COSMO溶媒和モデル

ペンタアクリレート分子の COSMO 表面 (赤 = 負、緑 = 正の平衡層)。

COSMO ^[1]^[2]（COnductor-like Screening MOdel）は、分子と溶媒との静電相互作用を決定する計算方法です。COSMOは誘電体連続体モデル^[1]^[3]^[4]^{[5] （連続溶媒和モデルとも呼ばれます）です。これらのモデルは、}計算化学で溶媒和効果をモデル化するために使用できます。COSMOは近年、これらの溶媒和モデルの一般的な方法になっています。COSMOの形式は、以前にHoshiらによって提案された方法に似ています。^[1]^[6] COSMOアプローチは、他の多くの誘電体連続体モデルと同様に、分子表面の表面セグメンテーションに基づいています^[3]（通常、「溶媒アクセス可能な表面」SASアプローチと呼ばれます）。

COSMO などの連続体溶媒和モデルは、各溶媒を誘電率を持つ連続体として扱います。連続体溶媒和モデルは、溶媒を分子空洞の外側の溶質分子を取り囲む誘電連続体で近似します。ほとんどの場合、これはファンデルワールス半径よりも約 20% 大きい半径を持つ原子中心の球の集合体として構築されます。実際の計算では、空洞表面は六角形、五角形、三角形などの線分で近似されます。 $\epsilon$

他の連続溶媒和モデルとは異なり、COSMO はスケール導体近似から、溶質の極性によって生じる連続体の分極電荷を導出します。溶媒が理想的な導体である場合、キャビティ表面の電位は消えなければなりません。分子内の電荷の分布が量子化学などからわかっている場合は、表面セグメントの電荷を計算することができます。有限の誘電率を持つ溶媒の場合、この電荷は約 1 倍低くなります。 $q^{*}$ $q$ $f(\varepsilon )$

q=f(\varepsilon )q^{*}.

その係数はおよそ $f(\varepsilon )$

f(\varepsilon )={\frac {\varepsilon -1}{\varepsilon +x}},

ここで、の値は中性分子の場合は0.5、イオンの場合は0.0に設定する必要があります。元の導出を参照してください。^[2] GaussianのCOSMOの一般的なC-PCM再実装では、の値が誤って0に設定されています。 $x$ $x$

このようにして決定された溶媒電荷と分子の既知の電荷分布から、溶媒と溶質分子間の相互作用のエネルギーを計算することができます。 $q$

COSMO法は、半経験的計算、ハートリー・フォック法計算、密度汎関数理論（量子物理学）計算など、分子の電荷分布を決定できる理論化学のすべての方法に使用できます。^[1]

バリエーションと実装

COSMO は、 ADF、GAMESS-US、Gaussian、MOPAC、NWChem、TURBOMOLE、Q-Chemなど、多くの量子化学コードや半経験的コードに実装されています。分極連続体モデルPCMの COSMO バージョンも開発されています^[要出典]。実装に応じて、キャビティ構造の詳細と使用される半径、分子表面を表すセグメント、および誘電スケーリング関数の値が変化する可能性があり、公開された結果の再現性に関する問題が発生することがあります。 $x$ $f(\varepsilon )$

他の方法との比較

分子の電荷分布の多重極展開に基づくモデルは、小さな準球状または楕円形の分子に限定されますが、COSMO 法には (他の多くの誘電体連続体モデルと同様に) 大きく不規則に形成された分子構造に適用できるという利点があります。

厳密な誘電境界条件を使用する分極性連続体モデル(PCM)とは対照的に、COSMO 法では近似スケーリング関数を使用します。スケーリングは近似ではありますが、いわゆる外れ電荷のより正確な記述を提供し、対応する誤差を削減することがわかりました。厳密な誘電境界条件と削減された外れ電荷誤差を組み合わせた COSMO と積分方程式形式 PCM (IEFPCM) の手法比較^[7]では、手法間の違いは実験的溶媒和データとの偏差に比べて小さいことが示されました。溶媒を連続体として扱い、水素結合や再配向などの効果を無視することによって生じる誤差は、さまざまな連続体溶媒和法の詳細よりも、実験データを再現する上で重要です。 $f(\varepsilon )$

