COMPASS（Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies）是力場方法的一項技術(shù)突破。它是第一個ab initio的力場，能夠準(zhǔn)確地同時預(yù)測各種分子和聚合物的性質(zhì)，包括氣相性質(zhì)（結(jié)構(gòu)、構(gòu)象、振動等）和凝聚相性質(zhì)（狀態(tài)方程、內(nèi)聚能等）。同時，它也是第一個整合有機(jī)和無機(jī)材料參數(shù)的高質(zhì)量力場。

是一個從頭參數(shù)化的力場，其結(jié)構(gòu)很大程度上繼承自一個早期的力場——CFF（Consistent Force Field）。大部分參數(shù)都源于從頭計算數(shù)據(jù)。通常，參數(shù)化過程包括兩個階段：從頭參數(shù)化和經(jīng)驗優(yōu)化。

在第一階段中，參數(shù)化著重于偏電荷和化學(xué)鍵參數(shù)。它使用從頭計算的靜電勢來計算原子偏電荷，并采用約束 ESP 方法來確?？赊D(zhuǎn)移性?；瘜W(xué)鍵參數(shù)采用 CFF 從頭參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)出。用于確定化學(xué)鍵參數(shù)的從頭計算數(shù)據(jù)包括總能量以及關(guān)于原子笛卡爾坐標(biāo)的一、二階導(dǎo)數(shù)。此時，Lennard-Jones 9-6 和其他范德華參數(shù)的初始值來自于 CFF 力場。

在第二階段中，重點是通過優(yōu)化力場來使其與實驗數(shù)據(jù)達(dá)成良好一致。根據(jù)氣相實驗數(shù)據(jù)，調(diào)整了一些關(guān)鍵的化學(xué)鍵參數(shù)。更重要的是，該階段對范德華參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以適應(yīng)凝聚相性質(zhì)。對于共價分子系統(tǒng)，這種優(yōu)化是通過液體分子動力學(xué)模擬實現(xiàn)的；對于無機(jī)系統(tǒng)，則基于晶體能量最小化。Lennard-Jones 9-6 參數(shù)是通過液體分子動力學(xué)模擬優(yōu)化和后續(xù)與實驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行比較來進(jìn)行優(yōu)化的。

對于化學(xué)鍵參數(shù)，計算了以下性質(zhì)：

1. 分子結(jié)構(gòu)

2. 分子偶極矩

3. 振動頻率

4. 構(gòu)象能量

Lennard-Jones 9-6 參數(shù)是通過計算并比較分子液體在實驗溫度和壓力下的兩個物理屬性進(jìn)行優(yōu)化：

1. 液體密度

2. 液體內(nèi)聚能

驗證

對于共價分子的參數(shù)進(jìn)行了全面驗證，使用了多種計算方法，包括液體、晶體和聚合物的大量分子動力學(xué)模擬（Sun, 1998；Sun et al., 1998；Rigby et al., 1998）。分子動力學(xué)可以準(zhǔn)確預(yù)測這些系統(tǒng)的內(nèi)聚能和狀態(tài)方程（PVT 行為）。對于分子中的分子內(nèi)性質(zhì)，采用孤立分子的方法進(jìn)行計算。對于分子液體，計算內(nèi)聚能和平衡密度確定范德華 Lennard-Jones 9-6 函數(shù)。對于無機(jī)材料，COMPASS 驗證采用了一種能量最小化方法。

適用性

COMPASS 力場廣泛應(yīng)用于包括大部分常見的有機(jī)分子、小型無機(jī)分子和聚合物的共價分子。對于這些分子系統(tǒng)，COMPASS 參數(shù)化可以預(yù)測孤立分子和凝聚相的各種性質(zhì)。這些性質(zhì)包括分子結(jié)構(gòu)、振動頻率、構(gòu)象能量、偶極矩、液體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、狀態(tài)方程和內(nèi)聚能密度。COMPASS 開發(fā)還將范圍擴(kuò)展到無機(jī)材料，包括金屬、金屬氧化物和金屬鹵化物，采用各種非共價模型進(jìn)行參數(shù)化。其中部分材料已經(jīng)進(jìn)行了參數(shù)化。COMPASS 可以預(yù)測各種固態(tài)性質(zhì)，包括晶胞結(jié)構(gòu)、晶格能、彈性常數(shù)和振動頻率。有機(jī)和無機(jī)材料的參數(shù)組合使得研究界面和混合系統(tǒng)成為可能。

COMPASS II（Sun et al.，2016）是對COMPASS力場的重大擴(kuò)展。COMPASS II將現(xiàn)有的COMPASS擴(kuò)展到包括研究離子液體感興趣的更多藥物和化合物。

COMPASS II是與上海交通大學(xué)孫淮教授合作開發(fā)的。使用孫教授開發(fā)的工具，現(xiàn)有的COMPASS力場與現(xiàn)有的量子力學(xué)計算（在B3LYP / 6-31G（d，p）水平上執(zhí)行）相結(jié)合，以獲得新參數(shù)并解決現(xiàn)有COMPASS力場中的一些不一致性。采用平衡結(jié)構(gòu)和振動頻率的比較來推導(dǎo)新的價參數(shù)。用于確定這些參數(shù)的訓(xùn)練集擴(kuò)展如下：

通過使用COMPASS分析了一個由430個同聚物和共聚物組成的聚合物數(shù)據(jù)庫，找到了表示為105個片段的454個缺失項，并將它們添加到訓(xùn)練集中。

類似地，對NIST離子液體分子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了分析，并添加了40個物種到訓(xùn)練集中。

使用COMPASS掃描了由59465個分子組成的Maybridge數(shù)據(jù)庫，并添加了1257個片段到訓(xùn)練集中。

訓(xùn)練集中的分子總數(shù)為1402。

在開發(fā)COMPASS II時，需要擴(kuò)展力場類型的數(shù)量（每個原子的局部化學(xué)環(huán)境的分類），以便更準(zhǔn)確地對更多的化合物進(jìn)行參數(shù)化。COMPASS和COMPASS II的原子類型和參數(shù)集（每個集合都是力場能量表達(dá)式中的一個項，例如鍵，角等）的數(shù)量如下：

COMPASS III與COMPASS II相同，但僅使用DMol3進(jìn)行參數(shù)化擴(kuò)展。在擴(kuò)展中，采用密度泛函理論，使用PBE的廣義梯度近似（GGA）功能，而不是Hartree-Fock方法獲得參數(shù)。作為原子軌道基組，使用了雙數(shù)值加d函數(shù)（DND），版本為4.4。局部電荷是通過電靜勢勢能（ESP）方法導(dǎo)出的。

此外，COMPASS III對離子液體提供了改進(jìn)的支持。離子液體的范德華參數(shù)是通過基于Nelder-Mead方法的自動擬合協(xié)議獲得的。

COMPASS III力場參數(shù)集將定期地進(jìn)行修訂，現(xiàn)有參數(shù)可能會更新，或者會添加更多的功能基團(tuán)參數(shù)。最新的標(biāo)準(zhǔn)版本總是被命名為“COMPASSIII”。然而，當(dāng)前版本的前身被保留并提供用于驗證和繼續(xù)現(xiàn)有項目。遺留版本通過將版本號附加到力場名稱來表示，例如“COMPASS27”，并位于<MS_INSTALL>/share/Resources/Simulation/ClassicalEnergy/FORCEFIELDS-LEGACY文件夾中。COMPASS開發(fā)的最近歷史如下表所示：