Isotop effekt i dobbelt proton overførsel proces af Porphycen undersøgt ved forbedret QM/MM metode

Summary

Her præsenteres en protokol, der bruger udvidet QM/MM-metode til at undersøge isotop effekten på den dobbelte proton overføringsproces i porphycene.

Abstract

Den enkelte deuterium substitution i porphycene fører til en asymmetrisk Molekylær geometri, som kan påvirke den dobbelte proton overføringsproces i porphycenmolekylet. I denne undersøgelse anvendte vi en forbedret QM/mm metode kaldet sidder-QM/mm til at undersøge hydrogen/deuterium (H/D) isotop effekter på den dobbelte proton overførsel i porphycene. Afstands ændringer i i-QM/MM molekylære dynamik simuleringer tydede på, at deuterium substituerede porphycen indførte den trinvise dobbelte proton overførings mekanisme. Den strukturelle analyse og de frie energiskift af dobbelt proton overføringsproces indikerede, at den asymmetriske isotop substitution subtilt komprimerede de kovalente hydrogenbindinger og kan ændre den oprindelige overgangs tilstands placering.

Introduction

Proton overførselsprocessen i porphycenes rummer potentielle anvendelser i udviklingen af molekylære afbrydere, transistorer og informationslagrings enheder^1,2. Især tautomerisering i porphycener gennem dobbelt proton overføringsproces har tiltrukket bred interesse inden for spektroskopi og photophysics². De indre hydrogenatomer af porphycen kan migrere fra en Trans isomer til den anden tilsvarende Trans isomer gennem dobbelt proton overføringsproces som vist i figur 1. To mekanismer er blevet foreslået for den dobbelte proton overføringsproces: den samordnede og den trinvise mekanisme^3,4. I den samordnede dobbelte proton overføringsproces flytter begge proton atomer til overgangstilstanden synkront på en symmetrisk måde, mens en proton afslutter overførslen før den anden proton i en trinvis proces. To hydrogenatomer kan overføre samtidigt eller trinvise afhængigt af korrelations styrken mellem to hydrogenatomer⁵.

Isotop substitution er blevet brugt til at detektere de strukturelle egenskaber af molekyler og rate konstanter af reaktionskinetik⁶. Enkelt deuterium substitution i den indre hydrogen af porphycen fører til en asymmetrisk form af molekylet. Hydrogen obligationen kan udvides eller indgås på grund af masse forskel mellem hydrogen og deuteriumatomer. Isotop substitution introducerer en forstyrrelse i stilladset af porphycen. Spørgsmålet er, om asymmetrisk struktur ville påvirke proton Transfer processen. Limbach og kolleger rapporterede, at udskiftning af hydrogen med deuterium vil komprimere både brint obligationer, og den kooperative kobling af to brint obligationer i porphycene kan favorisere samordnet mekanisme⁷, mens Yoshikawa erklærede deuteration ville gøre den trinvise mekanisme bidrage mere end den samordnede mekanisme⁸. Eksperimentelle teknikker, såsom Force spectroskopi, er blevet udviklet til at fange tautomerization detaljer i en enkelt porphycen⁹. Det er dog stadig udfordrende at bestemme de atomare detaljer af Proton Transfer eksperimentelt på grund af sin forbigående karakter.

