KJM Molekylmodellering

Like dokumenter
KJM Molekylmodellering. Molekylmekanikk. Oversikt. Introduksjon

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Molekylmekanikk - repetisjon. Kraftfeltenergien. Klassisk modell

Oppgave 2 Molekylmekanikk

KJM Molekylmodellering. Korrelerte metoder - repetisjon. Korrelerte metoder

KJM Molekylmodellering. Introduksjon. Molekylmodellering. Molekylmodellering

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

KJM Molekylmodellering. Molekyler i løsning. Introduksjon. Introduksjon

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

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

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - atomorbitaler

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - atomorbitaler

KJM2600-Laboratorieoppgave 1

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

KJM Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering. Introduksjon. Molekylmodellering. Molekylmodellering

KJM Molekylmodellering

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

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

KJM Molekylmodellering

Overflateladningstetthet på metalloverflate

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

TKJ4170 Midtsemesterrapport

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

KJM2600-Laboratorieoppgave 2

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

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

Forelesningsnotat om molekyler, FYS2140. Susanne Viefers

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Elektrisk potensial/potensiell energi

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

Dette gir ingen informasjon om hvor en nukleofil vil angripe.

KJM Molekylmodellering

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

Eksamensoppgave i TFY4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystemer

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

UNIVERSITETET I OSLO

Computerøvelse. Eksperiment 2. Ina Molaug og Anders Leirpoll

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Ola Hunderi, tlf (mobil: )

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Kjemiske bindinger. La oss demonstrere ved hjelp av eksempler

KJM3000 vår 2014 Løsningsforslag

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

Tirsdag r r

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

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - hybridisering - molekylorbitaler

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

Mandag qq 4πε 0 r 2 ˆr F = Elektrisk felt fra punktladning q (følger av definisjonen kraft pr ladningsenhet ): F dl

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

Onsdag og fredag

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

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2008

Atommodeller i et historisk perspektiv

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?

KJM-MEF Modul 3 Kvantekjemiske metoder

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk, - Ekstraøving 2 1. Ekstraøving 2. = 1 2 (3n2 l 2 l), = 1 n 2, 1 n 3 (l ), 1 n 3 l(l + 1.

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

Eten % 1.2%

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING NR. 11, VÅR 2014

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

KJM Molekylmodellering

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Innlevering i FORK Matematikk forkurs OsloMet Obligatorisk innlevering 3 Innleveringsfrist Onsdag 14.november 2018 kl. 10:30 Antall oppgaver: 13

Kjemiske bindinger. Som holder stoffene sammen

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

KJM Molekylmodellering

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 30. mai 2006 kl

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

Transkript:

KJM3600 - Molekylmodellering Vebjørn Bakken Kjemisk institutt, UiO KJM3600 - Molekylmodellering p.1/50

Molekylmekanikk Molekylmekanikk p.2/50

Oversikt Introduksjon Detaljert beskrivelse av kraftfeltmetoder Kort om anvendelser/begrensninger Molekylmekanikk p.3/50

Introduksjon Introduksjon p.4/50

Introduksjon p.5/50 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

Introduksjon p.6/50 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 og har vibrasjonsfrekvens på ca. 1700 cm 1 Strukturenheter/funksjonelle grupper

Introduksjon p.7/50 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

Kraftfelt MM2(91) atomtyper Introduksjon p.8/50

Introduksjon p.9/50 Kraftfeltenergien Energien er gitt som en sum E FF = E str + E bend + E tors + E vdw + E el + E cross (1) E str, E bend og E tors svarer til strekk, bøy og vridning av molekylet E cross er kryssledd mellom de disse tre E vdw og E el er vekselvirkninger mellom atomer ikke direkte bundet til hverandre

Introduksjon p.10/50 Geometrioptimering Kraftfeltenergien er en funksjon av de 3N kartesiske koordinatene til molekylet Mange-dimensjonal potensialenergiflate (PES) Stabile konformere svarer til minima på denne flaten Lokaliseres ved å minimere E FF med hensyn på atomkoordinatene Overgangstilstander er sadelpunkter

Kraftfeltmodeller Kraftfeltmodeller p.11/50

Diatom For et diatom AB har vi en en-dimensjonal potensialkurve Minimum for likevektsavstanden r eq D e er dissosiasjonsenergien Kraftfeltmodeller p.12/50

Diatom Taylor-ekspansjon rundt r eq U(r) = U(r eq ) + du dr (r r eq ) r=req + 1 d 2 U 2! dr 2 (r r eq ) 2 r=req + 1 d 3 U 3! dr 3 (r r eq ) 3 +... (2) r=req Kraftfeltmodeller p.13/50

