Isotopic effect in dubbele Proton overdracht proces van Porfycene onderzocht door verbeterde QM/MM-methode

Summary

Hier wordt een protocol weergegeven dat een verbeterde qm/mm-methode gebruikt om het isotopen-effect op het dubbele Proton-overdrachtsproces in porfycene te onderzoeken.

Abstract

De enkelvoudige deuterium substitutie in porfycene leidt tot een asymmetrische moleculaire geometrie, die het dubbele Proton-overdrachtsproces in het porfycene molecuul kan beïnvloeden. In deze studie, we toegepast een verbeterde QM/MM-methode genaamd zit-QM/MM om te onderzoeken waterstof/deuterium (H/D) isotopen effecten op de dubbele Proton overdracht in porfycene. Afstand veranderingen in zit-qm/mm moleculaire dynamiek simulaties suggereerden dat de door deuterium gesubstitueerde porphycene het stapsgewijze Double Proton Transfer mechanisme adopteerde. Uit de structurele analyse en de vrije energie verschuivingen van het dubbele Proton overdrachtsproces bleek dat de asymmetrische substitutie van de covalente waterstofbindingen subtiel samengeperst is en de oorspronkelijke locatie van de overgangs staat kan veranderen.

Introduction

Het proton overdrachtsproces in porphycenes houdt potentiële toepassingen bij het ontwikkelen van moleculaire switches, transistors en informatieopslag apparaten^1,2. In het bijzonder heeft tautomerisatie in porphycenes via Double Proton Transfer proces grote interesse in de velden van spectroscopie en photophysics²aangetrokken. De binnenste waterstofatomen van porfyceen kunnen van de ene trans -isomeer naar het andere gelijkwaardige trans -isomeer migreren door middel van een dubbel Proton overdrachtsproces zoals afgebeeld in figuur 1. Er zijn twee mechanismen voorgesteld voor het overdrachtsproces van dubbele Proton: het gecoördineerde en het stapsgewijze mechanisme^3,4. In het gecoördineerde dubbele Proton-overdrachtsproces gaan beide Proton-atomen synchroon op een symmetrische manier over op de overgangstoestand, terwijl één proton de overdracht voor de andere Proton voltooit in een stapsgewijs proces. Twee waterstofatomen kunnen gelijktijdig of stapsgewijs worden overgedragen, afhankelijk van de correlatie sterkte tussen twee waterstofatomen⁵.

Isotopic substitutie is gebruikt om de structurele eigenschappen van moleculen en frequentie constanten van reactiekinetiek⁶te detecteren. Enkele deuterium substitutie in de binnenste waterstof van porfycene leidt tot een asymmetrische vorm van het molecuul. De waterstof binding kan uitbreiden of contracteren vanwege het massaverschil tussen de waterstof-en deuterium-atomen. De isotopen substitutie introduceert een perturbatie in de steiger van porfycene. De vraag rijst of asymmetrische structuur het proton overdrachtsproces zou beïnvloeden. Limbach en collega's meldden dat de vervanging van waterstof met deuterium beide waterstofbindingen zal comprimeren, en de coöperatieve koppeling van twee waterstofbindingen in porfyceen kan de gunst van een gecoördineerd mechanisme⁷, terwijl Yoshikawa verklaarde de deuteration zou ervoor zorgen dat het stapsgewijze mechanisme meer bijdraagt dan het gecoördineerde mechanisme⁸. Experimentele technieken, zoals kracht spectroscopie, zijn ontwikkeld om tautomerization Details in één porphycene⁹te vangen. Het is echter nog steeds een uitdaging om de atoom Details van Proton Transfer experimenteel te bepalen vanwege zijn voorbijgaande aard.

