Efeito isotópico no processo de transferência de prótons duplo de Porficeno investigado por método Enhanced QM/MM

Resumo

Um protocolo que use o método avançado de QM/mm para investigar o efeito isotópica no processo de transferência dobro do Proton no porphycene é apresentado aqui.

Resumo

A única substituição do deutério no porphycene conduz a uma geometria molecular assimétrica, que possa afetar o processo dobro da transferência do próton na molécula do porphycene. Neste estudo, aplicou-se um método avançado de QM/MM chamado senta-QM/MM para investigar efeitos isotópicos de hidrogênio/deutério (H/D) na transferência de prótons duplos em porficeno. As mudanças de distância nas simulações de dinâmica molecular de senta-QM/MM sugeriram que o porficeno substituído por deutério adotou o mecanismo de transferência de prótons duplo Stepwise. A análise estrutural e os turnos de energia livre do processo de transferência de prótons duplos indicaram que a substituição isotópica assimétrica comprimiu as ligações de hidrogênio covalentes e pode alterar a localização original do estado de transição.

Introdução

O processo de transferência de prótons em pórcenes detém potenciais aplicações no desenvolvimento de interruptores moleculares, transistores e dispositivos de armazenamento de informações^1,2. Em particular, a tautomerização em porficenes através do processo de transferência de prótons duplo tem atraído grande interesse nos campos de espectroscopia e Fotofísica². Os átomos de hidrogênio internos do porfíceno podem migrar de um isômero Trans para o outro isômero Trans equivalente através do processo de transferência de prótons duplo, como mostrado na Figura 1. Dois mecanismos foram propostos para o processo de transferência de prótons duplos: o mecanismo concertado e o Stepwise^3,4. No processo de transferência de prótons duplo concertado, ambos os átomos de prótons movem-se para o estado de transição de forma síncrona de maneira simétrica, enquanto um próton conclui a transferência antes do outro próton em um processo Stepwise. Dois átomos de hidrogênio podem transferir simultaneamente ou Stepwise dependendo da força de correlação entre dois átomos de hidrogênio⁵.

A substituição isotópica tem sido utilizada para detectar as propriedades estruturais das moléculas e constantes de taxa de cinética de reação⁶. A única substituição do deutério no hidrogênio interno do porphycene conduz a uma forma assimétrica da molécula. A ligação de hidrogênio pode se expandir ou contrair por causa da diferença de massa entre os átomos de hidrogênio e deutério. A substituição isotópica introduz uma perturbação no andaime do porphycene. Surge a questão de saber se a estrutura assimétrica afetaria o processo de transferência de prótons. Limbach e colegas de trabalho relataram que a substituição de hidrogênio com deutério irá comprimir ambas as ligações de hidrogênio, e o acoplamento cooperativo de duas ligações de hidrogênio em porfíceno pode favorecer o mecanismo concertado⁷, enquanto Yoshikawa afirmou o o deuteração faria o mecanismo Stepwise contribuir mais do que o mecanismo concertado⁸. Técnicas experimentais, como espectroscopia de força, foram desenvolvidas para captar detalhes de tautomerização em um único porphycene⁹. No entanto, ainda é desafiador determinar os detalhes atômicos da transferência de prótons experimentalmente por causa de sua natureza transitória.

Cálculos teóricos e simulações podem atuar como ferramentas complementares na elucidatação dos mecanismos de reação da transferência de prótons. Entre os diferentes métodos teóricos, as simulações de dinâmica molecular (MD) podem monitorar movimentos dinâmicos de cada átomo, e tem sido amplamente utilizada para revelar mecanismos complexos em reações químicas e enzimáticas. No entanto, simulações regulares de MD tendem a sofrer de insuficiente amostragem questão, especialmente quando a barreira de alta energia existe no processo de interesse. Portanto, foram desenvolvidos métodos de amostragem aprimorados, que incluem amostragem de trajeto de transição^10,11, amostragem de guarda-chuva (US)^12,13e amostragem de têmpera integrada (ITS)^{14, quinze anos}. A combinação de diferentes métodos de amostragem aprimorados pode aumentar ainda mais a eficiência amostral^16,17,18. Para aproveitar os algoritmos de amostragem aprimorados na simulação de reações químicas, implementamos o método de amostragem de têmpera integrada seletiva (senta) com potenciais mecânicos e moleculares de mecânica quântica (QM/MM) recentemente¹⁹. O método de senta-QM/MM proposto combina as vantagens de ambos os métodos: o método de senta acelera a amostragem e pode explorar todos os canais de reação possíveis sem conhecimento prévio do mecanismo de reação, e QM/MM fornece uma descrição mais exata de o processo de formação de vínculo e de quebra de vínculo, que não pode ser simulado apenas por métodos MM. A abordagem implementada de senta-QM/MM descobriu com sucesso a transferência concertada de prótons duplos, mecanismo de transferência de prótons Stepwise não correlacionado e correlacionado em diferentes sistemas, sem coordenadas de reação pré-definidoras¹⁹. Para o porphycene, o caráter Stepwise mas correlacionado da transferência do próton foi relatado¹⁹. O método híbrido de senta-QM/MM foi utilizado para investigar o efeito isotópico em porficeno em nosso estudo, e abaixo estão as descrições detalhadas do algoritmo e protocolo do nosso método.

