Modeling molecular crystals by QM/MM: Self-consistent electrostatic embedding for geometry optimizations and molecular property calculations in the solid

Journal of Chemical Theory and Computation

Volumn 8, Issue 2, 2012, Pages 498-508

  Bjornsson, Ragnar ^a   Bühl, Michael ^a  

^a UNIVERSITY OF ST ANDREWS   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 84857075217     PISSN: 15499618     EISSN: 15499626     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ct200824r     Document Type: Article

References (130)

1. Sorouri, A.; Foulkes, W. M. C.; Hine, N. D. M. J. Chem. Phys. 2006, 124, 064105
2. Paier, J.; Diaconu, C. V.; Scuseria, G. E.; Guidon, M.; VandeVondele, J.; Hutter, J. Phys. Rev. B 2009, 80, 174114
3. See, e.g., the discussion in: Senn, H. M.; Thiel, W. Top. Curr. Chem. 2007, 268, 173-290
4. Hu, L.; Söderhjelm, P.; Ryde, U. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 761-777
5. Senn, H. M.; Thiel, W. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 1198-1229
6. Gao, J. Acc. Chem. Res. 1996, 29, 298-305
7. Acevedo, O.; Jorgensen, W. L. Acc. Chem. Res. 2009, 43, 142-151
8. Moore, E. A. Chem. Modell. 2008, 5, 119-149
9. Catlow, R.; Bell, R.; Cora, F.; French, S. A.; Slater, B.; Sokol, A. Annu. Rep. Prog. Chem. Sect. A: Inorg. Chem. 2005, 101, 513-547
10. Sherwood, P.; de Vries, A. H.; Guest, M. F.; Schreckenbach, G.; Catlow, C. R. A.; French, S. A.; Sokol, A. A.; Bromley, S. T.; Thiel, W.; Turner, A. J.; Billeter, S.; Terstegen, F.; Thiel, S.; Kendrick, J.; Rogers, S. C.; Casci, J.; Watson, M.; King, F.; Karlsen, E.; Sjøvoll, M.; Fahmi, A.; Schäfer, A.; Lennartz, C. THEOCHEM 2003, 632, 1
11. Catlow, C. R. A.; French, S. A.; Sokol, A. A.; Thomas, J. M. Phil. Trans. R. Soc. London, Ser. A 2005, 363, 913-935
12. Sokol, A. A.; Bromley, S. T.; French, S. A.; Catlow, C. R. A.; Sherwood, P. Int. J. Quantum Chem. 2004, 99, 695
13. Pickard, C. J.; Mauri, F. Phys. Rev. B 2011, 69, 245101
14. Harris, R. K.; Hodgkinson, P.; Pickard, C. J.; Yates, J. R.; Zorin, V Magn. Reson. Chem. 2007, 45, S174-S186
15. Sebastiani, D.; Parrinello, M. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 1951-1958
16. Skachkov, D.; Krykunov, M.; Kadantsev, E.; Ziegler, T J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 1650-1659
17. Skachkov, D.; Krykunov, M.; Ziegler, T Can. J. Chem. 2011, 89, 1150-1161
18. Bühl, M.; Wrackmeyer, B. Magn. Reson. Chem. 2010, 48, S61-S68
19. Bochevarov, A. D.; Friesner, R. A.; Lippard, S. J. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 3735-3749
20. Sandala, G. M.; Hopmann, K. H.; Ghosh, A.; Noodleman, L. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 3232-3247
21. Chatterjee, P. B.; Goncharov-Zapata, O.; Quinn, L. L.; Hou, G.; Hamaed, H.; Schurko, R. W.; Polenova, T.; Crans, D. C. Inorg. Chem. 2011, 50, 9794-9803
22. Cuny, J.; Sykina, K.; Fontaine, B.; Le Polles, L.; Pickard, C. J.; Gautier, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 19471-19479
