5 quants / Лабораторный практикум Квантово-химическое моделирование соединений в пакете HyperChem Учебно-методическое пособие
.pdf
Рис. 2.16. Система, окруженная мо- |
Рис. 2.17. Параметры метода Amber |
лекулами воды |
для сольватированной системы |
5. Нажмите OK для закрытия диалогов.
Оптимизация молекулы в растворе
Так как молекула аланина уже имела оптимальную геометрию (для изолированного состояния), оптимизация сейчас, прежде всего, изменяется под действием растворителя. Изменения в аланине должны отражать разность в структуре изолированной (в вакууме) и находящейся в растворе молекул.
Чтобы оптимизировать полную систему и позволять реорганизацию растворителя (молекулы воды не будут ограничены в передвижении), Вы должны отменить любой выбор.
1.Выберите Geometry Optimization в меню Compute.
2.Выберите OK, чтобы начать оптимизацию сольватированного аланина, включая молекулы воды. Вычисление может занять порядка одной минуты.
3.По окончании расчета появляется следующие значения в строке состояния:
|
Оптимизирован в растворе |
Энергия |
-955.83 kcal/mol |
Градиент |
0.09 kcal/(A mol) |
Обратите внимание: Если Вы имели иное количество молекул воды в вашей системе, то Вы получите другие значения энергии.
81
Оптимизированная структура для сольватированной системы может иметь только статус локального минимума энергии. В системе со многими градусами свободы, типа нашей, имеется много минимумов, и бывает очень трудно расположить систему в гло-
бальный минимум.
Сохраните эту структуру для более позднего использования под именем аланин-жидкость.hin.
10.3. Использование суперпозиции (наложения) молекул
Конечная цель нашего упражнения - сравнение минимизированной структуры для аланина в воде с соответствующей оптимизированной изолированной структурой. Можно сравнивать молекулы измерениями индивидуальных структурных свойств. Но мы будем использовать особенность суперпозиции HyperChem, чтобы визуально сравнить две структуры, помещая их друг на друга.
Удаление молекул воды
Прежде чем сопоставлять молекулы, удалим молекулы воды из сольватированной структуры.
1.Установите в меню Select > Molecules.
2.Сделайте L-щелчок на аланине, что выбрать молекулу целиком.
3.Выберите в меню Select команду Complement Selection. Это инвентирует выбор, т.е. позволяет выделить только молекулы воды.
4.Выберите Clear в меню Edit.
5.Если появляется ячейка диалога, спрашивая, хотите Вы удалить отобранные атомы, то отвечайте Yes.
6.Убрать метку с Show Periodic Box. Останется только молекула аланина.
Сохранить файл как аланин-растворен.hin.
Следующим действием мы должны соединить эту систему с изолированной системой. Прежде, чем Вы соединить две системы, Вы должны выделить текущую систему так, чтобы можно было надежно дифференцировать её на рабочем пространстве после слияния.
Соединение систем двух молекул:
1. Выберите Merge в меню File, и откройте файл аланин-газ.hin. Изолированная и сольватированная структура должны появиться на рабочем поле. Но сольватированная структура должна все еще
82
быть выбранной. Команда Merge позволяет Вам соединять текущую систему и другую систему, которая сохранена в отдельном файле. Новый союз становится текущей системой.
2.Если необходимо, используйте инструмент Translate, с правой кнопкой мыши, чтобы обе структуры были представлены рядом.
3.Используя обозначения и цвет, окрасьте выбранную сольватированную структуру в красный цвет (в диалоге Preferences), и промаркируйте молекулу аннотацией.
4.Выберите Complement Selection в меню Select.
5.Теперь выберите и окрасьте изолированный аланин другим цветом, и промаркируйте его.
6.Сделать R-щелчок в пустой области, чтобы отменить выбор. Когда система включает, по крайней мере, две молекулы, как в
нашем примере, HyperChem может сопоставлять молекулы. Суперпозиция основана на выборе трех коллинеарных атомов в каждой молекуле. Чтобы начинать сопоставление, надо выбранные атомы каждой молекулы сделать совпадающими.