Diatom To første ledd er null for r = r eq Den enkleste modellen blir da U(r AB ) = 1 2 k AB (r AB r AB,eq ) 2 (3) Kraftkonstanten k AB = d2 U dr 2 r=req Fungerer OK for små forskyvninger fra r eq Kraftfeltmodeller p.14/50

Bindingsstrekk Nok et ledd gir bedre modell E str (r AB ) = 1 [ ] k AB + k (3) AB 2 (r AB r AB,eq ) (r AB r AB,eq ) 2 (4) er den kubiske kraftkonstanten (anharmonisk kraftkonstant) k (3) AB Problem: Energi går mot minus uendelig når bindingen strekkes! Kraftfeltmodeller p.15/50

Bindingsstrekk Løsning: Inkluder også kvartisk ledd: E str (r AB ) = 1 [ k AB + k (3) AB 2 (r AB r AB,eq ) +k (4) AB (r AB r AB,eq ) 2] (r AB r AB,eq ) 2 (5) Denne formen benyttes f.eks. i det organiske MM3 kraftfeltet Kraftfeltmodeller p.16/50

Bindingsstrekk Hvorfor ikke benytte Morse-potensialet? E Morse (r AB ) = D AB [1 e α AB(r AB r AB,eq ) ] 2 (6) der D AB er dissosiasjonsenergien Eksponentialfunksjonen er beregningsmessig svært tung Kvartisk funksjon er god nok for relevante forskyvninger Kraftfeltmodeller p.17/50

Bindingsstrekk CH 4 strekkenergi Kraftfeltmodeller p.18/50

Bøying av vinkler Enkleste modell er igjen en harmonisk approksimasjon E bend (θ ABC ) = 1 2 k ABC (θ ABC θ ABC,eq ) 2 (7) θ ABC er vinkelen mellom bindingene A-B og B-C θ ABC,eq er en likevektsvinkel Kraftfeltmodeller p.19/50

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 θ = π Spesielt uorganiske systemer kan ha flere minima (aksiale/ekvatoriale posisjoner) Kraftfeltmodeller p.20/50

Bøying av vinkler H 2 O bøyingsenergi Kraftfeltmodeller p.21/50

Vridning rundt bindinger Vridning rundt sentral bindingen B-C i fire-atomers sekvensen ABCD Diedervinkelen er definert i intervallet [0, 360 ] eller [ 180, 180 ] Kraftfeltmodeller p.22/50

Vridning rundt bindinger CH 2 FCH 2 F Kraftfeltmodeller p.23/50

Vridning rundt bindinger Fundamentalt forskjellig fra strekk og bøy Periodisk funksjon av vinkelen ω ABCD Energibarrierene for vridning er små Taylor-ekspansjon lite egnet Benytter Fourier serie E tors (ω ABCD ) = n=1 V n cos(nω ABCD ) (8) n = 1 har periode på 360, n = 2 på 180 etc. Kraftfeltmodeller p.24/50

Vridning rundt bindinger For noen atomkombinasjoner ABCD settes enkelte V n = 0 Eksempel: Etan har tre minima og tre maksima for vridning rundt C-C bindingen, kun leddene n = 3, 6, 9,... kan bidra Fourier serien kan gjøres enda mer fleksible ved å introdusere fasefaktorer ψ Normalt benyttes n = 1, 2, 3 Kraftfeltmodeller p.25/50

Vridning rundt bindinger CH 2 FOH Kraftfeltmodeller p.26/50

Vridning ut av plan Et plant AB 3 molekyl har barriere mot å danne pyramidal struktur Vanskelig å modellere med E bend Egen funksjon E oop behandles som diedervinkel, vinkel eller ut-av-planet strekk Kraftfeltmodeller p.27/50

van der Waals energi E vdw 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.28/50

van der Waals energi Vanlig å benytte Lennard Jones potensialet E LJ (r AB ) = a AB r 12 AB b AB r 6 AB der a AB og b AB er passelige parametre Det attraktive r 6 -leddet er korrekt for store avstander Det repulsive r 12 -leddet er valgt av beregningsmessige årsaker (9) Kraftfeltmodeller p.29/50

van der Waals energi I noen kraftfelt beregnet på mindre molekyler foretrekkes Morse-potensialet Hill-potensialet E Hill (r AB ) = Ae Br AB C r 6 AB (10) der A, B og C er parametre (NB! problemer med små r AB ) Kraftfeltmodeller p.30/50

van der Waals energi H 2 -He potensial Kraftfeltmodeller p.31/50

Elektrostatisk energi E el 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 E el (r AB ) = q Aq B εr AB (11) Basert på atomtype (fiksert) eller basert på omgivelsene (variabel) Kraftfeltmodeller p.32/50

