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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 计算模拟区 » 量子化学 » 量化新手直通车 » 想问问uu们，物质质子化前后能量变化怎么计算？
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Full_light

新虫 (小有名气)

[交流] 想问问uu们，物质质子化前后能量变化怎么计算？

就比如含两个氮原子的芳香杂环化合物（例如吡嗪），怎么计算质子化前、一个氮原子质子化、两个氮原子质子化的能量变化呢？
我还是新手，之前没啥计算实操，希望大佬在介绍一下使用的软件
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1楼 2024-07-17 10:46:32
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chenhuanlong

禁虫 (文学泰斗)
★
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5楼2024-07-17 11:20:08
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wdwd123

铁杆木虫 (职业作家)
★
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dafsfds
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13楼2024-07-17 15:58:56
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paramecium86

版主 (著名写手)
★
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计算一个过程的能量变化比如说 A+B--> C过程 要把A 和 B和C分别优化出来得到能量之后用C的能量减去A和B的能量就可以了。 这种用高斯就可以了。
那对于质子化的过程就是类似于这种的过程。
质子化前的能量和质子化后的分子的能量通过量化计算算出来先。然后还需要知道质子的能量 才可以算出这个过程的能量。 这个通过计算得不到质子的热力学量 （质子自己的电子能是0）  需要查文献   比如这些文献给出了 质子在气相里的能量 J  Phys.Chem.A.118.11090 (2014)、J. Chem. Theory Comput..9. 3165(2013)。298K,1atm气相下: 质子的自由能和焓分别是
G(H+)=-26.3101 kJ/mol   H(H+)=6.1394 kJ/mol  溶剂里的话还需要加上溶解自由能这个可以看这个文献  J. Phys. Chem. B, 110, 16066 (2006)，数值是-265.9 kcal/mol
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14楼2024-07-17 16:56:52
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czyzsu

专家顾问 (文坛精英)
★
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计算能量变化的基本步骤
计算含两个氮原子的芳香杂环化合物（例如吡嗪）在质子化前后的能量变化，通常需要遵循以下步骤：

选择合适的计算化学软件：根据搜索结果，Gaussian是一款功能强大的计算化学软件，可以进行从头算和半经验DFT计算，适用于研究分子的能量与几何结构、反应过渡态的能量与几何结构等。

构建初始几何构型：使用化学绘图软件如ChemDraw或ChemSketch构建吡嗪的初始结构，并确保正确地放置氢原子和氮原子的位置。

优化几何构型：将构建的结构导入Gaussian，进行能量最小化计算以获得优化的几何构型。

计算质子化状态的能量：逐步将氢离子添加到吡嗪的氮原子上，每次质子化后重新进行能量最小化计算，以获得质子化态的稳定构型和能量。

计算能量差：计算不同质子化状态之间的能量差异，这些差异即为质子化过程的能量变化。

使用软件进行计算的具体操作
在Gaussian中进行计算，需要编写输入文件（.gjf文件），该文件包含了分子的几何构型信息、所需的计算级别和方法等。计算完成后，Gaussian会生成输出文件（.log文件），其中包含了计算结果，包括能量、频率分析等信息。通过比较不同质子化状态的能量，可以得到质子化前后的能量变化。

注意事项
在进行计算之前，需要确保所选用的基组和函数能够准确描述分子的电子结构。
计算时可能需要考虑溶剂效应，这可以通过使用溶剂模型来模拟。
对于复杂的反应机理研究，可能需要进行势能面扫描或过渡态搜索等高级计算。
以上步骤和注意事项是基于搜索结果中提供的信息，并结合计算化学的常规操作流程。在实际操作中，可能需要根据具体的研究目标和分子系统调整计算细节。

深入研究
如何在Gaussian软件中设置溶剂模型以模拟吡嗪的质子化过程？
Gaussian软件中设置溶剂模型的步骤
在Gaussian软件中模拟吡嗪的质子化过程时，您需要设置合适的溶剂模型来模拟溶剂环境对质子化过程的影响。以下是设置溶剂模型的一般步骤：

选择合适的溶剂模型：根据您的研究目的，选择一个合适的隐式溶剂模型，如SMD（Solvation Model based on Charges and Dielectric）或IEFPCM（Implicit Solvent Model using Poisson-Boltzmann Equation and Charge Distribution）。这些模型可以在Gaussian的SCRF关键字中指定，例如 scrf=(SMD,solvent=ethanol) 或 scrf=(IEFPCM,solvent=water)。

