Isotopisk effekt i dubbel Protonöverföringsprocess av Porfycene undersökt genom förbättrad QM/MM-metod

Summary

Ett protokoll som använder utökad QM/MM-metod för att undersöka isotopisk effekt på dubbel protonöverföringsprocessen i porphycene presenteras här.

Abstract

Den enda deuterium substitution i porphycene leder till en asymmetrisk molekylär geometri, vilket kan påverka den dubbla protonöverföringsprocessen i porphycene molekylen. I denna studie tillämpade vi en förbättrad QM/mm metod som kallas sitter-QM/mm för att undersöka väte/deuterium (H/D) isotop effekter på dubbel Proton överföring i porphycene. Avstånd förändringar i sits-QM/mm molekylär dynamik simuleringar föreslog att deuterium substituerade porphycene antagit stegvis dubbel Proton överföringsmekanism. Den strukturella analysen och den fria energi skiften av dubbel Proton överföring process indikerade att den asymmetriska isotop substitution subtilt komprimerade kovalenta vätebindningar och kan förändra den ursprungliga övergången läge.

Introduction

Protonöverföringsprocessen i porphycenes rymmer potentiella tillämpningar för att utveckla molekylära switchar, transistorer och informations lagringsenheter^1,2. I synnerhet, tautomerization i porphycenes genom dubbel Proton överföring process har lockat stort intresse inom områdena spektroskopi och foto fysik². De inre väteatomerna i porphycene kan migrera från en trans -isomer till den andra likvärdiga trans isomer genom dubbel Proton transfer process som visas i figur 1. Två mekanismer har föreslagits för dubbel protonöverföringsprocessen: den samordnade och den stegkloka mekanismen^3,4. I den samordnade dubbla protonöverföringsprocessen går båda protonatomerna över till övergångs staten synkront på ett symmetriskt sätt, medan en Proton Slutför överföringen inför den andra Proton i en stegvis process. Två väteatomer kan överföras samtidigt eller stegvis beroende på korrelations styrkan mellan två väteatomer⁵.

Isotop substitution har använts för att detektera strukturella egenskaper hos molekyler och Hastighetskonstanter av reaktionskinetik⁶. Enstaka deuterium substitution i den inre väte av porphycene leder till en asymmetrisk form av molekylen. Vätebindningen kan expandera eller kontrakt på grund av Mass skillnad mellan väte och deuteriumatomer. Isotop substitution introducerar en störning i den byggnadsställning av porphycene. Frågan uppkommer om huruvida en asymmetrisk struktur skulle påverka protontransferprocessen. Limbach och medarbetare rapporterade att utbytet av väte med deuterium kommer att komprimera både vätebindningar, och kooperativet koppling av två vätebindningar i porphycene kan gynna samordnad mekanism⁷, medan Yoshikawa uppgav deutereringen skulle göra stegvis mekanismen bidra mer än den samordnade mekanismen⁸. Experimentella tekniker, såsom kraft spektroskopi, har utvecklats för att fånga tautomerization detaljer i en enda porphycene⁹. Det är dock fortfarande utmanande att bestämma atomiska detaljerna i Proton transfer experimentellt på grund av dess övergående natur.