Выполнение суперпозиции молекул
1.В меню Select установите уровень на Аtoms и отметьте
Multiple Selections.
2.Сделайте выбор углов N-C-C каждой молекулы. Чтобы это было сделать удобно, вращайте структуры.
3.Выберите Overlay в меню Display.
4.Сделайте R-щелчок в пустой области, чтобы очистить выбор. Текущая система должна теперь выглядеть подобно рис. 2.18.
Рис. 2.18.Наложение молекул сольватированного и изолированного аланина
83
Сохраните наложенные молекулы.
Анализ результатов
Влияние растворителя продемонстрируем через изменение валентного и торсионного угла, которые мы отслеживали ранее. Данные представлены в таблице.
|
Изолированный |
Растворенный |
Угол O-C-O |
123.9 град |
122.9 град |
Угол N-C-C-O |
-53.0 и 96.4 град |
-26.0 и 176 град |
Для самостоятельной работы:
1. Повторите упражнение по изучению влияния гидратации для молекулы глицина. Hin-файл глицина можно взять из встроенной библиотеки HyperChem или построить молекулы по описанию лабораторной работы №9, посвященной водородной связи.
11. Моделирование молекулярной динамики
Это упражнение демонстрирует, как использовать молекулярную динамику в HyperChem в растворе для получения более низкого энергетического минимума.
Воснове методов молекулярной динамики (МД) лежит представление о многоатомной молекулярной системе, в которой все атомы представляют собой материальные точки. Поведение отдельного атома описывается классическими уравнениями движения.
Вмолекулярной динамике моделируют движение каждого атома
вмолекулярной системе для того, чтобы наблюдать кинетическое поведение системы и ее свойства в равновесии. Траектории движения молекул рассчитывают методами молекулярной механики или полуэмпирическими квантово-механическими методами. В результате получают структурные и термодинамические свойства, локальные минимумы энергии и рассчитывают разность энергий между различными конфигурациями.
Пространственная структура молекулы определяется ее топологией (описанием порядка соединения атомов друг с другом посредством химических связей) и совокупностью координат ее атомов. Топология молекулы при нековалентных взаимодействиях в водном растворе остается постоянной. Однако ее геометрия (конфор-
84
мация) может претерпевать существенные изменения вследствие теплового движения или при взаимодействии с другими молекулами. Кроме того, очевидно, что от конформации молекулы будет зависеть энергия ее внутримолекулярных взаимодействий и взаимодействий с растворителем. Поэтому поиск оптимальной конформации молекул является важной задачей, предваряющей любую задачу молекулярного моделирования [1,2].
Мы используем молекулярную динамику, чтобы прогреть систему водного аланина и получить более низкую энергию локального минимума. Для начала Вы должны восстановить сольватированную оптимизированную систему аланина из предыдущего упражнения из файла аланин-жидкость.hin, чтобы выполнить на его примере расчет молекулярной динамики.
Если необходимо, отметьте Show Periodic Box в меню Display, чтобы показать периодический блок.
Для адекватного представления конформационной динамики и теплового движения исследуемых систем при их моделировании методом МД первостепенное значение имеет выбор «силового поля» (force field) молекулярной механики.
Важную роль в стабилизации структур играют ван-дер- ваальсовые и электростатические взаимодействия. Для их ограничения используются параметры Switched или Shifted с соответствующим расстоянием отсечения Сutoffs как на рис. 2.17 для силового поля AMBER.
11.1. Установка параметров моделирования молекулярной динамики
1.Выберите Molecular Dynamics в меню Compute. Окно диалога
Molecular Dynamics Options (рис.2.19) позволяет Вам устанавли-
вать параметры для вычисления молекулярной динамики. Движение в динамике имеет три различных фазы: нагревание,
движение и охлаждение.
