做显式溶剂化时搭建显式溶剂层的显式溶剂分子个数需要严格按照实验吗？

WaterMirror

尊敬的各位老师好:
    我想使用显式溶剂化对某一个反应进行详细的计算。但是我不太确定做显式溶剂化的时候，搭建显式溶剂层溶剂分子时，显式溶剂分子的个数需要严格按照实验来吗？
    我根据实验的投料量与所用溶剂的密度体积计算。发现一个核心分子周围要加上 767个溶剂分子。这会不会溶剂分子太多了啊？
    如果溶剂分子太多，如何合理的，按照目前学术界接受的方式简化模型呢？
                                                                                                                                                         谢谢各位老师！

2877321934

肯定是不用这么严格的，767个溶剂分子，根本不可能算得动。如果说是溶剂分子明显参与反应，比如说质子溶剂可能通过氢键来影响反应，可以在反应位点放上溶剂分子，再使用隐式溶剂模型。如果说不参与反应，其实用隐式溶剂模型基本上也够了。如果你觉得不够详细，也可以用QM/MM来模拟溶剂层，计算量也不小，但至少算得动，可能更能达到你说的详细计算。

wzkchem5

分几种情况：
（1）研究气相里的溶剂化团簇。此时需要按实验的数目加溶剂分子，且不加隐式溶剂模型。
（2）研究溶液相过程。此时只需要在溶质和溶剂相互作用比较强的地方加溶剂分子（比如形成强氢键的地方，或者和溶剂配位的金属中心），对于高精度的计算可以把整个溶质包一层，只有很少情况下才需要包两层。更外面用隐式溶剂模型。因为加了隐式溶剂模型，所以等效地考虑了外面的溶剂。这里加显式溶剂的目的在于描述那些隐式溶剂模型不能准确描述的溶剂。

2877321934

wzkchem5 发表于 2024-12-31 18:04
分几种情况：
（1）研究气相里的溶剂化团簇。此时需要按实验的数目加溶剂分子，且不加隐式溶剂模型。
（2 ...

请教老师一个问题，关于老师您回答的第一点我有疑惑，倘若真的按照您说的按实验的数目加分子，溶剂分子会不会很多以至于算不动或者团簇构象很难搜全，还是说需要根据研究的目的，不能单纯盲目按照实验呢？比如说我曾经接过一个跟大气环境化学的实验组的合作计算，虽然由于实验组催得太急，一个多月就死我手上了，我们当时研究的是水-气两相界面的大气气溶胶（应该也属于您说的气相里的溶剂化团簇），我就使用molclus对我要研究的大气VOCs进行团簇构象搜索，我只考虑了1，2，3个水分子跟VOCs形成的团簇，然后进行构象搜索，我也有看到相关文章的报道跟我一样的做法的，比如下图仅考虑了1和2个水分子，再考虑更多似乎也没太大意义，毕竟水分子能形成氢键的位点就那么点大。

wzkchem5

2877321934 发表于 2024-12-31 14:05
请教老师一个问题，关于老师您回答的第一点我有疑惑，倘若真的按照您说的按实验的数目加分子，溶剂分子会 ...

算界面又是另一个问题了，严格的做法确实要考虑比较多的溶剂分子，离溶质远的溶剂分子可以用MM处理。
一般说界面，更多指的是溶剂分子数足够多，比如至少几百个，以至于溶剂表面和纯溶剂液体的表面差不多。团簇指的是溶剂分子数很少的情况。得根据实际实验条件下是只有几个水分子还是几百几千个水分子，来判断该怎么算

2877321934

wzkchem5 发表于 2025-1-1 03:07
算界面又是另一个问题了，严格的做法确实要考虑比较多的溶剂分子，离溶质远的溶剂分子可以用MM处理。
一 ...

明白了，十分感谢老师的详细解惑

WaterMirror

wzkchem5 发表于 2024-12-31 18:04
分几种情况：
（1）研究气相里的溶剂化团簇。此时需要按实验的数目加溶剂分子，且不加隐式溶剂模型。
（2 ...

王老师您好！我最近咨询了一下我在国际知名计算化学组做机理的朋友。他跟我说在显式溶剂化下算过渡态其实是没有什么意义的。因为这个时候温度是0K。定位出TS其能量审稿人也不认可。他说只要开始做显式溶剂化了就必须结合AIMD跑动力学了。还想咨询一下您是这样嘛？在显式溶剂化下定位TS，计算其能量真的完全没有意义嘛？

wzkchem5

WaterMirror 发表于 2025-1-3 15:50
王老师您好！我最近咨询了一下我在国际知名计算化学组做机理的朋友。他跟我说在显式溶剂化下算过渡态其实 ...