Teoretiska beräkningar och simuleringar kan fungera som kompletterande verktyg för att belysa Reaktionsmekanismerna i Proton transfer. Bland olika teoretiska metoder, molekylär dynamik (MD) simuleringar kan övervaka dynamiska rörelser av varje atom, och har använts i stor utsträckning för att avslöja komplexa mekanismer i kemiska och enzymatiska reaktioner. Men regelbundna MD simuleringar tenderar att lida av otillräcklig provtagning fråga, särskilt när hög energi barriär finns i processen av intresse. Därför har förbättrade provtagningsmetoder utvecklats, bland annat övergångsväg provtagning^10,11, paraply provtagning (US)¹²,¹³, och integrerad temperering provtagning (ITS)^{14, 15}. Kombinationen av olika förbättrade provtagningsmetoder kan ytterligare öka provtagnings effektiviteten^16,17,18. För att utnyttja de förbättrade samplingsalgoritmerna vid simulering av kemiska reaktioner har vi genomfört den selektiva integrerade tempereringsprovtagningen (SITS) med kvantmekaniska och molekylära mekaniska (QM/MM) potentialer nyligen¹⁹. Den föreslagna sitter-QM/MM metoden kombinerar fördelarna från båda metoderna: den sitter metoden accelererar provtagning och kan utforska alla möjliga reaktions kanaler utan föregående kunskap om reaktionsmekanismen, och QM/MM ger mer exakt beskrivning av Bindnings-och obligations brytningsprocessen, som inte kan simuleras enbart med MM-metoder. Den genomförda sitter-QM/MM tillvägagångssätt har framgångsrikt upptäckt samordnade dubbel Proton överföring, okorrelerade och korrelerade stegvis dubbel Proton överföring mekanism i olika system, utan fördefinierade reaktion koordinater¹⁹. För porfycene har det stegvisa men korrelerade protonöverföringstecknet rapporterats¹⁹. Hybriden sitter-QM/MM metod användes för att undersöka isotopisk effekt i porphycene i vår studie, och nedan är de detaljerade beskrivningarna av algoritmen och protokoll för vår metod.

Vi har genomfört sitter metod med hybrid QM/MM potentialer. Den effektiva potentialen hos SITS definierades som att inkludera potentiell energi vid olika temperaturer med viktningsfaktorerna n_k för att täcka bredare temperaturområden,

där, n är antalet kanoniska termer, β_k är inverterad temperatur, och n_k är motsvarande viktningsfaktor för varje kanoniska komponent. U_E R) och U_N(r) representerar de förstärkta och icke-förstärkta termerna i sits och definieras

U _s, u_Se och u_e är den potentiella energin i sub-system, samspelet mellan under system och miljö, och den potentiella energin i miljön. QM/MM potential uttrycks som en hybrid summering av tre komponenter,

där u_QM, u_QM/mm, och u_mm är den interna energi perioden för QM-undersystemet, interaktionen energi mellan QM och mm regioner, och samspelet energi inom mm delsystemet, respektive. U_QM/mm term kan ytterligare delas in i tre komponenter, som omfattar elektrostatisk, van der Waals, och kovalenta interaktion energi termer mellan QM och mm atomer,

Vi tilldelar , och in i en U_s benämner i, sitter,

Den fulla potentialen i systemet var sedan sönderdelas till energin i delsystemet u_s, samspelet energi mellan delsystemet och miljön u_Se, och energin i miljön u_e. Till exempel, i systemet för det nuvarande arbetet, delsystemet är porphycence, och miljön vattnet.

PMF-profilen längs en kollektiv variabel τ(R) härleds som,

De allmänt använda reaktions koordinaterna för varje väteöverföring av N1−H1· · · N2 är q₁ = (r₁−r₂)/2 och q₂ = r₁ + r₂, där är₁ är avståndet N1-H1 och r₂ är avståndet mellan H1-N2.

Metoden har implementerats i det QM/MM MD simulerings paket QM⁴D²⁰. Den kompletta källkoden och dokumentationen finns här: http://www.qm4d.info/.

I allmänhet sitter-QM/MM MD simuleringar omfattar fyra steg: pre-jämvikt (pre-sits); optimering n_k (opt-sits); produktionssimulering och dataanalys.

