Практикум №2. Семи-эмпирические вычисления: Mopac

1. 3D-структура порфирина

SMILES порфирина: c1cc2cc3ccc(cc4ccc(cc5ccc(cc1n2)[nH]5)n4)[nH]3

Построение 3D-структуры порфирина с помощью babel:

In [ ]:
obgen porphyrin.smi > porphyrin.mol

В построенной 3D-структуре порфирина были удалены "лишние" водороды.

Оптимизация 3D-структуры порфирина с помощью babel и Mopac (параметр PM6):

In [ ]:
babel -ipdb porphyrin.pdb -omop porphyrin_pm6.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe porphyrin_pm6.mop
babel -imopout porphyrin_pm6.out -opdb porphyrin_pm6.pdb

Оптимизация 3D-структуры порфирина с помощью babel и Mopac (параметр AM1):

In [ ]:
babel -ipdb porphyrin.pdb -omop porphyrin_am1.mop -xk "AM1"
MOPAC2009.exe porphyrin_am1.mop
babel -imopout porphyrin_am1.out -opdb porphyrin_am1.pdb

Неоптимизированная структура порфирина (показана светло-желтым) слегка изогнута, некоторые протоны сильно выступают из плоскости молекулы. Структура порфирина, оптимизированная с параметром PM6, является плоской (показана темно-зеленым).

In [1]:
from IPython.display import Image
Image(filename = 'porphyrin_1.png')
Out[1]:
In [2]:
Image(filename = 'porphyrin_2.png')
Out[2]:

Структуры порфирина, оптимизированные с параметрами PM6 (показана темно-зеленым) и AM1 (показана розовым), отличаются незначительно.

In [3]:
Image(filename = 'porphyrin_3.png')
Out[3]:
In [4]:
Image(filename = 'porphyrin_4.png')
Out[4]:

2. Спектр поглощения порфирина

В конец файла porphyrin_pm6_spectrum.mop были добавлены строки:

In [ ]:
cis c.i.=4 meci oldgeo
porphyrin spectrum

Расчет возбужденных состояний порфирина с помощью Mopac:

In [ ]:
MOPAC2009.exe porphyrin_pm6_spectrum.mop

Значения энергий для электронных переходов в порфирине, взятые из файла porphyrin_pm6_spectrum.out:

In [ ]:
  STATE       ENERGY (EV)        Q.N.  SPIN   SYMMETRY     POLARIZATION
         ABSOLUTE     RELATIVE                            X       Y       Z

    1+    0.000000    0.000000     1+  SINGLET     ????
    2     1.914982    1.914982     1   TRIPLET     ????
    3     2.267356    2.267356     2   SINGLET     ????
    4     2.464879    2.464879     2   TRIPLET     ????
    5     2.826510    2.826510     3   TRIPLET     ????
    6     3.365178    3.365178     4   TRIPLET     ????
    7     3.392490    3.392490     3   SINGLET     ????  0.2399  0.1995  0.0013
    8     3.669238    3.669238     4   SINGLET     ????  2.0363  2.3850  0.0129
    9     3.872141    3.872141     5   SINGLET     ????  1.8024  1.5312  0.0100

Формула для расчета длины волны:

\(\lambda\) = \(\frac{hc}{E}\)

Максимальная длина волны, на которой поглощает порфирин: \(\frac{4.14*300}{1.91}\) ~ 650 нм

Минимальная длина волны, на которой поглощает порфирин: \(\frac{4.14*300}{3.87}\) ~ 320 нм

Таким образом, порфирин поглощает в основном видимый свет, а также ближний ультрафиолет.

3. 3D-структуры хинона и его дианиона

SMILES хинона: O=C1C=CC(=O)C=C1

Построение 3D-структуры хинона с помощью babel:

In [ ]:
obgen quinone.smi > quinone.mol

Оптимизация 3D-структуры хинона с помощью babel и Mopac (параметр PM6):

In [ ]:
babel -ipdb quinone.pdb -omop quinone_pm6.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe quinone_pm6.mop
babel -imopout quinone_pm6.out -opdb quinone_pm6.pdb

В файле quinone_pm6_anion.mop была добавлена строка CHARGE=-2 и заряды кислородов:

In [ ]:
PM6 CHARGE=-2
quinone.pdb

C   2.21400 1 -0.07800 1 -0.15200 1
C   2.95000 1  1.18800 1  0.04300 1
C   4.24200 1  1.19300 1  0.38600 1
C   4.99000 1 -0.06500 1  0.58300 1
C   4.25300 1 -1.32900 1  0.38800 1
C   2.96200 1 -1.33600 1  0.04600 1
O(-)   1.03200 1 -0.08300 1 -0.46400 1
O(-)   6.17200 1 -0.05900 1  0.89700 1
H   2.38800 1  2.10100 1 -0.10500 1
H   4.79700 1  2.11300 1  0.53300 1
H   4.81600 1 -2.24300 1  0.53600 1
H   2.40700 1 -2.25400 1 -0.10100 1

Построение 3D-структуры хинонового дианиона с помощью babel и Mopac:

In [ ]:
MOPAC2009.exe quinone_pm6_anion.mop
babel -imopout quinone_pm6_anion.out -opdb quinone_pm6_anion.pdb
In [5]:
Image(filename = 'quinone.png')
Out[5]:

На рисунке выше структура хинона окрашена светло-желтым цветом, а структура хинонового дианиона окрашена темно-зеленым цветом. Можно видеть, что в структуре хинона укорочены связи С=О, а также связи С=С ароматического кольца, параллельные оси, проходящей через кислороды (горизонтально), поскольку эти связи двойные.

4. Тиминовый димер

Оптимизация 3D-структуры тиминового димера с помощью babel и Mopac (параметр PM6):

In [ ]:
babel -ipdb dimer.pdb -omop dimer_pm6.mop -xk "PM6"
MOPAC2009.exe dimer_pm6.mop
babel -imopout dimer_pm6.out -opdb dimer_pm6.pdb
In [6]:
Image(filename = 'dimer_pm6.png')
Out[6]:

В файле dimer_charged_pm6.mop была добавлена строка CHARGE=+2.

Построение 3D-структуры тиминового димера в возбужденном состоянии с помощью babel и Mopac:

In [ ]:
MOPAC2009.exe dimer_charged_pm6.mop
babel -imopout dimer_charged_pm6.out -opdb dimer_charged_pm6.pdb
In [7]:
Image(filename = 'dimer_charged_pm6.png')
Out[7]:

Оптимизация 3D-структуры тиминового димера в возбужденном состоянии с помощью babel и Mopac (параметр PM6):

In [ ]:
babel -ipdb dimer_charged_pm6.pdb -omop monomer_pm6.mop -xk "PM6"

В файле monomer_pm6.mop была добавлена строка CHARGE=0.

Построение 3D-структуры двух тиминовых мономеров с помощью babel и Mopac:

In [ ]:
MOPAC2009.exe monomer_pm6.mop
babel -imopout monomer_pm6.out -opdb monomer_pm6.pdb
In [8]:
Image(filename = 'monomer_pm6.png')
Out[8]:

Тиминовый димер в возбужденном состоянии имеет энергию -3253.90755 EV. При добавлении электронов образуются два тиминовых мономера, т.к. они имеют меньшую энергию (-3273.69464 EV), чем тиминовый димер в невозбужденном состоянии (-3273.58217 EV).