расчёт заселённости конформаций

[Arkadii_Tarasevych]

Здравствуйте, уважаемые коллеги!
Прошу вашей помощи.

Оцениваю заселённость конформаций исходя из теплот образования, расчитанных несколькими квант.-хим. методами (MNDO, AM1, PM3). С этим проблем особых нет - перебрал все стабильные конформации, оптимизировал, получил для каждого из метода наборы цифорок для каждго конформера. Для расчётов использую Chem3D (Gamess interface).
Теперь, насколько я понимаю, нужно переходить к статистике Больцмана. Здесь вопросы. Во первых мне нужна свободная энергий Гиббса, а не энтальпия ... Если все конформации уникальны (не имеют энантиомерных пар как например для бутана), то можно ли подставить энатальпию вместо свободной энергии? и не учитывать энтропию.
Как я понимаю, нужно выбрать конформер с наименьшей энергией и принять его ΔΔG за ноль, а дальше по формуле k = exp(ΔΔG/RT) расчитать константу равновесия наиболее стабильного конформера с каждым другим по отдельности и на этом основании получить соотношения между ними (что потом можно пересчитать в проценты). Верна ли методология?
Основной мой вопрос - где взять ΔG без энтропии?

Буду очень признателен за Вашу помощь!

[amge]

Во первых мне нужна свободная энергий Гиббса, а не энтальпия ...

У вас пока нет даже энтальпии. Хотя выдаваемые полуэмпирикой энергии и называются что-то вроде "стандартная энтальпия образования", разница этих энергий в случае конформеров (и вообще, изомеров) суть разница полных электронно-ядерных энергий, не имеющая никакого отношения к термодинамике. Чтобы найти термодинамические поправки (энтальпию и энтропию), нужно посчитать гессиан.

Основной мой вопрос - где взять ΔG без энтропии?

ΔG без энтропии - это энтальпия. После расчета гессиана будет и энтропии, и энтальпия, и ΔG.

[Arkadii_Tarasevych]

Спасибо, amge! Сразу нужно сделать оговорку, что в квантовой химии, кроме как на пальцах, я мало что понимаю ...
Можно ли расчитать этот гессиан в Chem3D? Я нашёл там расчёт свойств (compute properties), в том числе этропии, энтальпии и свободной энергии с помощью Gamess interface. Для этого расчёта на выбор предлагается только Хартри-Фок, MP2, DFT и ещё пара каких-то. Запускается только HF.

[amge]

В Gamess посчитать гессиан, конечно же, можно и для полуэмпирических методов. Можно ли с помощью Gamess interface к Chem3D - не знаю, не пользовался. Слышал, где-то в потрохах Chem3D сохраняются инпуты и аутпуты. Попробуйте поискать и, если найдете, отредактировать инпут и запустить его на счет минуя Chem3D.

Еще подозреваю, что у Chem3D не Gamess, в разы более медленный WinGamess, но, даже если так, для полуэмпирики разницу, скорее всего, не почувствуюте.

[Arkadii_Tarasevych]

Спасибо большое за совет!

[NemoNemo]

У меня вопрос близко к этой теме, но для более тяжкого случая Как насчет расчета распределения заселенности по ротамерам в РАСТВОРЕ ? Для расчета в растворах (хотя бы без смещений равновесия полярными растворителями, хотя лучше с учетом смещений) выч. пакеты существуют? В Gaussian в PCM соответствующих поправок нет, ну и модель расчета в Gaussian (< 16), насколько я знаю, не для растворов. Что в Gaussian16 не знаю.

[amge]

Что-то я не понял, в чем проблема. Все гауссианы, даже самых ранних версий (по крайней мере, с 98) могут посчитать атомно-электронные энергии ротамеров, а также поправки к этим энергиям на растворитель и термодинамические поправки при заданной температуре. Берёте энергии Гиббса и по Больцману считаете заселенности ротамеров (в экселе, например).

[NemoNemo]

Что-то я не понял, в чем проблема. Все гауссианы, даже самых ранних версий (по крайней мере, с 98) могут посчитать атомно-электронные энергии ротамеров, а также поправки к этим энергиям на растворитель и термодинамические поправки при заданной температуре. Берёте энергии Гиббса и по Больцману считаете заселенности ротамеров (в экселе, например).

Дело в том, что энергия Гиббса и прочее в блоке Термохимии в GAUSSIAN считается по формулам для идеального газа и его предназначение газы и пары; для которых большую точность тоже не обещают (так в руководстве от авторов написано). В жидкости же зависимость (сдвиг) даже от вязкости есть при вращении молекулы, где явно уже будет учет относительных размеров ротамеров и их упаковки; и это еще не все зависимости.

