溶媒効果評価 - TSテクノロジー

溶媒効果評価

既存の計算方法（溶媒和自由エネルギーの算出）

Monte Carlo(MC)シミュレーションやMolecular Dynamics(MD)法
多くが古典力場を用いている。
溶媒ポテンシャル等のパラメータが必要
量子化学計算結果となじみにくい

QM/MC法

各アンサンブルのエネルギーを、量子化学計算（QM）で算出．
溶媒ポテンシャル等のパラメータが不要．
溶媒分子と溶媒分子との構造的な関係が分かる．
但し、数十～数百回のQM計算が必要で、計算コストが高い．
FEP法と組み合わせ、溶媒効果自由エネルギーの算出が可能。（QM/MC/FEP法）
良好な結果が得られたため、数多くの反応の溶媒効果の評価を実施中

MO/MC法計算アルゴリズム

サンプリング方法
- メトロポリスの方法
計算モデル
- 第一溶媒和圏を包む液滴モデル、NPTアンサンブル
溶媒和エネルギーの算出
- 溶媒-溶質クラスタ（Δ E_aq）及び、溶媒クラスタ（Δ E_H2O）の2つエネルギーをステップ毎に計算
- Δ E_aqよりΔ E_H2Oを減算することで、溶媒和エネルギー（Δ E_sol）を算出する
- 界面効果、溶媒構造に起因するエネルギー差の排除

溶媒効果に関する理論的計算

溶媒効果を量子化学的に評価するための新手法QM/MC法を開発

T.Yamaguchi,M.Sumimoto,K.Hori,Chem.phys.Lett.,460,331-335(2008).

FEP法（QM/MC/FEP）

FEP法による計算

反応物～TS～生成物間のIRC（真空中）の各構造を接動構造として利用。
構造間の開きが大きい場合はZ-matrixを用いて補間。

計算方法

反応解析（QM計算）

メチルビニルケトン（MVK）とシクロベンタジエン（CP）のDiel-Alder反応
- 計算レベル：B3LYP/6-311+G^*
Cope脱離反応
- 計算レベル：MP2/6-311+G^*^*//B3LYP/6-31G^*

シミュレーション概要

モデル：液滴モデル　アンサンブル：NPTアンサンブル（29.15k,1atm）
溶媒分子数は、溶質（TS）とクラスタの体積及び、溶媒の密度より決定
各摂動構造において、40,000回のQMエネルギー計算を行って平均化差溶媒和自由エネルギー（⊿⊿G^sol）を算出。

QM/MC/FEP計算結果

相対的溶媒和自由エネルギーは、摂動構造に従って滑らかに遷移している。
各溶媒における溶媒和エネルギーの違いが明確に分かる。

Diels-Alder Reaction(MVK+CP)

Cope Elimination

Cope脱離反応の溶媒和自由エネルギー変化

Kemp Decarboxylation