Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Isotopanrikning effekt i Double Proton overføringsprosessen av Porphycene undersøkt av Enhanced QM/MM metode

Published: July 19, 2019 doi: 10.3791/60040
Automatic Translation
1,2, 3, 4
1State Key Laboratory of Structural Chemistry, Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences, 2University of Chinese Academy of Sciences, 3XtalPi Inc. (Shenzhen Jingtai Technology Co., Ltd.), 4Institute of Bioinformatics and Medical Engineering, School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University of Technology

Summary

En protokoll som bruker forbedret QM/MM-metoden til å undersøke den isotopanrikning effekten på den doble Proton overføringsprosessen i porphycene er presentert her.

Abstract

Singelen deuterium substitusjon i porphycene fører til en asymmetrisk molekyl geometri, som kan påvirke den doble Proton overføringsprosessen i porphycene molekylet. I denne studien, brukte vi en forbedret QM/MM-metoden kalt sitter-QM/MM for å undersøke hydrogen/deuterium (H/D) isotop effekter på dobbel Proton overføringen i porphycene. Avstandsendringer i sitter-QM/MM molekylær dynamikk simuleringer foreslo at deuterium erstattet porphycene vedtatt trinnvis doble Proton overføring mekanisme. Den strukturelle analyse og fri energi Skift av doble Proton overføringsprosessen indikerte at den asymmetriske isotopanrikning substitusjon subtilt komprimerte kovalente hydrogen obligasjoner og kan endre den opprinnelige overgangen staten plassering.

Introduction

Den Proton overføringsprosessen i porphycenes holder potensielle applikasjoner i utviklingen av molekylær brytere, transistorer og informasjonslagring enheter1,2. Spesielt tautomeri i porphycenes gjennom doble Proton overføringsprosessen har tiltrukket bred interesse innen feltene spektroskopi og photophysics2. Den indre hydrogenatomer av porphycene kan migrere fra en trans isomer til den andre tilsvarende trans isomer gjennom dobbel Proton overføringsprosessen som vist i figur 1. To mekanismer har blitt foreslått for den doble Proton overføringsprosessen: den felles og trinnvis mekanisme3,4. I den felles doble Proton overføringsprosessen, både Proton atomer flytte til overgangen staten synkront i en symmetrisk måte, mens en Proton fullfører overføringen før den andre Proton i en trinnvis prosess. To hydrogenatomer kan overføre samtidig eller trinnvis avhengig av korrelasjons styrke mellom to hydrogenatomer5.

Isotopanrikning substitusjon har blitt brukt til å oppdage de strukturelle egenskapene til molekyler og rangere konstanter av reaksjonen Kinetics6. Enkelt deuterium substitusjon i indre hydrogen av porphycene fører til en asymmetrisk form av molekylet. Hydrogen bindingen kan utvide eller kontrakt på grunn av masse forskjell mellom hydrogen og deuterium atomer. Isotopanrikning substitusjon introduserer en forstyrrelsene i stillaset i porphycene. Spørsmålet melder at om asymmetrisk struktur vil påvirke Proton overføringsprosessen. Limbach og kollegaer rapporterte at utskifting av hydrogen med deuterium vil komprimere både hydrogen obligasjoner, og samarbeidende kopling av to hydrogen obligasjoner i porphycene kan favorisere felles mekanisme7, mens Yoshikawa uttalte deuteration ville gjøre trinnvis mekanismen bidra mer enn den felles mekanismen8. Eksperimentelle teknikker, som Force spektroskopi, har blitt utviklet for å fange tautomeri detaljer i en enkelt porphycene9. Men det er fortsatt utfordrende å bestemme Atomic detaljer om Proton overføre eksperimentelt på grunn av sin forbigående natur.

