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[新手求助] 氧化还原电势计算以及方法选择问题

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1.O2+4e-+4H+→2H2O,计算方法如下:
首先计算O2,H+和H2O的热矫正量,输入文件:#p wb97xd/6-31+G(d) opt freq scrf=(smd,solvent=acetonitrile) integral=ultrafine  取Thermal correction to Gibbs Free Energy=  后面的数值
再用上面输出文件的结构计算每个分子的单点能,输入文件:#p wb97xd/6-311++G(2df,2p) scrf=(smd,solvent=acetonitrile) integral=ultrafine sp 取scf done后面的数值
最后上面两个数值相加再用1.89进行矫正,得到自由能变,带入公式Ere=-▲G/nF-4.44 Eox=▲G/nF-4.44 得到氧化还原电势。因为误差实在太大,现在已知H+的计算肯定是错误的,可以直接获得数值。


        自由能矫正能        液相单点能        液相自由能(Hartree)        △G                 Ere
H2O        0.003831              -76.444513                 -76.437670                
H+        -0.010000              -0.213572                 -0.220560                
O2        -0.016041              -150.330726         -150.343755                    -1034.980         6.781


想要问下的就是除了H+可以直接获得以外,其他的的分子按照上面的计算方法是否可行?或者是用的泛函和基组不适合,泛函基组和计算的方法都不适合
有看老师写的一篇文章:计算环氧乙烷的例子
(1)关键词是B3LYP/6-311G* em=GD3BJ opt freq scrf(SMD,solvent=ethanol),即对应SMD溶剂模型表现乙醇环境的情况下用B3LYP-D3(BJ)/6-311G*对体系进行优化和振动分析。这个级别不昂贵,而用于opt freq目的足够给出可靠的结果。
(2)关键词是B2PLYPD3/def2TZVP geom=allcheck,即使用较好的B2PLYP-D3(BJ)/def2-TZVP级别基于(1)的结构计算真空下较高精度电子能量
(3)关键词是M052X/6-31G* geom=allcheck,即基于(1)的结构用M05-2X/6-31G*在真空下计算电子能量
(4)关键词是M052X/6-31G* scrf(SMD,solvent=ethanol) geom=allcheck,即基于(1)的结构用M05-2X/6-31G*在SMD溶剂模型表现乙醇环境的情况下计算电子能量

这个另外应该就是我用的方法:
另外,一种粗略但比较省事的计算溶剂下焓或自由能的方法如下:
(1)用opt freq优化结构同时获得焓或自由能的热校正量(获得焓的热校正量时建议用ZPE校正因子)。溶剂模型是否需要用看情况
(2)在(1)的结构下结合溶剂模型用高级别计算单点
然后将1和2的结果相加,再加上1.89 kcal/mol即可。此种做法步骤少,但相当于是在高级别下计算了溶解自由能,会比在溶剂模型专门参数化的级别下算的溶解自由能精度低。

除了H+直接获得数据,问题1.除了这个半反应,想要计算诸如HMF到DFF这样的反应,是不是用环氧乙烷的例子中的计算过程比较合适?还是目前我所用的也可以(即另外中的这个过程)? 2.泛函和基组应该是不适合的吧?3.还有气相看到老师说体系本身很小可以用热力学组合方法,我想要计算的是诸如糖,糠醛这样的分子,应该是不适用热力学组合方法的吧?,那环氧乙烷例子中计算气相的方法B3LYP-D3(BJ)/6-311G*,B2PLYP-D3(BJ)/def2-TZVP我是否可以直接使用?




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发表于 Post on 2020-12-28 20:47:19 | 只看该作者 Only view this author
0、水也不合适,也是直接查值。这个我私下算过,正常按照流程和文献溶剂化能的值带进去和实验值差的很小。
1、除了上面这些典型,一般情况可以用环氧乙烷的这个例子算。
2、不太合适,溶剂化能应该还是M05-2X或M06-2X配合6-31G*比较好。
3、热力学组合的方法计算量还是比较大的,稍大一些的体系会比较费劲。另外,热力学组合法优化结构和算能量流程是固定的,得到的是气态情况的结构和热化学量,如果体系的结构对溶剂化比较敏感,也不是很好的选择。
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 楼主 Author| 发表于 Post on 2020-12-28 21:37:13 | 只看该作者 Only view this author
卡开发发 发表于 2020-12-28 20:47
0、水也不合适,也是直接查值。这个我私下算过,正常按照流程和文献溶剂化能的值带进去和实验值差的很小。
...

