Расчет энергий водородных связей

вопросы строения молекул и квантовой химии
Ответить
TatyanaA
Сообщения: 8
Зарегистрирован: Пт фев 28, 2014 4:18 pm

Расчет энергий водородных связей

Сообщение TatyanaA » Пт фев 28, 2014 5:59 pm

Уважаемые квантовые химики,
буду очень благодарна, если выскажете свое мнение на то, как грамотно провести расчет изменения энергии системы при замене одной водородной связи на другую. А именно:
Состояние А: Некоторая органическая молекула Х находится в воде, все водородные связи Х завязаны с водой.
Состояние Б: (Всего!) одна из водородных связей молекулы Х заменяется на водородную связь с молекулой У (которая до сих пор имела эту связь с водой. Ясно, что освободившиеся при этом 2 молекулы воды образуют друг с другом димер). ВСЕ остальное в системе остается без изменения.
Ясно, что
дельтаG=(G(Х-У)+G(Н2О-Н2О)) – (G(Х-Н2О)+G(У-Н2О)).

С учетом а) ограниченных выч. мощностей, б) на данный момент расчеты носят предварительный характер: достаточно качественного соответствия,
Расчет энергий планирую делать DFT (PBE96) или (если не вечность будет считаться) MP2 базис 6-31G(d, p) (для анионов + диффузионные функции).
Растворитель:
А) специфическая сольватация: не учитывать, за исключением той единственной Н-связи, которая представлена в уравнении выше (и будет моделироваться явным образом), т.к. все остальное остается без изменений (и есть надежда, что взаимно компенсируется).
Б) Неспецифическая сольватация: DPCM (ввиду того, что для COSMO в Firefly нет аналитических 1 и 2ых производных=>время расчета :( )

Расчеты планирую проводить в Firefly.

Молекулы Х и У: состав: С,N,O,P,H; могут быть как нейтральными, так и заряженными – надо провести расчеты для ряда молекул; мол вес<400)

Можно ли при качественном характере исследования не учитывать BSSE поправки?

Есть ли что-то еще, кроме BSSE, для расчета H-связей важное, что не учла?

Заранее спасибо, если найдете время ответить!
Татьяна

Аватара пользователя
surius
Сообщения: 1485
Зарегистрирован: Пт сен 21, 2007 11:20 am

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение surius » Сб мар 01, 2014 3:05 am

на мой таки вкус, для качественного (читай полу-количественного) можно также и AIM (AIMALL) попробовать - благо для него только wfn и нужен.
"Bite my shiny metal ass"
Bender

Аватара пользователя
sanya1024
Сообщения: 1668
Зарегистрирован: Чт янв 20, 2011 3:24 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение sanya1024 » Вс мар 09, 2014 4:17 pm

А базис 6-311G(d,p) не влезет? тогда можно будет сразу не беспокоиться о BSSE.
Специфическую сольватацию можно учесть с помощью EFP. В основном эта модель описана в мануале GAMESS(US) и там она достаточно продвинутая. Но в простейшем варианте (т.н. EFP1 -- вода) она присутствует и в FireFly.
Если все-таки сподобитесь на GAMESS, то там есть неплохая континуальная модель SMD.

А вообще-то водородные связи в воде -- весьма коллективный эффект. В первом приближении можно считать, что все определяется только связями X и Y каждой со своей молекулой воды (как Вы и собираетесь), но если всерьез, то надо рассматривать нехилых размеров водный кластер, перестраивающийся после образования связи X-Y. Можно красивую модель придумать :)
Вот и вся моя работа. Стеречь ребят над пропастью во ржи. (Дж. Д. Сэлинджер)

TatyanaA
Сообщения: 8
Зарегистрирован: Пт фев 28, 2014 4:18 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение TatyanaA » Пн мар 10, 2014 7:08 pm

Sanya, большое спасибо за ответ!
sanya1024 писал(а):А базис 6-311G(d,p) не влезет? тогда можно будет сразу не беспокоиться о BSSE.
Если все так хорошо с 6-311, то попробую
sanya1024 писал(а):А вообще-то водородные связи в воде -- весьма коллективный эффект.
согласна
sanya1024 писал(а):В первом приближении можно считать, что все определяется только связями X и Y каждой со своей молекулой воды (как Вы и собираетесь), но если всерьез, то надо рассматривать нехилых размеров водный кластер, перестраивающийся после образования связи X-Y. Можно красивую модель придумать :)
Да, сейчас для начала достаточно будет в грубом приближении прикинуть. Если все срастется на качественном уровне, то тогда уже по-аккуратнее посчитаю .

