Assessment of electron–proton correlation functionals for vibrational spectra of shared-proton systems by constrained nuclear-electronic orbital density functional theory

质子 密度泛函理论 离域电子 电子相关 电子 混合功能 轨道自由密度泛函理论 量子 分子振动 化学 原子物理学 物理 计算化学 分子 量子力学
作者
Yuzhuo Yang,Yuzhe Zhang,Yang Yang,Xi Xu
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (24) 被引量:10
标识
DOI:10.1063/5.0243086
摘要

Proton transfer plays a crucial role in various chemical and biological processes. A major theoretical challenge in simulating proton transfer arises from the quantum nature of the proton. The constrained nuclear-electronic orbital (CNEO) framework was recently developed to efficiently and accurately account for nuclear quantum effects, particularly quantum nuclear delocalization effects, in quantum chemistry calculations and molecular dynamics simulations. In this paper, we systematically investigate challenging proton transfer modes in a series of shared-proton systems using CNEO density functional theory (CNEO-DFT), focusing on evaluating existing electron-proton correlation functionals. Our results show that CNEO-DFT accurately describes proton transfer vibrational modes and significantly outperforms conventional DFT. The inclusion of the epc17-2 electron-proton correlation functional in CNEO-DFT produces similar performance to that without electron-proton correlations, while the epc17-1 functional yields less accurate results, comparable with conventional DFT. These findings hold true for both asymmetrical and symmetrical shared-proton systems. Therefore, until a more accurate electron-proton correlation functional is developed, we currently recommend performing vibrational spectrum calculations using CNEO-DFT without electron-proton correlation functionals.

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