Tehnici de Modelare moleculara: Mecanica moleculara

Caracteristici ale metodei Mecanica

1. De energie normalizat sterica relativ la zero, mai degraba decat orice cantitate termodinamica.
   
   
   Parametrii din ecuatiile de mai sus necesita definirea tipurilor atomului care, la randul sau un impact asupra tipuri de obligatiuni si unghi.
   1. Pentru lungimi (primul termen), fiecare parametru (forta constanta K) este specific pentru perechea de atom special. Daca te gandesti la asta, un mare numar de combinatii diferite pereche atom sunt posibile din elementele + 70 a tabelului periodic pe care ati putea dori sa modelului. Putine domenii vigoare au chiar si o parte din aceste permutari.
   2. Lucrurile se chiar mai rau (pe termen 2nd) pentru cele trei atomi care definesc un unghi. Din nou o forta constanta K este necesara pentru fiecare combinatie de trei atom.
   3. Pe termen treia torsiune, nu se face nimic pentru convergenta toate permutari de patru atomi, ci mai degraba parametrii sunt introduse doar pentru obligatiunile comune single si duble. In aceasta ecuatie,? este unghiul diedru si? este un factor de faza functie de faptul daca? = 0 este o valoare minima sau maxima si n este multiplicitate de rotatie (gandesc la ea ca la un numar de simetrie).
   4. Al patrulea termen se refera la non-lipit interactiuni. Este nevoie de cunostinte de van der Waals razele (pentru un tabel de recenta, a se vedea 10.1021/jp8111556 ). A doua parte a acestui conturilor termen lung pentru energia dispersie. Ultima parte electrostatica a acestui termen impune taxe pentru fiecare pereche de atom (aproximate cu diversele sisteme de taxa relativ brute, adesea obtinute din calcule cuantice mecanice pe molecule minuscule, care reprezinta grupuri tipic functionale).
   5. Multe (de multe ori proprietary) campuri de forta include un al cincilea termen suplimentar in suma de mai sus, cu privire la:
      • lipire pe baza de hidrogen, sau
      • ?-conjugare, sau
      • Efectele anomeric, etc
   • Exista, de asemenea, un simplu destul de asa-numitele universal sau periodica completa vigoare camp de tabel (uff, DOI: 10.1021/ja00051a040 ) in cazul in care o incercare este facuta pentru a interpola pereche atom sau valori triple atom de hibridizare de baza specificate pentru fiecare atom, si valori specifice pentru fiecare atom. Acestea nu sunt foarte bune pentru energii, dar suficient de curatare pentru o structura de grosolan trase. Ele pot, de asemenea, fi aplicate la mai multe elemente din tabelul periodic decat MM2/3/4 campuri de forta de stil.
   • Unele implementari mecanica introduce eco-termeni, adica se intind-cot. Acest lucru inseamna ca spun o obligatiune departe de lungimea sa de echilibru se poate indoi in mod diferit de la unul din durata normala. Una ar putea sa prevada, de asemenea, o nevoie de schimbare de exemplu, taxele pe atom spune un grup carbonil polare in functie de lungimea sa de obligatiuni intinsa (aceasta nu este niciodata in practica face). Exista un numar enorm de termeni cruce potential, marea majoritate a, care sunt, de fapt, neglijate. Pentru moleculele mari (spun ADN), acest lucru poate fi, de fapt, o eroare semnificativa.
2. Ca o regula de degetul mare aproximative, primele trei termeni in ecuatia de mai sus tind la zero pentru molecule unstrained si fara obstacole. O valoare pozitiva ridicata a energiei sterica este, prin urmare, luate ca un indiciu de instabilitate. Al patrulea termen poate lua valori negative, in special daca molecula este globulare (o multime de non-lipite termeni atractivi), sau in cazul in care molecula are interactiuni multe ionic unde q _i si q _j au semne opuse.
3. Forta de parametrii de camp poate fi de diferite pe scara larga de calitate. Unele sunt derivate din masuratori precise experimentale, altele pot fi presupuneri pura, sau interpolari. Unele campuri de forta sunt bune pentru energii, altii pentru geometrii.
4. Energiile ar trebui sa fie comparat vreodata numai pentru izomeri cu numarul total de acelasi atom / obligatiuni tipuri, cu alte cuvinte, utilizand aceiasi parametri.
5. Energiile nu ar trebui comparate in campuri de forte diferite (sau, intr-adevar in diferite programe de punere in aplicare chipurile camp aceeasi forta!)
6. Energia sterica este utilizat impreuna cu un "Instrumentul de optimizare a geometrie" pentru a gasi minimelor locale in energie. Procesul incepe cu o extindere serie Taylor a energiei potentiale ca functie a unei coordonate (arata in diagrama de mai jos pentru doar o coordonata, dar generalizate mai tarziu la 3N-6). Extinderea este trunchiat pentru a corespunde la o suprafata potential armonice sau patratice:
   