加显式溶剂的优点在于溶质-溶剂相互作用能描述得比较准，也就是焓比较准。缺点在于（1）熵不容易算准，这又分为两个原因（1a）体系有很多构型，需要做充分的构型搜索才能算出构型熵，（1b）每个构型都有频率很低、非谐振效应很明显的振动模，导致每个构型各自的熵也不好算准；（2）如果溶剂分子的位置不是根据构型搜索确定的，容易给人“可操作空间”，也就是作者“想把能垒算低”，就可以故意把溶剂分子摆成有利于反应（但并非能量最低）的构型。
所以，做显式溶剂化且不做MD的话，必须做构型搜索，以确保没有遗漏重要构型，以及不让审稿人怀疑你的溶剂分子构型是为了把能垒“算低”而特意摆出来的。这样就解决了问题（1a）和（2）。问题（1b）靠QRRHO可以有所缓解，但是假如溶剂分子极其多，例如好几十个，QRRHO的误差也可能会大到不可接受。
如果做显式溶剂化并且做MD，那么MD相当于替你做了构型搜索，此外（1b）也可以很好地解决。主要缺点是计算量大，结果有随机误差，且如果要研究比较慢的反应（例如ns及以上的时间尺度）往往需要增强采样，工作量很大。
至于能量是否有意义，我的观点是当溶剂分子数足够少时，过渡态的能量最低构型的能量是有意义的，自由能也是有意义的。例如如果只有一个溶剂分子的话，你算的就是溶质过渡态和溶剂的非共价复合物，显然不可能说非共价复合物的能量没有意义；溶剂分子有两个、三个，相比一个溶剂分子也不会有质变。但如果溶剂分子数很多，过渡态的构型数会指数增加，这时会导致大部分情况下反应并不是从活化能垒最低的途径走的。例如假如过渡态有1000个构型，1个自由能垒20kcal/mol，9个自由能垒21kcal/mol，990个自由能垒22kcal/mol，此时可以发现在室温下反应大部分走22kcal/mol的能垒，因为反应路径的数目的影响超过了反应难度的影响，此时你只找到20kcal/mol的过渡态，根据这个过渡态讨论如何改善反应速率等等，就容易得到错误的结论。但是如果你把过渡态的所有重要构型都找到了，那么我认为所有这些构型的自由能作为一个整体是有意义的，前提是恰当考虑了非谐性效应。

WaterMirror

wzkchem5 发表于 2025-1-4 21:09
加显式溶剂的优点在于溶质-溶剂相互作用能描述得比较准，也就是焓比较准。缺点在于（1）熵不容易算准，这 ...

哦哦哦 谢谢王老师！太感谢您了！您说的太详细了！非常感谢您！

TinnKuka

wzkchem5 发表于 2024-12-31 18:04
分几种情况：
（1）研究气相里的溶剂化团簇。此时需要按实验的数目加溶剂分子，且不加隐式溶剂模型。
（2 ...

老师好，我正在用orca计算亲核进攻反应的能垒，反应物A是RO-P(O)(R)-NR, B是NR’， 比率大概是A：B=1：1.2。目的是对比两个反应方向（生成R'N-P(O)(R)-NR 和 RO-P(O)(R)-NR') 的难易程度。反应是在溶液相进行，所以我用了隐式溶剂模型cpcm（使用B的介电常数），然后在1个A和1个B的系统中多加入了一个B分子靠近反应位点。然后再通过optTS或者NEB找过渡态，计算出来两个能垒大约是53和50kcal/mol，请问这样的计算合理吗？

wzkchem5

TinnKuka 发表于 2025-4-2 16:04
老师好，我正在用orca计算亲核进攻反应的能垒，反应物A是RO-P(O)(R)-NR, B是NR’， 比率大概是A：B=1：1. ...

考虑了酸催化、碱催化、氢键催化了吗？
做显式溶剂化了吗？

TinnKuka

wzkchem5 发表于 2025-4-3 10:19
考虑了酸催化、碱催化、氢键催化了吗？
做显式溶剂化了吗？

实验组认为这个反应不需要酸/碱催化，所以我直接用NR‘进攻反应物。显式溶剂化您是指像http://sobereva.com/406这样加溶剂层包裹两个反应物分子吗？

wzkchem5

TinnKuka 发表于 2025-4-3 18:04
实验组认为这个反应不需要酸/碱催化，所以我直接用NR‘进攻反应物。显式溶剂化您是指像http://sobereva.c ...

对，但未必需要包一整层，只画出那些和反应物形成氢键的溶剂分子就够了
此外什么叫NR'？你想说的是H2NR'吧？A是不是也少写了一个氢，RO-P(O)(R)-NHR？
有没有考虑这个反应可能是SN1机理，RO-P(O)(R)-NHR先消除ROH变成P(O)(R)=NR，再接受H2NR'的进攻？

TinnKuka

wzkchem5 发表于 2025-4-3 20:25
对，但未必需要包一整层，只画出那些和反应物形成氢键的溶剂分子就够了
此外什么叫NR'？你想说的是H2NR' ...

是的我省略了H没写。谢谢老师，我确实没算SN1反应机理，我先试试这个。