Teoretiske beregninger og simuleringer kan fungere som komplementære verktøy i Elucidating reaksjons mekanismer av Proton overføring. Blant ulike teoretiske metoder, molekylær dynamikk (MD) simuleringer kan overvåke dynamiske bevegelser av hvert Atom, og har vært mye brukt til å avdekke komplekse mekanismer i kjemiske og enzymatisk reaksjoner. Men vanlige MD simuleringer tendens til å lide av utilstrekkelig prøvetaking problemet, spesielt når høy energi barriere finnes i prosessen av interesse. Derfor har forbedrede Prøvetakings metoder blitt utviklet, som inkluderer overgangs bane sampling10,11, paraply prøvetaking (US)12,13, og integrert tempering prøvetaking (Its)14, 15av dem. Kombinasjon av ulike forbedrede sampling metoder kan ytterligere øke sampling effektivitet16,17,18. For å utnytte den forbedrede prøvetaking algoritmer i simulere kjemiske reaksjoner, har vi implementert selektiv integrert tempering prøvetaking (sitter) metode med Quantum mekaniske og molekylære mekaniske (QM/MM) potensialer nylig19. Den foreslåtte sitter-QM/MM metoden kombinerer fordelene fra begge metodene: den sitter metoden akselererer prøvetaking og kan utforske alle mulige reaksjons kanaler uten forkunnskaper i reaksjons mekanismen, og QM/MM gir mer nøyaktig beskrivelse av obligasjons-og obligasjons prosess, som ikke bare kan bli simulert av MM-metoder. Den implementerte sitter-QM/MM tilnærming har lykkes avdekket felles dobbel Proton overføring, uncorrelated og korrelert trinnvis doble Proton overføre mekanisme i ulike systemer, uten pre-definerende reaksjons koordinater19. For porphycene, den trinnvis men korrelert Proton overføring karakter har blitt rapportert19. Hybrid sitter-QM/MM metoden ble brukt til å undersøke isotopanrikning effekt i porphycene i studien vår, og nedenfor er de detaljerte beskrivelser av algoritmen og protokollen av vår metode.

Vi har implementert sitter metode med hybrid QM/MM potensialer. Den effektive potensialet i sitter ble definert til å omfatte den potensielle energien ved ulike temperaturer med vekting faktorer nk for å dekke større temperaturområder,

Equation 1

hvor, N er antall kanoniske termer, βk er den inverse temperaturen, og Nk er den tilsvarende vekting faktoren for hver kanoniske komponent. UE (R) og UN(r) representerer de forbedrede og ikke-forbedrede vilkårene i sitter og er definert som,

Equation 2

U s, use og Ue er den potensielle energien i sub-system, samspillet mellom sub-system og miljø, og den potensielle energien i miljøet. QM/MM potensial uttrykkes som en hybrid summering av tre komponenter,

Equation 3

der uQM, uQM/mm, og umm er den interne energien sikt av QM Subsystem, samspillet energien mellom QM og mm regioner, og samspillet energi i mm Subsystem, henholdsvis. UQM/mm sikt kan videre deles inn i tre komponenter, som inkluderer den elektrostatiske, Van der Waals, og kovalente SAMSPILL energi vilkår mellom QM og mm atomer,

Equation 4

Vi tildeler Equation 5 , og Equation 6 i en Us sikt i sitter,

Equation 7

Det fulle potensialet i systemet ble deretter nedbrutt inn i energien i Subsystem us, samspillet energi mellom delsystemet og miljøet use, og energien i miljøet ue. For eksempel, i systemet av dagens arbeid, er delsystemet porphycence, og miljøet vannet.

PMF-profilen langs en kollektiv variabel τ(R) er avledet AS,

Equation 8

De generelt brukte reaksjons koordinatene for hver hydrogen overføring av N1−H1· · · N2 er q1 = (r1−r2)/2 og q2 = r1 + r2, hvor er1 er avstanden til N1-H1 og r2 er avstanden til H1-N2.

Metoden er implementert i QM/MM MD simulering pakken QM4D20. Den fullstendige kildekoden og dokumentasjonen finner du her: http://www.qm4d.info/.