Teoretiske beregninger og simuleringer kan fungere som komplementære værktøjer til at belyse reaktionsmekanismerne i proton Transfer. Blandt forskellige teoretiske metoder, molekylære dynamik (MD) simuleringer kan overvåge dynamiske bevægelser af hvert Atom, og har været meget brugt til at afsløre komplekse mekanismer i kemiske og enzymatiske reaktioner. Regelmæssige MD-simuleringer har imidlertid en tendens til at lide under utilstrækkelig stikprøveudtagning, især når der er en høj energi barriere i interesse processen. Der er derfor udviklet forbedrede prøvetagningsmetoder, som omfatter stikprøveudtagning af over^{gange 10,11}, paraply prøvetagning (US^{) 12,13}og integreret hærdning (ITS)^{14, 15}. Kombinationen af forskellige forbedrede prøvetagningsmetoder kan øge prøveudtagnings effektiviteten yderligere^16,17,18. For at udnytte de forbedrede prøvetagnings algoritmer i simulering af kemiske reaktioner, har vi implementeret den selektive integrerede hærdning prøvetagning (sidder) metode med kvantemekaniske og molekylære mekaniske (QM/MM) potentialer for nylig¹⁹. Den foreslåede sæt-QM/MM-metode kombinerer fordelene fra begge metoder: metoden SITS accelererer prøveudtagningen og kan undersøge alle mulige reaktions kanaler uden forudgående kendskab til reaktions mekanismen, og QM/MM giver en mere præcis beskrivelse af processen for obligations dannelse og obligations brydning, som ikke kan simuleres med MM-metoder alene. Den implementerede sidder-QM/MM tilgang har med held afdækket samordnede dobbelt proton overførsel, ukorreleret og korreleret trinvis dobbelt proton Transfer mekanisme i forskellige systemer, uden at foruddefinere reaktion koordinater¹⁹. For porphycen, den trinvise men korrelerede proton Transfer karakter er blevet rapporteret¹⁹. Hybrid sidder-QM/MM metode blev brugt til at undersøge den isotop effekt i porphycene i vores undersøgelse, og nedenfor er de detaljerede beskrivelser af algoritmen og protokol af vores metode.

Vi har implementeret sidder metode med hybrid QM/MM potentialer. Det effektive potentiale af sidder blev defineret til at omfatte den potentielle energi ved forskellige temperaturer med vægtningsfaktorerne n_k til at dække bredere temperaturintervaller,

hvor, n er antallet af kanoniske termer, β_k er den inverse temperatur, og n_k er den tilsvarende vægtningsfaktor for hver kanonisk komponent. U_E (R) og U_N(r) repræsenterer de forbedrede og ikke-forbedrede vilkår i sidder og defineres

U _s, u_Se og u_e er den potentielle energi af sub-system, samspillet mellem sub-system og miljøet, og den potentielle energi i miljøet. QM/MM-potentialet udtrykkes som en hybrid summation af tre komponenter,

hvor u_QM, u_QM/mmog u_mm er den interne energi periode for QM-delsystemet, interaktions energien mellem QM-og mm-områderne og interaktions energien inden for mm-delsystemet. U-_QM/mm -udtrykket kan yderligere opdeles i tre komponenter, som omfatter elektrostatiske, Van der Waals og kovalent interaktion energi termer mellem QM og mm atomer,

Vi tildeler , og i en U_s sigt i sidder,

Det fulde potentiale af systemet blev derefter nedbrydes til energi i delsystemet u_s, samspillet mellem delsystemet og miljøet u_Seog energi i miljøet u_e. For eksempel, i systemet af det nuværende arbejde, delsystemet er porphycence, og miljøet vandet.

PMF-profilen langs en kollektiv variabel τ(R) er afledt som

De generelt anvendte reaktions koordinater for hver brint overførsel af N1−H1· · · N2 er q₁ = (r₁−r₂)/2 og q₂ = r₁ + r₂, hvor₁ er afstanden mellem N1 og H1, og r₂ er afstanden H1-N2.

Metoden er implementeret i QM/MM MD-simulerings pakken QM⁴D²⁰. Den komplette kildekode og dokumentation kan findes her: http://www.qm4d.info/.

Generelt, sidder-QM/MM MD simuleringer involverer fire trin: præ-ligevægt (præ-sidder); optimering n_k (Opt-sidder); produktions simulering og dataanalyse.

Protocol

1. opbygning af model

1. Byg porphycene struktur: Åbn Gaussview software ved at dobbeltklikke på musen. Klik derefter på element fragment knappen i menuen i gaussview for at vælge de nødvendige elementer. Konstruere porphycen. Klik derefter på fil knappen for at gemme som FBF fil.
2. Solsikke modellen: Solsikke porphycen i en cubic TIP3P²¹ vand kasse med en kantlængde på 38 Å ved at udstede kommandoen i Linux-operativsystemet: genbox_d-CP PrP-VAC. PDB-CS spc216. gro-o SOLV. PDB-maxsol 1484-Box 3,8.
3. Byg deuterium porphycene: Udstede følgende kommando til at generere topologi fil: cns < ppi_solv. INP. Åbn derefter PrP-Wat. PSF med vi kommando og ændre massen af H1 fra 1,00800 til 2,01600 at erstatte et intramolekolecular hydrogenatom af porphycen med deuterium at bygge enkelt deuterium substitueret porphycen.
4. Angiv normale MD-simulerings parametre: Input metode scctb, Integral 0,5 FSog cutoff 12 i MD-inputfilen ved at åbne den med vi -kommando.
   Bemærk: Tag en afskæringen afstand på 12 Å til beregning af både vdW og elektrostatiske interaktioner. Simulerer porphycenmolekylet med DFTB/MIO metode²². Angiv integrations tidstrinnet som 0,5 FS for MD-simuleringer. Vedligehold simulerings systemets temperatur ved 300 K med Langevin-termostat. Udfør derefter simuleringerne med QM⁴D-software ved at følge nedenstående trin.