Theoretische berekeningen en simulaties kunnen fungeren als complementaire tools in het verhelderend werk van de reactiemechanismen van Proton Transfer. Onder verschillende theoretische methoden kunnen moleculaire dynamiek (MD) simulaties dynamische bewegingen van elk atoom monitoren en is op grote schaal gebruikt om complexe mechanismen in chemische en enzymatische reacties te onthullen. Reguliere MD-simulaties hebben echter de neiging te lijden onder onvoldoende sampling, vooral wanneer er een hoge energie barrière bestaat in het proces van belang. Daarom zijn er verbeterde bemonsteringsmethoden ontwikkeld, waaronder overgangs traject bemonstering^10,11, Umbrella sampling (US)^12,13en geïntegreerde temperings sampling (ITS)^{14, 15}. Combinatie van verschillende verbeterde bemonsteringsmethoden kan de bemonsterings efficiëntie verder verhogen^16,17,18. Om de verbeterde sampling algoritmes te benutten bij het simuleren van chemische reacties, hebben we de selectieve geïntegreerde temperen sampling (zit)-methode geïmplementeerd met quantum mechanische en moleculaire mechanische (QM/mm) mogelijkheden recent¹⁹. De voorgestelde zit-QM/MM-methode combineert de voordelen van beide methoden: de zit-methode versnelt de bemonstering en kan alle mogelijke reactie kanalen verkennen zonder voorafgaande kennis van het reactiemechanisme, en QM/MM biedt een nauwkeurigere beschrijving van de obligatie vormende en obligatie breken proces, die niet kan worden gesimuleerd door MM methoden alleen. De geïmplementeerde zit-qm/mm-aanpak heeft met succes de gezamenlijke dubbele Proton overdracht, ongecorreleerde en gecorreleerde stapsgewijze Double Proton Transfer mechanisme in verschillende systemen blootgelegd, zonder vooraf te definiëren reactie coördinaten¹⁹. Voor porfycene is het stapsgewijze maar gecorreleerde Proton overdrachts karakter gerapporteerd¹⁹. De Hybrid zit-qm/mm methode werd gebruikt om het isotopen effect in porphycene in onze studie te onderzoeken, en hieronder zijn de gedetailleerde beschrijvingen van het algoritme en Protocol van onze methode.

We hebben de zit methode geïmplementeerd met Hybrid QM/MM potentials. Het effectieve potentieel van zit werd gedefinieerd om de potentiële energie bij verschillende temperaturen op te nemen met de wegingsfactoren n_k om bredere temperatuurbereiken te bedekken,

waar, n is het aantal canonieke termen, β_k is de inverse temperatuur, en n_k is de bijbehorende wegingsfactor voor elke canonieke component. U_E R) en U_N(r) vertegenwoordigen de verbeterde en niet-verbeterde termen in zit en worden gedefinieerd als,

U _s, u_se en u_e zijn de potentiële energie van het subsysteem, de interactie tussen het subsysteem en het milieu, en de potentiële energie van het milieu. QM/MM potentiaal wordt uitgedrukt als een hybride sommatie van drie componenten,

waar u_qm, u_qm/mmen u_mm de interne energie periode van het QM-subsysteem zijn, de interactie-energie tussen de qm-en mm-gebieden en de interactie-energie binnen het mm-subsysteem, respectievelijk. De u_qm/mm -term kan verder worden onderverdeeld in drie componenten, waaronder de elektrostatische, van der Waals-en covalente interactie-energie termen tussen de qm-en mm-atomen,

We wijzen toe, en in één U_s -term in zit,

Het volledige potentieel van het systeem werd vervolgens ontleed in de energie van het subsysteem u_s, de interactie-energie tussen het subsysteem en het milieu u_se, en de energie van milieu u_e. Bijvoorbeeld, in het systeem van het huidige werk, het subsysteem is de porphycence, en het milieu het water.

Het PMF-profiel langs een collectieve variabele τ(R) is afgeleid

De algemeen gebruikte reactie coördinaten voor elke waterstof overdracht van N1−H1· · · N2 zijn q₁ = (r₁−r₂)/2 en q₂ = r₁ + r₂, waarbij₁ de afstand is van N1-H1 en r₂ de afstand van H1-N2.

De methode is geïmplementeerd in het QM/MM MD-simulatie pakket QM⁴D²⁰. De complete broncode en documentatie vindt u hier: http://www.qm4d.info/.

In het algemeen, de zit-QM/MM MD simulaties omvatten vier stappen: pre-evenwicht (pre-zit); optimalisatie n_k (opt-zit); productie simulatie en gegevensanalyse.

Protocol

1. bouwmodel

1. Bouw porfycene structuur: Open Gaussview software door te dubbelklikken op de muis. Klik vervolgens op element fragment knop in het menu van de gaussview om de benodigde elementen te kiezen. Construct porphycene. Dan klikken filet knop om op te slaan als het PDB-bestand.
2. Het model Solveren: Solvate porphycene in een kubieke TIP3P²¹ water box met een rand lengte van 38 Å door het commando in het Linux-besturingssysteem: genbox_d-CP PRP-Vac. pdb-CS spc216. gro-o SOLV. pdb-maxsol 1484-Box 3,8.
3. Bouwen deuterium porfycene: De volgende opdracht voor het genereren van topologie bestand: cns < ppi_solv. inp. Open vervolgens PRP-wat. psf met VI Command en verander de massa van H1 van 1,00800 naar 2,01600 om een intramoleculair waterstofatoom van porfycene te vervangen door deuterium om één deuterium gesubstitueerd porphycene te bouwen.
4. Stel normale MD-simulatie parameters in: Invoer methode scctb, integraal 0,5 FS, en cutoff 12 in de MD-invoerbestand door deze te openen met de opdracht VI .
   Opmerking: Adopteer een afsluit afstand van 12 Å voor het berekenen van zowel vdW als elektrostatische interacties. Simuleer het porfycene molecuul met DFTB/MIO methode²². Stel de integratie tijdstap in als 0,5 FS voor MD-simulaties. Handhaaf de temperatuur van het simulatie systeem op 300 K met Langevin thermostaat. Voer vervolgens de simulaties uit met QM⁴D-software volgens de onderstaande stappen.