Generelt, den sitter-QM/MM MD simuleringer innebære fire trinn: pre-likevekt (pre-sitter); optimalisering nk (opt-sitter); produksjons simulering og dataanalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bygnings modell

  1. Bygg porphycene struktur: Åpne GaussView programvare ved å dobbeltklikke på musen. Klikk deretter element fragment knappen i menyen på GaussView å velge de nødvendige elementene. Konstruere porphycene. Klikk deretter fil- knappen for å lagre som pdb-filen.
  2. Solvate modellen: Solvate porphycene i en kubikk TIP3P21 vann boks med en kant lengde på 38 å ved å utstede kommandoen i Linux operativsystem: genbox_d-CP PRP-VAC. pdb-cs spc216. gro-o oppklare. pdb-maxsol 1484-Box 3,8.
  3. Bygg deuterium porphycene: Utstede følgende kommando for å generere topologi fil: cns < ppi_solv. inP. Så åpen PRP-Wat. PSF med vi kommandere og endre massen av H1 fra 1,00800 å 2,01600 som erstatning for ettall intramolekylær hydrogen Atom av porphycene med deuterium å bygge enkelt deuterium erstattet porphycene.
  4. Angi normal MD simulering parametere: Input metoden scctb, Integral 0,5 FS, og cut - 12 i MD input-filen ved å åpne den med vi kommandoen.
    Merk: vedta en grense avstand på 12 å for beregning av både vdW og elektrostatisk samhandling. Simuler det porphycene molekylet med DFTB/MIO-metoden22. Angi integrerings tid trinn som 0,5 FS for MD-simuleringer. Opprettholde temperaturen på simuleringen systemet på 300 K med Langevin termostat. Deretter utfører simuleringer med QM4D programvare følge trinnene nedenfor.

2. pre-sitter

  1. Definere temperatur parametere: Input templow 260, temphigh 1100 og ntemp 160 inne inntaket arkiv.
    Merk: temperaturen varierer fra 260K til 1100K ble spredt ut av QM4D programvare til 160 temperatur poeng under MD simuleringer. Mal inndatafilene er inkludert i tilleggsfiler.
  2. Initiere pre-sitter: Angi runtype 100 og trinn 120 000 i inndatafilen. Deretter utsteder du følgende kommando: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
    Merk: det totale steget er 120 000, men kan justeres avhengig av det spesifikke behovet. De foreslåtte parametrene for MD-simuleringer lagres i $INPUTFILE. Den samme kommandoen brukes også i følgende opt-sitter og produksjon simulering trinn, med input-filen endres tilsvarende.
  3. Beregning av nedbrutt energier
    1. Pakk energi endringer: under pre-sitter scenen, overvåke energien i hvert semester for å beregne gjennomsnittet verdier, som vist i figur 1. Bruk grep Linux Command til å trekke ut energien som følger:
      grep ' sitter-ener0 ' $INPUTFILE | AWK ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} Avslutt {Print a/nr, b/nr, c/nr}.
    2. Endre gjennomsnittlig energi i MD-inndata-filen: Beregn gjennomsnittlig energi basert på utdataene fra kommandolinjen ovenfor, og endre linjen vshift0-30801,95; vshift1-26,88; vshift2-13888,28 i input-filen med den nylig genererte gjennomsnitt.
      Merk: Numbers-30801,85,-26,88 og-13888,28 er den gjennomsnittlige energien i dagens modell system. Vennligst endre verdiene basert på de spesifikke systemene.

3. opt-sitter

  1. Initiere opt-sitter: Angi runtype 0 i inndatafilen. Deretter starter du QM4D programmet ved å skrive kommandoen som vist i trinn 2,2 for å starte optimaliserings trinnet.
  2. Overvåking av energi endringer og nk verdier.
    1. Plot energien forplantning med "nåde" program og sørge for at energi svingninger kan dekke den laveste og den høyeste endene av temperaturområdet.
    2. Etter optimering, bevare det final nk verdier av det opt-sitter skritt i en ny arkiv, hvilke er benevnt idet NK. dat i denne protokollen.