23. Stueber, D. Concepts Magn. Reson. Part A 2006, 28A, 347-368
24. Weber, J.; Schmedt auf der Günne, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 583-603
25. Stueber, D.; Guenneau, F. N; Grant, D. M. J. Chem. Phys. 2001, 114, 9236
26. Stueber, D.; Grant, D. M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 10539-10551
27. Stueber, D.; Orendt, A. M.; Facelli, J. C.; Parry, R. W.; Grant, D. M. Solid State Nucl. Magn. Reson. 2002, 22, 29-49
28. Stueber, D.; Grant, D. M. Solid State Nucl. Magn. Reson. 2002, 22, 439-457
29. Orendt, A. M. Magn. Reson. Chem. 2006, 44, 385-389
30. Bjornsson, R.; Früchtl, H.; Bühl, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 619-627
31. Götz, K.; Meier, F.; Gatti, C.; Burow, A. B.; Sierka, M.; Sauer, J.; Kaupp, M. J. Comput. Chem. 2010, 31, 2568-2576
32. Ferenczy, G. G.; Csonka, G. I.; Náray-Szabó, G.; Ángyán, J. G. J. Comput. Chem. 1998, 19, 38-50
33. Swerts, B.; Van Droogenbroeck, J.; Peeters, A.; Van Alsenoy, C. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 4245-4250
34. Wen, S.; Beran, G. J. O. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 3733-3742
35. Kimmel, A. V.; Ramo, D. M.; Sushko, P.V.; Shluger, A. L.; Kuklja, M. M. Phys. Rev. B 2009, 80, 134108
36. Kaminski, R.; Schmokel, M. S.; Coppens, P. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2349-2353
37. Torras, J.; Bromley, S.; Bertran, O.; Illas, F. Chem. Phys. Lett. 2008, 457, 154-158
38. See, e.g.: Facelli Prog. NMR Spectrosc. 2011, 58, 176-201
39. See, e.g.: Bühl, M.; van Mourik, T. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science 2011, 1, 634-647
40. Schmidt, J.; Hoffmann, A.; Spiess, H. W.; Sebastiani, D. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 23204-23210
41. Yates, J. R.; Dobbins, S. E.; Pickard., C. J.; Mauri, F.; Ghi, P. Y.; Harris, R. K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 1402-1407
42. Johnston, J. C.; Iuliucci, R. J.; Facelli, J. C.; Fitzgerald, G.; Mueller, K. T. J. Chem. Phys. 2009, 131, 144503
43. Cuny, J.; Messaoudi, S.; Alonzo, V.; Furet, E.; Halet, J. F.; Le Fur, E.; Ashbrook, S. E.; Pickard, C. J.; Gautier, R.; Le Polles, L. J. Comput. Chem. 2008, 29, 2279-2287
44. Rappe, A. K.; Casewit, C. J.; Colwell, K. S.; Goddard, W. A., III; Skiff, W. M. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10024-10035
45. Bayly, C. I.; Cieplak, P.; Cornell, W. D.; Kollman, P. A. J. Chem. Phys. 1993, 97, 10269-10280
46. Reed, A.; Weinstock, R. B.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1985, 83, 735-746
47. Mulliken, R. S. J. Chem. Phys. 1955, 23, 1833-1840
48. ChemShell, a Computational Chemistry Shell. See www.chemshell.org (accessed Oct 31, 2011).
49. Sing, U. C.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1984, 5, 129
50. Besler, B. H.; Merz, K. M.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1990, 11, 431
51. Senthilkumar, K.; Mujika, J. I.; Ranaghan, K. E.; Manby, F. R.; Mulholland, A. J.; Harvey, J. N. J. R. Soc. Interface 2008, 5, S207-S216