Implementamos o método de senta com potenciais híbridos de QM/MM. O potencial efetivo da senta foi definido para incluir a energia potencial em diferentes temperaturas com os fatores de ponderação n_k para cobrir faixas de temperatura mais amplas,

onde, n é o número de termos canônicos, β_k é a temperatura inversa, e n_k é o fator de ponderação correspondente para cada componente canônico. U_E (R) e U_N(r) representam os termos melhorados e não melhorados em senta-se e são definidos como,

U _s, u_se e u e são a energia potencial do secundário-sistema, a interação entre o subsistema e o ambiente, e a energia potencial do ambiente. O potencial de QM/MM é expresso como um somatório híbrido de três componentes,

onde u_QM, u_QM/mme u_mm são o termo de energia interno do subsistema QM, a energia de interação entre as regiões QM e mm e a energia de interação dentro do subsistema mm, respectivamente. O termo U_QM/mm pode ser dividido em três componentes, que incluem os termos de energia eletrostática, Van der Waals e covalente interação entre os átomos QM e mm,

Nós atribuímos , e em um termo de U_s em senta-se,

O pleno potencial do sistema foi então decomposto na energia do subsistema u_s, a energia de interação entre o subsistema e o ambiente u_se, e a energia do ambiente u_e. Por exemplo, no sistema do presente trabalho, o subsistema é a porficence, e o ambiente a água.

O perfil do PMF ao longo de uma variável coletiva τ(R) é derivado como,

As coordenadas de reação geralmente usadas para cada transferência de hidrogênio de N1−H1· · · N2 são q₁ = (r₁−r₂)/2 e q₂ = r₁ + r₂, onde são₁ é a distância de N1-H1 e r₂ é a distância de H1-N2.

O método foi implementado no pacote de simulação QM/MM MD qm⁴D²⁰. O código-fonte completo e a documentação podem ser encontrados aqui: http://www.qm4d.info/.

Geralmente, as simulações MD senta-QM/MM envolvem quatro etapas: pré-equilíbrio (pré-senta-se); otimização n_k (opt-senta); simulação de produção e análise de dados.

Protocolo

1. modelo de construção

1. Construa a estrutura do porphycene: Abra o software Gaussview , clique duas vezes no mouse. Em seguida, clique em elemento fragmento botão no menu do gaussview para escolher os elementos necessários. Construir porficeno. Em seguida, clique em arquivo botão para salvar como o arquivo PDB.
2. Solvate o modelo: Solvate porphycene em uma caixa de água TIP3P²¹ cúbico com um comprimento de borda de 38 Å emitindo o comando no sistema operacional Linux: genbox_d-CP PRP-VAC. pdb-cs spc216. Gro-o SOLV. pdb-MaxSol 1484-Box 3,8.
3. Construa o deutério porphycene: Emita o seguinte comando para gerar o arquivo de topologia: cns < ppi_solv. inp. Em seguida, abra PRP-Wat. PSF com o comando vi e mude a massa de H1 de 1, 800 para 2, 1600 para substituir um átomo de hidrogênio intramolecular de porphycene com deutério para construir o único deutério substituído porfíceno.
4. Definir parâmetros de simulação MD normais: Método de entrada scctb, integral 0,5 FSe corte 12 no arquivo de entrada MD abrindo-o com o comando vi .
   Nota: Adote uma distância de corte de 12 Å para o cálculo de vdW e interações eletrostáticas. Simular a molécula de porficeno com o método DFTB/MIO²². Defina a etapa de tempo de integração como 0,5 FS para simulações MD. Manter a temperatura do sistema de simulação em 300 K com termostato Langevin. Em seguida, realize as simulações com o software QM⁴D seguindo os passos abaixo.

2. pré-senta-se

1. Configurar parâmetros de temperatura: Entrada templow 260, temphigh 1100 e ntemp 160 no arquivo de entrada.
   Nota: a faixa de temperatura de 260K a 1100K foi espalhada pelo software QM4D para 160 pontos de temperatura durante simulações MD. Os arquivos de entrada de modelo são incluídos em arquivos suplementares.
2. Iniciar o pre-senta-se: Defina argumento 100 e etapa 120.000 no arquivo de entrada. Em seguida, emita o seguinte comando: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OutputFile.
   Nota: a etapa total é 120.000 mas pode ser ajustada dependendo da necessidade específica. Os parâmetros sugeridos das simulações MD são salvos no $INPUTFILE. O mesmo comando também é usado nas seguintes etapas de simulação de produção e opt-senta, com o arquivo de entrada modificado de acordo.
3. Calculando as energias decompostas
   1. Extraia as mudanças de energia: durante a fase pré-sentada, monitore a energia de cada termo para calcular os valores médios, como mostrado na Figura 1. Use grep comando Linux para extrair a energia da seguinte forma:
      grep ' senta-ener0 ' $INPUTFILE | awk ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} end {Print a/NR, b/NR, c/NR}.
   2. Modifique as energias médias no arquivo de entrada MD: Calcule as energias médias com base na saída da linha de comando acima e modifique a linha vshift0-30801,95; vshift1-26,88; vshift2-13888,28 no arquivo de entrada com as médias recém-geradas.
      Nota: os números-30801,85,-26,88 e-13888,28 são as energias médias no sistema modelo atual. Por favor, modifique os valores com base nos sistemas específicos.