4. running produksjon simuleringer

  1. KLARGJØR MD-inndata-fil: Angi runtype 1 i den nye inndatafilen for å starte produksjons simulerings trinnet. Angi filnavnet på lagret nk -fil som nkfile NK. dat i input-filen. Antall tids trinn ble angitt som 6 400 000 i gjeldende systemer.
  2. Initiere produksjon MD simulering: Utstede følgende kommando for å starte MD-simuleringer: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
    Merk: Sørg for at nk -verdiene kan leses inn av QM4D programvaren. Simulerings tiden er system avhengig, så du kan endre simulerings trinnet basert på spesifikke krav. Velg et passende antall tids trinn for å sikre nok simulerings tid for ditt eget system. Dette trinnet er sannsynlig tidkrevende, så lagre restart filer for å unngå å starte produksjonen fra begynnelsen en gang blir forstyrret.

5 data analyse

  1. Overvåking av avstandsendringer
    1. Overvåk bindingen forming og bryte prosessen i løpet av produksjonsfasen, bruker grep -kommandoen til å kontrollere avstanden endringer av H1-N1 og H1-N2 langs simuleringen tid. Den samme operasjonen kan gjennomføres for H2-N3 og H2-N4. Deretter plotte avstanden forplantning ved hjelp av akkumulert avstand verdi under produksjonen simuleringer.
  2. Trekke ut reaksjons koordinater
    1. Pakk ut reaksjons koordinatene og energi vilkårene fra produksjons utdatafilen som er generert av QM4D ved grep -kommandoen:
      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 vektet energi), og skrive dem inn i datafilen på hver tidsramme.
  3. Beregne fri energi
    1. Beregn den frie energien ved å utstede følgende kommando:
      sitter-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE.
      Merk: sitter-PMF er den histogram-baserte analysemetoden. [hist_minx hist_maxx num_binsx] definerer rekkevidden og antallet hyller for den første reaksjons koordinaten. Den andre reaksjons koordinatene kan stilles inn av [hist_miny hist_maxy num_binsy].
    2. For å projisere den frie energien på det todimensjonale landskapet, skriver du inn følgende kommando:
      sitter-pmf 300 H1-2D. dat PMF2-0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > Sits-PMF.
      Merk: Bruk totalt 24 hyller og 36 hyller for å dekke avstands endringene i to valgte reaksjons koordinater, henholdsvis q1 og q2. Lagre 2D PMF-dataene for hver hydrogen-deuterium til Sits-PMF. out -filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Singelen deuterium substitusjon effekt på dobbelt Proton overføringsprosessen i porphycene ble undersøkt i den aktuelle protokollen (figur 1). Den potensielle energien til QM sub-system og vann under pre-likevekt og optimalisering trinn ble sjekket for å sikre at energien har blitt utvidet til et bredere energi område (figur 2). Den representative avstand og vinkel endringer (Figur 3 og Figur 4), og de projiserte frie energi endringer (figur 5) ble brukt til å karakterisere den deuterium substitusjons effekt på geometri og Proton overføringsprosessen av porphycene.

Figure 1
Figur 1. Strukturene i undersøkte molekyler.
Strukturene i porphycene (A) og deuterert Porphycene (B). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. Den potensielle energien endres under MD simuleringer.
Potensialet energi endringer av QM region (A) og miljø (B) i pre-sitter og opt-sitter trinn. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Den karakteristiske avstanden endres.
(A) avstanden endringer av H1-N1 og H2-N3 for porphycene, og (B) avstanden endringer av D1-N1 og H2-N3 for deuterert PORPHYCENE under SIRTS-QM/mm simuleringer; (C) fordelingen av avstandsendringer for H1-N1 og H2-N3 for porphycene, og (D) D1-N1 og H2-N3 for deuterert porphycene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. Hydrogen bånd vinkler under produksjonen MD simuleringer.
The hydrogen Bond engler for (A) prophycene og (B) deuterert porphycene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Det frie energi landskapet for hver enkelt hydrogen overføringsprosess som ble projisert på to reaksjons koordinater (q1, q2).
(A) og (B) er 2D gratis energi landskap av H1 og H2 overføring i porphycene; (C) og (D) 2D fri energi landskap av D1 og H2 overføring i deuterert porphycene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tilleggsfiler. Topologi fil, tvinge Feltparameter fil, koordinater fil og inndatafil. Vennligst klikk her for å laste ned filen.

