Модель сольватации COSMO
Поверхность COSMO молекулы пентаакрилата (красный = отрицательный, зеленый = положительный равновесный слой).
Поверхность плотности заряда 4-нитробензойной кислоты. Рассчитано с помощью COSMO.

COSMO [1] [ 2] (COnductor-like Screening MODEL) — это метод расчета для определения электростатического взаимодействия молекулы с растворителем . COSMO — это модель диэлектрического континуума [1] [3] [4] [5] (также известная как модель сольватации континуума). Эти модели могут использоваться в вычислительной химии для моделирования эффектов сольватации . COSMO стал популярным методом этих моделей сольватации в последние годы. Формализм COSMO похож на метод, предложенный ранее Хоши и др. [1] [6] Подход COSMO основан — как и многие другие модели диэлектрического континуума — на сегментации поверхности молекулы [3] (обычно называемый подходом SAS «доступная для растворителя поверхность»).

Континуальные модели сольватации, такие как COSMO, рассматривают каждый растворитель как континуум с диэлектрической проницаемостью . Континуальные модели сольватации аппроксимируют растворитель диэлектрическим континуумом, окружающим молекулы растворенного вещества снаружи молекулярной полости. В большинстве случаев он строится как совокупность атомно-центрированных сфер с радиусами примерно на 20% больше радиуса Ван-дер-Ваальса . Для фактического расчета поверхность полости аппроксимируется сегментами, например, шестиугольниками, пятиугольниками или треугольниками. ε {\displaystyle \varepsilon}

В отличие от других моделей сольватации континуума, COSMO выводит поляризационные заряды континуума, вызванные полярностью растворенного вещества, из приближения масштабированного проводника. Если бы растворитель был идеальным проводником, электрический потенциал на поверхности полости должен был бы исчезнуть. Если распределение электрического заряда в молекуле известно, например, из квантовой химии, то можно рассчитать заряд на сегментах поверхности. Для растворителей с конечной диэлектрической проницаемостью этот заряд ниже примерно на фактор : д ∗ {\displaystyle д^{*}} д {\displaystyle д} ф ( ε ) {\displaystyle е(\varepsilon)}

д = ф ( ε ) д ∗ . {\displaystyle q=f(\varepsilon)q^{*}.}

Фактор приблизительно равен ф ( ε ) {\displaystyle е(\varepsilon)}

ф ( ε ) = ε − 1 ε + х , {\displaystyle f(\varepsilon )={\frac {\varepsilon -1}{\varepsilon +x}},}

где значение должно быть установлено равным 0,5 для нейтральных молекул и 0,0 для ионов, см. исходный вывод. [2] Значение ошибочно установлено равным 0 в популярной C-PCM-реализации COSMO в Gaussian. х {\displaystyle x} х {\displaystyle x}

На основе определенных таким образом зарядов растворителя и известного распределения зарядов молекулы можно рассчитать энергию взаимодействия между растворителем и молекулой растворенного вещества. д {\displaystyle д}

Метод COSMO может быть использован для всех методов теоретической химии , где можно определить распределение заряда молекулы, например, полуэмпирические расчеты, расчеты по методу Хартри-Фока или расчеты теории функционала плотности (квантовая физика). [1]

Варианты и реализации

COSMO был реализован в ряде квантово-химических или полуэмпирических кодов, таких как ADF , GAMESS-US , Gaussian , MOPAC , NWChem , TURBOMOLE и Q-Chem . Также была разработана версия COSMO поляризуемой континуальной модели PCM [ требуется ссылка ] . В зависимости от реализации детали конструкции полости и используемые радиусы, сегменты, представляющие поверхность молекулы, и значение для функции масштабирования диэлектрика могут различаться, что иногда вызывает проблемы с воспроизводимостью опубликованных результатов. х {\displaystyle x} ф ( ε ) {\displaystyle е(\varepsilon)}

Сравнение с другими методами

В то время как модели, основанные на мультипольном расширении распределения заряда молекулы, ограничены малыми, квазисферическими или эллипсоидальными молекулами, метод COSMO имеет то преимущество (как и многие другие модели диэлектрического континуума), что его можно применять к большим и нерегулярно сформированным молекулярным структурам.

В отличие от модели поляризуемого континуума (PCM), которая использует точные диэлектрические граничные условия, метод COSMO использует приближенную масштабирующую функцию . Хотя масштабирование является приближением, оказалось, что оно обеспечивает более точное описание так называемого внешнего заряда, уменьшая соответствующую ошибку. Сравнение методов [7] COSMO и формализма интегрального уравнения PCM (IEFPCM), который объединяет точные диэлектрические граничные условия с уменьшенной ошибкой внешнего заряда, показало, что различия между методами невелики по сравнению с отклонениями от экспериментальных данных сольватации. Ошибки, возникающие при рассмотрении растворителя как континуума и, таким образом, пренебрежении такими эффектами, как водородные связи или переориентация, таким образом, более актуальны для воспроизведения экспериментальных данных, чем детали различных методов сольватации континуума. ф ( ε ) {\displaystyle е(\varepsilon)}

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd A., Klamt; G., Schüürmann (1993). "COSMO: новый подход к диэлектрическому экранированию в растворителях с явными выражениями для энергии экранирования и ее градиента". J. Chem. Soc . 2 (5). Perkin Trans.2: 799–805. doi :10.1039/P29930000799.
  2. ^ ab Klamt, Andreas (2005). От квантовой химии к термодинамике жидкой фазы и разработке лекарств . Бостон, Массачусетс, США: Elsevier. ISBN 9780444519948.
  3. ^ ab Herbert, John M. (2021-03-23). ​​"Методы диэлектрического континуума для квантовой химии". WIREs Computational Molecular Science . 11 (4). arXiv : 2203.06846 . doi : 10.1002/wcms.1519. ISSN  1759-0876. S2CID  233629977.
  4. ^ Крамер, Кристофер Дж. (2004). Основы вычислительной химии: теории и модели (2-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Англия: Wiley. ISBN 0-470-09182-7. OCLC  55887497.
  5. ^ Франк, Дженсен (2017). Введение в вычислительную химию . John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-82599-0. OCLC  989360916.
  6. ^ Хоши, Хадзиме; Сакурай, Минору; Иноуэ, Ёсио; Тёдзё, Риитиро (15 июля 1987 г.). «Влияние среды на электронную структуру молекулы. I. Формулировка теории оценки электронной структуры молекулы в окружении анизотропной среды». Журнал химической физики . 87 (2): 1107–1115. Бибкод : 1987JChPh..87.1107H. дои : 10.1063/1.453343. ISSN  0021-9606.
  7. ^ Кламт, А.; Мойя, К.; Паломар, Дж. (2015). «Комплексное сравнение методов континуальной сольватации IEFPCM и SS(V)PE с подходом COSMO». Журнал химической теории и вычислений . 11 (9): 4220–4225. doi :10.1021/acs.jctc.5b00601. PMID  26575917.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=COSMO_solvation_model&oldid=1240268404"