2. pre-sidder

1. Opsætning af temperatur parametre: Input templow 260, temphigh 1100 og ntemp 160 i inputfilen.
   Bemærk: temperaturområdet fra 260K til 1100K blev spredt ud af QM4D software til 160 temperaturpunkter under MD-simuleringer. Skabelon inputfilerne er inkluderet i supplerende filer.
2. Start den præ-sidder: Angiv RUNtype 100 og trin 120.000 i inputfilen. Derefter udstede følgende kommando: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
   Bemærk: det samlede trin er 120.000, men kan justeres afhængigt af det specifikke behov. De foreslåede parametre for MD-simuleringer gemmes i $INPUTFILE. Den samme kommando bruges også i følgende opt-Sits og produktions simulerings trin, hvor inputfilen ændres i overensstemmelse hermed.
3. Beregning af de deafsatte energier
   1. Uddrag energi ændringer: under præ-sidder fase, overvåge energien i hvert udtryk til at beregne middelværdien, som vist i figur 1. Brug GREP- Linux kommando til at udtrække energien som følger:
      GREP-' SITS-ener0 ' $INPUTFILE | AWK ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} end {print a/nr, b/nr, c/nr}.
   2. Rediger gennemsnitlige energier i MD-inputfilen: Beregn de gennemsnitlige energier baseret på outputtet fra kommandolinjen ovenfor, og Rediger linjen vshift0-30801,95; vshift1-26,88; vshift2-13888,28 i inputfilen med de nyligt genererede gennemsnit.
      Bemærk: Numbers-30801,85,-26,88 og-13888,28 er de gennemsnitlige energier i det nuværende model system. Du skal ændre værdierne baseret på de specifikke systemer.

3. opt-sidder

1. Start opt-Sits: Indstil RUNtype 0 i inputfilen. Initier derefter QM⁴D-programmet ved at skrive kommandoen som vist i trin 2,2 for at starte optimerings trinnet.
2. Overvågning af energi ændringer og n_k værdier.
   1. Plot energi udbredelsen med "Grace" program og sørg for energi udsving kan dække den laveste og den højeste ende af temperaturområdet.
   2. Efter optimering, gemme de endelige n_k værdier af opt-Sits skridt ind i en ny fil, der er benævnt som NK. dat i denne protokol.

4. løbende produktions simuleringer

1. Forbered MD-input fil: Angiv RUNtype 1 i den nye inputfil for at starte produktions simulerings trinnet. Angiv filnavnet på den lagrede n_k -fil som nkfile NK. dat i inputfilen. Antallet af tidstrin blev sat til 6.400.000 i de nuværende systemer.
2. Start produktions-MD-simulering: Udsende følgende kommando for at starte MD-simuleringer: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
   Bemærk: Sørg for, at n_k -værdierne kan læses af QM⁴D-softwaren. Simulerings tiden er system afhængig, så Skift simulerings trinnet baseret på specifikke krav. Vælg et passende antal tidstrin for at sikre nok simulerings tidspunkt for dit eget system. Dette trin er sandsynligvis tidskrævende, så Gem genstart filer for at undgå at genstarte produktionen fra begyndelsen, når der afbrydes.