Tilleggs film 1. Porphycene. Vennligst klikk her for å laste ned videoen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Porphycene struktur ble vist i figur 1. Den elektrostatiske embedding QM/mm hybrid potensialet med sitter metoden ble brukt for å beskrive de kjemiske reaksjonene i vann23,24. Det Proton forflytning hender innen porphycene3 og således porphycene er sette idet QM område og det påminner vann er sette idet mm område. Heri vi vedtatt DFTB/Mio som vår QM metode for å behandle porphycene ved å balansere effektivitet og nøyaktighet22,25. Som en sampling ekstrautstyr teknikk, sitter simulering ble vist å utvide distribusjonen av Us til høy-energi regioner og mellomtiden bevare tilstrekkelig prøvetaking rundt energi regionen ved temperaturen av interesse. For dagens tilfelle, energi av Us i "opt-sitter" steg ble utvidet til større områder som omfatter energi av standard MD simuleringer i "pre-sitter" trinn som vist i figur 2. Mellomtiden, den glatte energien endringer av Ue indikerte at høyere temperatur i QM delsystemet ikke ville bringe forstyrrelsene inn i miljøet. SITTER-QM/MM metoden realisert forbedret prøvetaking på interesserte QM-regionen uten å påvirke den potensielle energien i vann.

Fra avstand endringer i Figur 3, la vi merke til at H1 overført fra N1 til N2 for å danne en transitt CIS stat, og deretter igangsatt en fortløpende rask H2 overføring for å komme den andre trans staten igjen; og vice versa. Dynamics Proton overføringsprosessen vises i tilleggs film 1. Deuterium D1-overføring mellom N1 og N2 i enkelt deuterert-porphycene startet overføringen av H2 mellom N3 og N4. Asynkron avstandsendringer indikerte trinnvis doble Proton overføringsprosessen for både porphycene og enkelt deuterium erstattet porphycene. Tilsvarende avstand distribusjoner av D1-N1 og H2-N3 foreslo at den samarbeidende effekt på to hydrogen obligasjoner26. I samsvar med tidligere rapportert primære geometriske isotop effekt26, er avstanden til D1-N1 kortere enn avstanden til H1-n1 (1,048 å vs. 1,051 å). Som vist i Figur 3, observerte vi rundt 135, og 65 ganger for overføring av H eller D for porphycene og dens isotopomers innen 3,2 NS MD simuleringer, henholdsvis. Deuteriation kan utøve mindre effekt på hydrogen bånd vinkler som vist i Figur 4. Den tilstrekkelig prøvetaking på de to reaksjons kanaler aktivert oss å beregne fri energi endringer av hver Proton overføring. Den åpenbare isotopanrikning effekten ble observert i 2D fri energi landskapet. Overgangs staten har blitt flyttet fra (0,01 å, 2,52 å) til (-0,01 å, 2,76 å) som avslørt fra reaksjons koordinater (q1, q2) (se figur 5). Den høyere q2 verdi betyr at nonbonded hydrogen bindingen ble utvidet. Dette kan komme fra det asymmetriske stillaset i deuterert porphycene.