Protocol

1. byggnadsmodell

1. Bygga porphycene struktur: Öppna Gaussview -programvaran genom att dubbelklicka på musen. Klicka sedan på element fragment knappen i menyn i gaussview att välja de nödvändiga elementen. Konstruera porphycene. Klicka sedan fil knappen för att spara som PDB-filen.
2. Solvate modellen: Solvate porphycene i en kubisk TIP3P²¹ vattenlåda med en kantlängd på 38 Å genom att utfärda kommandot i operativsystemet Linux: genbox_d-CP PRP-VAC. pdb-CS spc216. GRO-o solv. pdb-MaxSol 1484-Box 3,8.
3. Bygga deuterium porphycene: Utfärda följande kommando för att generera topologifil: cns < ppi_solv. inp. Öppna sedan PRP-Wat. polyesterstapelfibrer med vi -kommandot och ändra massan av H1 från 1,00800 till 2,01600 för att ersätta en Intramolekylär väteatom av porfycene med deuterium för att bygga enstaka deuterium substituerad porfycene.
4. Ange normala MD-simuleringsparametrar: Insatsen metod scctb, integral 0,5 FS, och cutoff 12 i MD insatsen arkivera vid öppnandet den med vi befalla.
   Obs: anta ett cutoff avstånd på 12 Å för att beräkna både vdW och elektrostatiska interaktioner. Simulera porphycene molekylen med DFTB/MIO metod²². Ange integrations tid steget som 0,5 FS för MD-simuleringar. Behåll temperaturen i simulerings systemet på 300 K med Langevin termostat. Utför sedan simuleringarna med QM⁴D-programvara enligt stegen nedan.

2. pre-sits

1. Ställ in temperatur parametrar: Ingång templow 260, temphigh 1100 och ntemp 160 i indatafilen.
   Obs: temperaturintervallet från 260K till 1100K spreds ut av QM4D programvara till 160 temperatur punkter under MD simuleringar. Mallindatafilerna ingår i tilläggsfiler.
2. Initiera pre-sits: Ange RUNtype 100 och steg 120 000 i indatafilen. Sedan utfärda följande kommando: $Path/qm4d $INPUTFILE > $Outputfile.
   Obs: det totala steget är 120 000 men kan justeras beroende på det specifika behovet. De föreslagna parametrarna för MD-simuleringar sparas i $INPUTFILE. Samma kommando används också i följande opt-sits och produktionssimulering steg, med indatafilen ändras i enlighet med detta.
3. Beräkning av nedbrutet energier
   1. Extrahera energi förändringar: under pre-sits skede, övervaka energin i varje term för att beräkna medelvärdena, som visas i figur 1. Använd grep Linux kommando för att extrahera energin enligt följande:
      grep ' sitter-ener0 ' $INPUTFILE | awk ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} {Print a/nr, b/nr, c/nr}.
   2. Ändra genomsnittliga energier i MD-indatafilen: beräkna de genomsnittliga energierna baserat på utdata från kommandoraden ovan och ändra linjen vshift0-30801,95; vshift1-26,88; vshift2-13888,28 i indatafilen med de nyligen genererade genomsnitten.
      Notera: numrerar-30801,85,-26,88 och-13888,28 är de genomsnittliga energierna i ström modellerar systemet. Ändra värdena baserat på de specifika systemen.

3. opt-sits

1. Initiera opt-sits: Ange RUNtype 0 i indatafilen. Initiera sedan QM⁴D-programmet genom att skriva kommandot som visas i steg 2,2 för att starta optimerings steget.
2. Övervakning av energi förändringar och n_k värden.
   1. Rita energi spridningen med "Grace"-programmet och se till att energi fluktuationen kan täcka de lägsta och de högsta ändarna av temperaturområdet.
   2. Efter optimering, spara de sista n_k värdena för opt-sits steg in i en ny fil, som namnges som nk. dat i detta protokoll.

4. köra produktions simuleringar

1. Förbered MD-indatafilen: Ange RUNtype 1 i den nya indatafilen för att starta steget produktionssimulering. Ange filnamnet på lagrad n_k -fil som nkfile nk. dat i indatafilen. Antalet tids steg har angetts som 6 400 000 i de nuvarande systemen.
2. Initiera produktion MD simulering: Utfärda följande kommando för att starta MD-simuleringar: $Path/qm4d $INPUTFILE > $Outputfile.
   Obs: se till att n_k -värdena kan läsas in av programvaran QM⁴D. Simuleringstiden är system beroende så ändra simulerings steget baserat på specifika krav. Välj ett korrekt antal tids steg för att säkerställa tillräckligt med simulerings tid för ditt eget system. Detta steg är sannolikt tidskrävande, så spara starta om filer för att undvika att starta om produktionen från början en gång störs.

