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[综合交流] 透彻认识氢键本质、简单可靠地估计氢键强度:一篇2019年JCC上的重要研究文章介绍

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发表于 2019-9-15 19:28:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
透彻认识氢键本质、简单可靠地估计氢键强度:一篇2019年JCC上的重要研究文章介绍

文/Sobereva@北京科音  2019-Sep-15

0 前言

氢键是最重要的分子内和分子间相互作用类型之一,尽管已经有巨量文章对其从各个角度进行探讨,但即便到现在依然是一个研究的热点,尚有很多未探究充分、透彻的问题。2019年9月,北京科音自然科学研究中心(http://www.keinsci.com)连同伊朗Islamic Azad大学以及捷克科学院的研究者,在J. Comput. Chem.期刊上发表了一篇名为Exploring Nature and Predicting Strength of Hydrogen Bonds: A Correlation Analysis Between Atoms-in-Molecules Descriptors, Binding Energy and SAPT theory的文章,DOI号是10.1002/jcc.26068。此文章利用量子化学计算和波函数分析,充分讨论了氢键的本质,并提出了新的氢键分类和估计氢键强度的方法,文章内容非常具有普遍意义,内容丰富,值得关注。下面就依次对此文章的亮点和重点做简明直白的介绍,更详细内容请阅读原文。此文中的波函数分析部分全部使用Multiwfn(http://sobereva.com/multiwfn)程序完成。

文章下载: Exploring Nature and Predicting Strength of Hydrogen Bonds-A Correlation Analysi.pdf (3.83 MB, 下载次数: 1457)

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发表于 2019-9-15 22:39:21 | 显示全部楼层
这是个很有意义的工作,两点看法:
1. 42个体系数量很多 但是谈不上全面. 2014年Weinhold提出了anti-electrostatic hydrogen bond在这个工作中一个都没有
比如一个简单的体系 [F...HOCO2]^2-
如果加上这种非典型的氢键,文章中的好几个拟合关系是否还成立?SAPT又会给出什么结论?

2. 这个工作只考虑了最简单的 A...B dimer类型的氢键体系 并得到了很多拟合关系
但是对于稍微复杂的体系,比如水团簇结构,从简单体系得到的结论要用到这些复杂的体系,可不可行,文章中并没有给出可靠证据
实际的化学研究中,很少有人会只合成一个dimer来研究,更多的是复杂的结构 (比如蛋白)——dimer周围还有其他影响因素
因此一定程度上,这个工作有误导性

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发表于 2019-9-15 23:50:46 来自手机 | 显示全部楼层
pyscf 发表于 2019-9-15 22:39
这是个很有意义的工作,两点看法:
1. 42个体系数量很多 但是谈不上全面. 2014年Weinhold提出了anti-elect ...

还有X-H...pi这类体系,不知道SAPT能否给出类似的结论?

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发表于 2019-9-16 07:41:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 beefly 于 2019-9-16 07:44 编辑

能量密度的正负有不同的物理意义,但是氢键分类里似乎未考虑。或者说,氢键临界点的能量密度是否应当都是负数(也许弱氢键除外)?

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发表于 2019-9-16 10:47:30 | 显示全部楼层
社长威武,朝着定量化分析氢键及其他弱相关作用又迈进了一大步。

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发表于 2019-9-16 11:04:02 | 显示全部楼层
granvia 发表于 2019-9-15 23:50
还有X-H...pi这类体系,不知道SAPT能否给出类似的结论?

X-H...π大概属于Weak to medium类(−2.5 to −14.0 kcal/mol),本质应该是Dispersion + Electrostatics类别。

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发表于 2019-9-16 11:07:14 | 显示全部楼层
原文的优化基组是ma-TZVPP,笔误?

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 楼主| 发表于 2019-9-17 02:59:16 | 显示全部楼层
pyscf 发表于 2019-9-15 22:39
这是个很有意义的工作,两点看法:
1. 42个体系数量很多 但是谈不上全面. 2014年Weinhold提出了anti-elect ...

1 你若感兴趣可以测试

2 这不是文本的考察范畴。氢键类型极多,pi氢键、二氢键、共振辅助氢键、协同氢键等等,不可能一篇文章把所有氢键类型全都纳入其中。网罗各种氢键,属于大型的氢键综述文章考虑的范畴
如果各种类型氢键体系全都混杂到一起计算讨论,内容会相当繁复、文章冗长,反倒没法对于最常见、典型的氢键的本质得到清晰、明确的结论。相对于本文考察的体系而言,本文中的论述没有误导性
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 楼主| 发表于 2019-9-17 03:01:47 | 显示全部楼层
ShuangfeiZhu 发表于 2019-9-16 11:07
原文的优化基组是ma-TZVPP,笔误?

没笔误。有何笔误?
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 楼主| 发表于 2019-9-17 03:08:17 | 显示全部楼层
granvia 发表于 2019-9-15 23:50
还有X-H...pi这类体系,不知道SAPT能否给出类似的结论?

虽然没有纳入文章的分析(要不然还得分门别类讨论内容太多了),但预计文中的结论也适用。
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 楼主| 发表于 2019-9-17 03:12:22 | 显示全部楼层
beefly 发表于 2019-9-16 07:41
能量密度的正负有不同的物理意义,但是氢键分类里似乎未考虑。或者说,氢键临界点的能量密度是否应当都是负 ...

可以看原文的表5,里面的H(r)是考察的体系的BCP处的能量密度。可见较弱、中等偏弱的都是正值,后面更强的都是负值。
顺带一提,这也再次反映出一个常见现象,也就是用H(BCP)符号是否为负值判断是否是共价作用过于宽松了。
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发表于 2019-9-17 04:35:03 | 显示全部楼层
工作很有意义

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发表于 2019-9-17 10:18:32 来自手机 | 显示全部楼层
sobereva 发表于 2019-9-17 03:08
虽然没有纳入文章的分析(要不然还得分门别类讨论内容太多了),但预计文中的结论也适用。

这个还有待探讨吧?

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发表于 2019-9-17 10:19:36 来自手机 | 显示全部楼层
yflchx 发表于 2019-9-16 11:04
X-H...π大概属于Weak to medium类(2.5 to 14.0 kcal/mol),本质应该是Dispersion + Ele ...

有文献支持你后面一条论断吗?

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发表于 2019-9-17 12:16:16 | 显示全部楼层
granvia 发表于 2019-9-17 10:19
有文献支持你后面一条论断吗?

Jan Rezac, Kevin E. Riley, and Pavel Hobza, J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2427–2438.

请查看Table 2 others部分。
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