用MedeA对分子性质进行高通量的计算： PM7预测有机分子的振动频率、理想气体熵、热容和吉布斯自由能

1. 研究背景

预测大分子的物理化学性质具有很高的工业价值，但其仍是一项很大的挑战。使用量子化学方法可以确定理想气体的非常准确的热力学性质，包括可以计算流体的热力学性质，蒸汽压力，溶剂化热容量，溶解能，以及确定气相反应的化学反应能量和动力学参数等等。在该文章中，使用密度泛函理论（DFT）和半经验（SE）方法对795个有机分子的热力学性质进行计算，以及对实验和参考DFT数据执行的结果的详细统计分析。

2. 建模及计算方法

在本案例中，作者利用Welcome to MedeA Bundle的简化分子线性输入规范（SMILES）构建分子结构，再用MedeA-MOPAC模块中的半经验PM7的方法对分子进行结构优化，所有的振动频率和计算的热力学性质利用MedeA-MOPAC在刚性转子谐波近似中实现的。

    3．计算结果与讨论

作者通过MedeA-MOPAC模块对52个有机分子的振动频率计算并且和实验值进行比较（图1），从图1可以看出来在2500cm^-1以下的振动频率的计算值和实验值拟合的非常理想。

图1 对于52个有机分子在2500cm^-1以下振动频率的计算值和实验值的对比（(绿色：B3LYP/TZVP ,黑色：BP86/TZVP, 红色：PM7）

为了更好的评估计算值和实验值的的分布偏差，作者作者通过MedeA-MOPAC模块计算出的平均相对误差（ARDs）和均方根误差（RMSD）进行结果的说明，结果可见表1。从表1中我们可以看出来，相比于实验数据，PM7的振动频率的RMSD的改变并不大。PM7（U）和PM7（S）在低频和高频处具有相当的RMSD。在高频区，PM7（s）的RMSD比DFT方法的大约4.5，并且略差于PM7（U）。

表1：对于52个有机分子的计算值和实验值对比的ARD和RMSD

为了核查PM7方法是否可以扩展到其他分子，作者通过MedeA-MOPAC模块评估了795个有机分子的振动频率，其结果可见图2。相比于BP86/TZVP，B3LYP/TZVP 和PM7(S)的ARD（RMSD）分别是0.7(5.0) % 和1.2(12.1) %。

图2 对于795个有机分子，与BP86/TZVP相比，计算值（绿色：B3LYP/TZVP、蓝色：PM7(S)）的振动频率的误差

图3列出了与实验值相比较， MedeA-MOPAC模块计算160个有机分子的四种方法计算的结构优化和频率分析中获得的C_p值误差偏离。从图中可以看出，在大于300K时，不同方法的RMSD都小于1%，在低于300K的时候，误差在2%—4%之间。

图3 对于160个有机化合物的理想气体的恒压热容C_p的实验值和计算值（绿色B3LYP/TZVP, 黑色 BP86/TZVP、红色 PM7(U)、蓝色 PM7（S））的ARD(实线)以及RMSD（交叉）

对于795个有机分子的熵值的比较可见图4（MedeA-MOPAC模块），图中呈现的是DFT（B3LYP绿色）、半经验（PM7（U）红色和PM7（S）在蓝色）与BP86 / TZVP的比较的ARD（实线）和RMSD（交叉），由图可知，从200K到1000K ，PM7（U）的RMSD从7%降低到5%，PM7(S)的RMSD会比PM7（U）小1%左右。

图 4  对于795有机分子的理想气体熵， DFT（B3LYP绿色）和半经验（PM7（U）红色和PM7（S）在蓝色）与BP86 / TZVP的比较的ARD（实线）和RMSD（交叉）

作者利用MedeA-MOPAC模块计算了在200K到1000K的795个有机分子的吉布斯自由能的比较（图5），由图可知，PM7(S) 和PM7(U)的RMSD较小，在200K到1000K之间，PM7（s）的计算结果较PM7（U）都小一点。另外，想对于BP86/TZVP来说，在200K—1000K时，PM7半经验方法的ARD 大概从−5 kJ mol⁻¹ 到 −12 kJ mol⁻¹。

图 5  对于795有机分子的吉布斯自由能， DFT（B3LYP绿色）和半经验（PM7（U）红色和PM7（S）在蓝色）与BP86 / TZVP的比较的ARD（实线）和RMSD（交叉）

    4．总结与展望

在本篇文献中，作者为了验证MedeA-MOPAC中的PM7半经验的方法的准确性，将其和实验值以及DFT的计算值进行对比。利用PM7计算795有机分子在200 K和1000 K之间振动频率和热力学性质即零点能量和理想气体恒压热容，并进行了结果的统计分析。然后对熵值进行计算，发现在300K到1000K时，PM7的误差（RMSD）是4%到5%之间。就吉布斯自由能而言，在300K和1000K时，PM7和DFT计算值相比，RMSD分别是15 kJ.mol^-1和30 kJ.mol^-1。

    5．参考文献：

Rozanska X, Stewart J J P, Ungerer P, et al. High-throughput calculations of molecular properties in the MedeA environment: Accuracy of PM7 in predicting vibrational frequencies, ideal gas entropies, heat capacities, and Gibbs free energies of organic molecules[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 2014, 59(10): 3136-3143.

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