В данный момент безрезультатно сражаюсь с другой проблемой: у меня энергия димера воды в DPCM на MP2/6-31G(d,p) уровне по сравнению с двумя мономерами воды положительна: 13,5 кДж. Получается, после распадов комплексов Х-Н2О и У-Н2О освободившиеся молекулы воды и не должны образовать димер... :dontknow:
Вот раскладка по вкладам (поправки на жидкую фазу учитывала в соответствии с http://molecularmodelingbasics.blogspot ... de-to.html):
Изменение электронной Е -18,7кДж
+изм. кинетической. энергии ядер (deltaU) 9,6кДж
-энтропийный вклад в энергию(-TdeltaS) 22,7кДж
=13,5кДж
Слишком велико возрастание энтропии...

Причем, насколько я прочитала, при образовании димера воды дипольный момент, приходящийся на каждую молекулу воды, должен возрастать вследствие взаимной поляризации молекул, а у меня он убывает, что в дополнение к энтропии дестабилизирует в виде суммарного понижения (по абс вел) энергии сольватации димер в воде на 9кдж(они уже учтены, если я правильно понимаю файл отчета Firefly, в электронной части энергии).
Посоветуйте, кто знает, в чем тут дело, пожалуйста...

Аватара пользователя
sanya1024
Сообщения: 1668
Зарегистрирован: Чт янв 20, 2011 3:24 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение sanya1024 » Вт мар 11, 2014 4:25 am

Ой, а откуда Вы брали энтропийный вклад? надеюсь, не из расчета гессиана в PCM? там вообще что угодно может получиться. В континуальных моделях сразу выдается свободная энергия (TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT), и не нужно никаких отдельных энтальпийных и энтропийных вкладов.
Кстати, обратите внимание, энтропия в Гамессе и FireFly выдается не в КилоДж, а просто в Дж. Может, еще и в этом проблема?
Вот и вся моя работа. Стеречь ребят над пропастью во ржи. (Дж. Д. Сэлинджер)

TatyanaA
Сообщения: 8
Зарегистрирован: Пт фев 28, 2014 4:18 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение TatyanaA » Вт мар 11, 2014 9:56 am

sanya1024 писал(а):Ой, а откуда Вы брали энтропийный вклад? надеюсь, не из расчета гессиана в PCM? там вообще что угодно может получиться. В континуальных моделях сразу выдается свободная энергия (TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT), и не нужно никаких отдельных энтальпийных и энтропийных вкладов.
Энтропию брала из того самого Гессиана. Не претендую на свою правоту, но на форуме Грановского была дискуссия, начатая Thu Feb 13 '14, solvent effect David G. (см. ответы ~6-9), из которой, на сколько я поняла, следует, что TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT не включает энтропийный вклад и кинетическ энергию ядер для растворенного вещества (хотя,это уже я добавляю, на сколько я догадываюсь, все же включает энтропию растворителя).
sanya1024 писал(а):Кстати, обратите внимание, энтропия в Гамессе и FireFly выдается не в КилоДж, а просто в Дж. Может, еще и в этом проблема?
знаю, тут все корректно у меня

PS.Если не ошибаюсь, единственное изменение общепринятых параметров в моих расчетах было увеличение радиуса сфер для расчета поверхности полости в растворителе: брала коэффициент 1,3 вместо традиционных 1,2 (везде, и для оптимизации геометрии, и для расчета энергии, как у мономера, так и димера), из-за проблем со сходимостью геометрии у последнего при меньшем радиусе сфер. Но это не должно, как мне кажется, иметь такие катастрофические последствия...

Аватара пользователя
sanya1024
Сообщения: 1668
Зарегистрирован: Чт янв 20, 2011 3:24 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение sanya1024 » Вт мар 11, 2014 3:26 pm

TatyanaA писал(а): Энтропию брала из того самого Гессиана. Не претендую на свою правоту, но на форуме Грановского была дискуссия, начатая Thu Feb 13 '14, solvent effect David G. (см. ответы ~6-9), из которой, на сколько я поняла, следует, что TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT не включает энтропийный вклад и кинетическ энергию ядер для растворенного вещества (хотя,это уже я добавляю, на сколько я догадываюсь, все же включает энтропию растворителя).
Честно говоря, это я еще не успела внимательно посмотреть. Но факт тот, что никаких добавок из гессиана к TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT добавлять не нужно. Потому что модель PCM уже параметризована так, чтобы давать полную свободную энергию, а лишние добавки -- они и есть лишние и, как видите, портят все дело.
знаю, тут все корректно у меня
ОК.
PS.Если не ошибаюсь, единственное изменение общепринятых параметров в моих расчетах было увеличение радиуса сфер для расчета поверхности полости в растворителе: брала коэффициент 1,3 вместо традиционных 1,2 (везде, и для оптимизации геометрии, и для расчета энергии, как у мономера, так и димера), из-за проблем со сходимостью геометрии у последнего при меньшем радиусе сфер. Но это не должно, как мне кажется, иметь такие катастрофические последствия...
Изменение радиуса точно серьезных проблем не вызовет. А вот добавка членов, добавка к-рых не предполагалась, да еще и некорректно посчитанных (а считать гессианы в PCM -- некорректно по ряду причин) -- это катастрофа.
Вот и вся моя работа. Стеречь ребят над пропастью во ржи. (Дж. Д. Сэлинджер)

