Improving Performance of the SMD Solvation Model: Bondi Radii Improve Predicted Aqueous Solvation Free Energies of Ions and pKa Values of Thiols

溶剂化 化学 水溶液 离子 离子半径 隐溶剂化 极化连续介质模型 溶剂模型 溶剂化壳 原子半径 极化率 水模型 计算化学 分子 物理化学 分子动力学 有机化学
作者
Saber Mirzaei,Maxim V. Ivanov,Qadir K. Timerghazin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:123 (44): 9498-9504 被引量:60
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.9b02340
摘要

Calculation of the solvation free energy of ionic molecules is the principal source of errors in the quantum chemical evaluation of pKa values using implicit polarizable continuum solvent models. One of the important parameters affecting the performance of these models is the choice of atomic radii. Here, we assess the performance of the solvation model based on density (SMD) implicit solvation model employing SMD default radii (SMD) and Bondi radii (SMD-B), a set of empirical atomic radii developed based on the crystallographic data. For a set of 112 ions (60 anions and 52 cations), the SMD-B model showed lower mean unsigned error (MUE) for predicted aqueous solvation free energies (4.0 kcal/mol for anions and 2.4 kcal/mol for cations) compared to the standard SMD model (MUE of 5.0 kcal/mol for anions and 2.9 kcal/mol for cations). In particular, usage of Bondi radii improves the aqueous solvation energies of sulfur-containing ions by >5 kcal/mol compared to the SMD default radii. Indeed, for a set of 45 thiols, the SMD-B model was found to dramatically improve the predicted pKa values, with ∼1 pKa unit mean deviation from the experimental values, compared to ∼7 pKa units mean deviation for the SMD model with the default radii. These findings highlight the importance of the choice of atomic radii on the performance of the implicit solvation models.
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