定义溶剂参数：在SCRF关键字中，您可以通过 read 命令后跟溶剂参数的定义来自定义溶剂或混合溶剂的介电常数和无限介电常数。例如，eps=23.0 和 epsinf=3.3 分别代表溶剂的静态和动态介电常数。

设置计算级别：选择适合您研究的计算方法和基组。这可能包括密度泛函理论（DFT）、从头计算（ab initio）方法或半经验方法，以及相应的基组大小。

运行计算：在Gaussian输入文件中设置好所有必要的关键字和参数后，提交计算任务。Gaussian将使用您指定的溶剂模型来执行计算。

分析结果：计算完成后，分析输出文件中的能量、电荷分布和其他相关数据，以了解溶剂对吡嗪质子化过程的影响。

请注意，这些步骤是基于搜索结果中提供的信息，并假设您已经熟悉Gaussian软件的基本操作。在实际操作中，您可能需要根据吡嗪的具体结构和所需模拟的质子化状态调整溶剂模型和计算参数。

为什么要对每个氮原子分别进行质子化计算而不是同时质子化？
对每个氮原子分别进行质子化计算而不是同时质子化的原因主要与化学计算的精确度和复杂性有关。每个氮原子的电子环境、杂化状态、周围原子的影响以及分子整体的对称性都会影响其质子化的倾向和能力。单独计算质子化可以更准确地反映这些个体差异，从而得到更为详细和可靠的化学信息。

在进行量子化学计算时，同时质子化所有氮原子可能会忽略掉这些细微的差别，导致计算结果的简化和不准确。例如，在复杂的有机分子或金属有机框架中，氮原子可能处于不同的化学环境中，它们的质子化能垒、电荷分布和分子几何结构的变化都可能有所不同。通过逐个质子化，研究者能够更细致地考察这些变化，以及它们对分子整体性质的影响。

此外，单独质子化还允许研究者逐步构建分子的质子化层次结构，这对于理解分子的酸碱性、反应机理和稳定性至关重要。通过逐级增加质子，可以模拟分子在不同pH条件下的行为，或者在催化过程中的质子化状态变化。

综上所述，对每个氮原子分别进行质子化计算是为了提高化学计算的精确度，更好地理解分子的复杂性和多样性。这种方法在材料科学、药物设计和催化研究等领域尤为重要，因为这些领域常常涉及到复杂分子的质子化行为和反应机制的研究.

除了Gaussian，还有哪些软件可以用来计算含氮杂环化合物的质子化能？
可用于计算含氮杂环化合物质子化能的软件
除了Gaussian，还有其他几款软件可以用来计算含氮杂环化合物的质子化能。这些软件通常包含了密度泛函理论（DFT）或其他量子化学计算方法，能够预测分子的电子结构和相关性质。以下是一些可用的软件选项：

ORCA：这是一款高性能的量子化学计算软件，它提供了多种计算方法，包括DFT和从头算（ab initio）方法，适用于计算分子的电子结构和反应机制。

TURBOMOLE：这款软件同样提供了一系列的量子化学计算方法，包括DFT和从头算，适合进行分子的能量计算和光谱性质预测。

Quantum ESPRESSO：这是一个开源的计算量子化学和固态物理软件包，它基于平面波基组，适用于大规模并行计算，可以进行电子结构和材料性质的研究。

VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）：这是一款广泛使用的计算物理软件，它基于赝势方法，适用于固体、表面、纳米结构和分子的电子结构计算。

NWChem：这是一个开源的计算化学软件包，提供了多种计算方法，包括从头算和半经验方法，适用于分子和材料科学研究。

这些软件通常需要用户具备一定的计算化学知识，以便选择合适的计算方法和参数设置。在进行质子化能计算时，用户可能需要调整计算条件，以确保结果的准确性和可靠性。在选择软件时，用户还应考虑软件的易用性、计算资源的需求以及是否支持所需的特定计算方法。
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17楼2024-07-20 19:10:08
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tzynew2楼
2024-07-17 11:09   回复  
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假大空3楼
2024-07-17 11:16   回复  
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hyjcs4楼
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嚄 发自小木虫Android客户端
miaojiabing6楼
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xiaoqiuqiu207楼
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slytjiaofei8楼
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MicroShop9楼
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luiyang10楼
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庚辰辛丑11楼
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jjliouu12楼
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luciferosa15楼
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XG-WUST16楼
2024-07-17 22:42   回复  
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