Взаимодействие молекул

[Yeugen2018]

Подскажите, пожалуйста, как можно рассчитать энергетику и обосновать направленность реакции альдегида с молекулой типа:

Может, есть работы с подобными расчетами, и есть общепринятые для этого методы и программы.

Есть идея провести квантово-механические расчеты по Хюккелю
N(6) -0.0484837 (заряд по аминогруппе по N4 положению ядра 1,2,4-триазола)
N(13) 0.0101806 (заряд на атоме азота гидразидной группы)
У альдегидов на атоме кислорода заряд порядка -0,4, следовательно, реакция проходит по N(13).

[Гесс]

Изображение неприкрепилось.
Заряды вещь ненадежная, их много разных (ваши скорее всего по Малликену) и они мало что отражают. Самое близкое к ним под реакционную активность это Индексы Фукуи но ими мало кто пользуется (и я тоже не пользуюсь). На мой взгляд это надо решать через расчет целиком обоих альтернативных механизмов и выяснение у кого барьеры ниже. Но повозиться придется.
Метод - ДФТ,
функционал - любой, если нет никаких идей то PBE или B3LYP
базис - любой начиная c даблзета, если идей нет то def2-SVP, это маловато для точных цифр но зато можно будет быстро найти геометрии минимумов и переходных состояний.
программа - да почти любой квантохимический софт работающий с ДФТ. Бесплатный - например Орка или Priroda (PSI4 и Firefly в данном случае не вижу смысла), или платный - Gaussian, Turbomole, ADF, MOLPRO и т.д.

[Yeugen2018]

Изображение неприкрепилось.
Заряды вещь ненадежная, их много разных (ваши скорее всего по Малликену) и они мало что отражают. Самое близкое к ним под реакционную активность это Индексы Фукуи но ими мало кто пользуется (и я тоже не пользуюсь). На мой взгляд это надо решать через расчет целиком обоих альтернативных механизмов и выяснение у кого барьеры ниже. Но повозиться придется.
Метод - ДФТ,
функционал - любой, если нет никаких идей то PBE или B3LYP
базис - любой начиная c даблзета, если идей нет то def2-SVP, это маловато для точных цифр но зато можно будет быстро найти геометрии минимумов и переходных состояний.
программа - да почти любой квантохимический софт работающий с ДФТ. Бесплатный - например Орка или Priroda (PSI4 и Firefly в данном случае не вижу смысла), или платный - Gaussian, Turbomole, ADF, MOLPRO и т.д.

Вот схемка которую хотел просчитать
Реакция 1 проходит преимущественно, интересует пройдут ли реакции 2-4, с обоснованием квантово-химических расчетов.
Может есть методические рекомендации по расчетам ДФТ метода и подойдет ли он вообще.

[Гесс]

Подойдет, куда он денется.
Методические рекомендации - да как бы неособо. Это весьма себе черный ящик. В некоторых случаях результаты разных методов хорошо совпадают, в некоторых можно получить любую желаемую цифру, но не попробовав не узнаешь. Рекомендую в первом приближении расчитывать реакию без континиумного растворителя (если понадобится то заново пересчитать с растворителем имея газофазные геометрии будет намного меньше затрат сил и компьютерного времени), с дисперсионными коррекциями Гримме (они достаточно мало стоят, редко вредят и часто полезны). Чтобы еще более ускорить расчет можете вначале индольный заместитель заменить на метил, это не только сократит количество атомов но и скорее всего решит некоторые конформационные проблемы.
Основная проблема в том что каждая ваша стрелочка отражает ну оочень многостадийный процесс. Нужно найти литературный механизм "гидразин+альдегид=имин" и в нем считать ВСЕ интермелиаты и соединяющие их переходные состояния. Я предполагаю там будет сильно фигурировать щелочь или кислота.
Когда у вас будут относительные энергии всех интермедиатов и барьеры - можно будет проанализировать и думать что делать дальше.
Я бы оценил необходимое время для анализа этой схемы в несколько недель-месяц в зависимости он наличных расчетных ресурсов и количества всплывающих подводных камней. Так как вы очевидно только вступаете на извилистый путь расчетчика - может потребоваться больше.