   
   Exista patru modalitati de popularea matricei Hessian inversa:
   • coborare mai abrupte, care stabileste termenii diagonala la 1, si toate celelalte la zero. Foarte rapid, mai ales initial, si potrivite pentru cea mai mare moleculele, deoarece nu inversare matrice trebuie sa fie efectuate.
   • gradientul conjugat, care evalueaza valoarea de numai termenii diagonala, setarea toti ceilalti la zero. Mai lent, dar meandre mai putin atunci cand gradientul de nu mai este "abrupt".
   • BFGS, care evalueaza conditiile diagonala, si aproximeaza termenii off-diagonala din istoria de optimizare. Mult mai lent, si mai putin potrivita pentru moleculele mari, deoarece, rasturnand Hesse este acum din ce in ce consumatoare de timp.
   • Newton-Raphson, care evalueaza toate conditiile. Extrem de lent, dar poate fi admisa atunci cand toate celelalte metode esueaza (opt (calcall), cuvinte-cheie in Gaussian!).
   Valoarea?x este obtinut dintr-o linie de cautare unu-dimensional pentru a obtine un factor de scalare (in mod normal, in jurul valorii de 0,25), si a inceput un proces iterativ. De convergenta este atins atunci cand fie valoarea de?x ajunge la o valoare mica predeterminat, sau schimbarea de energie intre cicluri succesive devine mici.
7. Minime gasite sunt limitate la "atom-conectivitate" mentionate in fisierul de intrare; nu poate face obligatiuni / pauza in timpul procesului de optimizare (si, prin urmare, nu conteaza cat de rau ghici geometria initiala este, ca conectivitatea vor fi pastrate). Dar aceasta inseamna, de asemenea, ca, in general, obligatiuni-rupere statele de tranzitie nu poate fi localizat cu ajutorul Mecanica. Bond-rotatie si unghiul de-inversoare statele de tranzitie poate fi aproximata cu toate acestea.
8. Mecanica toate acestea, este predispus la "false minimelor", permise de ecuatii, dar fizic nerealiste (de exemplu, semisferica de carbon).
9. Mecanica poate fi foarte de incredere pentru predictii geometrice, si este metoda de alegere pentru interfatare intre programele 2D/3D schita structura, si programe costisitoare QM. Programe cum ar fi punerea in aplicare a lui Avogadro optimisers perpetuu vigoare domeniu, care functioneaza chiar si in timp ce trage molecula, rezultand intr-o "elastic trupa" efect. Puteti denatura molecula prin glisarea unul sau mai multi atomi de departe, si urmariti modul in care campul de forta mecanica reface geometria de echilibru. Acest lucru este, uneori, de asemenea, utilizat in dispozitive haptice, joystick-uri cu care poti prod molecule si le deformeze cu feedback tactil.
10. Mecanica, cand se utilizeaza cu seturi de inalta parametru de calitate, poate fi foarte de incredere pentru calcularea proprietati de vibratie (frecvente IR, dar nu intensitati!).
11. Mecanica este bun pentru explorare conformationala (Monte-Carlo, algoritmi genetici, etc), in cazul in care numarul de conformatiei posibile poate milioane de numar. Este folosit in acest context, pentru a stabili previziuni RMN de molecule in cazul in care este posibil conformatiei multe pot exista (a se vedea Goodman).
12. Mecanica este foarte aplicabil la dinamica moleculara, si, prin urmare, derivate din cantitatile statistice termodinamice, cum ar fi energiile libere, etc In acest context, este frecvent utilizat pentru analiza proteinelor, si alte biomolecule mari.

Rezumatul de Pro si Contra de Mecanica moleculara

Pro-uri:

1. Functii simple de energie sunt rapide pentru a rezolva,
2. poate face fata cu molecule mari,
3. precise pentru sistemele care sunt aproape de modelele utilizate pentru a reproduce campul de forta (interpolative),
4. poate fi folosit pentru a specifica obligatiunile obligatoriu intr-o molecula
5. Oferte de precizie rezonabil cu van der Waals interactiuni la non-lipit distantele pentru molecule mai mari (care cresc foarte mult in numar ca molecula devine mai mare si care sunt foarte dificil de la model folosind pur mecanica cuantica)
6. foarte util pentru convertirea instantaneu schite de molecule aranjate in coordonate.