2.Установить Heat time (время нагрева) в 0.1 пикосекунд. Процедура молекулярной динамики состоит в моделировании теплового движения молекул, как правило, в пико- и наносекундном диапазоне.
3.Установить Temperature step (шаг) на 30 К, а Starting temperature (начальная температура) на 100 К.
85
Из-за того что в начале старта градиент очень маленький (соответствующий, почти нулевой температуре), используется короткое время нагрева в 0,1 пикосекунд, чтобы поднять температуру от температуры старта 100 K до температуры моделирования в 300 К с температурным шагом по 30 К.
Рис. 2.19. Установка опций молекулярной динамики
4. Установить Run time (время движения) на 0.5 пикосекунд. Температуры используются здесь, чтобы установить начальные скорости атома или регулировать скорости атома. Кинетическая энергия может быть преобразована в потенциальную энергию в течение моделирования, заставляя расчетную температуру понизиться. Если температура, в конечном счете, повышается (как будет нашем примере), это означает, что потенциальная энергия преобразовывается в кинетическую энергию, поскольку система перемещается в более устойчивую конформацию.
5.Удостоверитесь, что включен выбор Periodic boundary conditions. HyperChem автоматически отмечает этот параметр, когда используются периодические граничные условия.
6.Установить Step Size (шаг времени) в 0,0005 пикосекунд.
7.Установить Data Collection period на 4.
В зависимости от аппаратных средств ПК, которые Вы собираетесь использовать, сбор данных может слишком замедлять движение частиц, так что лучше установить Data collection period на 4.
86
8. Отменить опцию Constant Temperature.
11.2. Установка воспроизведение динамики
Молекулярная динамика моделирует развитие системы через ка- кое-то время, меняя траектории атомных позиций и скоростей.
1.Выберите Snapshots внизу окна диалога Molecular Dynamics Options. Открывается диалог Molecular Dynamics Snapshots.
2.Введите в поле Имя файла аланин-динамика. HyperChem создаст два файла с именем аланин-динамика. Один файл, аланиндинамика.hin, является HIN файлом, который содержит картинку молекулы. Другой файл, аланин-динамика.snp, является двоичным файлом, содержащим атомные координаты и скорости.
3.Установите Snapshot period на 1 шаг данных.
4.Нажмите OK, чтобы возвратиться к окну диалога Molecular
Dynamics Options.
11.3. Установка усреднения и отображения данных для молекулярной динамики
Молекулярная динамика часто используется, чтобы получить макроскопическую информацию, производя выборку микроскопического моделирования за очень длительный период времени. Также полезно следить за энергетически эффектами и геометрическими изменениями, поскольку моделирование позволяет проверить, достаточно ли статистически стабилизирована выбранная система или нет.
Чтобы выбрать усреднения и данные для отображения:
1.Выберите кнопку Averages…, чтобы открыть окно диалога
Molecular Dynamics Averages.
2.Сделайте L-щелчок в ячейке Selection на EKIN, EPOT, ETOT
иncco, затем сделать L-щелчок на Add, чтобы переместить их в ячейку Average only.
3.Сделать L-щелчок на EKIN, EPOT, ETOT и ncco в ячейке Average only, затем сделать L-щелчок на Add, чтобы переместить их в ячейку Avg. & graph (рис. 2.20).
Т.о. мы задали создание графиков зависимости полной, потенциальной, кинетической энергии и N-C-C-O торсионного угла, который мы ранее сохранили как именной структурный параметр, от времени (или температуры).
87
Рис. 2.20. Установка данных для усреднения и отображения
HyperChem создает дополнительно файл аланин-динамика.csv, в который заносятся усредняемые данные в формате, который может легко читаться в программах табличного анализа, типа Excel.
4. Выберите OK, чтобы возвратиться к ячейке диалога Molecular Dynamics Options.
11.4. Старт молекулярной динамики
1.Нажмите Proceed , чтобы начать динамику. На рабочем пространстве открывается окно с графиками под названием Molecular Dynamics Results.