2. vooraf zit

1. Temperatuur parameters instellen: Invoer templow 260, temphigh 1100 en ntemp 160 in het invoerbestand.
   Opmerking: het temperatuurbereik van 260K tot 1100K is door QM4D -software verdeeld naar 160 temperatuur punten tijdens MD-simulaties. De sjabloon invoerbestanden zijn opgenomen in aanvullende bestanden.
2. Start de pre-zit: Stel RunType 100 en stap 120.000 in het invoerbestand. Voer vervolgens de volgende opdracht uit: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
   Opmerking: de totale stap is 120.000, maar kan worden aangepast afhankelijk van de specifieke behoefte. De voorgestelde parameters van MD-simulaties worden opgeslagen in de $INPUTFILE. Dezelfde opdracht wordt ook gebruikt in de volgende stappen voor opt-zit en productie simulatie, met het invoerbestand dienovereenkomstig gewijzigd.
3. Berekening van de gedecomponeerde energieën
   1. Energie-veranderingen te extraheren: tijdens de pre-zit fase, bewaken van de energie van elke term voor het berekenen van de gemiddelde waarden, zoals weergegeven in Figuur 1. Gebruik grep- Linux commando om de energie als volgt te extraheren:
      grep-' zit-ener0 ' $INPUTFILE | awk ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} einde {print a/nr, b/Nr, c/nr}.
   2. Wijzig de gemiddelde energieën in het MD-invoerbestand: Bereken de gemiddelde energieën op basis van de uitvoer van de bovenstaande opdrachtregel en wijzig de lijn vshift0-30801,95; vshift1-26,88; vshift2-13888,28 in het invoerbestand met de nieuw gegenereerde gemiddelden.
      Opmerking: getallen-30801,85,-26,88 en-13888,28 zijn de gemiddelde energieën in het huidige modelsysteem. Wijzig de waarden op basis van de specifieke systemen.

3. opt-zit

1. Start opt-zit: Stel RunType 0 in het invoerbestand in. Start vervolgens het QM⁴D-programma door de opdracht te typen zoals weergegeven in stap 2,2 om de optimalisatie stap te starten.
2. Het monitoren van de energie veranderingen en n_k waarden in.
   1. Plot de energie propagatie met "Grace" programma en zorg ervoor dat de energie schommeling de laagste en de hoogste uiteinden van het temperatuurbereik kan bedekken.
   2. Na de optimalisatie, sla de laatste n_k waarden van de opt-zit stap in een nieuw bestand, die wordt genoemd als NK. dat in dit protocol.

4. productie simulaties uitvoeren

1. MD-invoerbestand voorbereiden: Stel RunType 1 in het nieuwe invoerbestand in om de productie simulatie stap te starten. Geef de bestandsnaam van het opgeslagen n_k -bestand op als nkfile NK. dat in het invoerbestand. Het aantal tijd stappen is ingesteld als 6.400.000 in de huidige systemen.
2. Start de productie-MD-simulatie: Vraag de volgende opdracht om MD-simulaties te starten: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
   Opmerking: Zorg ervoor dat de n_k -waarden kunnen worden gelezen door de qm⁴D-software. De simulatie tijd is afhankelijk van het systeem, dus Verander de simulatie stap op basis van specifieke eisen. Selecteer een behoorlijk aantal tijd stappen om te zorgen voor voldoende simulatie tijd voor uw eigen systeem. Deze stap is waarschijnlijk tijdrovend, dus Save restart bestanden om te voorkomen dat de productie vanaf het allereerste begin opnieuw te starten als verstoord.

