Rapid and Accurate Calculation of the Three⁃body Interaction Strength in the Hydrogen⁃bonded Complexes of Alcohols or Deoxyribose with Water

doi:10.7503/cjcu20210564

Abstract

Abstract:

It is important to accurately and rapidly calculate the three-body interaction energies in the hydrogen-bonded complexes of alcohols or deoxyribose with water， especially for simulating the structures and functions of proteins and DNA in aqueous environments. Based on the understanding of the essence of many-body polarization effects， we estimated the three-body interaction energies of the hydrogen-bonded complexes composed of alcohols or deoxyribose with water via the polarizable dipole-dipole interaction model through regarding the polar chemical bonds O—H and C—O as bond-dipoles. The corresponding parameters were obtained by fitting to the three-body interaction energy curves with respect to the intermolecular distance of a methanol-water complex. The accuracy of our model and the transferability of parameters were validated through calculating the three-body interaction energies of the complexes of methanol， ethanol or deoxyribose with water. The calculated results demonstrated that our polarizable dipole-dipole interaction model and the parameters determined in this work can accurately estimate the three-body interaction energies of different hydrogen-bonded complexes， and the accuracy of our model is comparable with that of MP2 method.

Key words: Hydrogen-bonded complex, Three-body interaction, Chemical bond-dipole, Polarization effect, Polarizable dipole-dipole interaction model

CLC Number:

O641

TrendMD:

LI Xiaolei, SUN Yunjiao, TANG Ying, WANG Changsheng. Rapid and Accurate Calculation of the Three⁃body Interaction Strength in the Hydrogen⁃bonded Complexes of Alcohols or Deoxyribose with Water[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3664.

Figures/Tables 7

References 22

1	Mahadevi A. S.， Sastry G. N.， Chem. Rev.， 2016， 116（5）， 2775—2825
2	Řezác ̌ J.， Huang Y.， Hobza P.， Beran G. J. O.， J. Chem. Theory Comput.， 2015， 11， 3065—3079
3	Alkan M.， Xu P.， Gordon M. S.， J. Phys. Chem. A， 2019， 123（39）， 8406—8416
4	Xantheas S. S.， J. Chem. Phys.， 1994， 100（10）， 7523—7534
5	Xantheas S. S.， Chem. Phys.， 2000， 258（2）， 225—231
6	Heindel J. P.， Xantheas S. S.， J. Chem. Theory Comput.， 2020， 16（11）， 6843—6855
7	Conte R.， Qu C.， Bowman J. M.， J. Chem. Theory Comput.， 2015， 11（4）， 1631—1638
8	Egan C. K.， Paesani F.， J. Chem. Theory. Comput.， 2019， 15（9）， 4816—4833
9	Egan C. K.， Paesani F.， J. Chem. Theory Comput.， 2018， 14（4）， 1982—1997
10	Yang W.， Li X. L.， Wang C. S.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2015， 31（12）， 2285—2296（杨微，李晓蕾，王长生. 物理化学学报， 2015， 31（12）， 2285—2293）
11	Li X. L.， Wang C. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（5）， 950—958（李晓蕾，王长生. 高等学校化学学报， 2019， 40（5）， 950—958）
12	Li S. S.， Jiang X. N.， Wang C. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2014， 35（11）， 2403—2409（李书实，姜笑楠，王长生. 高等学校化学学报， 2014， 35（11）， 2403—2409）
13	Cisneros G. A.， Wikfeldt K. T.， Ojamäe L.， Lu J.， Xu Y.， Torabifard H.， Bartók A. P.， Csányi G.， Molinero V.， Paesani F.， Chem. Rev.， 2016， 116（13）， 7501—7528
14	Jankiewicz W.， Podeszwa R.， Witek H. A.， J. Chem. Theory Comput.， 2018， 14（10）， 5079—5089
15	Stone A. J.， The Theory of Intermolecular Forces， 2nd Ed.， Oxford University Press， Oxford， 2013， 3—4
16	Ouyang J. F.， Bettens R. P. A.， J. Chem. Theory Comput.， 2015， 11， 5132—5143
17	Frisch M. J.， Trucks G. W.， Schlegel H. B.， Scuseria G. E.， Robb M. A.， Cheeseman J. R.， Scalmani G.， Barone V.， Mennucci B.， Petersson G. A.， Nakatsuji H.， Caricato M.， Li X.， Hratchian H. P.， Izmaylov A. F.， Bloino J.， Zheng G.， Sonnenberg J. L.， Hada M.， Ehara M.， Toyota K.， Fukuda R.， Hasegawa J.， Ishida M.， Nakajima T.， Honda Y.， Kitao O.， Nakai H.， Vreven T.， Montgomery J. A. Jr.， Peralta J. E.， Ogliaro F.， Bearpark M.， Heyd J. J.， Brothers E.， Kudin K. N.， Staroverov V. N.， Keith T.， Kobayashi R.， Normand J.， Raghavachari K.， Rendell A.， Burant J. C.， Iyengar S. S.， Tomasi J.， Cossi M.， Rega N.， Millam J. M.， Klene M.， Knox J. E.， Cross J. B.， Bakken V.， Adamo C.， Jaramillo J.， Gomperts R.， Stratmann R. E.， Yazyev O.， Austin A. J.， Cammi R.， Pomelli C.， Ochterski J. W.， Martin R. L.， Morokuma K.， Zakrzewski V. G.， Voth G. A.， Salvador P.， Dannenberg J. J.， Dapprich S.， Daniels A. D.， Farkas O.， Foresman J. B.， Ortiz J. V.， Cioslowski J.， Fox D. J.， Gaussian 09， Revision D. 01， Gaussian Inc.， Wallingford CT， 2013
18	Li S. S.， Huang C. Y.， Hao J. J.， Wang C. S.， J. Comput. Chem.， 2014， 35， 415—426
19	Gao X. C.， Hao Q.， Wang C. S.， J. Chem. Theory Comput.， 2017， 13（6）， 2730—2741
20	Hao J. J.， Li S. S.， Jiang X. N.， Li X. L.， Wang C. S.， Theor. Chem. Acc.， 2014， 133， 1516
21	Dean J. A.， Lange’s Handbook of Chemistry， McGraw⁃Hill， New York， 1999
22	Li X. L.， A Method for Rapid Calculation of the Three⁃body Interaction Energies in Water Clusters， Liaoning Normal University， Dalian， 2019（李晓蕾. 快速准确计算水团簇三体作用强度的新方法，大连：辽宁师范大学， 2019）