5 data analys

1. Övervaka avstånds ändringarna
   1. Övervaka bindningen formning och bryta processen under produktionsfasen, Använd grep kommandot för att kontrollera avståndet förändringar av H1-N1 och H1-N2 längs simuleringen tid. Samma operation kan utföras för H2-N3 och H2-N4. Rita sedan distans spridningen med det ackumulerade avstånds värdet under produktions simuleringarna.
2. Extrahera reaktions koordinater
   1. Extrahera reaktionen koordinater och energi termer från produktionen utdatafilen genereras av QM⁴D av grep kommando:
      $OUTPUTFILE grep "dist 1" | awk ' {Print $5} ' > Distance1;
      grep ' ener0 ' $OUTPUTFILE > ener0.
   2. Organisera data i fyra kolumner: q₁, q₂, u₀ och U ' (u₀ och u ' är utdata normal energi och viktad energi), och skriva dem i datafilen vid varje tidsram.
3. Beräkning av fri energi
   1. Beräkna den fria energin genom att utfärda följande kommando:
      sitter-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $Outputfile.
      Obs: sits-PMF är histogrambaserad analysmetod. [hist_minx hist_maxx num_binsx] definierar intervallet och antalet lagerplatser för den första reaktionskoordinaten. Den andra reaktions koordinaterna kan ställas in av [hist_miny hist_maxy num_binsy].
   2. Om du vill projicera den fria energin på det tvådimensionella landskapet skriver du följande kommando:
      sitter-pmf 300 H1-2D. dat PMF2-0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > sits-PMF. out.
      Anmärkning: Använd totalt 24 lagerplatser och 36 lagerplatser för att täcka avståndet förändringar i två valda reaktions koordinater, q₁ och q₂, respektive. Spara 2D-PMF-data för varje väte/deuterium i filen sits-PMF. out .

Representative Results

Den enskilda deuterium Substitutionseffekten på dubbel protonöverföringsprocessen i porfycene undersöktes i det aktuella protokollet (figur 1). Den potentiella energin i QM sub-system och vattnet under pre-jämvikt och optimering steg kontrollerades för att se till att energin har breddats till ett bredare energiområde (figur 2). De representativa avstånds-och vinkel förändringarna (figur 3 och figur 4) och de planerade fria energi förändringarna (figur 5) användes för att karakterisera deuterium Substitutionseffekten på geometrin och protonöverföringsprocessen för porphycene.

Figur 1. De undersökta molekylernas strukturer.
Porfycens strukturer (a) och deuterar Porfycene (B). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. Potentiella energi förändringar under MD-simuleringar.
De potentiella energi förändringarna i QM region (a) och miljö (B) i pre-sits och opt-sits steg. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. De karakteristiska avstånds förändringarna.
A) avståndet mellan H1-N1 och H2-N3 för Porfycene ochB) avstånds ändringarna D1-N1 och H2-N3 för deuterade porfycene under simuleringarna av sirts-QM/mm. C) fördelningen av avstånds ändringar för H1-N1 och H2-N3 för porfycene, och (D) D1-N1 och H2-N3 för deutfila porfycene. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. Väteobligationsvinkeln vid tillverkningen av MD-simuleringar.
De väte Bond änglarna för (a) prophycene och (B) deutdade porphycene. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5. Den fria energilandskap av varje väteöverföring process som projicerades på två reaktions koordinater (q₁, q₂).
(A) och (B) är 2D-fria energilandskap av H1 och H2 överföring i porphycene; (C) och (D) 2D-fritt energilandskap med D1-och H2-överföringar i deutera porfycene. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande filer. Topologifil, tvinga fält parameterfil, koordinater fil och indatafil. Vänligen klicka här för att ladda ner filen.

Kompletterande film 1. Porphycene. Vänligen klicka här för att ladda ner videon.