TatyanaA
Сообщения: 8
Зарегистрирован: Пт фев 28, 2014 4:18 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение TatyanaA » Вт мар 11, 2014 4:21 pm

Если так, тогда и проблемы нет.
ОГРОМНЕЙШЕЕ СПАСИБО!!!
Я уже неделю головой об стенку билась по этой причине.

Аватара пользователя
Lexx
Сообщения: 1205
Зарегистрирован: Пн фев 28, 2005 12:44 pm
Контактная информация:

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение Lexx » Вт мар 11, 2014 7:32 pm

Т. е. фактически вы хотите обсчитать в водном растворе реакцию:

X...H2O + Y...H2O = X...Y + H2O...H2O

где ... - это водородная связь?
Вот только совершенно не очевидно, зачем вам здесь димер воды? IMHO, логичнее, как раз, учитывать одиночную молекулу воды. Дважды. Вот так:

X...H2O + Y...H2O = X...Y + 2H2O

Почему? Потому что реально две эти молекулы воды не будут сольватироваться в виде димера. Они разлетятся по стакану с раствором и забудут друг о друге. Это сразу избавит вас от мучений с димером воды и его сольватацией. Надо только при расчете ΔG будет внимательно следить за энтропией, т.к. меняется число частиц.
А я вот паровоз поднимал... Но не поднял.

VTur
Сообщения: 7357
Зарегистрирован: Пт авг 31, 2007 1:36 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение VTur » Вт мар 11, 2014 9:00 pm

И проясните момент, Y и Х - это одинаковые молекулы или разные? Я к тому, там разные связи или одинаковые?

И еще вопрос, Вы читали книгу И.Г. Каплана по этому поводу, а тут много чего было сказано интересного.

[ Post made via Android ] Изображение
После отстоя требуйте долива

VTur
Сообщения: 7357
Зарегистрирован: Пт авг 31, 2007 1:36 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение VTur » Вт мар 11, 2014 9:03 pm

Может проще обратиться в Казань к Соломонову Б. Н. или в Ивановский ИХФ

[ Post made via Android ] Изображение
После отстоя требуйте долива

TatyanaA
Сообщения: 8
Зарегистрирован: Пт фев 28, 2014 4:18 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение TatyanaA » Ср мар 12, 2014 12:25 pm

Lexx писал(а):зачем вам здесь димер воды? IMHO, логичнее, как раз, учитывать одиночную молекулу воды. Дважды. Вот так:

X...H2O + Y...H2O = X...Y + 2H2O

Почему? Потому что реально две эти молекулы воды не будут сольватироваться в виде димера. Они разлетятся по стакану с раствором и забудут друг о друге.
Я руководствуюсь следующим: в воде большинство водородных связей между молекулами воды завязано. Поэтому освободившиеся молекулы воды с большой вероятностью присоединятся к уже существующими кластерам молекул воды. Выигрыш в энергии, полученный при этом, моделируется образованием димера воды.
Ясно, что образование водных кластеров - явление кооперативное, и данная оценка энергетического выигрыша носит приблизительный характер.
Последний раз редактировалось TatyanaA Ср мар 12, 2014 3:36 pm, всего редактировалось 1 раз.

TatyanaA
Сообщения: 8
Зарегистрирован: Пт фев 28, 2014 4:18 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение TatyanaA » Ср мар 12, 2014 12:31 pm

VTur писал(а):И проясните момент, Y и Х - это одинаковые молекулы или разные? Я к тому, там разные связи или одинаковые?
разные
VTur писал(а):И еще вопрос, Вы читали книгу И.Г. Каплана по этому поводу, а тут много чего было сказано интересного.
Нет. Не порекомендуете, какие конкретно главы?
Судя по Вашему ответу, Вы во многом не согласны с подходом, который я предполагаю использовать. Я была бы очень благодарна, если Вы уточните свои возражения.

