Модель сольватации COSMO - COSMO solvation model

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

КОСМО[1][2] это сокращение от "COндукторный Sскрининг МОdel ", метод расчета для определения электростатический взаимодействие молекула с растворитель. Метод обычно используется в вычислительная химия моделировать сольватация последствия.

COSMO рассматривает каждый растворитель как континуум с диэлектрическая проницаемость ε и поэтому принадлежит к группе моделей «сольватация континуума». Как и во всех этих моделях, COSMO аппроксимирует растворитель диэлектрическим континуумом, окружающим молекулы растворенного вещества за пределами молекулярной полости. В большинстве случаев он представляет собой сборку атомно-центрированных сфер с радиусом примерно на 20% больше, чем Радиус Ван-дер-Ваальса. Для фактического расчета поверхность полости аппроксимируется сегментами, например шестиугольниками, пятиугольниками или треугольниками.

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 должны исчезнуть. Если распределение электрический заряд в молекуле известно, например из квантовой химии, то можно рассчитать заряд q* на поверхностных сегментах. Для растворителей с конечной диэлектрической проницаемостью этот заряд q ниже примерно в раз ƒ(ε):

Фактор ƒ(ε) приблизительно

где значение Икс должно быть установлено на 0,5 для нейтральных молекул и на 0,0 для ионов, см. исходный вывод.[2] Следует отметить, что значение x ошибочно установлено в 0 в довольно популярной повторной реализации COSMO на гауссовском языке C-PCM.

Из определенных таким образом зарядов растворителя q и известное распределение заряда молекулы, можно вычислить энергию взаимодействия между растворителем и молекулой растворенного вещества.

Метод COSMO можно использовать для всех методов в теоретическая химия где распределение заряда молекулы может быть определено, например, полуэмпирическими расчетами, Хартри – Фок -методические расчеты или теория функционала плотности (квантовая физика) расчеты.[1]

Варианты и реализации

COSMO был реализован в ряде программ квантовой химии или полуэмпирических кодов, таких как АПД, ГАМЕСС-США, Гауссовский, MOPAC, NWChem, ТУРБОМОЛЬ, и Q-Chem. COSMO версия модель поляризуемого континуума PCM также был разработан. В зависимости от реализации, детали конструкции полости и используемые радиусы, сегменты, представляющие поверхность молекулы, и Икс значение для диэлектрической масштабной функции ƒ(ε) может различаться.

Сравнение с другими методами

Пока модели на основе мультипольное расширение распределения заряда молекулы ограничены небольшими, квазисферическими или эллипсоидальными молекулами, метод COSMO имеет то преимущество, что его можно применять к большим и нерегулярно сформированным молекулярным структурам.

В отличие от модели поляризуемого континуума (PCM), в которой используются точные диэлектрические граничные условия, метод COSMO использует приближенную масштабную функцию f (ε). Хотя масштабирование является приблизительным, оказалось, что оно обеспечивает более точное описание так называемого внешнего заряда, уменьшая соответствующую ошибку. Сравнение методов[3] Методика COSMO и формализм интегральных уравнений PCM (IEFPCM), сочетающий точные диэлектрические граничные условия с уменьшенной ошибкой внешнего заряда, показали, что различия между методами невелики по сравнению с отклонениями от экспериментальных данных сольватации. Ошибки, вносимые рассмотрением растворителя как континуума и, таким образом, пренебрежением такими эффектами, как водородная связь или переориентация, таким образом, более важны для воспроизведения экспериментальных данных, чем детали различных методов сольватации континуума.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б А., Кламт; Г., Шюрманн (1993). «COSMO: новый подход к диэлектрической экранировке в растворителях с явными выражениями для энергии экранирования и ее градиента». J. Chem. Soc. Перкин Пер. 2. 2 (5): 799–805. Дои:10.1039 / P29930000799.
  2. ^ а б Кламт, Андреас (2005). От квантовой химии к термодинамике жидкой фазы и дизайну лекарств. Бостон, Массачусетс, США: Elsevier. ISBN  9780444519948.
  3. ^ Klamt, A .; Moya, C .; 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. Дои:10.1021 / acs.jctc.5b00601. PMID  26575917.