Contra:

1. Nici o forma unica functionala pentru punct de vedere energetic (= de proprietate?)
2. numar de parametri creste rapid pentru non-CHNO elemente,
3. trebuie sa stiti atom / tip de obligatiuni pentru toate molecula (non-clasice lipirea dificil)
4. Nu include majoritatea de termeni incrucisate in domeniul vigoare
5. nu poate face fata cu neobisnuite (= neprevazute) lipire sau interactiuni.
6. nu pot fi folosite pentru statele in tranzitie de obligatiuni de rupere si, prin urmare, reactii.

Studiu de caz 5: stabilitate relativa a ionilor Carbonium

Chimisti organici sunt invatati ca stabilitatea ion carbonium este in principal datorita unor factori, cum ar fi electronice, daca acestea sunt primar, secundar, tertiar, allylic, etc benzylic Ce este mentionata mult mai putin este faptul ca stabilitatea relativa a acestora este, de asemenea, foarte sensibile la geometrii lor, si in special unghiurile de trei substituenti de la carbon. Geometrii de ioni carbonium sunt deosebit de inaccesibile, nu este deloc usoara pentru a obtine structuri de cristal! Deci, cum poate moleculara model de Mecanica ioni urmatoarele carbonium? Acestea sunt aranjate in ordinea asteptat de stabilitate in crestere. Observati ca metoda MM2 scade treptat energiile prezis unghiul. Observati, de asemenea, cu toate acestea cum prezice ca Ion carbonium tertiar este de fapt mai putin stabile decat ion primar precedent, ceea ce este surprinzator pentru a spune putin. In mod evident, factorii de electronice trebuie sa joace un rol important, de asemenea. Este suficient sa spun ca, chiar si fara luarea in considerare a factorilor de electronice, metoda MM2 nu face prea prost in predictie sa din stabilities relative. Acest re-impune concluzia ca unghiurile de obligatiuni in ioni carbonium sunt la fel de importante ca de substitutie! Vezi de asemenea si DOI: 10.1021/ed800058c pentru mai multe detalii.

	intinde = 0.868 = 19.173 unghiul intinde indoiti = -0.672 diedru = 6.497 improp torsiune = 0.155 van der Waals = 2.663 electrostatica = -1.341 de obligatiuni pe baza de hidrogen = 0.000 De energie din structura finala este de 27.342 kcal / mol. (QM B3LYP/cc-pVTZ > rearanjeaza de final produs direct prin ruperea / formeze legaturi)
	intinde = 0.447 = 18.758 unghiul intinde indoiti = -0.078 diedru = 6.916 improp torsiune = 1.124 van der Waals = 1.622 electrostatica = 0.000 mp pe baza de hidrogen = 0.000 De energie din structura finala este de 28.788 kcal / mol. (Comparativ cu QM B3LYP/cc-pVTZ gratuit de energie = 25.7 Kcal / mol)
	intinde = 0.571 = 5.694 unghiul intinde indoiti = -0.027 diedru = 7.179 improp torsiune = 0,009 van der Waals = 5.678 electrostatica = -0.545 de obligatiuni pe baza de hidrogen = 0.000 De energie din structura finala este de 18.559 kcal / mol. (Comparativ cu QM B3LYP/cc-pVTZ gratuit de energie = 23.3 Kcal / mol)
	intinde = 0.512 = 3.439 unghiul intinde indoiti = -0.153 diedru = 6.662 improp torsiune = 0,002 van der Waals = 3.872 electrostatica = 0.683 mp pe baza de hidrogen = 0.000 De energie din structura finala este de 15.017 kcal / mol. (Comparativ cu QM B3LYP/cc-pVTZ gratuit de energie = 0 Kcal / mol)

Studiu de caz 3 revizitate:?-facial Lipirea de hidrogen

Functiile H-obligatiuni de energie in metoda de Mecanica sunt in mod normal, in special impotriva parameterised modele standard, care implica trei atomi, si anume X... H... Y. Modelul de lipire pe baza de hidrogen in aceasta molecula este neobisnuit sa spun cel mai putin, deoarece aceasta implica un inel de ansamblu si nu unui singur atom ca acceptor H, si, prin urmare, metoda de Mecanica (in teorie) nu are nici o forma functionala pe care o poate reproduce. In special, inele aromatice sunt atractive pentru electrophiles in virtutea momentul lor cuadrupolar, care este o proprietate de ordin superior de distributie taxa (astfel extinderea asa-numitele multipol merge ca taxa monopolul, dipol, octapole cuadrupolar, si hexadecapole. Ecuatiile de mai sus in vigoare includ doar primul termen si, eventual, al doilea din prezentul expansiune).