感谢感谢回复~,那我不用热力学组合的方法,直接用环氧乙烷中计算的方法可行不? 水也是直接查值是嘛

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2020-12-28 21:46:40 | 只看该作者 Only view this author
天气很好 发表于 2020-12-28 21:37
感谢感谢回复~,那我不用热力学组合的方法,直接用环氧乙烷中计算的方法可行不? 水也是直接查值是嘛

环氧乙烷的第2,3,4是基于1的输出文件的结构吗?还是3是基于2的输出结构,4是基于3的输出文件结构呢?下次一定一次问清楚

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发表于 Post on 2020-12-28 22:04:12 | 只看该作者 Only view this author
本帖最后由 卡开发发 于 2020-12-28 22:14 编辑
天气很好 发表于 2020-12-28 21:37
感谢感谢回复~,那我不用热力学组合的方法,直接用环氧乙烷中计算的方法可行不? 水也是直接查值是嘛

1、对,水直接查值。
2、可以用那个例子,应该是比较好的方式了,也许B2PLYP-D3(BJ)换ORCA的PWPB95-D3(BJ)会更好(http://sobereva.com/272),以及频率计算还可以加上校正因子处理更好一些(http://sobereva.com/327)。
3、都是基于1的输出结构,后续并未优化结构,所以你说3基于2,4基于3和全基于1没差别。

我自己测试过ORR的反应,类似方法算出来的结果(phi_NHE取4.28),算的结果是1.19V。
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 楼主 Author| 发表于 Post on 2020-12-28 22:14:30 | 只看该作者 Only view this author
卡开发发 发表于 2020-12-28 22:04
1、对,水直接查值。
2、可以用那个例子,应该是比较好的方式了,也许B2PLYP-D3(BJ)换ORCA的PWPB95-D3(B ...

好的,非常非常感谢~~

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发表于 Post on 2024-3-2 21:55:13 | 只看该作者 Only view this author
卡开发发 发表于 2020-12-28 20:47
0、水也不合适,也是直接查值。这个我私下算过,正常按照流程和文献溶剂化能的值带进去和实验值差的很小。
...

你好我想问一下关于sob老师写的计算环氧乙烷的例子里,第2 3 步算真空下的电子能量为什么可以直接用第1步在溶剂化下优化的结构啊,不需要用在真空下优化的气相结构么;如果溶剂化对分子的结构影响很大,那不应该更要将真空下的气相和溶剂化的液相分开嘛,这个问题确实没相通,大概是我这方面理论缺乏还请谅解。

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发表于 Post on 2024-3-3 21:47:37 | 只看该作者 Only view this author
XingXing09 发表于 2024-3-2 21:55
你好我想问一下关于sob老师写的计算环氧乙烷的例子里,第2 3 步算真空下的电子能量为什么可以直接用第1步 ...

我认为你说的有一定道理。这种做法的出发点可能是这样,只是假定同样一个溶剂化的分子结构下简单将其放在真空环境修正一种交换关联-泛函和另一种的差值,因为并没有什么方法在结合溶剂化的情况能尽如人意。我打个比方,例如M06-2X虽然溶剂化能和热化学能(从测试集上看)可能都不错,但如果遇到包含过渡金属的情况有可能就不太好,再如有些泛函可能对过渡金属也许还可以,但是溶剂化能算的并不好,或者要么不支持溶剂化计算或相关导数等,这种情况可能不得不这么做。然而这种做法仅在两种交换-关联泛函具备相同的势能面结构这件事才严格成立,实际的情况没有什么原理上的保障。只能说方法发展还有很长的路要走。
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发表于 Post on 2024-3-6 09:56:02 | 只看该作者 Only view this author
卡开发发 发表于 2024-3-3 21:47
我认为你说的有一定道理。这种做法的出发点可能是这样,只是假定同样一个溶剂化的分子结构下简单将其放在 ...