5 data analyse

1. Overvågning af afstands ændringer
   1. Overvåg obligations dannelses-og-brud processen i produktionsfasen skal du bruge GREP- -kommandoen til at kontrollere afstands ændringerne af H1-N1 og H1-N2 langs simulerings tiden. Den samme operation kan udføres for H2-N3 og H2-n4. Afbild derefter distance overførslen ved hjælp af den akkumulerede afstandsværdi under produktions simuleringerne.
2. Udtrække reaktions koordinater
   1. Uddrag reaktionen koordinater og energi vilkår fra produktionen output fil genereret af QM⁴D ved GREP- kommando:
      GREP-' dist 1 ' $OUTPUTFILE | AWK ' {print $5} ' > distance1;
      GREP-' ener0 ' $OUTPUTFILE > ener0.
   2. Organiser data i fire kolonner: q₁, q₂, u₀ og U ' (u₀ og u ' er output normal energi og vægtet energi), og Skriv dem ind i datafilen på hver tidsramme.
3. Beregning af gratis energi
   1. Beregn den frie energi ved at udstede følgende kommando:
      sidder-PMF 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE.
      Bemærk: sidder-PMF er den histogram baserede analysemetode. [hist_minx hist_maxx num_binsx] definerer intervallet og antallet af placeringer for den første reaktions koordinat. Den anden reaktions koordinater kan indstilles af [hist_miny hist_maxy num_binsy].
   2. Hvis du vil projicere den frie energi på det todimensionale landskab, skal du skrive følgende kommando:
      sidder-PMF 300 H1-2D. dat PMF2-0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > Sits-PMF. out.
      Bemærk: brug i alt 24 beholdere og 36 siloer til at dække afstands ændringer i to valgte reaktions koordinater, henholdsvis q₁ og q₂. Gem 2D PMF-dataene for hver brint/deuterium i Sits-PMF. out -filen.

Representative Results

Den enkelte deuterium substitutionseffekt på dobbelt proton overføringsproces i porphycene blev undersøgt i den nuværende protokol (figur 1). Den potentielle energi af QM sub-system og vandet under præ-ligevægt og optimering trin blev kontrolleret for at sikre, at energien er blevet udvidet til et bredere energiområde (figur 2). De repræsentative afstands-og vinkelændringer (figur 3 og figur 4) og de forventede frie energi ændringer (figur 5) blev anvendt til at karakterisere deuterium substitutionseffekten på geometri-og proton overførselsprocessen for porphycen.

Figur 1. Strukturer af undersøgte molekyler.
Strukturerne af porphycen (A) og er porphycen (B). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. De potentielle energi ændringer under MD-simuleringer.
De potentielle energi ændringer i QM-region (A) og miljø (B) i præ-sæt og opt-sidder trin. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3. Den karakteristiske afstand ændres.
A) afstands ændringer af H1-N1 og H2-N3 for Porphycen ogB) afstands ændringer af D1-N1 og H2-N3 for deutereret porphycen under SIFFER-QM/mm-simuleringer C) fordeling af afstands ændringer for H1-N1 og H2-N3 for Porphycen ogd) D1-N1 og H2-N3 for deutereret porphycen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4. Hydrogen obligations vinklerne under produktions-MD simuleringerne.
Hydrogen Bond Angels for (A) prophycene og (B) er porphycen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5. Det frie energilandskab for hver hydrogen overføringsproces, der blev projiceret på to reaktions koordinater (q₁, q₂).
A) ogB) er 2D-frie energi landskaber af H1 og H2-overførsel i porphycen; (C) og (D) 2D frit energilandskab af D1 og H2 overførsel i er porphycene. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende filer. Topologi-fil, kraftfelt parameter fil, koordinater fil og input-fil. Venligst klik her for at downloade filen.

Supplerende film 1. Porphycen. Venligst klik her for at downloade videoen.

Discussion

Strukturen af porphycen blev vist i figur 1. Den elektrostatiske indlejring QM/mm hybrid potentiale med sidder metode blev brugt til at beskrive de kemiske reaktioner i vand^23,24. Proton overførslen sker inden for porphycen³ og dermed porphycene er indstillet som QM region og minde vandet er indstillet som mm region. Heri vedtog vi dftb/mio som vores QM metode til behandling af porphycen ved at afbalancere effektiviteten og nøjagtigheden^22,25. Som en stikprøve forbedrings teknik, er det blevet påvist, at simulering udvider distributionen af U_s til højenergi regioner og i mellemtiden bevarer tilstrækkelig prøvetagning omkring energiområdet ved den temperatur, der er af interesse. I det aktuelle tilfælde blev energien fra U_s i "opt-Sits"-trinnet udvidet til bredere intervaller, der omfatter energien i standard-MD-simuleringerne i "pre-Sits"-trinnet som vist i figur 2. I mellemtiden, de glatte energi ændringer i U_e indikerede, at den højere temperatur i QM delsystem ikke ville bringe forstyrrelse i miljøet. SIDDER-QM/MM metode realiseret forbedret prøvetagning i den interesserede QM-region uden at påvirke den potentielle energi af vand.

