Computational methodology for solubility prediction: Application to the sparingly soluble solutes

溶剂化 溶解度 热力学 化学 热力学积分 分子动力学 自由能微扰 分子 计算化学 物理化学 物理 有机化学
作者
Lunna Li,Tim S. Totton,Daan Frenkel
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:146 (21): 214110-214110 被引量:116
标识
DOI:10.1063/1.4983754
摘要

The solubility of a crystalline substance in the solution can be estimated from its absolute solid free energy and excess solvation free energy. Here, we present a numerical method, which enables convenient solubility estimation of general molecular crystals at arbitrary thermodynamic conditions where solid and solution can coexist. The methodology is based on standard alchemical free energy methods, such as thermodynamic integration and free energy perturbation, and consists of two parts: (1) systematic extension of the Einstein crystal method to calculate the absolute solid free energies of molecular crystals at arbitrary temperatures and pressures and (2) a flexible cavity method that can yield accurate estimates of the excess solvation free energies. As an illustration, via classical Molecular Dynamic simulations, we show that our approach can predict the solubility of OPLS-AA-based (Optimized Potentials for Liquid Simulations All Atomic) naphthalene in SPC (Simple Point Charge) water in good agreement with experimental data at various temperatures and pressures. Because the procedure is simple and general and only makes use of readily available open-source software, the methodology should provide a powerful tool for universal solubility prediction.
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