Discussion

Porfycens struktur visades i figur 1. Den elektrostatiska inbäddning QM/mm hybrid potential med sits metod användes för att beskriva de kemiska reaktionerna i vatten^23,24. Proton transfer sker inom porphycene³ och därmed porphycene anges som QM regionen och påminna vatten anges som mm region. Häri antog vi dftb/Mio som vår QM metod för att behandla porphycene genom att balansera effektivitet och noggrannhet^22,25. Som en metod för provtagning förbättring visades simulering för att bredda distributionen av U_s till hög energi regioner och under tiden bevara tillräcklig provtagning runt energiregionen vid den temperatur av intresse. För aktuellt fall, energin i U_s i "opt-sits" steg breddades till bredare intervall som omfattar energin i standard MD simuleringar i "pre-sits" steg som visas i figur 2. Under tiden indikerade de smidiga energi förändringarna i U_e att den högre temperaturen i QM-undersystemet inte skulle medföra störning i miljön. SITTER-QM/MM metod insåg förbättrad provtagning på den berörda QM regionen utan att påverka den potentiella energin i vatten.

Från avstånds förändringar i figur 3märkte vi att H1 överfördes från N1 till N2 för att bilda en transit CIS -stat och inledde därefter en i följd snabb H2-överföring för att åter anlända till den andra transstaten. och vice versa. Dynamics Proton transfer process visas i kompletterande film 1. Deuterium D1-överföringen mellan N1 och N2 i den enda deuterdade porfycenen åberopade överföringen av H2 mellan N3 och N4. Asynkrona avstånds ändringar indikerade den stegvisa dubbel protonöverföringsprocessen för både porfycene och singeldeuterium substituerad porfycene. Liknande avstånds fördelningar på D1-N1 och H2-N3 tydde på att den kooperativa effekten på två vätebindningar²⁶. I överensstämmelse med tidigare rapporterad primär geometrisk isotop effekt²⁶är avståndet D1-N1 kortare än avståndet H1-n1 (1,048 å resp. 1,051 å). Som framgår i figur 3, observerade vi runt 135, och 65 gånger för överföring av H eller D för porphycene och dess isotopomers inom 3,2 ns MD simuleringar, respektive. Deuteriation kan påverka väteobligationsvinkeln mindre på det sätt som visas i figur 4. Tillräcklig provtagning på de två reaktions kanalerna gjorde det möjligt för oss att beräkna de fria energi förändringarna för varje protonöverföring. Den uppenbara isotopiska effekten observerades i 2D-fritt energilandskap. Övergångs staten har flyttats från (0,01 Å, 2,52 Å) till (-0,01 Å, 2,76 Å) som framgår av reaktions koordinaterna (q₁, q₂) (se figur 5). Det högre q₂ -värdet innebär att den icke-bundna vätebindningen utvidgades. Detta kan komma från den asymmetriska ställningen hos den deutskläfske porfycen.

Både protontransferprocesserna i porphycene och deuteras porfycene kan fångas upp av SITS-QM/MM MD-simuleringar utan att i förväg definiera reaktionskoordinaterna. Dessutom, sitter-QM/MM MD simuleringar avslöjade strukturella skillnaden som infördes genom isotop effekt. Väteförbindelsen D1-N1 förkortades i jämförelse med H1-N1. Övergången tillstånd har flyttats mot högre q₂ värde på grund av en asymmetrisk form som orsakas av deuteration. Även om endast subtil skillnad upptäcktes i kovalent vätebindning, kan avståndet skillnaden åberopa större energiskillnaden runt jämvikt obligationen avstånd. Vi planerar att ytterligare validera denna observation på högre nivå QM metod i framtida studier.

Genomförbarheten av sitter-QM/MM har väl validerats i dubbel kanal av reaktioner utan fördefinierade reaktion koordinater i den aktuella studien. Denna metod har potential att söka reaktionsprodukter från kända reaktant stater om ingen tidigare Reaktionsmekanism tillhandahålls. Vi har antagit DFTB/MIO metod i vårt nuvarande genomförande av SITS-QM/MM strategi, och fick en bättre förståelse av isotopisk effekt. Det är värt att notera att den genomförda metoden kan fånga de fria energi förändringarna, men kan inte fånga dynamiska egenskaper utan att överväga quantum tunneling Effect. Detta protokoll fungerar ändå som utgångspunkt för att undersöka de kemiska Reaktionsmekanismerna i den kondenserade miljön. Vi förväntar oss sitter-QM/MM metod för att utökas till högre nivå QM metoder och därmed kan utnyttja mer komplexa system i framtiden.

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