Systematic improvement of empirical energy functions in the era of machine learning

静电学 化学 水二聚体 电势能 力场(虚构) 离子 库仑 相互作用能 二聚体 计算化学 化学物理 分子 能量(信号处理) 物理化学 物理 量子力学 氢键 有机化学 电子
作者
M. Devereux,Eric D. Boittier,Markus Meuwly
出处
期刊:Journal of Computational Chemistry [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/jcc.27367
摘要

Abstract The impact of targeted replacement of individual terms in empirical force fields is quantitatively assessed for pure water, dichloromethane (CHCl), and solvated K and Cl ions. For the electrostatic interactions, point charges (PCs) and machine learning (ML)‐based minimally distributed charges (MDCM) fitted to the molecular electrostatic potential are evaluated together with electrostatics based on the Coulomb integral. The impact of explicitly including second‐order terms is investigated by adding a fragment molecular orbital (FMO)‐derived polarization energy to an existing force field, in this case CHARMM. It is demonstrated that anisotropic electrostatics reduce the RMSE for water (by 1.4 kcal/mol), CHCl (by 0.8 kcal/mol) and for solvated Cl clusters (by 0.4 kcal/mol). An additional polarization term can be neglected for CHCl but further improves the models for pure water (by 1.0 kcal/mol) and hydrated Cl (by 0.4 kcal/mol), and is key for solvated K, reducing the RMSE by 2.3 kcal/mol. A 12‐6 Lennard‐Jones functional form performs satisfactorily with PC and MDCM electrostatics, but is not appropriate for descriptions that account for the electrostatic penetration energy. The importance of many‐body contributions is assessed by comparing a strictly 2‐body approach with self‐consistent reference data. Two‐body interactions suffice for CHCl whereas water and solvated K and Cl ions require explicit many‐body corrections. Finally, a many‐body‐corrected dimer potential energy surface exceeds the accuracy attained using a conventional empirical force field, potentially reaching that of an FMO calculation. The present work systematically quantifies which terms improve the performance of an existing force field and what reference data to use for parametrizing these terms in a tractable fashion for ML fitting of pure and heterogeneous systems.
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