感谢耐心回复,大概明白了。现如今计算方法的选择也是很难做到多方面兼备,只能侧重某些方面而对其他做近似,对于现实复杂的实验情况还是难以做到全面模拟。

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发表于 Post on 2024-3-6 10:16:41 | 只看该作者 Only view this author
XingXing09 发表于 2024-3-6 09:56
感谢耐心回复,大概明白了。现如今计算方法的选择也是很难做到多方面兼备,只能侧重某些方面而对其他做近 ...

很难。只是说目前这种组合方法大部分情况表现应该还好,也有些测试而已。
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发表于 Post on 2024-3-7 16:40:15 | 只看该作者 Only view this author
卡开发发 发表于 2024-3-6 10:16
很难。只是说目前这种组合方法大部分情况表现应该还好,也有些测试而已。

谢谢! 老师我还有个小问题  就是在算氧化势时 对于分子A得电子后变成A- 对A-进行第二步的高精度单点时是不是应该加弥散函数,即用ma-TZVP ? 如果需要加的话是否需要对A分子计算计算时也加上保持基组统一

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发表于 Post on 2024-3-7 18:36:38 | 只看该作者 Only view this author
XingXing09 发表于 2024-3-7 09:40
谢谢! 老师我还有个小问题  就是在算氧化势时 对于分子A得电子后变成A- 对A-进行第二步的高精度单点时是 ...

当且仅当负电荷足够集中时需要。例如负电荷如果集中在一两个原子上,那么需要加弥散;如果负电荷均匀地离域在上百个原子上,那么不需要加弥散;负电荷离域的范围介于这两个极端之间的情况,需不需要加弥散没有简单的标准,可以参考文献类似体系,如果参考了文献仍然不知道该不该加,就先加上,如果发现算不动或者出现SCF收敛困难,再考虑要不要去掉。
对,基组必须统一。所以你开始做一个计算项目的时候,就要预期到未来要不要算阴离子,不能只因为项目初期算的都是中性分子,就不加弥散,不然有一定概率将来要把之前的中性分子推倒重算
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发表于 Post on 2024-3-7 20:47:47 | 只看该作者 Only view this author
本帖最后由 XingXing09 于 2024-3-7 20:57 编辑
wzkchem5 发表于 2024-3-7 18:36
当且仅当负电荷足够集中时需要。例如负电荷如果集中在一两个原子上,那么需要加弥散;如果负电荷均匀地离 ...
  非常感谢老师的回复,所以说对于同一个体系即使是算阳离子求还原势的时候也要统一加弥散,那我假设对于某些分子体系计算时只是在算氧化还原势的时候会涉及阴离子,那么是否可以只是在算该性质时对于分子统一加弥散算单点而计算其他分子性质的时候不考虑呢,谢谢老师

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发表于 Post on 2024-3-7 21:11:53 | 只看该作者 Only view this author
XingXing09 发表于 2024-3-7 13:47
非常感谢老师的回复,所以说对于同一个体系即使是算阳离子求还原势的时候也要统一加弥散,那我假设对于 ...

这样的问题在于你计算的结果无法和其他计算的结果代入同一个公式,来算出其他你感兴趣的量。例如你计算了A + e- -> A-的还原电势,又计算了A + B -> AB的反应自由能,但前者加了弥散而后者没加,那么你没办法用这两个数据来计算AB + e- -> A- + B的还原电势,等于你能讨论的问题就会受限制。
如果你确定你不会遇到这类问题,那可以只对氧化还原电势的单点能计算加弥散
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发表于 Post on 2024-3-7 21:21:50 | 只看该作者 Only view this author
wzkchem5 发表于 2024-3-7 21:11
这样的问题在于你计算的结果无法和其他计算的结果代入同一个公式,来算出其他你感兴趣的量。例如你计算了 ...

明白了 感谢耐心回复!

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