都比较稳定，一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。
构象是指一个分子中不改变共价键结构仅单键周围的原子放置所产生的空间排布。一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成。构象改变不会改变分子的光学活性。在有机化合物分子中，由C-C单键旋转而产生的原子或基团在空间排列的无数特定的构象，这种由C-C单键旋转而产生的异构体称为旋转异构体或构象异构体。如1,2-二氯乙烷，当C-C单键旋转时，可以有无数个构象异构体，极限构象有顺叠、顺错、反错和反叠等。在顺叠构象中，两个碳上连接的氯原子和氯原子之间相距最近，产生强排斥作用，内能最高，属该分子最不稳定的构象；在反叠构象中，氯原子和氯原子之间相距最远，相互间排斥力最小，内能最低，是该分子最稳定的构象，而顺错构象和反错构象的稳定性介于这两种构象之间，它们的稳定性次序为：反叠>顺错>反错>顺叠。
本申请的发明人经过近年来教学实践中对热力学中熵及熵变规律深入细致的思考结合科研实践中对分子构型和空间构象变化规律的潜心研究，设计了一种通过引入分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算有效熵变和自由熵变、分析分子构型和空间构象变化规律的方法，实践业已证实该方法是一种简便可靠的分析分子构型和空间构象变化规律的新方法。
技术实现要素：
本发明提供了一种通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的方法，该方法包括分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义、有效熵变和自由熵变的计算、分子构型和空间构象变化规律的分析等步骤。优选地，在通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的步骤中还包括分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义与有效熵变和自由熵变的计算等步骤，经过上述对热力学系统有效熵变和自由熵变的计算和分析可获得分子构型和空间构象变化规律。
鉴于分子构型和空间构象变化规律急需一种简便可靠的分析方法的现实需要，以分子为研究对象，通过引入分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算有效熵变和自由熵变，获得分子构型和空间构象变化规律，并可广泛应用于材料科学中有机、无机分子和生命科学中生物大分子构型和空间构象变化规律的分析。
其中，分子有效体积和自由体积概念的引入是通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律最核心的科学问题，因此，分子的有效体积和自由体积如何定义和界定是通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律首先要解决的问题。分子的有效体积是指包含分子间及内外场对分子作用的空间体积，用表示；分子的自由体积是指不受任何相互作用的分子自由活动的空间体积，用表示。对于一个给定的热力学系统在一定状态下由于每个分子间及内外场对分子作用都不同，每个分子的有效体积都将不相同，但其平均值即平均有效体积却是一定的，可以通过统计热力学的方法理论计算得到，同理平均自由体积也是确定的，可以通过实验测得热力学系统的总体积减去分子平均有效体积数学计算得到。影响分子有效体积的因素主要包括分子自身的物理化学性质以及内外场作用，具体来说，一个分子处在真空并无内外场作用时其有效体积就是其自身的大小，当分子间及内外场对分子作用增大时，分子的有效体积和平均有效体积都将增大。一种分子从气态向液态和固态转变，由于其分子间的相互作用显著增大，每一个分子的有效体积将增大，分子的平均有效体积也将显著增大；一种分子处于不同的内外场中，由于其所受的作用不同，其有效体积和平均有效体积也将显著不同，但凡是能改变分子间及内外场对分子作用的因素，都能改变分子的有效体积和平均有效体积，分子间及内外场对分子作用增大时有效体积和平均有效体积都增大，反之亦然。对于同一种分子组成的一维、二维和三维材料，由于比表面积的显著减小，表面分子的有效体积和平均有效体积将显著增大，表面分子的构型和空间构象将完全不同，从而形成表面形貌和理化性质完全不同的一维、二维和三维材料。对于一种生物大分子，由于所处的生理环境不同其有效体积和平均有效体积也将显著不同，生物大分子的构型和空间构象也将显著不同，并发挥其独特的生物学功能，实现物质、能量和信息的有效交换。
熵变函数的定义是通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的最关键因素，因此，怎样定义熵变函数直接决定了通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的计算方法。基于玻尔兹曼熵函数：S =klnΩ，对于一个热力学系统，由于微观状态数Ω取决于热力学系统的总体积、单位体积、分子的种类n和每种粒子的数目，因为单位体积是量子化的，因此，熵是一个相对的物理量。熵变函数被定义为：
