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Ab Initio QM/MM Simulation of Electron Transfer Process: Fractional Electron Approach

机译:电子转移过程的从头算QM / MM模拟:分数电子方法

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摘要

Electron transfer (ET) reactions are one of the most important processes in chemistry and biology. Because of the quantum nature of the processes and the complicated roles of the solvent, theoretical study of ET processes is challenging. To simulate ET processes at the electronic level, we have developed an efficient DFT QM/MM approach that uses the fractional number of electrons as the order parameter to calculate the redox free energy of ET reactions in solution. We applied this method to study the ET reactions of the aqueous metal complexes Fe(H2O)62+/3+ and Ru(H2O)62+/3+. The calculated oxidation potentials, 5.82 eV for Fe(II/III) and 5.14 eV for Ru(II/III), agree well with the experimental data, 5.50 eV and 4.96 eV, for iron and ruthenium, respectively. Furthermore, we have constructed the diabatic free energy surfaces from histogram analysis based on the molecular dynamics trajectories. The resulting reorganization energy and the diabatic activation energy also show good agreement with experimental data. Our calculations show that using the fractional number of electrons (FNE) as the order parameter in the thermodynamic integration process leads to efficient sampling and validate the ab initio QM/MM approach in the calculation of redox free energies.
机译:电子转移(ET)反应是化学和生物学中最重要的过程之一。由于过程的量子性质和溶剂的复杂作用,对ET过程的理论研究具有挑战性。为了在电子水平上模拟ET过程,我们开发了一种有效的DFT QM / MM方法,该方法使用电子的分数作为阶数参数来计算溶液中ET反应的氧化还原自由能。我们应用此方法研究了水性金属络合物的ET反应。 Fe H 2 O 6 2 + / 3 + Ru H 2 O 6 2 + / 3 + 。计算得出的氧化电位,Fe(II / III)为5.82 eV,Ru(II / III)为5.14 eV,分别与铁和钌的实验数据(5.50 eV和4.96 eV)相吻合。此外,我们基于分子动力学轨迹通过直方图分析构造了非绝热自由能表面。产生的重组能和非绝热活化能也与实验数据吻合良好。我们的计算表明,在热力学积分过程中使用电子分数(FNE)作为有序参数可导致有效采样,并验证从头算QM / MM方法在氧化还原自由能的计算中的有效性。

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