52. Gordon, M. S.; Slipchenko, L.; Li, H.; Jensen, J. H. Ann. Rep. Comp. Chem. 2007, 3, 177-193
53. Gordon, M. S.; Fedorov, D. G.; Pruitt, S. R.; Slipchenko, L. V. Chem. Rev. 2011, 10.1021/cr200093j
54. Wesolowski, T. A.; Warshel, A. J. Phys. Chem. 1993, 97, 8050
55. Wesolowski, T. A. In Computational Chemistry: Reviews of Current Trends-Vol. 10; World Scientific, 2006.
56. Jacob, C. R.; Neugebauer, J.; Visscher, L. J. Comput. Chem. 2007, 6, 1011-1018
57. Jacob, C. R.; Neugebauer, J.; Jensen, L.; Visscher, L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 2349-2359
58. Eichinger, M.; Tavan, P.; Hutter, J.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 1999, 110, 10452-10467
59. Das, D.; Eurenius, K. P.; Billings, E.; Sherwood, P.; Chatfield, D. C.; Hodoscek, M.; Brooks, B. R. J. Chem. Phys. 2002, 117, 10534
60. Amara, P.; Field, M. J. Theor. Chem. Acc. 2003, 109, 43-52
61. Wang, B.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 3330-3342
62. Wang, B.; Truhlar, D. G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 10556-10564
63. CPMD, version 3.13.1; IBM Corp.: Endicott, NY, 1990; MPI für Festkörperforschung Stuttgart: Stuttgart, Germany, 1997.
64. Troyanov, S. I. Russ. J. Inorg. Chem. 2005, 50, 1727
65. Smith, W.; Yong, C.; Rodger, P. Mol. Simul. 2002, 28, 385
66. Turbomole, version 6.0.5; Turbomole GmbH: Karlsruhe, Germany, 2008. See: www.turbomole.com (accessed Oct 31, 2011).
67. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. R.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery, J. R., Jr.; Peralta, J. A.; Ogliaro, F.; Bearpark, M.; Heyd, J. J.; Brothers, E.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, J. M.; Klene, M.; Knox, J. E.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas, O.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, Revision B.01.; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, 2009.
68. Valiev, M.; Bylaska, E.; Wang, D.; Kowalski, K.; Govind, N.; Straatsma, T.; van Dam, H.; Nieplocha, J.; Apra, E.; Windus, T.; de Jong, W. Comput. Phys. Commun. 2010, 181, 1477-1489
69. Neese, F. ORCA; University of Bonn: Bonn, Germany, 2010. http://www.thch.uni-bonn.de/tc/orca (accessed Oct 31, 2011).
70. GAMESS-UK is a package of ab initio programs. http://www.cfs.dl.ac.uk/ gamess-uk/index.shtml (accessed Oct 31, 2011).
71. Guest, M. F.; Bush, I. J.; van Dam, H. J. J.; Sherwood, P.; Thomas, J. M. H.; van Lenthe, J. H.; Havenith, R. W. A; Kendrick J. Mol. Phys. 2005, 103, 719
72. Werner, H.-J.; Knowles, P. J.; Lindh, R.; Manby, F. R.; Schütz, M.; Celani, P.; Korona, T.; Rauhut, G.; Amos, R. D.; Bernhardsson, A.; Berning, A.; Cooper, D. L.; Deegan, M. J. O.; Dobbyn, A. J.; Eckert, F.; Hampel, C.; Hetzer, G.; Lloyd, A. W.; McNicholas, S. J.; Meyer, W.; Mura, M. A.; Nicklass, A.; Palmieri, P.; Pitzer, R.; Schumann, U.; Stoll, H.; Stone, A. J.; Tarroni, R.; Thorsteinsson, T. MOLPRO; University College Cardiff Consultants Limited: Cardiff, U.K., 2010.
73. Thiel, W. MNDO99; Max-Planck-Institut für Kohlenforschung: Mülheim an der Ruhr, Germany, 2004.
74. Kästner, J.; Carr, J. M.; Keal, T. W.; Thiel, W.; Wander, A.; Sherwood, P. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 11856
75. Reeve, S. W.; Burns, W. A.; Lovas, F. J.; Suenram, R. D.; Leopold, K. R. J. Phys. Chem. 1993, 97, 10630-10637
76. Burns, W. A.; Leopold, K. R. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 11622-11623
77. Bühl, M.; Steinke, T.; Schleyer, P. v. R.; Boese, R. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1991, 30, 1160
78. Cremer, D.; Olsson, L.; Reichel, F.; Kraka, E. Isr. J. Chem. 1993, 33, 369
79. Klooster, W. T.; Koetzle, T. F.; Siegbahn, P. E. M.; Richardson, T. B.; Crabtree, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 6337-6343