Elektrostatisk energi Alternativt kan man tilordne dipolmoment til hver binding E el = µ ABµ CD εrab/cd 3 (cos χ 3 cos α AB α CD ) (12) der χ, α AB og α CD er vinkler som definerer orienteringen av dipolmomentene Dielektrisitetskonstanten ε kan varieres Kraftfeltmodeller p.33/50

Elektrostatisk energi Modellen med atomladninger mest vanlig, lettest å parametrisere E vdw /E el 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.34/50

Hydrogenbindinger Sterke bindinger, men ingen formell binding Kan inkluderes gjennom E vdw ved å benytte modifisert LJ-potensiale (spesialtilfelle) Mer vanlig å inkludere implisitt gjennom elektrostatisk vekselvirkning Kraftfeltmodeller p.35/50

Kryssledd Bindinger, vinkler og diedervinkler er ikke uavhengige koordinater Eksempel: Reduserer man vinkelen i H 2 O, vil bindingene strekkes, økes vinkelen, blir optimal bindingslengde kortere Modelleres ikke av leddene E str, E bend og E tors Må inkludere eksplisitte koblinger Kraftfeltmodeller p.36/50

Kryssledd Den viktigste er kobling mellom strekk og bøy E str/bend = 1 2 k AB,ABC(r AB r AB,eq )(θ ABC θ ABC,eq ) Andre relevante kombinasjoner er E str/str, E bend/bend, E str/tors, E bend/tors og E bend/tors/bend De fleste kraftfelt inkluderer bare noen få av disse (13) Kraftfeltmodeller p.37/50

Parametrisering Har presentert en lang rekke matematiske uttrykk Hva med alle parametrene i uttrykkene? Tilpasses best mulig et sett eksperimentelle data (strukturelle og spektroskopiske) Kan suppleres med kvantekjemiske beregninger Konstruer funksjon som måler avvik mellom modell og eksperiment, minimer denne funksjonen Kraftfeltmodeller p.38/50

Parametrisering Antall unike parametre er i utgangspunktet enormt 100 ulike grunnstoff gir ca 10000 strekkparametre, 10 6 bøy-parametre og 10 8 vridningsparametre... Må forenkle + bruke kjemisk intuisjon Optimere subsett av parametre Uansett, underbestemt optimeringsproblem Kraftfeltmodeller p.39/50

Parametrisering Kan estimere fler-atom parametre fra enkeltatomene F.eks. LJ parametrene σ AB = σ A + σ B og ε AB = ε A ε B k (3) og k (4) kan settes til fast brøkdel av k Må finne kompromiss mellom nøyaktighet og generalitet Kraftfeltmodeller p.40/50

Parametrisering Eksempel: MM2(91) (71 atomtyper) Ledd Unike parametre Faktiske parametre E vdw 142 142 E str 900 290 E bend 27 000 824 E tors 1 215 000 2466 De fleste relevante parametre er likevel med Kraftfeltmodeller p.41/50

Parametrisering Et hvert kraftfelt har et nedslagsfelt Vær meget varsom dersom kraftfeltet mangler relevante parametre! Enkelte programmer forsøker å estimere manglende parametre automatisk, kan gi meningsløse resultater! Bedre å spesifisere manuelt, basert på erfaring/lignende systemer Velg annet kraftfelt? Kraftfeltmodeller p.42/50

Energi Nullpunkt for de ulike leddene er satt vilkårlig Den numeriske verdien av E FF har ingen mening i seg selv!! Kan likevel benyttes til å sammenligne konformere med nøyaktig samme atomtyper og bindinger E FF er en sterisk energi Kraftfeltmodeller p.43/50

Energi For å sammenligne energien til ulike molekyler må vi beregne dannelsesentalpi H f Må definere H f for hver atomtype Summen av H f for atomene + E FF gir molekylets dannelsesentalpi Mange kraftfelt er kun opptatt av geometrier og relative konformasjonelle energier Kraftfeltmodeller p.44/50

Anvendelser/begrensninger Anvendelser/begrensninger p.45/50

Valg av kraftfelt 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 programvare Anvendelser/begrensninger p.46/50

Valg av kraftfelt 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... Anvendelser/begrensninger p.47/50

Beregningskostnad De ikke-bundne vekselvirkningen E vdw og E el er mest 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.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 Anvendelser/begrensninger p.49/50

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.50/50