COSMO [1] [2] - это аббревиатура от « CO -подобный S creening MO del», метод расчета для определения электростатического взаимодействия молекулы с растворителем . Этот метод обычно используется в вычислительной химии для моделирования эффектов сольватации .
COSMO рассматривает каждый растворитель как континуум с диэлектрической проницаемостью ε и поэтому относится к группе моделей «сольватации 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 совокупность сфер с атомным центром, радиусом приблизительно на 20% превышающим 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 масштабного 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 вычислить заряд q * на участках поверхности. Для растворителей с конечной диэлектрической проницаемости этого заряда д ниже примерно на коэффициент ƒ ( е ):
Фактор ƒ ( ε ) приблизительно равен
где значение x должно быть установлено равным 0,5 для нейтральных молекул и 0,0 для ионов, см. исходный вывод. [2] Следует отметить, что значение x ошибочно установлено на 0 в довольно популярной повторной реализации COSMO COSMO на гауссовском языке.
Из полученных таким образом зарядов растворителя q и известного распределения зарядов молекулы можно рассчитать энергию взаимодействия между растворителем и молекулой растворенного вещества.
Метод COSMO можно использовать для всех методов теоретической химии, где можно определить зарядовое распределение молекулы, например, полуэмпирических расчетов, расчетов методом Хартри – Фока или расчетов по теории функционала плотности (квантовая физика). [1]
Варианты и реализации
COSMO был реализован в ряде программ квантовой химии или полуэмпирических кодов, таких как ADF , GAMESS-US , Gaussian , MOPAC , NWChem , TURBOMOLE и Q-Chem . Также была разработана COSMO-версия модели поляризуемого континуума PCM. В зависимости от реализации детали конструкции полости и используемых радиусов, сегменты, представляющие поверхность молекулы, и значение x для диэлектрической масштабной функции ƒ ( ε ) могут различаться.
Сравнение с другими методами
В то время как модели, основанные на мультипольном расширении распределения заряда молекулы, ограничиваются небольшими, квазисферическими или эллипсоидальными молекулами, метод COSMO имеет то преимущество, что его можно применять к большим молекулярным структурам неправильной формы.
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] COSMO и формализма интегральных уравнений PCM (IEFPCM), который сочетает точные диэлектрические граничные условия с уменьшенной ошибкой внешнего заряда, показало, 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 актуальны для воспроизведения экспериментальных данных, чем детали различных методов сольватации континуума.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ а б А., Кламт; Г., Шюрманн (1993). «COSMO: новый подход к диэлектрическому экранированию в растворителях с явными выражениями для энергии экранирования и ее градиента». J. Chem. Soc . Перкин Пер. 2. 2 (5): 799–805. DOI : 10.1039 / P29930000799 .
- ^ а б Кламт, Андреас (2005). От квантовой химии к термодинамике жидкой фазы и дизайну лекарств . Бостон, Массачусетс, США: Elsevier. ISBN 9780444519948.
- ^ Klamt, A .; Moya, C .; Паломар, Дж. (2015). «Всеобъемлющее 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 .