Geometrie optimizata nu prezice ceea ce arata ca H-bonding, dar directionalitatea ei nu este destul de corect. Energia este sterica -49 in comparatie cu -18 daca cele doua componente sunt infinit separate. Acest lucru face ca energia de legatura = -31 kcal / mol. In acest caz, se preconizeaza sa apara aproape in intregime de la non-lipite van der Waals termen lung, mai degraba decat de unire electrostatic sau de hidrogen (dipol-dipol) termeni.

 Stretch: 2.5669

 Bend: 6.6539
 Scratch-Bend: 0.3319
 Torsiune: -54.0415
 Non-1, 4 VDW: -29.6591

 1,4 VDW: 15.6989
 Dipol / Dipol: 9.4549
 Total de energie: -48.9942 kcal / mol

Exista un aspect final care trebuie luate in considerare, si anume entropia interactiune. Ecuatia

?G =?H - T.?S

implica faptul ca in cazul in care scade entropia (adica este?S-am), ca urmare a unei reactii (sau in acest caz un caracter obligatoriu, in care doua molecule libere sunt reduse la un complex legat), atunci trebuie sa creasca?G (doua-am semne = a rezultat pozitiv), ca rezultat de suma de T.?S. Metoda de Mecanica ar putea, in principiu, furnizati o estimare a acestui termen prin calcul a modurilor normale de vibratie (si solutie de corespunzatoare ecuatiilor functia de partitie ), dar putine programe de Mecanica a efectua acest calcul, de fapt (care necesita doua derivate care urmeaza sa fie evaluate, ceva disponibile numai cu ajutorul MM4, cu o precizie de intre 25-50 cm ^-1 ). O estimare aproximativa a T.?S este de aproximativ - (12-15) kcal / mol la 298K (adica aproximativ 2 kcal / mol pe grad de libertate pierdere), care trebuie sa fie adaugata (- / - = +) la energia obligatorii obtinute de mai sus, pentru a obtine o valoare finala a - (15) kcal / mol. Aceasta valoare este cu siguranta in stadion corecta.

O alta proprietate a acestei molecule poate fi, de asemenea, studiate cu ajutorul mecanicii moleculare, si anume rotatie si orientarea preferata de obligatiuni aril-C, pentru care mecanica este foarte bine adaptata. Au "de conducere diedru" calcul prezinta MM2 de energie in functie de unghiul diedru dintre grupul trifluoromethyl si inelul antracenic. Bariera (aproximativ 10-11 kcal / mol) compara destul de bine cu valoarea masurata a?G (de la analiza RMN lineshape) din aproximativ 14 kcal / mol. Discrepanta poate fi bine din cauza ignorarea solvatare a grupului OH, care creste dimensiunea sa, si, prin urmare bariera.

Referinta: ML Webb si HS Rzepa, chiralitate, 1994, 6, 245-250. DOI: 10.1002/chir.530060406

Fast forward: pentru urmatoarea transa din aceasta poveste

Studiu de caz 6: Nicovale moleculara si mingi de tenis

Acum, ca avem o metoda cantitativa de estimare a energiilor de molecule, putem aborda o problema, cum ar fi aratat mai jos. O cerere de "design-forma" este zona recenta de proiectare catalizatori pentru a promova reactii de prinde-le intr-o cavitate, sau de buzunar cu caracter obligatoriu. In timp ce proiectarea enzime pentru a face acest lucru este oarecum dincolo de domeniul de aplicare al cursului actual, un exemplu simplu de design molecule mici, poate fi indicat aici. O molecula resorcinol-antracenic aromatice pe baza a fost conceput sub forma de distantiere (inele aromatice) si link-uri (sub forma de hidrogen-obligatiuni), pentru a crea in stare solida, cu un sistem de cavitati bine definit, care sunt suficient de mari pentru a se adapta mici molecule organice, cum ar fi de metacrilat de etil si cyclohexadiene. Fosta este organizat in cadrul cusca de legaturile de hidrogen in urma zabrele cavitatea. In special, diverse modificari ale structurii se poate face, pentru a mari sau micsora in vrac sterica, etc, precum si efectele acestor schimbari pot fi modelate, si anume a prezis.

Sistemele anterioare au fost modelate prin desen / crearea modelului folosind built-in editor (ChemBio3D, etc). Aici vom fi importatoare coordonatele X-ray derivate. Exista cateva consideratii importante pentru a face acest lucru.