Trimer	IE_3B/（kJ·mol^-1）
Trimer	MP2	PBFF	?
A	-9.75^a	-9.75	0
B	-9.87^a	-9.29	-0.59
C	-9.79^a	-9.29	-0.50
D	-10.04^a	-9.50	-0.54
E	-10.13^a	-9.46	-0.67
F	-10.38^a	-9.62	-0.75
G	-9.83^a	-9.00	-0.84
H	-10.25^a	-8.87	-1.38
I	-10.50^a	-9.29	-1.21
J	-8.58^b	-7.99	-0.59
K	-9.87^b	-9.41	-0.46
Maximum absolute error			1.38
Root?mean square error			0.77

Trimer	IE_3B/（kJ·mol^-1）
Trimer	MP2	PBFF	?
A	-9.75^a	-9.75	0
B	-9.87^a	-9.29	-0.59
C	-9.79^a	-9.29	-0.50
D	-10.04^a	-9.50	-0.54
E	-10.13^a	-9.46	-0.67
F	-10.38^a	-9.62	-0.75
G	-9.83^a	-9.00	-0.84
H	-10.25^a	-8.87	-1.38
I	-10.50^a	-9.29	-1.21
J	-8.58^b	-7.99	-0.59
K	-9.87^b	-9.41	-0.46
Maximum absolute error			1.38
Root?mean square error			0.77

Cluster	IE_3B/（kJ·mol^-1）
Cluster	MP2	AMOEBAbio18	?	PBFF	?
CH₃OH·（H₂O）₂₀	-59.25^a	-55.52	-3.73	-59.41	0.16
CH₃CH₂OH·（H₂O）₂₀	-35.82^a	-27.51	-8.31	-35.86	0.04
C₄H₉O₃CHO·（H₂O）₁₂	-7.15^b	-8.42	1.27	-6.57	-0.58

Cluster	IE_3B/（kJ·mol^-1）
Cluster	MP2	AMOEBAbio18	?	PBFF	?
CH₃OH·（H₂O）₂₀	-59.25^a	-55.52	-3.73	-59.41	0.16
CH₃CH₂OH·（H₂O）₂₀	-35.82^a	-27.51	-8.31	-35.86	0.04
C₄H₉O₃CHO·（H₂O）₁₂	-7.15^b	-8.42	1.27	-6.57	-0.58

[1]	LI Xiaolei,WANG Changsheng. Rapid Calculation of the Three-body Interaction Energies in Water Clusters^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(5): 950.
[2]	WANG Xiaowen, LI Shuang, JIANG Xiaonan, WANG Changsheng. Site-preference of Quercetin Hydrogen Bonding to Adenine^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(5): 932.
[3]	LI Shushi, JIANG Xiaonan, WANG Changsheng. Three-body Effect in Hydrogen-bonded Complexes Containing Amides and Uracil^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(11): 2403.
[4]	SUN Xiao-Ying, WANG Qin, LI Zhi-Ru*, WU Di, SUN Chia-Chung, TANG Au-Chin. Intermolecular Interaction Potential Surface of the He₂F^- Complex [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2007, 28(5): 960.