[Yeugen2018]

Подойдет, куда он денется.
Методические рекомендации - да как бы неособо. Это весьма себе черный ящик. В некоторых случаях результаты разных методов хорошо совпадают, в некоторых можно получить любую желаемую цифру, но не попробовав не узнаешь. Рекомендую в первом приближении расчитывать реакию без континиумного растворителя (если понадобится то заново пересчитать с растворителем имея газофазные геометрии будет намного меньше затрат сил и компьютерного времени), с дисперсионными коррекциями Гримме (они достаточно мало стоят, редко вредят и часто полезны). Чтобы еще более ускорить расчет можете вначале индольный заместитель заменить на метил, это не только сократит количество атомов но и скорее всего решит некоторые конформационные проблемы.
Основная проблема в том что каждая ваша стрелочка отражает ну оочень многостадийный процесс. Нужно найти литературный механизм "гидразин+альдегид=имин" и в нем считать ВСЕ интермелиаты и соединяющие их переходные состояния. Я предполагаю там будет сильно фигурировать щелочь или кислота.
Когда у вас будут относительные энергии всех интермедиатов и барьеры - можно будет проанализировать и думать что делать дальше.
Я бы оценил необходимое время для анализа этой схемы в несколько недель-месяц в зависимости он наличных расчетных ресурсов и количества всплывающих подводных камней. Так как вы очевидно только вступаете на извилистый путь расчетчика - может потребоваться больше.

А если провести расчеты электроотрицательности такого гидразида с бензальдегидом в кислой среде, может быстрее выйдет и нагляднее

[Гесс]

А если провести расчеты электроотрицательности такого гидразида с бензальдегидом в кислой среде

Эмм, если честно я не понял смысл фразы.
Электроотрицательность это свойство атома.
Для молекулы можно расчитать какие-то свойства типа сродства к электрону, потенциала ионизации, жесткости, электронодонорности и пр, но эти свойства "вне реакции" и они характеризуют молекулу целиком.
На полуэмпирике (мне неизвестно чтоб это было уже реализовано на ДФТ) можно посчитать локальные свойства и посмотреть изоповерхности все тех же IP, EA, proton affinity, hardness (local), возможно чтото из них коррелирует с превалирующим направлением реакции (что из них должно коррелировать - надо думать на основе механизма). Это действительно быстрые расчеты, но качество таких предсказаний на мой взгляд на уровне индексов Фукуи.

[Yeugen2018]

Вот что нашел в книге: "Путь химической реакции. В терминах поверхности потенциальной энергии (ППЭ) химическая реакция означает переход
молекулярной системы из одного минимума в другой. Путь, соответствующий минимальному изменению энергии системы при таком переходе называется путем реакции. Путь реакции всегда проходит через седловую точку на поверхности потенциальной энергии. Среди множества траекторий перемещения по ППЭ из одного минимума в другой и именно эта траектория будет обладать минимальной высотой энергетического барьера. Конфигурацию системы, соответствующую седловой точке на пути реакции называют переходным состоянием (ПС), ей соответствует энергия реакции исходных реагентов, равная 0. В программе Gaussian и Priroda для поиска переходного состояния принимается одна мнимая частота. Сечение ППЭ по координате реакции называют энергетическим профилем химической реакции, что представлено на рисунке 1.7. "

Как можно произвести подобные расчеты в программе Gaussian для продуктов реакции 1 -4, и по этим показателям интерпретировать прохождение реакций?