• Aplicarea modelului Mecanica impune atribuirea explicita a constantelor vigoare pentru toate tipurile de atom, care, la randul sau necesita hibridizare (sp, SP2, SP3) din toate centrele de a fi pe deplin cunoscute. Nr hybridisations intermediare sunt permise.
• De conversie de la X-ray coordonate intr-un format in cazul in care toate tipurile de atom si obligatiuni sunt complet definite (de exemplu, Molfile lei) nu este 100% de incredere. In special, hibridizarea trebuie sa fie dedus dintr-o combinatie de lungimi de obligatiuni de toate substituenti la un atom dat, coordonarea totala, si, probabil, unghiurile (si anume SP2 presupune atomul central este coplanari cu trei atomi din jur).
• Molfile noi suntem aici de incarcare a fost foarte atent editat de mana pentru a se asigura ca:
  1. inele aromatice au avut toate tipurile de atom corect, pentru a permite aromaticity care urmeaza sa fie detectata
  2. mici molecule organice prinse in cavitatea au fost de fapt "dezordonate" in structura X-ray. Acest lucru inseamna ca, chiar si numarul de H cu privire la orice atom de carbon dat trebuie sa fie verificate cu atentie.
• In acest exemplu, toate H-obligatiuni au fost, de fapt, "conventional" si, prin urmare, termenul de H-obligatiuni in domeniul Mecanica vigoare pot fi aplicate automat.
• Vom vedea in Mecanica Cuantica sectiunea cum toate aceste limitari pot fi eliminate.

Atunci cand un standard MM2 mecanica camp de forta este aplicat pe nicovala rezorcinol-antracen, se obtin urmatoarele rezultate:

Aceste energii nu sunt corectate pentru entropiei (adica sunt mai apropiate (dar nu destul de) enthalpic, nu si energii gratuit), o limitare semnificativa. Foarte probabil acest tip de functii de catalizator prin conversia energiilor enthalpic (obligatoriu din componentele catalizator) in energiile entropice (adica pre-organizarea reactantii in cavitatea, care desigur consuma entropiei. Cost cu o schimbare de energie gratuit de asamblare a celor trei substraturi este probabil sa fie in jurul valorii de 24-30 kcal / mol, dar acest lucru este inca posibil sa conduca la o victorie!).

Ce este util cu abordarea mecanica este abilitatea de acum de a face modificari minore asupra mediului, cum ar fi schimbarea natura substraturilor incluse in centrul de nicovala pentru a vedea modul in care energia de legatura raspunde. Sa o procedura de tuning!

Referirea Literatura Cataliza de solide organice.. Stereoselectiva Diels-Alder Reactiile Promovat de Cristale microporoasa moleculara avand o vasta retea de hidrogen-Bonded, K. Endo, T. Koike, T. Sawaki, O. Hayashida, H. Masuda, si Y. Aoyama, J. Am. Chim. Soc, 1997, 4117 - 4122, DOI:. 10.1021/ja964198s

O alternativa interesanta la nicovala de mai sus este moleculara "minge de tenis" (de exemplu, DOI ), elaborat de Julius Rebek. Molecule destul de mari pot fi inchise in aceste bile, si o data in, ele se organizeaza foarte specific, un fenomen Rebek a numit moleculara "izomerie sociale" (DOI: 10.1002/anie.200462839 )

La fel ca cu nicovala, mingea de tenis este detinut impreuna cu legaturi de hidrogen, iar acest lucru poate fi modelat folosind metoda de Mecanica, dupa cum se poate organizarea a liganzilor din interiorul cavitatii.

 Stretch: 5.1147

 Bend: 49.5243
 Scratch-Bend: 0.4564
 Torsiune: -3.2591
 Non-1, 4 VDW: -20.0160

 1,4 VDW: 21.6595
 Dipol / Dipol: 25.2888
 Total de energie: 78.7685 kcal / mol

 Stretch: 9.8872

 Bend: 103.0995
 Scratch-Bend: 1.2134
 Torsiune: -3.8372
 Non-1, 4 VDW: -87.3993

 1,4 VDW: 43.0785
 Dipol / Dipol: 29.6762
 Total de energie: 95.7182 kcal / mol

Aici, energia eliberata la dimerisation este de 62 kcal / mol, din care 41 se datoreaza non-lipite ceea ce priveste dispersia si 21 la legaturi de hidrogen. Acest lucru este mai mult decat suficient pentru a depasi conditiile entropice care acrue atunci cand sunt substraturi prins in interiorul.