目的：介绍用Forcite计算溶剂化自由能的方法。

所用模块：Forcite Plus、COMPASS、Amorphous Cell

背景

将溶质从气相转移到溶剂的自由能称为溶剂化自由能，这个概念对于理解大量的化学和物理过程非常重要。例如，它可以决定溶解度，即当溶剂与溶质蒸汽接触时，溶剂溶解在溶剂中的量。了解一种化合物在两种或两种以上溶剂中的相对溶解度是设计溶剂萃取工艺（一种主要的液相分离技术）的关键。相对溶解度最常使用的参数是log P，它量化了化合物在水和正辛醇中的分配比例。log P 为正值表明溶质优先在正辛醇中溶剂化，这是非极性化合物的典型特征。log P 被广泛用于预测药物的吸附程度以及体内农药和环境毒素的活性。

可以使用热力学积分方法直接模拟出溶剂化自由能。在该方法中，溶质与溶剂的相互作用通过若干步从零逐渐增加到完全相互作用（反之亦然）。对于每个耦合强度，进行模拟并计算溶剂化自由能的导数。在计算所有导数之后，可以得到自由能作为积分。由于每一步都需要长时间的模拟计算（通常为100 ps），自由能计算非常昂贵。

实际上，将通过三次计算运行执行溶剂化自由能计算：

从真空中的溶质分子开始，电荷逐渐减少到零，同时保持所有其他相互作用不变。这个过程中的自由能变化称为理想贡献。

然后，通过几个步骤打开范德华相互作用，将无电荷分子与溶剂耦合。这个过程中的自由能变化称为范德华贡献。

最后，在溶质分子上重新引入电荷，溶质分子现在浸没在溶剂中。这一步的自由能是静电贡献。然后，总溶剂化自由能为理想、范德华和静电贡献之和。

介绍

本教程介绍如何执行溶剂化自由能计算。可以计算丙酸在正辛醇中的溶剂化自由能。丙酸是一种液体脂肪酸，天然存在于汗液、乳制品和细菌发酵产物中。它常以丙酸盐的形式作为面包中的防霉剂和香水中的成分。

本教程计算辛醇中的溶剂化自由能。结合水的实验溶剂化自由能-6.36 kcal/mol (Wolfenden, 1981)，可以确定丙酸的log P 值。

注意：由于本教程中的计算需要非常长时间的模拟运行，因此提供了长时间输出构型的计算结果以供比较。示例工程SolvationFreeEnergy.stp位于Materials Studio安装目录下的share\Examples\Projects\Forcite文件夹中。

对于非管理员的Windows用户，可以将SolvationFreeEnergy.stp工程和相关的SolvationFreeEnergy_Files文件夹复制到具有写入权限的位置。然后打开SolvationFreeEnergy.stp工程的新副本。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 绘制丙酸和正辛醇的分子构型

• 含有丙酸分子的正辛醇无定形晶胞的构建

• 平衡结构构型

• 运行溶剂化自由能计算

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新工程。

打开New Project对话框，输入SolvationFreeEnergy作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以SolvationFreeEnergy为工程名显示于Project Explorer中。

2、绘制丙酸和正辛醇的分子构型

首先，构建丙酸的分子结构：

从菜单栏中选择File | New...，打开New Document对话框。选择3D Atomistic，单击OK按钮。

将文档重命名为Propionic acid。

使用Sketch工具条上的工具，绘制丙酸分子，确保单击调整氢原子（加氢）和结构整理按钮。在文档中单击鼠标右键，然后选择Display Style，打开Display Style对话框。在Atom选项卡中，Display style选择CPK并关闭对话框。

为了为后续计算准备分子结构，应使用电荷组优化几何结构。一旦定义了电荷组，它们就可以在后续计算中使用，而无需重新计算。

从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation，打开Forcite Calculation对话框。将Task更改为Geometry Optimization。

在Energy选项卡上，选择COMPASSIII作为Forcefield。确保Charges设置为Forcefield assigned。将Electrostatic和van der Waals求和方法更改为Group based。

单击Forcefield后的More...按钮，打开Forcite Preparation Options对话框。单击Charge groups后的More...按钮，打开Forcite Charge Groups对话框。对于Method，选择Divide-and-conquer。关闭对话框。

单击Run按钮，开始计算任务。

将在Project Explorer中创建一个新文件夹Propionic acid Forcite GeomOpt。当计算结束后，在新文件夹中存储了优化过的结构。输出结构分配了COMPASS电荷，并分成中性的电荷组。可以通过用Charge Group给分子着色，并用Charge标记原子来验证这一点。

对正辛醇使用相同的过程：

选中工程根目录，创建一个新的3D原子结构文档3D Atomistic Document，将其重命名为n-Octanol。

绘制一个正辛醇分子，保留其显示模式为默认设置。

如前所述，使用电荷组执行几何优化。这将使用与上面相同的设置，因此可以立即开始计算。

确保n-Octanol.xsd是当前文档，单击Forcite Calculation对话框上的Run按钮以启动计算。关闭对话框。

这将在Project Explorer中创建一个新文件夹n-Octanol Forcite GeomOpt。计算完成后，该文件夹中包含分配了电荷组的优化后结构。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

3、含有丙酸分子的正辛醇无定形晶胞的构建

接下来，使用Amorphous Cell模块创建溶剂化自由能计算的输入结构。该结构包含一个丙酸分子和几个溶剂分子。

从菜单栏中选择Modules | Amorphous Cell | Calculation，打开Amorphous Cell Calculation对话框。

在Composition列表中，单击Molecule列，从下拉列表中选择优化后的结构，即Propionic acid Forcite GeomOpt文件夹中的Propionic acid.xsd文件。确保Loading是1。

单击下一行，选择优化后的结构n-Octanol.xsd。将正辛醇Loading设置为100。

正辛醇密度的实验值是0.824 g/cm³。以该密度构建体系，盒子长度约为3 nm。在Amorphous Cell计算中使用与在Forcite中相同的能量设置。

在Setup选项卡中，将Density定义为0.824。单击Options...按钮，打开Amorphous Cell Options对话框。勾选Include non backbone torsions复选框，关闭对话框。

在Energy选项卡中，从Forcefield下拉列表中选择COMPASSIII。选择Group based作为Electrostatic 的求和方法。

在Project Explorer中选择工程根目录，单击Run按钮，开始计算任务。关闭对话框。

注意：由于输入结构上存在有效的电荷组，Amorphous Cell不会重新将其进行计算；不需要取消自动计算电荷组。范德华相互作用的基于电荷组截断Group based的求和方法在Amorphous Cell中是不可用的，可以用基于原子截断Atom based的求和方法来代替。

将在Project Explorer中创建一个新文件夹Propionic acid AC Construct。计算完成后，该文件夹的轨迹文档中将包含溶剂化分子结构。Amorphous Cell总是输出一个轨迹文档，从而方便存储多帧构型。但是，在下例中，处理结构文档更方便，因此先复制结构。

选中工程根目录，创建一个新的3D原子结构文档3D Atomistic Document，将其重命名为PA_nOct。

右键单击Amorphous Cell结构Propionic acid.xtd，选择Copy。右键单击新文档PA_nOct.xsd并选择Paste。

在继续之后的步骤之前，保存并关闭所有打开的文件。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

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