Open: Мастер-класс: Моделирование реакции

Введение

В данном мастер-классе/мануале я покажу вам как смоделировать реакцию от экспериментальных данных до нахождения механизма реакции.

Что будет в мастер-классе:

• Составление ментальной модели реакции
• Предложение механизма реакции
• Выбор приближений
• Построение структур в Chemcraft и составление инпут-файлов для ORCA
• Запуск расчетов и анализ получившихся файлов
• (Возможно) Нестандартные типы расчетов (IRC, NEB)

Чего не будет

• Конформационного поиска (по нему есть свой мануал, и не один)
• Перевода с теоретического на химический (тоже есть свой мануал)

Реакция взята отсюда [pdf], все данные в статьей есть, поэтому если захотите подсмотреть, всегда сможете это сделать. В самом мастер-классе я постараюсь свести подсказки к минимуму и даже в конце не приведу финальный механизм, посмотрите в статье

Даже если вы не будете читать дальше, скажу самое главное в моделирование реакций: 1) внимательно изучите экспериментальные данные 2) читайте мануал используемой программы 3) иногда эксперимент или экспериментаторы могут ошибаться 4) иногда расчет или расчетчики могут ошибаться

Задача

Рисунок 1. Изучаемая реакция

Есть два соединения, содержащих комбинацию фрагментов хиназолинона и цимантрена (4 и 3). В ацетонитриле происходит отщепление одной молекулы CO и реакция получающегося 16e комплекса с молекулой растворителя. В бензоле соединение 4 реагируют в соответствии с нашими ожиданиями, в результате чего образуется хелат 6, со связью Mn-O. В то же время реакция с соединением 3 не приводит к продукту 5, а вместо этого получается смесь 4 и 6. Это подтверждается спектрами ИК, ЯМР и УФ спектроскопии. Насколько нам известно, этот фотохимический перенос цимантренильной группы от кислорода к азоту является первым литературным примером, когда цимантрен сохраняет все три карбонила при фотовозбуждении. Надо понять, почему это так происходит, то есть предложить механизм реакции из 3 в 4. Предложить механизм это локализовать все минимумы (0 мнимых частот) и ПС (1 мнимая частота, отвечающая реакции) и найти все энергии активации (показать, константы скорости соответствует эксперименту) и свободные энергии Гиббса (показать, что процесс разрешен).

Что понадобится

• Доступ к боту
• Chemcraft
• Notepad++
• Chemdraw
• (Опционально) Python/Excel/Photoshop для построения энергетического профиля реакции

Порядок действий

Так как это мастер-класс я сделаю несколько подсказок. Для начала предложу вам три гипотезы протекания процесса

1. Термическая природа с простой миграцией CH₂ от азота к кислороду
2. Реакция с сохранением всех 3 CO и участием марганца
3. Реакция, начинающаяся с удаления одного CO, перегруппировкой и возвращением марганца

Вам нужно нарисовать в Chemdraw предполагаемый механизм, по одной (или нескольким) моделям. Он должен начинаться с 3 и заканчиваться 4. Постарайтесь применить свои знания химии, посмотреть в статьях. Я прикрепляю файл с своими механизмами.

Теперь нужно построить структуру в Сhemcraft. Напомню, чем ближе начальная (нарисованная вами) геометрия к настоящей, тем быстрее расчет закончится (да и вообще выше шанс, что найдет правильную геометрию успешно). Если вы рисуете все плоским и очень искаженным, не удивляйтесь, что расчеты идут долго и не находят нужную геометрию. Чтобы нарисовать наиболее правдоподобную геометрию иногда необходимо изучить рентгены похожим структур и статьи про них. Помните однако, что структура в кристалле не всегда соответствует структуре в растворе

Теперь надо выбрать приближения

• Метод (не забыть про полуэмпирическую поправку)
• Базис
• Учет сольватации
• Метод расчета энергии (свободная/электронная)

Если это готово, можно делать инпут-файл. Прикрепляю пример, который получился у меня, в него можно подсмотреть. Минимум, Переходное состояние, оптимизация с констрейном (не забывайте делать ее перед поиском ПС, а также помните, что в орки нумерация с нуля начинается)

Поздравляю, инпут-файл готов, можете отправлять его боту и ждать ответ. Какие варианты мы можем получить

1. Все хорошо, все посчиталось, геометрия выглядит, как мы хотим, в минимуме нет мнимых частот, в переходном одна мнимая, отвечающая реакции. В таком случае можно смотреть на энергии (Final Gibbs free energy), найти энергии активации и оценить константы скорости и реакции, чтобы сделать вывод о возможности протекания реакции через исследуемый механизм. Напомню, что при комнатной температуре энергии активации не должна превышать 25 ккал/моль, чтобы реакция шла. Если у одной из стадий энергия больше 25 ккал/моль есть концептуально четыре причины
   • Слишком высокая энергия максимума (ПС). Главная причина - не минимальная конформация
   • Слишком низкая энергия минимума. Вы спросите, может ли такое быть. Да, может. Структура, которую вы нашли как минимальную может не существовать реальности. Например, вы координировали лиганд на металл бидентатно, хотя в реальности одну из вакансий занимает растворитель.
   • Неправильно рассчитаны энергии. То есть подвело одно из приближений. Может базис слишком маленький или нужен явный учет растворителя.
   • Вы посчитали все правильно, но изначальна модель реакции неправильная и не может описать поведение системы.
2. Расчет упал и выдал техническую ошибку. Ошибок в расчете может быть великое множество и обсуждать их все я не хочу. Если вы не понимаете смысл ошибки, можете мне писать, да и в целом, если хотите моделировать реакции присоединяйтесь к друзьями нашей группы, я устраиваю созвоны раз в неделю, отвечая на вопросы. Частыми причинами ошибок могут служить: плохая начальная геометрия, неправильный заряд и мультиплетность, ошибка в инпуте, недостаток памяти (можно увеличить параметром %maxcore 3000, то есть выделить на каждое ядро по 3ГБ оперативной памяти). Исправив ошибку переставьте расчет
3. Расчет свелся куда-то не туда или вообще не свелся. Тут опять-таки может быть множество проблем, поэтому дам лишь пару советов
   • Плохая начальная геометрия, слишком "далеко от правды". Попробуйте либо взять последнюю геометрию из расчета, либо сделать предоптимизацию, либо просто перестройте получше
   • Вы уже находитесь очень близко к минимуму или максимуму. Кроме того критическая точка не выражена. То есть расчет постоянно "перепрыгивает" правильную геометрию. В таком случае имеет смысл поиграть с параметром maxstep, изменить шаг расчет.
   • Часто при поиске ПС
   • Того, что вы ищете нет. Программа может не найти минимум или ПС, потому что его не существует даже на бумаге. Как отличить этот исход от, например, прошлого? Короткий ответ - легко, никак. Для этого нужен опыт в теоретической химии и знания в синтетической (о механизмах и законах). Кроме того обычно приходится перепробовать несколько вариантов свести расчет, чтобы более-менее убедить себя, что искомой структуры нет. Самый "простой" способ выйти из этого положения - найти правильную структуру, согласующуюся со всеми данными или полностью опровергнуть модель, на которой построен поиск этого несуществующего соединения
   • Попробуйте воспользоваться другим методом поиска ПС или минимума. Во-первых, примените оптимизацию с констрейном, если не сделали этого. Если ищите ПС и у вас есть реагент и продукт можно сделать NEB (Nudged Elastic Band). Этот метод "соединяет" два минимума, пытаясь найти максимум на потенциальной кривой, тем самым получая ПС. Если у вас получилось какое-то ПС, но мнимая частота не совсем "понятная", то есть не очевидно, какие два минимума соединяет это ПС можно сделать IRC (Intrinsic Reaction Coordinate), которое как раз находит реагент и продукт, соединённые вашим ПС

Если все проблемы решены, все стадии механизма локализованы, а энергии сходятся с экспериментом можно делать вывод и протекании реакции и нарисовать е профиль, то есть отобразить все стадии на картинке и подписать энергии. Прикрепляю ниже пример профиля своего коллеги, мой можно найти в статье, но тогда вы узнаете ответы!

Профиль реакции

Еще немного советов:

Если у вас есть много конформеров стартовой молекулы (СМ) и переходного состояния (ПС), то для определения энергия активации реакции достаточно просто посчитать разницу между минимальными по энергии конформерами СМ и ПС. Работает это, правда, только если эти конформации легко переходят друг в друга, но чаще всего это условие выполняется.