[Yeugen2018]

А если провести расчеты электроотрицательности такого гидразида с бензальдегидом в кислой среде

Эмм, если честно я не понял смысл фразы.
Электроотрицательность это свойство атома.
Для молекулы можно расчитать какие-то свойства типа сродства к электрону, потенциала ионизации, жесткости, электронодонорности и пр, но эти свойства "вне реакции" и они характеризуют молекулу целиком.
На полуэмпирике (мне неизвестно чтоб это было уже реализовано на ДФТ) можно посчитать локальные свойства и посмотреть изоповерхности все тех же IP, EA, proton affinity, hardness (local), возможно чтото из них коррелирует с превалирующим направлением реакции (что из них должно коррелировать - надо думать на основе механизма). Это действительно быстрые расчеты, но качество таких предсказаний на мой взгляд на уровне индексов Фукуи.

Это, было только предположение, так как еще не совсем понимаю как реализовать решение задачи. Может через расчет энергии реакции исходных реагентов, как на рисунке выше.

[Shorku]

Как можно произвести подобные расчеты в программе Gaussian для продуктов реакции 1 -4, и по этим показателям интерпретировать прохождение реакций?

Оптимизировать все реагенты-продукты-переходные состояния, проверить соответствие переходных состояний "реагентам" и "продуктам" (которые могут быть интермедиатами в конкретном случае) - IRC, посчитать термодинамику, посчитать энергии ативации, прикинуть предэкпоненциальные множители на уровне порядка величины, сравнить кинетику каждого из путей реакции.

[Yeugen2018]

Как можно произвести подобные расчеты в программе Gaussian для продуктов реакции 1 -4, и по этим показателям интерпретировать прохождение реакций?

Оптимизировать все реагенты-продукты-переходные состояния, проверить соответствие переходных состояний "реагентам" и "продуктам" (которые могут быть интермедиатами в конкретном случае) - IRC, посчитать термодинамику, посчитать энергии ативации, прикинуть предэкпоненциальные множители на уровне порядка величины, сравнить кинетику каждого из путей реакции.

А можно, попросить построить алгоритм по-порядку что сделать что-бы просчитать эти данные? Спасибо!

[Гесс]

Ну я примерно это же и говорил два сообщения назад. Энергия исходников и барьеры.

Схема расчета одинакова для любого квантмех софта.
Создаете инпут для оптимизации исходного реагента для данной элементарной стадии (то есть молекула и все что с ней будет реагировать в логичной геометрии). Оптимизируете. Сохраняете в эксель значение абсолютной энергии. Проверяете (расчетом частот) что это минимум.
Создаете инпут для оптимизации продукта (разумеется брутто формула системы должна совпадать с бруттоформулой исходника). Оптимизируете. Сохраняете в эксель значение абсолютной энергии. Проверяете (расчетом частот) что это минимум.
Каким либо образом находите переходное состояние. Иногда это очень легко иногда это черная магия. У гауссиана есть утилиты QST2 и QST3 которые иногда облегчают процедуру если у вас корректно идентифицированные минимумы с правильной нумерацией атомов. В некоторых случаях удобнее проводить релаксированный скан по приниципиальной координате (я предпочитаю этот метод, но это вопрос вкуса и зависит от задачи, кроме того это довольно долго). У некоторого софта (например у DMol3 в Material Studio) есть Elastic Band алгоритм для тех же целей. После оптимизации переходного состояния расчетом частот проверяете что это действительно преходное состояние, а визуализацией колебания что это то переходное состояние что вы ищете.
Повторяете процедуру для следующей элементарной стадии.

По гауссиану примеров инпутов в сети море. Но не забудьте что это платный софт, а пиратская версия сильно ограничит вашу свободу публикации данных.
Весьма интуитивный инпут у ORCA, плюс к ней идет баальшой мануал, сайт с туториалом https://sites.google.com/site/orcainput ... neralinput и вполне живой и активный форум.
Природа быстра, но по ее использованию в сети полторы старницы.

[Yeugen2018]

Спасибо! Пробую. По результатам отпишусь.

[Yeugen2018]

Вот и застрял. В туториале к Gaussian рекомендуют использовать Avogadro для создания input.
Создал, оптимизировал. Теперь стало непонятно

Сохраняете в эксель значение абсолютной энергии. Проверяете (расчетом частот) что это минимум.