80. Hofmann, M.; Schleyer, P. v. R. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 4947
81. Jiao, H.; Schleyer, P. v. R. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 7429-7430
82. Iglesias, E.; Sordo, T. L.; Sordo, J. A. Chem. Phys. Lett. 1995, 248, 179-181
83. Cabaleiro-Lago, E. M.; Rios, M. A. Chem. Phys. Lett. 1998, 294, 272-276
84. Venter, G.; Dillen, J. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 8378-8384
85. Phillips, J. A.; Cramer, C. J. J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 827-833
86. Janesko, B. G. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 1825-1833
87. Becke, A.D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652
88. Lee, C. T.; Yang, W. T.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785-789
89. Perdew, J. P. In Electronic Strucure of Solids; Ziesche, P.; Eischrig, H., Eds.; Akademie Verlag: Berlin, 1991.
90. Perdew, J. P.; Wang, Y. Phys. Rev. B 1992, 45, 13244-13249
91. Grimme, S. J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108
92. Goerigk, L.; Grimme, S. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 291-309
93. Kozuch, S.; Martin, J. M. L. Phys. Chem. Chem. Phys. DOI: 10.1039/C1CP22592H
94. Dunning, T. H., Jr. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007
95. Kendall, R. A.; Dunning, T. H.; Harrison, R. J. J. Chem. Phys. 1992, 96, 6796
96. Hehre, W. J.; Ditchfield, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1972, 56, 2257
97. Hariharan, P. C.; Pople, J. A. Theor. Chim. Acta. 1973, 28, 213
98. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R. J. Comput. Chem. 1993, 14, 1504-1518
99. Calhorda, M. J.; Pregosin, P. S.; Veiros, L. F. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 665
100. Fernandez, I.; Hermatschweiler, R.; Breher, F.; Pregosin, P. S.; Veiros, L. F.; Calhorda, M. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 6386
101. Waller, M. P.; Braun, H.; Hojdis, N.; Bühl, M. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 2234-2242
102. Bühl, M.; Reimann, C.; Pantazis, D. A.; Bredow, T.; Neese, F. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 1449-1459
103. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865
104. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1396
105. Adamo, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 1999, 110, 6158
106. Truhlar, D. G.; Kulkarni, A. D. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2325-2332
107. Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2006, 125, 194101
108. Zhao, Y.; Truhlar, D. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215
109. Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2008, 128, 184109
110. Chai, J.-D.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6615
111. Jacobsen, H. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 3019-3025
112. Weigend, F.; Ahlrichs, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3297
113. Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787
114. This seems reasonable, as equilibrium geometries are compared to thermally averaged structures. Inclusion of zero-point corrections and thermal motion tends to increase metal-ligand equilibrium distances by a few to several picometers, see e.g.: Waller, M. P.; Braun, H.; Hojdis, N.; Bühl, M. J. Chem. Theor. Comput. 2007, 3, 2234-2242
115. Moellmann, J.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 8500-8504
116. Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098-100
117. Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 33, 8822
118. Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 34, 7406
119. Galy, J.; Enjalbert, R.; Jugie, G.; Strähle, J. J. Solid State Chem. 1983, 47, 143
120. Cornman, C. R.; Colpas, G. J.; Hoeschele, J. D.; Kampf, J.; Pecoraro, V. L. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 9925
121. Bjornsson, R.; Bühl, M. Dalton Trans. 2010, 39, 5319-5324
122. Bjornsson, R.; Bühl, M. Manuscript in preparation.
123. Geethalakshmi, K. R.; Waller, M. P.; Bühl, M. Inorg. Chem. 2007, 46, 11297-11307
124. Rehder, D.; Polenova, T.; Bühl, M. Annu. Rep. NMR Spectrosc. 2007, 62, 49-114
125. Sebastiani, D.; Rothlisberger, U. J. Phys. Chem. B. 2004, 108, 2807-2815
126. Neumann, M. A.; Leusen, F. J. J.; Kendrick, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 2427-2430
127. Chan, H. C.; Kendrick, J.; Leusen, F. J. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 2979-2981
128. Woodley, S. M.; Catlow, R. Nat. Mater. 2008, 7, 937-946
129. Lehmann, C. W. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 5616-5617
130. Bardwell, D. A. Acta Crystallogr. 2011, B67, 535-551