3. opt-senta-se

1. Iniciar opt-senta-se: Defina o argumento 0 no arquivo de entrada. Em seguida, inicie o programa QM⁴D digitando o comando conforme mostrado na etapa 2,2 para iniciar a etapa de otimização.
2. Monitorizar as alterações energéticas e n_k valores.
   1. Plotar a propagação de energia com programa de "graça" e certifique-se que a flutuação de energia pode cobrir as extremidades mais baixas e mais altas da faixa de temperatura.
   2. Após a otimização, salve os valores de n_k finais da etapa opt-senta em um novo arquivo, que é nomeado como NK. dat neste protocolo.

4. execução de simulações de produção

1. Prepare o arquivo de entrada MD: Defina argumento 1 no novo arquivo de entrada para iniciar a etapa de simulação de produção. Especifique o nome do arquivo n_k armazenado como nkfile NK. dat no arquivo de entrada. O número de etapas de tempo foi definido como 6,4 milhões nos sistemas atuais.
2. Inicie a simulação de MD de produção: Emita o seguinte comando para iniciar simulações MD: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OutputFile.
   Nota: Certifique-se de que os valores de n_k podem ser lidos pelo software qm⁴D. O tempo de simulação é dependente do sistema para alterar a etapa de simulação com base em demandas específicas. Selecione um número adequado de etapas de tempo para garantir o tempo de simulação suficiente para seu próprio sistema. Essa etapa é provavelmente demorada, portanto, salve os arquivos de reinicialização para evitar reiniciar a produção desde o início, uma vez interrompida.

5 análise de dados

1. Monitorando as mudanças de distância
   1. Monitore o processo de formação e quebra de vínculo durante a fase de produção, use o comando grep para verificar as mudanças de distância de H1-N1 e H1-N2 ao longo do tempo de simulação. A mesma operação pode ser conduzida para H2-N3 e H2-N4. Em seguida, plotar a propagação da distância usando o valor da distância acumulada durante as simulações de produção.
2. Extração de coordenadas de reação
   1. Extraia as coordenadas de reação e os termos energéticos do arquivo de saída de produção gerado pelo comando QM⁴D by grep :
      grep ' dist 1 ' $OUTPUTFILE | awk ' {Print $5} ' > distância1;
      grep ' ener0 ' $OUTPUTFILE > ener0.
   2. Organize dados em quatro colunas: q₁, q₂, u₀ e U ' (u₀ e u ' são a energia normal de saída e energia ponderada), e escrevê-los no arquivo de dados em cada período de tempo.
3. Calculando a energia livre
   1. Calcule a energia livre emitindo o seguinte comando:
      senta-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OutputFile.
      Nota: senta-PMF é o método de análise baseado em histograma. [hist_minx hist_maxx num_binsx] define o intervalo e o número de compartimentos para a primeira coordenada de reação. As coordenadas da segunda reacção podem ser definidas por [hist_miny hist_maxy num_binsy].
   2. Para projetar a energia livre na paisagem bidimensional, digite o seguinte comando:
      senta-pmf 300 H1-2D. dat PMF2-0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > sits-PMF. out.
      Nota: Use um total de 24 escaninhos e 36 escaninhos para cobrir as mudanças de distância em duas coordenadas de reação selecionadas, q₁ e q₂, respectivamente. Salve os dados do PMF 2D para cada hidrogênio/deutério no arquivo sits-PMF. out .

Resultados

O único efeito de substituição do deutério no processo de transferência de prótons duplo em porficeno foi examinado no protocolo atual (Figura 1). A energia potencial do subsistema QM e a água durante o pré-equilíbrio e a etapa de otimização foram verificadas para garantir que a energia foi ampliada para uma faixa de energia mais ampla (Figura 2). As mudanças representativas da distância e do ângulo (figura3 e

Discussão

A estrutura do porphycene foi mostrada na Figura 1. O potencial híbrido de incorporação eletrostática de QM/mm com o método de senta foi utilizado para descrever as reações químicas na água^23,24. A transferência de prótons ocorre dentro do porphycene³ e, assim, o porphycene é definido como região QM e a água lembrando é definida como região mm. Nisto adotamos dftb/Mio como nosso método QM para...

Materiais

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