[amge]

Ух ты! Не, я не знаю, как моделировать реальный раствор. Может, молекулярная динамика? А как с подобным поступают люди? Посмотреть статьи по родственной тематике... Наверняка там и подходящий софт обозначен (что-то мне подсказывает, что это будет не гауссиан ).

[Гесс]

Скорее всего QM/MM, впрочем мне не очень понятно нужна ли там вообще квантовая часть.
Впрочем мне думается что все эти "вязкости" и прочие эффекты по величине на грани точности методов.

[NemoNemo]

Касаемо влияния вязкости. У тех габаритных молекул, с которыми мне довелось иметь дело (порядка 80 атомов) имеется сильная зависимость сдвига равновесия от вязкости. Экспериментальная зависимость устанавливалась достаточно точно по современным методам (характерные времена флуоресценций, спектры и т.д.). Попытки же смоделировать экспериментальную зависимость простыми методами (типа данными с GAUSSIAN с формулами не совсем для раствора) и простой формулы (для Exel ) потерпели крах (не я один это пытался сделать). Что нужно учитывать еще для раствора народ знает (и на это есть статьи), но законченного расчетного пакета до сих пор как-то не создали похоже. В общем, для габаритных молекул есть сложности.

[YuraM]

Как мне кажется, формально, переход от конформера в состоянии идельного газа к конформеру в растворе не выглядит как-то сложно. В рамках термодинамического подхода Вы рассчитываете термоинамические функции конформера в рамках приближения идеального газа, жесткого ротора и гармонического осциллятора. Дальше, с привличением моделей растворителя Вы можете рассчитать термодинамические функции сольватации, например, с помощью PCM или более advanced модели - COSMO-RS. Дальше - Вы получаете термодинамические функции в растворе. Другое дело - на сколько точны все приближения, которые Вы используете. Можно улучшать описание растворителя через помещение молекул растворителя. Можно заметить, что у конформеров - нежестких систем, некоторые из гармонических частот колебаний будут соответствовать внутреннему вращению. Такие колебания надо исключить из приближения гармонического осциллятора и описать их через модель hindered rotor. Для этого Вам надо получить вращательный потенциал для внутреннего вращения и дальше с ним решить 1D уравнение Шредингера. Потенциал можно получить именно для раствора - т.е. рассчитать вращение с использованием PCM или чего-то такого. На самом деле даже в газовой фазе описать распределение конформеров не так-то просто, там еще будут эффект от внутримолекулярной дисперсии и т.д. Словом - можно пробывать, но много всего надо учитывать. Можно конечно и молекулярную динамику, которую предлагали выше - но, ab initio MD Вы точно не потянете - а потянете силовые поля или полуэмпирику - которые также врут. Выбор за Вами. Еще Вы ссылаетесь на какой-то сдвиг. Что за сдвиг? Сдвиг электронного спектра в какую-то область? Т.е. если Вы еще описываете какое-то свойство конформеров - спектр или что-то такое, там тоже могут быть ошибки. Можно конечно вывести силовое поле именно для Вашей молекулы и потом попытаться рассчитать распределение конформеров. Посмотрите на QMDFF Grimme. В общем работы тут - до хрена и больше, и какого-то out-of-the-box решения я как-то не вижу.

[NemoNemo]

YuraM
С книгами типа "Дашевский В. Г., Конформационный анализ органических молекул, М., 1982." я знаком, и с руководством по расчету на Гауссиан термохимии от АМИНОВА Р.М. тоже - там многое из упомянутого Вами есть. - Но не помогает сильно (впрочем не все еще из списка использовано).
Касаемо приближений идеального газа для расчета энергии Гиббса в растворе. Почти все эти формулы приближенно терпимы и для раствора за исключением важного параметра - Энтропии.
В общем случае программы быть, похоже, не может, но некоторые шаги "пазла" хотелось бы чтобы считались корректно и явно под раствор, в частности энтропия и ее поправки.
Размещать же молекулы растворителя тоже надо сообразуясь с параметрами термодинамическом равновесия и смотреть много конфигураций - опять нужна подпрограмма (и они есть, но у рабочих групп под свои задачи). Там и энтропию корректно для раствора считать нужно.
Под смещениями имелись ввиду смещения заселенности по ротамерам в зависимости от изменения вязкости, полярности растворителя и др. характеристик раствора - и эти смещения очень большие у габаритных молекул.

[YuraM]

У Вас интересная задача. А на сколько у Вас происходит "смещение" конформаций в растворе по сравнению с газовой фазой или в разных растворителях? Бывает, что конформер, в газовой фазе менее стабильный на 10 ккал/моль, становится в растворе самым стабильным или что-то такое? Если смещения порядка 1 ккал/моль - там даже пытаться нечего описывать.

