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标题: 不同胺与TMC的基元反应能垒、反应速率常数计算方法的选择疑问以及结构确定的疑问 [打印本页]

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Author: JCenter 时间: 2024-3-13 23:09
标题: 不同胺与TMC的基元反应能垒、反应速率常数计算方法的选择疑问以及结构确定的疑问
请教下大家，我在做不同胺与TMC的基元反应的反应能垒计算，现在有以下几个疑问：
1.目前本人已知的可以计算基元反应能垒的方法有1.基于过渡态确定的方法，其能垒为过渡态的自由能与两种反应物A和B的自由能（A+B）之差，2.使用从头算分子动力学（AIMD）。这两种方法有何区别，该怎么选择使用，以及哪种更精准呢。

2.计算反应速率常数也是有两种，Eyring的过渡态理论(如《基于过渡态理论计算反应速率常数的Excel表格》 http://sobereva.com/310)和使用AIMD。一般而言，正向势垒大于0，基于过渡态理论计算反应速率常数。若正向势垒小于0，则需要使用AIMD。不知道这么理解对不对。是不是相对而言，AIMD也更精准一些呢
3.我目前在通过TS方法寻找过渡态，以计算反应能垒。在这个过程中，存在一个与反应物结构相关的疑问。以哌嗪为例，一般的哌嗪结构如图1所示，按照图1结构能得到一个过渡态，从而得出反应能垒，然后，如果，我将哌嗪N上的氢移至孤对电子的位置，结构变成图2，通过图2的结构，其空间位阻相对更少，得到的能垒相对更低。然而实际上，单独的哌嗪在未反应前应该是图1的结构，因此，就有点蒙。以我说的哌嗪为例，应该怎么选择反应物的结构，去确定过渡态结构呢。

4.如果实际的反应是水油两相界面反应，寻找过渡态的时候，隐式溶剂模型是两种溶剂下都试一下、然后在两者下得到的反应能垒中找其最低值。还是说隐式溶剂模型使用混合溶剂，进行自定义参数呢，亦或者其他方法呢。

作者
Author: wzkchem5 时间: 2024-3-14 00:07
一般的AIMD不能考虑零点能，但是其他方面都比过渡态理论准。再者就是AIMD只能跑很短时间的模拟（例如1ns以内，当然如果经费无限、时间无限的话可以再久一些），而且即使这样，耗时也比过渡态理论要长很多，一般找过渡态往往几百步就找到了，但跑哪怕10ps的AIMD都需要大概一万步，还必须跑好多条轨迹求平均。所以，当反应很快（AIMD跑得动），机时充裕，且零点能不重要时，用AIMD更好，否则用过渡态理论更好。
胺的构型翻转是比较快的，因此除非后续反应极快，否则可以认为胺的构型翻转是快平衡。严格的做法是两个构型都找一下过渡态，取自由能较低的那个过渡态（注意是过渡态的绝对自由能，而不是自由能垒）；不太严格的做法就是像你说的，肉眼目测能量较高的那个构型的过渡态自由能估计较低，就只取这个构型计算。能不能用不严格的方法，取决于你需要的精度，不能一概而论。但总之，不能简单地取最稳定的那个反应物构型。
两种溶剂不溶时，不能定义混合溶剂。如果确定反应是在其中一相发生的，那么可以两种溶剂都试一下，但必须考虑到反应物在两种溶剂里的溶解度不同，并且做浓度校正来考虑溶解度不同的影响。一种物质在两种溶剂里的相对溶解度如果没有实验数据，可以由这两种溶剂里的溶解自由能之差来估算。但如果反应是在界面发生的（例如反应物之一是表面活性剂，基本只存在于界面），那就很麻烦了，必要时可能需要用QM/MM模拟界面环境

作者
Author: JCenter 时间: 2024-3-14 14:15

wzkchem5 发表于 2024-3-14 00:07
一般的AIMD不能考虑零点能，但是其他方面都比过渡态理论准。再者就是AIMD只能跑很短时间的模拟（例如1ns以 ...

非常感谢老师的仔细解答，1和2的问题我听明白了，但是3和4看完您的建议后，有几点疑问，希望老师百忙之中有机会指点一下学生

。
1.关于构型的问题，“取自由能较低的那个过渡态（注意是过渡态的绝对自由能，而不是自由能垒）”，当确定了具有最低自由能的过渡态结构后，能垒的计算中，为计算反应物结构的自由能，反应物的结构也应当选用构型翻转后能量相对较高的结构吧（假设下面的这个成立：肉眼目测能量较高的那个构型的过渡态自由能估计较低）。
2.为啥不直接计算和比较不同构型下基元反应的能垒大小，直接取能垒最低值，而是先确定具有最低自由能的过渡态，再确定反应物构型，去计算能垒呢。
3.“必须考虑到反应物在两种溶剂里的溶解度不同，并且做浓度校正来考虑溶解度不同的影响”老师，这句话中，考虑溶解度，是因为确定反应相对更可能在哪一种溶剂中发生。而“做浓度校正来考虑溶解度不同的影响”这句话学生有点不太明白。
4.溶剂环境确定后，是不是还要做一个显示溶剂情况下的过渡态，与隐式溶剂环境下的能垒再比较一下呢。

非常感谢老师您和sob老师曾经每次的帮助，嘿嘿

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Author: wzkchem5 时间: 2024-3-15 04:52

JCenter 发表于 2024-3-14 07:15
非常感谢老师的仔细解答，1和2的问题我听明白了，但是3和4看完您的建议后，有几点疑问，希望老师百忙之中 ...

1. 反应物也选自由能最低的结构。你把构型翻转也看作一步反应（而且因为很快，一般可以看作是快平衡），然后按http://sobereva.com/506的方法判断表观自由能垒应该用谁减谁来算，就知道为什么了。
2. 同上
3. 例如你有一个物质A，在水里溶解度是油里的100倍，在水里反应速率是油里的1/10，那么总的来说仍然以水里的反应为主，自由能垒应该取水里的。做浓度校正就是为了在溶解度和反应速率的趋势相反时，仍然能得到正确的结论。浓度校正方法参见https://mattermodeling.stackexch ... -molecule/9482#9482
4. 是否需要显式溶剂（准确来说是显式/隐式混合溶剂模型，因为第一配位层以外的溶剂无论如何是要用隐式溶剂模型描述的），往往可以在计算之前判断，如果需要，就不用做纯隐式溶剂的计算；如果不需要，就不用做显式溶剂的计算。既做显式溶剂又做隐式溶剂计算，一般是只算一两个代表性的反应，为了确认隐式溶剂是否足够准，如果足够准，之后其他反应就只用隐式溶剂算，节约时间。假如只算一个反应，我不觉得有任何场景下是两个计算都要做的

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Author: JCenter 时间: 2024-3-15 21:01

wzkchem5 发表于 2024-3-15 04:52
1. 反应物也选自由能最低的结构。你把构型翻转也看作一步反应（而且因为很快，一般可以看作是快平衡）， ...

非常感谢老师，言简意赅，醍醐灌顶。

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