Begge Proton overføre prosesser i porphycene og deuterert porphycene kan fanges opp av sitter-QM/MM MD simuleringer uten pre-definere reaksjons koordinater. Videre sitter-QM/MM MD simuleringer avslørte den strukturelle forskjellen som ble innført ved isotopanrikning effekt. Hydrogen bindingen D1-N1 ble forkortet i forhold til H1-N1. Overgangen staten har blitt forskjøvet mot høyere q2 verdi på grunn av en asymmetrisk form forårsaket av deuteration. Selv om bare subtile forskjellen ble påvist i kovalente hydrogen bånd, kan avstanden forskjellen påberope større energi forskjell rundt likevekt Bond avstand. Vi planlegger å ytterligere validere denne observasjonen på høyere nivå QM-metoden i fremtidige studier.

Muligheten for sitter-QM/MM har blitt godt validert i den doble kanalen av reaksjoner uten pre-definerende reaksjons koordinater i denne studien. Denne metoden har potensial til å søke reaksjons produkter fra kjente reaktant tilstander hvis ingen tidligere reaksjons mekanisme er gitt. Vi har vedtatt DFTB/MIO metode i vår nåværende gjennomføring av sitter-QM/MM tilnærming, og fikk en bedre forståelse av isotopanrikning effekt. Det er verdt å merke seg at implementert tilnærming er i stand til å fange den frie energi endringer, men kan ikke fange dynamiske egenskaper uten å vurdere Quantum tunneling effekt. Likevel, denne protokollen fungerer som et utgangspunkt for å undersøke den kjemiske reaksjons mekanismer i kondensert miljø. Vi forventer sitter-QM/MM metoden skal utvides til høyere nivå QM metoder og dermed kan utnytte mer komplekse systemer i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen er understøttet av det nasjonal nøkkel forskning og utviklingen program av porselen (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), naturlig vitenskap opprettelsen av Jiangsu område, og nasjonal naturlig vitenskap opprettelsen av porselen (91645116). L. X er den Zhong-Wu spesielt utnevnt professor i Jiangsu University of Technology. Forfatterne erkjenner forslagene fra Dr. Hao Hu og Dr. Mingjun Yang.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Waluk, J. Ground- and excited-state tautomerism in porphycenes. Accounts of Chemical Research. 39 (12), 945-952 (2006).
  2. Waluk, J. Spectroscopy and tautomerization studies of porphycenes. Chemical Reviews. 117 (4), 2447-2480 (2017).
  3. Kozlowski, P. M., Zgierski, M. Z., Baker, J. The inner-hydrogen migration and ground-state structure of porphycene. The Journal of Chemical Physics. 109 (14), 5905-5913 (1998).
  4. Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. Theoretical study on the mechanism of double proton transfer in porphycene by path-integral molecular dynamics simulations. Chemical Physics Letters. 496 (1-3), 14-19 (2010).
  5. Smedarchina, Z., Shibl, M. F., Kühn, O., Fernández-Ramos, A. The tautomerization dynamics of porphycene and its isotopomers - concerted versus stepwise mechanisms. Chemical Physics Letters. 436 (4-6), 314-321 (2007).
  6. Wolfsberg, M., Hook, W. A., Paneth, P., Rebelo, L. P. N. Isotope effects. The Chemical, Geological, and Bio Sciences. , Springer. Dordrecht. (2009).
  7. Pietrzak, M., Shibl, M. F., Bröring, M., Kühn, O., Limbach, H. H. 1H/2H NMR studies of geometric H/D isotope effects on the coupled hydrogen bonds in porphycene derivatives. Journal of the American Chemical Society. 129 (2), 296-304 (2007).
  8. Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. Quantum tautomerization in porphycene and its isotopomers: Path-integral molecular dynamics simulations. Chemical Physics. 394 (1), 46-51 (2012).
  9. Ladenthin, J. N., et al. Force-induced tautomerization in a single molecule. Nature Chemistry. 8 (10), 935-940 (2016).