[NemoNemo]

YuraM
При добавлении к водному раствору 25% метанола число ротамеров с большим расстоянием между хвостами увеличивается примерно более, чем в 4 раза (из эксперимента) - эффект очень сильный. Внутренние вращения малых групп в молекуле блокированы большим их взаимодействием со скелетом молекулы (то есть, если в начальной конфигурации повернуть звено на 180 градусов, то оптимизация повернет его обратно).

Касаемо таки формул для энергии Гиббса для идеального газа (из блока термохимии Gaussian) в применении для жидкости. Проблема таки в основном именно в Энтропии на мой взгляд. Так, поправку на раствор к остальным членам можно из PCM вытащить, а вот расчет энтропии по идеальному газу совсем не годится и служит источником большой ошибки. Так, для жидкости в энтропии нужно учитывать еще несколько слоев растворителя вокруг молекулы - именно в распределении в этих слоях и зарыты эффекты воздействия полярного растворителя и эффекты вращательной диффузии. Посему как только растворитель полярный и молекула большая - формула для энтропии по идеальному газу становится источником большой расчетной ошибки (вернее вообще не пригодной), окромя других. Хотелось бы развития блока PCM для корректной поправки для значений Энтропии.

[Гесс]

Мне по прежнему не ясно зачем в этой forcefield задаче кванты

[Shorku]

Для решения таких задач есть общепринятые подходы типа метадинамики, например. Форсфилд и ведро растворителя в комплекте. Если готового форсфилда на вашу молекулу не нашлось, есть (опять же, стандартные) методы параметризации, но головной боли (и не только головной), конечно, на два порядка больше. Зачем выдумывать?

[NemoNemo]

Для решения таких задач есть общепринятые подходы типа метадинамики, например. Форсфилд и ведро растворителя в комплекте. Если готового форсфилда на вашу молекулу не нашлось, есть (опять же, стандартные) методы параметризации, но головной боли (и не только головной), конечно, на два порядка больше. Зачем выдумывать?

Форсфилда на нужные мне ротамеры нет, но можно и посчитать. Касаемо методов для реальных растворов. Я не говорил, что не нужен форсфилд, но я говорил, что блок темохимии в Гауссиан для реальных растворов тут не годится (а выше были предложения). Также все-равно нужно будет считать энергию Гиббса и энтропию. Для расчета свободной энергии Гиббса (и этропии в частности) задача сравнительно легко решается для двух предельных случаев – для идеального газа (реализовано в Gaussian; и там растворитель даже не анализируется) и кристаллов (там распределение примерно известно и определяется условием формирования кристалла - есть специальные пакеты для вычисления энергии Гиббса и энтропии (более 5 насчитал)).
Расчет же реальных растворителей самый сложный случай и модель идеального газа совершенно не годится. Для реальных растворов используются модели свободного объема, ячеестая и дырочные модели – они описаны в литературе, но свободного программного пакета пока не нашел. Они служат для вычисления “беспорядка” вокруг молекулы (для вычисления энтропии) и энергий при самосогласованном выстраивании молекул растворителя совместно с большой молекулой (даже при больших временах вращательной диффузии это не просто). Причем это нужно посчитать для многих конфигураций в условиях темодинамического равновесия и усреднить. Мне известны пакеты (например от группа Каллиса и их алгоритм можно назвать матадинамикой), где это реализовано для их личных целей, но они его не распространяют никак. Хотелось бы реализации блока термохимии и в Гауссиан для реальных растворов. Это Вы называете метадинамикой? Ну так подходы то есть и они достаточно известны, а вот общедоступных реализаций этих подходов как-то не густо
Если есть ссылки на пакеты по метадинамике, то приведите их пожалуйста. Касаемо упрощений. Что и как параметризовать предлагаете?

[Гесс]

Метадинамика - в Громаксе, возможно в связке с PLUMED.

[Shorku]

Хотелось бы реализации блока термохимии и в Гауссиан для реальных растворов. Это Вы называете метадинамикой? Ну так подходы то есть и они достаточно известны, а вот общедоступных реализаций этих подходов как-то не густо
Если есть ссылки на пакеты по метадинамике, то приведите их пожалуйста. Касаемо упрощений. Что и как параметризовать предлагаете?

Хотелось бы, чтобы подводные лодки еще и летали
для термохимии реального раствора надо длинную молдинамику и реалистичное описание растворителя, и Вы можете это сделать в Гауссиане (ну как можете, ресурсов на это ушло бы немеряно, но зачем) - AIMD, кажется, даже периодические границы там есть.