式中，K，是玻尔兹曼常数，Ω, 是一个热力学系统的微观状态数， J/mol∙K，是摩尔气体常数， 是第i种分子的质量， 是第i种分子的摩尔质量， 和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均有效体积， 和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均自由体积， 是有效熵变， 是自由熵变。对于一个给定的热力学系统，由于,和都是绝对的，因此，熵变也是绝对的物理量。
有效熵变和自由熵变的计算是通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的重要环节，因此，有效熵变和自由熵变的计算显得尤为重要。基于热力学系统中各种分子平均有效体积的理论计算、总体积的实验测定和平均自由体积的数学计算，分别代入熵变函数和，可以得到热力学系统的有效熵变和自由熵变。
对分子构型和空间构象变化规律的分析是本方法的最后环节。分子的构型和空间构象变化是热力学系统有序性和无序性两种倾向相互竞争的结果，相互作用是有序性的起因并引起熵减小，即；分子热运动是无序性的来源并引起自发的熵增加，即。通过熵变分析分子构型和空间构象变化的规律可以概括为：
I. 当有效熵变的绝对值小于自由熵变的绝对值时，，无机分子的空间构象将趋于离散并最终引起构型的变化，有机分子的空间构象将依次从反叠向顺错、反错和顺叠转变并最终引起构型的变化；
II. 当有效熵变的绝对值大于自由熵变的绝对值时， ，无机分子的空间构象将趋于凝聚并形成某种构型，有机分子的空间构象将依次从顺叠向反错、顺错和反叠转变并趋于形成某种构型；
III. 当有效熵变的绝对值等于自由熵变的绝对值时，，有机、无机分子的构型和空间构象将稳定不变。
该方法业已在实践中验证，结果表明该方法是一种简便可靠的分析分子构型和空间构象变化规律的新方法。
具体实施方式
实施例 通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的方法
通过熵变分析分子构型和空间构象变化规律的方法包括分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义、有效熵变和自由熵变的计算、分子构型和空间构象变化规律的分析几个步骤，基于上述熵变函数的定义、通过对热力学系统有效熵变和自由熵变的计算和分析可获得分子构型和空间构象变化的规律。
（1）、分子有效体积和自由体积概念的引入
分子的有效体积是指包含分子间及内外场对分子作用的空间体积，用表示；分子的自由体积是指不受任何相互作用的分子自由活动的空间体积，用表示。对于一个在一定状态下给定的热力学系统，由于每一个分子间及内外场对分子作用都不同，每一分子的有效体积都将不同，但其平均值即平均有效体积却是一定的，可以通过统计热力学的方法理论计算得到，同理平均自由体积也是确定的，可以通过实验测得热力学系统的总体积减去分子平均有效体积数学计算得到。
（2）、熵变函数的定义
熵变函数被定义为：
式中，K，是玻尔兹曼常数Ω, 是一个热力学系统的微观状态数， J/mol∙K，是摩尔气体常数， 是第i种分子的质量， 是第i种分子的摩尔质量， 和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均自由体积，和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均有效体积， 是有效熵变， 是自由熵变。
（3）、有效熵变和自由熵变的计算
基于步骤(1)中热力学系统各种分子平均有效体积的理论计算和平均自由体积的数学计算结果，分别代入熵变函数和，可以分别得到热力学系统的有效熵变和自由熵变。
（4）、分子构型和空间构象变化规律的分析
分子的构型和空间构象变化是热力学系统有序性和无序性两种倾向相互竞争的结果，相互作用是有序性的起因并引起熵减小，即；分子热运动是无序性的来源并引起自发的熵增加，即。通过熵变分析分子构型和空间构象变化的规律可以概括为：I. 当有效熵变的绝对值小于自由熵变的绝对值时， ，无机分子的空间构象将趋于离散并最终引起构型的变化，有机分子的空间构象将依次从反叠向顺错、反错和顺叠转变并最终引起构型的变化；II. 当有效熵变的绝对值大于自由熵变的绝对值时， ，无机分子的空间构象将趋于凝聚并形成某种构型，有机分子的空间构象将依次从顺叠向反错、顺错和反叠转变并趋于形成某种构型；III. 当有效熵变的绝对值等于自由熵变的绝对值时，，有机、无机分子的构型和空间构象将稳定不变。
通过上述具体的实施例，更容易理解本发明。上述实施例只是举例性的描述，而不应当被理解为用来限制本发明的范围。