Supramolecular Binding Thermodynamics by Dispersion‐Corrected Density Functional Theory

溶剂化 化学 密度泛函理论 从头算 热力学 隐溶剂化 色散(光学) 计算化学 统计物理学 分子 物理 量子力学 有机化学
作者
Stefan Grimme
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:18 (32): 9955-9964 被引量:1680
标识
DOI:10.1002/chem.201200497
摘要

The equilibrium association free enthalpies ΔG(a) for typical supramolecular complexes in solution are calculated by ab initio quantum chemical methods. Ten neutral and three positively charged complexes with experimental ΔG(a) values in the range 0 to -21 kcal mol(-1) (on average -6 kcal mol(-1)) are investigated. The theoretical approach employs a (nondynamic) single-structure model, but computes the various energy terms accurately without any special empirical adjustments. Dispersion corrected density functional theory (DFT-D3) with extended basis sets (triple-ζ and quadruple-ζ quality) is used to determine structures and gas-phase interaction energies (ΔE), the COSMO-RS continuum solvation model (based on DFT data) provides solvation free enthalpies and the remaining ro-vibrational enthalpic/entropic contributions are obtained from harmonic frequency calculations. Low-lying vibrational modes are treated by a free-rotor approximation. The accurate account of London dispersion interactions is mandatory with contributions in the range -5 to -60 kcal mol(-1) (up to 200% of ΔE). Inclusion of three-body dispersion effects improves the results considerably. A semilocal (TPSS) and a hybrid density functional (PW6B95) have been tested. Although the ΔG(a) values result as a sum of individually large terms with opposite sign (ΔE vs. solvation and entropy change), the approach provides unprecedented accuracy for ΔG(a) values with errors of only 2 kcal mol(-1) on average. Relative affinities for different guests inside the same host are always obtained correctly. The procedure is suggested as a predictive tool in supramolecular chemistry and can be applied routinely to semirigid systems with 300-400 atoms. The various contributions to binding and enthalpy-entropy compensations are discussed.

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