Rigorous pKa Estimation of Amine Species Using Density-Functional Tight-Binding-Based Metadynamics Simulations

元动力学 胺气处理 水溶液 密度泛函理论 质子化 化学 分子 计算化学 质子 分子动力学 材料科学 统计物理学 物理化学 物理 有机化学 量子力学 离子
作者
Aditya Wibawa Sakti,Yoshifumi Nishimura,Hiromi Nakai
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 351-356 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.7b00855
摘要

Predicting pKa values for different types of amine species with high accuracy and efficiency is of critical importance for the design of high performance and economical solvents in carbon capture and storage with aqueous amine solutions. In this study, we demonstrate that density-functional tight-binding-based metadynamics simulations are a promising approach to calculate the free energy difference between the protonated and neutral states of amines in aqueous solution with inexpensive computational cost. The calculated pKa values were in satisfactory agreement with the experimental values, the mean absolute deviation being only 0.09 pKa units for 34 amines commonly used in CO2 scrubbing. Such superior reproducibility and correlation compared to estimations by static quantum mechanical calculations highlight the significant effect of dynamical proton transfer processes in explicit solvent molecules for the improvement of the estimation accuracy.
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