Evaluation of nine condensed-phase force fields of the GROMOS, CHARMM, OPLS, AMBER, and OpenFF families against experimental cross-solvation free energies

文献情報

出版日 2021-04-30
DOI 10.1039/D1CP00215E
インパクトファクター 3.676
著者

Sadra Kashefolgheta, Shuzhe Wang, William E. Acree, Jr., Philippe H. Hünenberger


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要旨

Experimental solvation free energies are nowadays commonly included as target properties in the validation of condensed-phase force fields, sometimes even in their calibration. In a previous article [Kashefolgheta et al., J. Chem. Theory. Comput., 2020, 16, 7556–7580], we showed how the involved comparison between experimental and simulation results could be made more systematic by considering a full matrix of cross-solvation free energies . For a set of N molecules that are all in the liquid state under ambient conditions, such a matrix encompasses N × N entries for considering each of the N molecules either as solute (A) or as solvent (B). In the quoted study, a cross-solvation matrix of 25 × 25 experimental value was introduced, considering 25 small molecules representative for alkanes, chloroalkanes, ethers, ketones, esters, alcohols, amines, and amides. This experimental data was used to compare the relative accuracies of four popular condensed-phase force fields, namely GROMOS-2016H66, OPLS-AA, AMBER-GAFF, and CHARMM-CGenFF. In the present work, the comparison is extended to five additional force fields, namely GROMOS-54A7, GROMOS-ATB, OPLS-LBCC, AMBER-GAFF2, and OpenFF. Considering these nine force fields, the correlation coefficients between experimental values and simulation results range from 0.76 to 0.88, the root-mean-square errors (RMSEs) from 2.9 to 4.8 kJ mol−1, and average errors (AVEEs) from −1.5 to +1.0 kJ mol−1. In terms of RMSEs, GROMOS-2016H66 and OPLS-AA present the best accuracy (2.9 kJ mol−1), followed by OPLS-LBCC, AMBER-GAFF2, AMBER-GAFF, and OpenFF (3.3 to 3.6 kJ mol−1), and then by GROMOS-54A7, CHARM-CGenFF, and GROMOS-ATB (4.0 to 4.8 kJ mol−1). These differences are statistically significant but not very pronounced, and are distributed rather heterogeneously over the set of compounds within the different force fields.

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Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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