  10. Dellago, C., Bolhuis, P. G., Csajka, F. S., Chandler, D. Transition path sampling and the calculation of rate constants. The Journal of Chemical Physics. 108 (5), 1964-1977 (1998).
  11. Bolhuis, P. G., Chandler, D., Dellago, C., Geissler, P. L. Transition path sampling: Throwing ropes over rough mountain passes, in the dark. Annual Review of Physical Chemistry. 53 (1), 291-318 (2002).
  12. Torrie, G. M., Valleau, J. P. Nonphysical sampling distributions in monte carlo free-energy estimation: Umbrella sampling. Journal of Computational Physics. 23 (2), 187-199 (1977).
  13. Kästner, J. Umbrella sampling. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 1 (6), 932-942 (2011).
  14. Gao, Y. Q. An integrate-over-temperature approach for enhanced sampling. Journal of Chemical Physics. 128 (6), 064105 (2008).
  15. Yang, L., Gao, Y. Q. A selective integrated tempering method. Journal of Chemical Physics. 131 (21), 214109 (2009).
  16. Yang, M., Yang, L., Gao, Y., Hu, H. Combine umbrella sampling with integrated tempering method for efficient and accurate calculation of free energy changes of complex energy surface. The Journal of Chemical Physics. 141 (4), 044108 (2014).
  17. Yang, Y. I., Zhang, J., Che, X., Yang, L., Gao, Y. Q. Efficient sampling over rough energy landscapes with high barriers: A combination of metadynamics with integrated tempering sampling. The Journal of Chemical Physics. 144 (9), 094105 (2016).
  18. Xie, L., Shen, L., Chen, Z. N., Yang, M. Efficient free energy calculations by combining two complementary tempering sampling methods. The Journal of Chemical Physics. 146 (2), 024103 (2017).
  19. Xie, L., Cheng, H., Fang, D., Chen, Z. N., Yang, M. Enhanced QM/MM sampling for free energy calculation of chemical reactions: A case study of double proton transfer. The Journal of Chemical Physics. 150 (4), 044111 (2019).
  20. Hu, X., Hu, H., Yang, W. QM4D: an integrated and versatile quantum mechanical/molecular mechanical simulation package (http://www.qm4d.info/). , (2016).
  21. Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W., Klein, M. L. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. The Journal of Chemical Physics. 79 (2), 926-935 (1983).
  22. Walewski, L., et al. Scc-dftb energy barriers for single and double proton transfer processes in the model molecular systems malonaldehyde and porphycene. International Journal of Quantum Chemistry. 106 (3), 636-640 (2006).
  23. Bakowies, D., Thiel, W. Hybrid models for combined quantum mechanical and molecular mechanical approaches. The Journal of Physical Chemistry. 100 (25), 10580-10594 (1996).
  24. Hu, H., Yang, W. Development and application of ab initio QM/MM methods for mechanistic simulation of reactions in solution and in enzymes. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 898 (1-3), 17-30 (2009).
  25. Xie, L., Yang, M., Chen, Z. N. Understanding the entropic effect in chorismate mutase reaction catalyzed by isochorismate-pyruvate lyase from pseudomonas aeruginosa (PchB). Catalysis Science, Technology. 9 (4), 957-965 (2019).
  26. Shibl, M. F., Pietrzak, M., Limbach, H. H., Kühn, O. Geometric H/D isotope effects and cooperativity of the hydrogen bonds in porphycene. ChemPhysChem. 8 (2), 315-321 (2007).

Tags

Kjemi isotopanrikning effekt dobbel Proton overføring forbedret prøvetaking QM/MM selektiv integrert tempering prøvetaking fri energi beregning
Isotopanrikning effekt i Double Proton overføringsprosessen av Porphycene undersøkt av Enhanced QM/MM metode
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tu, Z., Yin, J., Xie, L. Isotopic… More

Tu, Z., Yin, J., Xie, L. Isotopic Effect in Double Proton Transfer Process of Porphycene Investigated by Enhanced QM/MM Method. J. Vis. Exp. (149), e60040, doi:10.3791/60040 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter