KJM Molekylmodellering. Molekylmekanikk. Oversikt. Introduksjon

Like dokumenter
KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Molekylmekanikk - repetisjon. Kraftfeltenergien. Klassisk modell

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Korrelerte metoder - repetisjon. Korrelerte metoder

KJM Molekylmodellering. Introduksjon. Molekylmodellering. Molekylmodellering

Oppgave 2 Molekylmekanikk

KJM Molekylmodellering. Molekylorbitalteori - repetisjon. Variasjonsprinsippet. Kvantemekanikk. systemet

KJM Molekylmodellering. Molekyler i løsning. Introduksjon. Introduksjon

KJM Molekylmodellering. Hartree Fock - repetisjon. Hartree Fock. Hartree Fock

KJM Molekylmodellering. Semi-empiriske metoder - repetisjon. Generell ytelse

KJM Molekylmodellering. Introduksjon. Molekylmodellering. Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Monte Carlo simuleringer og molekyldynamikk - repetisjon. Statistisk mekanikk

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

KJM2600-Laboratorieoppgave 1

KJM Molekylmodellering

Teoretisk kjemi. Trygve Helgaker. Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. Onsdag 13.

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - atomorbitaler

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - atomorbitaler

Dette gir ingen informasjon om hvor en nukleofil vil angripe.

TKJ4170 Midtsemesterrapport

KJM Molekylmodellering. Basissett - repetisjon. Basissett oppsummert. Hartree Fock-grensen

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Forelesningsnotat om molekyler, FYS2140. Susanne Viefers

S N 2-reaksjon. Dette gir ingen informasjon om hvor en nukleofil vil angripe.

Computerøvelse. Eksperiment 2. Ina Molaug og Anders Leirpoll

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

F F. Intramolekylære bindinger Kovalent binding. Kjemiske bindinger. Hver H opplever nå å ha to valenselektroner og med det er

Mandag Ledere: Metaller. Atomenes ytterste elektron(er) er fri til å bevege seg gjennom lederen. Eksempler: Cu, Al, Ag etc.

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder. Repetisjon. Kvantekjemiske metoder. Basissett oppsummert

Overflateladningstetthet på metalloverflate

Det enkleste svaret: Den potensielle energien er lavere dersom det blir dannet binding.

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder. Repetisjon. Geometrioptimering. Hartree Fock

BOKMÅL NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR KJEMI KJ1041 KJEMISK BINDING, SPEKTROSKOPI OG KINETIKK HØSTEN 2010

Angir sannsynligheten for å finne fordelingen av elektroner i rommet

Atommodeller i et historisk perspektiv

Kjemiske bindinger. La oss demonstrere ved hjelp av eksempler

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

Kjemiske bindinger. Som holder stoffene sammen

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING NR. 11, VÅR 2014

elementpartikler protoner(+) nøytroner elektroner(-)

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

KJM2600-Laboratorieoppgave 2

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2008

KJM3000 vår 2014 Løsningsforslag

Eten % 1.2%

Prosjekt 2 - Introduksjon til Vitenskapelige Beregninger

KJM Molekylmodellering

Nano, mikro og makro. Frey Publishing

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 9. E dl = 0. q i q j 4πε 0 r ij. U = i<j

Elektrisk potensial/potensiell energi

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Torsdag 12. august 2004 kl

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Kan vi lære litt kvantefysikk ved å lytte til noen lydprøver? Arnt Inge Vistnes Fysisk institutt, UiO

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2007, uke 4

KJM3000 H-2018 løsningsforslag

Tirsdag 15. april. et stykke materie er bygd opp av atomer, dvs av atomære magnetiske dipoler med magnetisk dipolmoment j = 1...n. m j. m

Onsdag og fredag

KAPITEL 2. POLARE BINDINGER OG KONSEKVENSEN AV DEM.

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

MENA1001 Deleksamen 2017 Forside

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

Introduction to thermal physics - Short course in thermodynamics

MNF, UiO 24 mars Trygve Helgaker Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo

Kapittel 2 Atom, molekyl og ion. 1. Moderne beskrivelse av atom - Enkel oppbygning - Grunnstoff og isotoper - Navn på grunnstoff

1.1. Tegn opp et to-dimmensjonalt mønster av tettest mulige pakkede kuler. Identifiser den todimensjonale

TFY4215_S2018_Forside

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

UNIVERSITETET I OSLO

KJM Molekylmodellering

FYS1120 Elektromagnetisme - Ukesoppgavesett 2

1. En tynn stav med lengde L har uniform ladning λ per lengdeenhet. Hvor mye ladning dq er det på en liten lengde dx av staven?

NORGES TEKNISK NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR KJEMI

Kvantemekanikk på datamaskiner: kjemiens nye verktøy

University of Oslo. Department of Physics. FYS 3710 Høsten EPR spektroskopi. EPR-Labotratory

FYS1120 Elektromagnetisme

Oppgave 1 (Teller 34 %) BOKMÅL Side 1 av 5. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

UNIVERSITETET I OSLO

Mål og innhold i Matte 1

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING NR. 13, HØST 2009

FY1006 Innføring i kvantefysikk og TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk Våren 2009 Kjemisk fysikk Øving 2 Innleveringsfrist: Mandag

EKSAMENSOPPGAVE. Vil det bli gått oppklaringsrunde i eksamenslokalet? Svar: JA Hvis JA: ca. kl. 10:00 og kl. 12:30

Det er 20 avkryssingsoppgaver. Riktig svar gir 1 poeng, feil eller ingen svar gir 0 poeng.

BOKMAL EKSAMENSOPPGAVE. Oppgavesettet er pi 4 sider inkl. forside

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

Transkript:

KJM3600 - Molekylmodellering Vebjørn Bakken Kjemisk institutt, UiO Molekylmekanikk KJM3600 - Molekylmodellering p.1/50 Molekylmekanikk p.2/50 Oversikt Introduksjon Detaljert beskrivelse av kraftfeltmetoder Kort om anvendelser/begrensninger Introduksjon Molekylmekanikk p.3/50 Introduksjon p.4/50

Klassisk modell Ren klassisk beskrivelse av molekyler: Atomene modelleres som baller (eventuelt med ladning) Bindinger modelleres som fjærer Molekylets energi er funksjon av koordinatene til atomene Ingen eksplisitt behandling av elektronene Strukturenheter Observasjon: Molekyler er bygget opp av enheter som er strukturelt svært like Eksempler: Alle C-H bindinger er omtrent like lange (1.06-1.10 Å) Alle C=O bindinger er på rundt 1.21 Å har vibrasjonsfrekvens på ca. 1700 cm Strukturenheter/funksjonelle grupper Introduksjon p.5/50 Introduksjon p.6/50 Kraftfelt Kraftfelt Begrenset antall parametre beskriver hver atomtype Et sett slike parametre for ulike grunnstoffer utgjør et kraftfelt (force field) Finnes et utall forskjellige kraftfelt For organiske molekyler/biomolekyler Metallforbindelser Universelle MM2(91) atomtyper Introduksjon p.7/50 Introduksjon p.8/50

Kraftfeltenergien Geometrioptimering Energien er gitt som en sum, molekylet svarer til strekk, bøy vridning av er kryssledd mellom de disse tre er vekselvirkninger mellom atomer ikke direkte bundet til hverandre (1) Kraftfeltenergien er en funksjon av de 3 koordinatene til molekylet kartesiske Mange-dimensjonal potensialenergiflate (PES) Stabile konformere svarer til minima på denne flaten Lokaliseres ved å minimere atomkoordinatene Overgangstilstander er sadelpunkter med hensyn på Introduksjon p.9/50 Introduksjon p.10/50 Diatom Kraftfeltmodeller For et diatom AB har vi en en-dimensjonal potensialkurve Minimum for likevektsavstanden er dissosiasjonsenergien Kraftfeltmodeller p.11/50 Kraftfeltmodeller p.12/50

# er den kubiske kraftkonstanten (anharmonisk Diatom To første ledd er null for Den enkleste modellen blir da (3) Kraftkonstanten Fungerer OK for små forskyvninger fra Kraftfeltmodeller p.14/50 Bindingsstrekk Løsning: Inkluder så kvartisk ledd:! $ #!% (5) Denne formen benyttes f.eks. i det organiske MM3 kraftfeltet Kraftfeltmodeller p.16/50 Diatom Taylor-ekspansjon rundt (2) Kraftfeltmodeller p.13/50 Bindingsstrekk Nok et ledd gir bedre modell! (4)! kraftkonstant) Problem: Energi går mot minus uendelig når bindingen strekkes! Kraftfeltmodeller p.15/50

% Bindingsstrekk Bindingsstrekk Hvorfor ikke benytte Morse-potensialet? #! (6) der er dissosiasjonsenergien Eksponentialfunksjonen er beregningsmessig svært tung Kvartisk funksjon er god nok for relevante forskyvninger CH strekkenergi Kraftfeltmodeller p.17/50 Kraftfeltmodeller p.18/50 Bøying av vinkler Enkleste modell er igjen en harmonisk approksimasjon er vinkelen mellom bindingene A-B B-C er en likevektsvinkel (7) Bøying av vinkler Kan utvides med flere ledd MM3 benytter 6(!) ledd for visse atomkombinasjoner ABC Andre kraftfelt nøyer seg med to Egne parametre for små ringer Generelle problemer Feil oppførsel for Spesielt uorganiske systemer kan ha flere minima (aksiale/ekvatoriale posisjoner) Kraftfeltmodeller p.19/50 Kraftfeltmodeller p.20/50

Bøying av vinkler Vridning rundt bindinger Vridning rundt sentral bindingen B-C i fire-atomers sekvensen ABCD Diedervinkelen er definert i intervallet [ [, ], ] eller H O bøyingsenergi Kraftfeltmodeller p.21/50 Kraftfeltmodeller p.22/50 Vridning rundt bindinger Vridning rundt bindinger Fundamentalt forskjellig fra strekk bøy Periodisk funksjon av vinkelen Energibarrierene for vridning er små Taylor-ekspansjon lite egnet Benytter Fourier serie (8) har periode på, på etc. CH FCH F Kraftfeltmodeller p.23/50 Kraftfeltmodeller p.24/50

Vridning rundt bindinger Vridning rundt bindinger For noen atomkombinasjoner ABCD settes enkelte Eksempel: Etan har tre minima tre maksima for vridning rundt C-C bindingen, kun leddene kan bidra Fourier serien kan gjøres enda mer fleksible ved å introdusere fasefaktorer Normalt benyttes CH FOH Kraftfeltmodeller p.25/50 Kraftfeltmodeller p.26/50 Vridning ut av plan van der Waals energi Et plant AB pyramidal struktur molekyl har barriere mot å danne Vanskelig å modellere med Egen funksjon eller ut-av-planet strekk behandles som diedervinkel, vinkel beskriver vekselvirkning mellom atomer som ikke er direkte bundet til hverandre (vekselvirkning mellom elektronskyene) Skyldes ikke ladning, men indusert dipol-dipol vekselvirkning 0 ved lange avstander svært repulsiv ved korte avstander svakt attraktiv ved middels avstander Kalles dispersjonskrefter Kraftfeltmodeller p.27/50 Kraftfeltmodeller p.28/50

van der Waals energi Vanlig å benytte Lennard Jones potensialet der Det attraktive $ er passelige parametre -leddet er korrekt for store avstander Det repulsive -leddet er valgt av beregningsmessige årsaker (9) van der Waals energi I noen kraftfelt beregnet på mindre molekyler foretrekkes Morse-potensialet Hill-potensialet der, små ) er parametre (NB! problemer med (10) van der Waals energi Kraftfeltmodeller p.29/50 Elektrostatisk energi Kraftfeltmodeller p.30/50 er den andre vekselvirkningen mellom atomer som ikke er bundet til hverandre Vekselvirkning mellom permanente elektriske moment (ladning, dipol, kvadropol etc.) Kan tilordne ladning til hvert atom (11) Basert på atomtype (fiksert) eller basert på omgivelsene (variabel) H -He potensial Kraftfeltmodeller p.31/50 Kraftfeltmodeller p.32/50

Elektrostatisk energi Elektrostatisk energi Alternativt kan man tilordne dipolmoment til hver binding der, er vinkler som definerer orienteringen av dipolmomentene Dielektrisitetskonstanten kan varieres (12) Modellen med atomladninger mest vanlig, lettest å parametrisere beregnes for atomer som er separert av mer enn tre bindinger Noen kraftfelt inkluderer de ikke-bundne bidragene (nedskalert) for atomer separert av tre bindinger (A-B-C-D) Få kraftfelt inkluderer polarisasjon (krevende beregningsmessig) Kraftfeltmodeller p.33/50 Kraftfeltmodeller p.34/50 Hydrenbindinger Sterke bindinger, men ingen formell binding Kan inkluderes gjennom LJ-potensiale (spesialtilfelle) ved å benytte modifisert Mer vanlig å inkludere implisitt gjennom elektrostatisk vekselvirkning Kryssledd Bindinger, vinkler diedervinkler er ikke uavhengige koordinater Eksempel: Reduserer man vinkelen i H bindingene strekkes, økes vinkelen, blir optimal bindingslengde kortere Modelleres ikke av leddene Må inkludere eksplisitte koblinger, O, vil Kraftfeltmodeller p.35/50 Kraftfeltmodeller p.36/50