Fra afstands ændringer i figur 3bemærkede vi, at H1 overført fra N1 til N2 for at danne en transit CIS -stat, og indledte derefter en fortløbende hurtig H2-overførsel for at nå frem til den anden Trans stat igen. og omvendt. Dynamics proton overførselsprocessen vises i supplerende film 1. Deuterium D1 overførsel mellem N1 og N2 i den enkelte er porphycene påberåbte overførslen af H2 mellem N3 og n4. Asynkrone afstands ændringer indikerede den trinvise dobbelte proton overføringsproces for både porphycen og enkelt deuterium substitueret porphycen. De tilsvarende afstands fordelinger af D1-N1 og H2-N3 tydede på, at Andels effekten på to hydrogen obligationer²⁶. I overensstemmelse med tidligere rapporteret primær geometrisk isotop effekt²⁶er afstanden mellem D1 og N1 kortere end afstanden mellem H1-n1 (1,048 å vs. 1,051 å). Som vist i figur 3observerede vi omkring 135, og 65 gange for overførsel af H eller D for porphycen og dets isotopomerer inden for 3,2 NS MD simuleringer, hhv. Deuteriation kan øve mindre effekt på hydrogen obligations vinklerne som vist i figur 4. Den tilstrækkelige prøveudtagning på de to reaktions kanaler gjorde det muligt for os at beregne de frie energi ændringer for hver proton overførsel. Den indlysende isotop effekt blev observeret i 2D frit energilandskab. Overgangstilstanden er skiftet fra (0,01 Å, 2,52 Å) til (-0,01 Å, 2,76 Å), som det fremgår af reaktions koordinaterne (q₁, q₂) (Se fig. 5). Den højere q₂ -værdi betyder, at den ikke-bundne hydrogen binding blev udvidet. Dette kan komme fra den asymmetriske stillads af den er porphycen.

Begge proton overførings processer i porphycen og deutereret porphycen kan fanges af sidder-QM/MM MD-simuleringer uden foruddefinering af reaktions koordinaterne. Desuden har sidder-QM/MM MD simuleringer afsløret den strukturelle forskel, der blev introduceret af isotop effekt. Hydrogen obligationen D1-N1 blev forkortet i forhold til H1-N1. Overgangstilstanden er blevet flyttet mod højere q₂ -værdi på grund af en asymmetrisk form forårsaget af deuteration. Selvom kun subtile forskel blev påvist i kovalent hydrogen binding, kan afstanden forskel påberåbe større energi forskel omkring ligevægt obligation afstand. Vi planlægger at yderligere validere denne observation på højere niveau QM metode i de fremtidige undersøgelser.

Gennemførligheden af sidder-QM/MM er blevet godt valideret i den dobbelte kanal af reaktioner uden prædefinerende reaktions koordinater i nærværende undersøgelse. Denne metode rummer potentiale for at søge reaktionsprodukter fra kendte reaktant stater, hvis der ikke er tilvejebragt nogen forudgående reaktionsmekanisme. Vi har vedtaget DFTB/MIO metode i vores nuværende implementering af sidder-QM/MM tilgang, og fik en bedre forståelse af isotop effekt. Det er værd at bemærke, at den implementerede tilgang er i stand til at fange de frie energi ændringer, men kan ikke fange dynamiske egenskaber uden at overveje Quantum tunnelføring effekt. Alligevel fungerer denne protokol som udgangspunkt for at undersøge de kemiske reaktionsmekanismer i det kondenserede miljø. Vi forventer, at sidder-QM/MM metode, der skal udvides til højere niveau QM metoder og dermed kan udnytte mere komplekse systemer i fremtiden.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
operating system	CentOS Linux release 6.0
QM4D software	http://www.qm4d.info/		in-house program
Computer desktop	HP