5 data-analyse

1. De afstands wijzigingen controleren
   1. Bewaak de bindings vorming en het breek proces tijdens de productiefase, gebruik de grep- -opdracht om de afstands wisselingen van H1-N1 en H1-N2 langs de simulatie tijd te controleren. Dezelfde bewerking kan worden uitgevoerd voor H2-N3 en H2-N4. Plot vervolgens de afstand propagatie met behulp van de verzamelde afstand waarde tijdens de productie simulaties.
2. Reactie coördinaten uitpakken
   1. Extraheer de reactie coördinaten en de energie termen uit het productie-output bestand gegenereerd door QM⁴D door grep- Command:
      grep-' dist 1 ' $OUTPUTFILE | awk ' {Print $5} ' > distance1;
      grep-' ener0 ' $OUTPUTFILE > ener0.
   2. Organiseer gegevens in vier kolommen: q₁, q₂, u₀ en U ' (u₀ en u ' zijn de output normale energie en gewogen energie), en schrijf ze in het gegevensbestand op elk tijdsbestek.
3. Vrije energie berekenen
   1. Bereken de vrije energie door het volgende commando uit te vaardigen:
      zit-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE.
      Opmerking: zit-PMF is de op histogram gebaseerde analysemethode. [hist_minx hist_maxx num_binsx] definieert het bereik en het aantal opslaglocaties voor de eerste reactie coördinaat. De tweede reactie coördinaten kunnen worden ingesteld door [hist_miny hist_maxy num_binsy].
   2. Als u de vrije energie wilt projecteren op het tweedimensionale landschap, typt u de volgende opdracht:
      zit-pmf 300 H1-2D. dat PMF2-0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > sits-PMF. uit.
      Opmerking: gebruik in totaal 24 opslaglocaties en 36 opslaglocaties om de wijzigingen in de afstand in twee geselecteerde reactie coördinaten, respectievelijk q₁ en q₂, te dekken. Sla de 2D PMF-gegevens voor elke waterstof/deuterium op in het bestand sits-PMF. out .

Representative Results

Het enkele deuterium substitutie-effect op het dubbele Proton overdrachtsproces in porfyceen werd in het huidige protocol onderzocht (Figuur 1). De potentiële energie van QM-subsysteem en het water tijdens de pre-evenwichts-en optimaliserings stap werden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de energie is verbreed tot een breder energiebereik (Figuur 2). De representatieve afstand en hoek wijzigingen (Figuur 3 en Figuur 4) en de geprojecteerde vrije-energie veranderingen (Figuur 5) werden gebruikt om het substitutie-effect van deuterium te karakteriseren voor de geometrie en Proton overdrachtsproces van porfycene.

Figuur 1. De structuren van onderzochte moleculen.
De structuren van porfycene (a) en HDO porphycene (B). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2. De mogelijke energie veranderingen tijdens MD simulaties.
De mogelijke energie veranderingen van QM Region (A) en Environment (B) in pre-zit en opt-zit stappen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 3. De karakteristieke afstand verandert.
A) de veranderingen in de afstand van H1-N1 en H2-N3 voor porphycene, enB) de veranderingen in de afstand van D1-N1 en H2-N3 voor HDO porphycene tijdens simulaties van sirts-qm/mm; C) de verdeling van de afstands wijzigingen voor H1-N1 en H2-N3 voor porphycene en (D) D1-N1 en H2-N3 voor HDO porfycene. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 4. De waterstof obligatie hoeken tijdens de productie-MD simulaties.
De waterstof Bond Angels voor (a) prophycene en (B) HDO porfycene. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 5. Het vrije energielandschap van elk waterstof overdrachtsproces dat werd geprojecteerd op twee reactie coördinaten (q₁, q₂).
A) enB) zijn 2D-vrije energie landschappen van H1-en H2-overdracht in porfyceen; C) en (D) 2D vrij energielandschap van D1 en H2 overdracht in HDO porphycene. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Aanvullende bestanden. Topologie bestand, Forceer veld parameterbestand, coördinaten bestand en invoerbestand. Klik hier om het bestand te downloaden.

Aanvullende film 1. Porfycene. Klik hier om de video te downloaden.

Discussion

De structuur van porfycene werd getoond in Figuur 1. De elektrostatische insluiting qm/mm hybride potentiaal met de zit-methode werd gebruikt om de chemische reacties in water te beschrijven^23,24. De Proton overdracht vindt plaats binnen porphycene³ en dus wordt porfycene ingesteld als qm-regio en wordt het herinnerings water ingesteld als mm-regio. Hierin hebben we dftb/Mio goedgekeurd als onze qm-methode om het porfycene te behandelen door de efficiëntie en nauwkeurigheid^22,25te balanceren. Als een techniek van sampling verbetering, zit simulatie werd aangetoond dat het verbreden van de verdeling van U_s naar hoog-energie regio's en ondertussen behoud van voldoende bemonstering rond de energie regio op de temperatuur van belang. Voor de huidige zaak werd de energie van U_s in de "opt-zit"-stap uitgebreid tot bredere bereiken die de energie van de standaard MD-simulaties in de "pre-zit"-stap omvatten, zoals weergegeven in Figuur 2. Ondertussen gaven de soepele energie veranderingen van U_e aan dat de hogere TEMPEratuur in het QM-subsysteem geen perturbatie in het milieu zou brengen. ZIT-QM/MM-methode realiseerde verbeterde bemonstering in de geïnteresseerde QM-regio zonder de potentiële energie van water te beïnvloeden.