! Kryssledd Den viktigste er kobling mellom strekk bøy Andre relevante kombinasjoner er,, De fleste kraftfelt inkluderer bare noen få av disse (13), Parametrisering Har presentert en lang rekke matematiske uttrykk Hva med alle parametrene i uttrykkene? Tilpasses best mulig et sett eksperimentelle data (strukturelle spektroskopiske) Kan suppleres med kvantekjemiske beregninger Konstruer funksjon som måler avvik mellom modell eksperiment, minimer denne funksjonen Parametrisering Kraftfeltmodeller p.37/50 Antall unike parametre er i utgangspunktet enormt 100 ulike grunnstoff gir ca 10000 strekkparametre, 10 bøy-parametre 10 vridningsparametre... Må forenkle + bruke kjemisk intuisjon Optimere subsett av parametre Uansett, underbestemt optimeringsproblem Parametrisering Kan estimere fler-atom parametre fra enkeltatomene F.eks. LJ parametrene!% kan settes til fast brøkdel av Må finne kompromiss mellom nøyaktighet generalitet Kraftfeltmodeller p.38/50 Kraftfeltmodeller p.39/50 Kraftfeltmodeller p.40/50

Parametrisering Eksempel: MM2(91) (71 atomtyper) Ledd Unike parametre Faktiske parametre 142142 900290 27 000 824 1 215 0002466 De fleste relevante parametre er likevel med Parametrisering Et hvert kraftfelt har et nedslagsfelt Vær meget varsom dersom kraftfeltet mangler relevante parametre! Enkelte prrammer forsøker å estimere manglende parametre automatisk, kan gi meningsløse resultater! Bedre å spesifisere manuelt, basert på erfaring/lignende systemer Velg annet kraftfelt? Kraftfeltmodeller p.41/50 Kraftfeltmodeller p.42/50 Energi Nullpunkt for de ulike leddene er satt vilkårlig Den numeriske verdien av seg selv!! har ingen mening i Kan likevel benyttes til å sammenligne konformere med nøyaktig samme atomtyper bindinger er en sterisk energi Energi For å sammenligne energien til ulike molekyler må vi beregne dannelsesentalpi Må definere for hver atomtype Summen av for atomene + dannelsesentalpi gir molekylets Mange kraftfelt er kun opptatt av geometrier relative konformasjonelle energier Kraftfeltmodeller p.43/50 Kraftfeltmodeller p.44/50

Valg av kraftfelt Anvendelser/begrensninger Mange er spesifikke for bestemte typer forbindelser (proteiner, biomolekyler, etc.) Class I (store systemer), Class II (mindre systemer) Enkelte er universelle, dekker hele periodesystemet De spesifikke (MM2, MM3, MMFF) er langt mer nøyaktige enn de universelle (UFF) Valg kan begrenses av tilgjengelig prramvare Valg av kraftfelt Anvendelser/begrensninger p.45/50 Kraftfelt bør velges basert på erfaring med tilsvarende systemer (litteratur) Sammenlign med eksperimentelle data om mulig (evt beregninger) Få gode kraftfelt for uorganiske systemer Det faktum at det er mulig å kjøre en beregning betyr ikke automatisk at man kan stole på resultatet... Beregningskostnad De ikke-bundne vekselvirkningen tidkrevende Vokser kvadratisk med størrelsen på systemet Fornuftige cut-off hjelper på effektiviteten Problem: Coulomb-vekselvirkninger har lang rekkevidde Fast Multipole Methods (FMM) Ewald-summasjon Anvendelser/begrensninger p.46/50 er mest Anvendelser/begrensninger p.47/50 Anvendelser/begrensninger p.48/50

Bruksområder Kraftfelt har to hovedanvendelser Bestemmelse av strukturer (minima) Bestemmelse av relative energier Klart best til førstnevnte Viktigste styrke: Store systemer kan behandles Tusenvis av atomer selv på vanlig PC Biomolekyler, proteiner, DNA Eksplisitt modell av solvatisering Bruksområder Viktige svakheter Begrenset til systemer som er godt parametrisert Ikke mulig å vurdere nøyaktighet internt Problemer med elektroniske effekter, orbitalvekselvirkninger etc. Dannelse/bryting av bindinger, overgangstilstander Anvendelser/begrensninger p.49/50 Anvendelser/begrensninger p.50/50