TatyanaA
Сообщения: 8
Зарегистрирован: Пт фев 28, 2014 4:18 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение TatyanaA » Ср мар 12, 2014 1:29 pm

sanya1024 писал(а): Честно говоря, это я еще не успела внимательно посмотреть. Но факт тот, что никаких добавок из гессиана к TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT добавлять не нужно. Потому что модель PCM уже параметризована так, чтобы давать полную свободную энергию, а лишние добавки -- они и есть лишние и, как видите, портят все дело.
К сожалению, как написано здесь:
http://comporgchem.com/blog/?p=1965
все же, то, что называется свободной энергией в файле отчета РСМ расчета в популярных КХ программных пакетах, в действительности является суммой электронной энергии вещества в растворе и "свободная энергия, связанная с неэлектростатическими вкладами". "Поправки к энергии растворенного ве-ства, чтобы получить его свободную энергию, отсутствуют".
:(((((((
Из ответа №5 Грановского в дискуссии от Thu Feb 13 '14, solvent effect David G.на его форуме следовало почти тоже самое

Сейчас буду читать статью, на которую ссылается автор в первой ссылке

VTur
Сообщения: 7357
Зарегистрирован: Пт авг 31, 2007 1:36 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение VTur » Ср мар 12, 2014 6:46 pm

Исходя из первой Вашей формулы (там стоит букваG), Вы хотите найти работу реакции, которая прошла до конца. В конденсированных средах у энтропии очень много вкладов. Например, будите учитывать смешение на начальном этапе? Может просто теплоту реакции оцените?
Но потом рассуждение пошло про энергию связей. Книга так и называется "Межмолекулярные взаимодействия", она вся про то, как, и что учитывать.

[ Post made via Android ] Изображение
После отстоя требуйте долива

YuraM
Сообщения: 459
Зарегистрирован: Пн ноя 26, 2007 11:07 pm

Re: Расчет энергий водородных связей

Сообщение YuraM » Чт мар 13, 2014 1:49 pm

Здравствуйте, Татьяна -
Вам уже много чего здесь написали. Попробую высказать свою точку зрению по поводу методологии, хотя я и не эксперт по водородным связям.
Если Ваша схема реакции верна, то для каждого участника реакции необходимо будет:
1) Оптимизировать геометрическое строение и получить частоты. При ограниченных ресурсах, думаю надо выбирать DFT. Я бы наверное обратил внимание на функционалы, включающие дисперсионные/нековалентые взаимодействия. Если PC Gamess - то там есть поправка, и можно получить DFT-D методы, например BLYP-D или PBE-D3 (BJ). Но - на сколько я понял, при расчете частот при использовании поправки на дисперсионное взаимодейсвтие, вы сталкнетесь с численными вторыми производными, что, особенно при смещении атомов в обе стороны по каждой координате, влетит Вам в копеечку. Возможно, я бы посмотрел на ORCA или Gau$$ian 09. По-моему там возможны аналитические вторые производные для DFT-D методов. Кроме того, там есть M06/M08 ф-лы, которые м.б. тоже полезны.
Если нет возможности, считайте тем, что есть в Gamess, но с аналитическими вторыми производными, например PBE.
Стоит ли оптимизировать и считать частоты с поправкой на растворитель - для меня это тоже хороший вопрос, очобенно, стоит ли включать неэлектростатические вклады. В первом приближении, я бы не включал поправку на растворитель при оптимизации.

2) Сделать SP (single point) расчет энергии для каждого из соединений. Здесь либо DFT, но ОБЯЗАТЕЛЬНО с поправкой на дисперсионные вз-ия, например PBE-D3(BJ) или M06 и базис побольше, например TZV, с поляризационными и диффузными ф-цифми. Поправку на BSSE я думаю делать обязательно, даже для DFT. Во-первых, она может быть весомой. И более того .вы собираетесь считать несколько молекул в качестве X and Y. Один раз прикинуть надо.
Я сомневаюсь, что при переходе от 6-31G к 6-311G BSSE исчезнет.
Для MP2 - BSSE просто жизненно необходима!!! Только если Вы не используете cc-pv6Z.
Кроме того, при расчете SP Вам необходимо учитывать сольватацию. PCM. Только не забудьте включить неэлектростатические вклады. И, разумеется, дополните Ваши PCM энергии термодинамичекими поправками из стат термодинамики (Delta G correction or Delta H correction)

Summary:
Для качественной оценки, я бы оптимизировал все PBE без учета растворителя с небольшим базисом. Далее, для расчета энергии выбрал бы PBE-D3(BJ) с базисом побольше. PCM и BSSE обязательны.
Кто смел тот и съел

Ответить

Вернуться в «квантовая химия и моделирование»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 28 гостей