Энергия указывается после оптимизации в Avogadro вверху
или искать ее в txt после расчетов Gaussian и как проверить что это минимум, или опять таки эти данные есть в txt?

[Гесс]

Гауссиан создаст аутпут файл с расширением out или log. Он текстовый. В нем в самом конце есть так называемый архивный блок, содержащий всю самую ценную информацию, в случае оптимизации это конечная геометрия (в весьма неудобном формате), функционал, базис, и heat of formation которая записана как HF= и большое отрицательное число. Измеряется эта величина в atomic units которые в случае энергии являются Хартрями. Это интересующая вас цифра. Точнее интересует вас РАЗНОСТЬ этих цифр которая явлется относительной энергией. Что брать за 0 это ваше дело. Можно брать исходники, тогда переходное состояние будет выше 0 что лучше соответствует идее "барьера". А, ну и да, относительные энергии в хартрях ну оочень маленькие, поэтому все переводят хартри в удобные им единицы - физики в электронвольты или кДж/моль а химики преимущественно в ккал/моль. (не, в некоторых случаях народ ухитряется и кельвинами и другими неожиданными величинами оперировать, но вам такое пока явно ненадо).

[leonidas]

Оптимизируете. Сохраняете в эксель значение абсолютной энергии. Проверяете (расчетом частот) что это минимум.

А если это будет локальный минимум?

Сорри за оффтоп, но мне кажется Гессу надо дать какую-нибудь премию за его терпение, потраченное время и внимание к нам, простым смертным.

[Гесс]

буэ. А че Гесс не смертный или сильно сложный?
К тому же Гесс зачастую сам ченибудь тут интересуется.
Тут "прогрессорством" много кто занимается.
Но если ктото сильно хочет меня выблагодарить конкретно меня - то с этим в акноледжменты статей. We would like to thank Гесс from Chemport for senseless discussions.
Ну а минимум там наверняка локальный, но для начала это не беда.

[Yeugen2018]

Добрый день! Провел расчет оптимизации геометрических параметров за методом PM3 с следующим условием
# pm3 opt=(calcfc,maxcycle=200) scf=(xqc,maxcycle=200) freq nosymm
получил файл, и заветное HF=0.1687569 затем сохранил координаты молекулы в виде Z-матрицы и прогнал еще раз с условием указанным выше и получил HF=0.1687544 . Это и есть значение абсолютной энергии? Или надо другое условие?

[Shorku]

1. А зачем было два раза считать одно и то же?
2. Если оно написано в архивном блоке, то, видимо, да, это и есть полная энергия
3. Вы уверены, что переходные состояния (к которым Вы потом перейдете, да?) нормально считать полуэмпирикой? Если это первое приближение для DFT-расчета, то ок

[Yeugen2018]

Я пока не совсем до конца разобрался как грамотно задавать параметры для расчета, поэтому пробую пока так. И это расчет оптимизации геометрических параметров только одной молекулы. Может подскажите как правильней оформить параметры для DFT-расчета. Ах , и да как проверить что это минимум, расчетом частот. Спасибо!

[Гесс]

больше кейвордов хороших и разных!

# - рекомендую #P, везде - будет легче отслеживать проблемы.
pm3 - полностью согласен с Shorku, кроме как для начального приближения не имеет смысла
opt=calcfc - ну и зачем? Был бы поиск переходного состояния тогда конечно да, или на худой конец какой то несходящийся минимум - тоже возможно, а так абсолютно бесполезно
opt=(maxcycle=200) - а есть какая то аргументация зачем?
scf=xqc - ок, если хочется то претензий не имею
scf=(maxcycle=200) - опять же зачем?
freq - ну если уже считали частоты то уж и скажите какой там NImag
nosymm - как бы и не вредно но и в пользе сомневаюсь.

Вот вам список кейвордов на первый заход:
#P B3LYP/def2-svp Opt Freq=Noraman scf=xqc

Да, в случае DFT и полуэмпирики HF=0.1687569 это полная энергия данной структуры в Хартри.