Van afstand veranderingen in Figuur 3, we merkten dat H1 overgebracht van N1 naar N2 een transit CIS staat, en vervolgens geïnitieerd een opeenvolgend Rapid H2 Transfer naar de andere trans -staat weer aan te komen; en vice versa. Het Dynamics Proton Transfer proces wordt weergegeven in aanvullende film 1. Deuterium D1 overdracht tussen N1 en N2 in de enkelvoudige HDO porphycene aangeroepen de overdracht van H2 tussen N3 en N4. Asynchrone afstand veranderingen gaven het stapsgewijze overdrachtsproces van dubbele proton aan voor zowel porfycene als enkelvoudig deuterium gesubstitueerd porphycene. De vergelijkbare afstands verdelingen van D1-N1 en H2-N3 suggereerden dat het coöperatieve effect op twee waterstofbindingen²⁶. Consistent met eerder gerapporteerd primair geometrisch isotoop effect²⁶, is de afstand van D1-N1 korter dan de afstand van H1-n1 (1,048 å vs. 1,051 å). Zoals weergegeven in Figuur 3, we waargenomen rond 135, en 65 tijden van overdracht van H of D voor porfycene en de isotoop binnen 3,2 NS MD simulaties, respectievelijk. Deuteriation kan minder effect hebben op de waterstof obligatie hoeken, zoals weergegeven in Figuur 4. De voldoende bemonstering op de twee reactie kanalen stelde ons in staat om de vrije energie veranderingen van elke Proton overdracht te berekenen. Het voor de hand liggende isotopen effect werd waargenomen in het 2D vrije energielandschap. De overgangstoestand is verschoven van (0,01 Å, 2,52 Å) naar (-0,01 Å, 2,76 Å) zoals blijkt uit reactie coördinaten (q₁, q₂) (Zie Figuur 5). De hogere q₂ -waarde betekent dat de niet-gebonden waterstof binding werd uitgebreid. Dit kan afkomstig zijn van de asymmetrische steiger van het HDO porphycene.

Beide Proton overdrachtsprocessen in porfyceen en HDO porfycene kunnen worden opgevangen door een MD simulaties van de zit-qm/mm zonder vooraf de reactie coördinaten te definiëren. Bovendien, zit-qm/mm MD simulaties onthulde het structurele verschil dat werd geïntroduceerd door isotopen effect. De waterstof Bond D1-N1 werd verkort in vergelijking met H1-N1. De overgangstoestand is verschoven naar een hogere q₂ -waarde vanwege een asymmetrische vorm veroorzaakt door deuteratie. Hoewel er slechts een subtiel verschil werd aangetroffen in covalente waterstof binding, kan het verschil in afstand het grotere energieverschil rond de evenwichts obligatie afstand inroepen. We zijn van plan om deze observatie verder te valideren op een hoger niveau QM-methode in de toekomstige studies.

De haalbaarheid van zit-QM/MM is goed gevalideerd in het dubbele kanaal van reacties zonder vooraf te definiëren reactie coördinaten in de huidige studie. Deze methode bevat mogelijkheden van het zoeken van reactieproducten van bekende reactant toestanden als er geen voorgaande reactiemechanisme is voorzien. We hebben de dftb/Mio-methode aangenomen in onze huidige implementatie van de zit-qm/mm-benadering, en hebben een beter inzicht gekregen in het isotopen-effect. Het is vermeldenswaard dat de geïmplementeerde aanpak is in staat om de vrije energie-veranderingen vast te leggen, maar kan geen dynamische eigenschappen vast te leggen zonder rekening te houdend met de Quantum tunneling effect. Toch fungeert dit protocol als uitgangspunt om de chemische reactiemechanismen in de gecondenseerde omgeving te onderzoeken. We verwachten dat de methode zit-QM/MM wordt uitgebreid tot QM-methoden van een hoger niveau en dus in de toekomst meer complexe systemen kan exploiteren.

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