参照

参考文献

^ abcd A., Klamt; G., Schüürmann (1993). 「COSMO: スクリーニングエネルギーとその勾配を明示的に表す溶媒中の誘電スクリーニングへの新しいアプローチ」J. Chem. Soc . 2 (5). Perkin Trans.2: 799–805. doi :10.1039/P29930000799.
^ ab Klamt, Andreas (2005).量子化学から流体相熱力学と医薬品設計へ。ボストン、マサチューセッツ州、米国: Elsevier。ISBN 9780444519948。
^ ab Herbert, John M. (2021-03-23). 「量子化学のための誘電連続体法」. WIREs Computational Molecular Science . 11 (4). arXiv : 2203.06846 . doi :10.1002/wcms.1519. ISSN 1759-0876. S2CID 233629977.
^ Cramer, Christopher J. (2004).計算化学の基礎: 理論とモデル(第 2 版). チチェスター、ウェストサセックス、イギリス: Wiley. ISBN 0-470-09182-7. OCLC 55887497。
^ Frank, Jensen (2017).計算化学入門. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-82599-0. OCLC 989360916.
^ ホシ、ハジメ;桜井実；井上芳雄；中條理一郎 (1987-07-15) 「分子の電子構造に対する媒質の影響 I. 異方性媒質に囲まれた分子の電子構造を推定するための理論の定式化」。化学物理学ジャーナル。87 (2): 1107–1115。Bibcode :1987JChPh..87.1107H。土井：10.1063/1.453343。ISSN 0021-9606。
^ Klamt, A.; Moya, C .; Palomar, J. (2015). 「IEFPCM および SS(V)PE 連続溶媒和法と COSMO アプローチの包括的な比較」。Journal of Chemical Theory and Computation。11 ( 9): 4220–4225。doi :10.1021 / acs.jctc.5b00601。PMID 26575917 。

[:0-1] A., Klamt; G., Schüürmann (1993). 「COSMO: スクリーニングエネルギーとその勾配を明示的に表す溶媒中の誘電スクリーニングへの新しいアプローチ」J. Chem. Soc . 2 (5). Perkin Trans.2: 799–805. doi :10.1039/P29930000799.

[:1-2] Klamt, Andreas (2005).量子化学から流体相熱力学と医薬品設計へ。ボストン、マサチューセッツ州、米国: Elsevier。ISBN 9780444519948。

[:3-3] Herbert, John M. (2021-03-23). 「量子化学のための誘電連続体法」. WIREs Computational Molecular Science . 11 (4). arXiv : 2203.06846 . doi :10.1002/wcms.1519. ISSN 1759-0876. S2CID 233629977.

[4] Cramer, Christopher J. (2004).計算化学の基礎: 理論とモデル(第 2 版). チチェスター、ウェストサセックス、イギリス: Wiley. ISBN 0-470-09182-7. OCLC 55887497。

[5] Frank, Jensen (2017).計算化学入門. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-82599-0. OCLC 989360916.

[6] ホシ、ハジメ;桜井実；井上芳雄；中條理一郎 (1987-07-15) 「分子の電子構造に対する媒質の影響 I. 異方性媒質に囲まれた分子の電子構造を推定するための理論の定式化」。化学物理学ジャーナル。87 (2): 1107–1115。Bibcode :1987JChPh..87.1107H。土井：10.1063/1.453343。ISSN 0021-9606。

[:2-7] ^ Klamt, A.; Moya, C .; Palomar, J. (2015). 「IEFPCM および SS(V)PE 連続溶媒和法と COSMO アプローチの包括的な比較」。Journal of Chemical Theory and Computation。11 ( 9): 4220–4225。doi :10.1021 / acs.jctc.5b00601。PMID 26575917 。