2.Переместить окно так, чтобы Вы могли наблюдать моделирование теплового движения. В то время как выполняются вычисления, Вы можете изменять вид системы, используя инструменты вращения, перемещения, увеличения.
3.Пока продолжается моделирование, нажимайте Rescale, чтобы повторно масштабировать окно графиков.
Как только фаза нагревания закончится (когда кинетическая энергия постоянно увеличивается), полная энергия остается постоянной, а кинетической энергия будет вести себя зеркально потенциальной энергии (рис. 2.21).
После того, как пройдет приблизительно 1 минута, движение заканчиваются.
Предостережение: Вы не сможете восстановить график, если сделаете щелчок на Done. Чтобы восстановить график, Вы должны использовать Playback режим основного окна динамики.
88
Рис. 2.21. График изменения параметров молекулярной динамики
Для того чтобы просмотреть результаты проведенного молеку- лярно-динамического моделирования в виде анимации на рабочем поле, необходимо, выбрав в меню Compute пункт Molecular Dynamics, отметить Playback и нажать Proceed. Для увеличения скорости проигрывания файлов (в зависимости от сложности задачи и мощности компьютера) можно увеличить time steps (по умолчанию стоит 1). При увеличении параметра – скорость увеличивается кратно количеству шагов.
11.5. Реоптимизация новой структуры
После проведения динамики, Вы сможете повторно оптимизировать геометрию системы, чтобы определить новый локальный минимум энергии.
1.Выберите Geometry Optimization в меню Compute.
2.Выберите OK, чтобы выполнить оптимизацию.
После того, как оптимизация закончится, строка состояния показывает, что теперь структура, имеет более низкую энергию, чем сольватированный локальный минимум энергии, найденный ранее.
|
Оптимизирован в растворе |
Оптимизирован в растворе |
|
до мол. динамики |
после мол. динамики |
Энергия |
-955.83 kcal/mol |
-1029.8 kcal/mol |
Градиент |
0.09 kcal/(A mol) |
0.09 kcal/(A mol) |
89
Результаты показывают, что молекулярная динамика может использоваться, чтобы достигнуть более предпочтительной термодинамической конформации, отделенной от начальной конформации энергетическими барьерами. Таким образом, молекулярная динамика может использоваться, чтобы исследовать место конформаций на энергетической диаграмме.
Для самостоятельной работы:
Влияние теплового движения можно отследить через изменение валентного и торсионного угла аланина, которые мы отслеживали ранее в 10 упражнении. Добавьте результаты МД в таблицу.
|
Изолированный |
Растворенный |
После МД |
Угол O-C-O |
123.9 град |
122.9 град |
|
Угол N-C-C-O |
-53.0 и 96.4 град |
-26.0 и 176 град |
|
Можно порекомендовать для нахождения конформаций молекул, отвечающих минимальным потенциальным энергиям следующий алгоритм процедур. На первом этапе геометрию каждого соединения надо оптимизировать, используя базовое силовое поле метода молекулярной механики (ММ) или полуэмпирический метод для небольших молекул. Затем проводят моделирование методом молекулярной динамики с целью поиска более низкоэнергетических конформаций соединений. После каждого расчета структуры методом МД проводят повторную оптимизацию геометрии. Расчеты методами МД и ММ повторяют последовательно несколько раз. Из полученных данных выбирают геометрию соединения с наименьшей энергией.
Примените данный алгоритм для молекулы глицина из лабораторной работы №9.
12. Вычисление молекулярных орбиталей, потенциалов, дипольного момента и зарядов атомов
В этом упражнении мы:
•Начнем знакомиться с различными типами полуэмпирических вычислений в HyperChem
•Вычислим волновые функции
•Изобразим электростатический потенциал, полную плотность заряда, дипольный момент и молекулярные орбитали
•Вычислим эффективные заряды атомов
90