Практикум №5. Вычисление точечных зарядов и VdW параметров для молекулярной механики

1. Точечные заряды

Расчет энергии этана по теории функционала плотности с помощью GAMESS, перевод координат этана в формат pdb и подготовка pdb-файла:

In [ ]:
gms ethane_zmt_dft.inp 1 >& ethane_zmt_dft.log
babel -igamout ethane_zmt_dft.log -opdb ethane.pdb
Ante_RED.pl ethane.pdb

В заголовке файла ethane-out.p2n указано, что этан имеет нулевой заряд и единичную мультиплетность, поэтому файл ethane-out.p2n был переименован в Mol_red1.p2n и были вычислены точечные заряды атомов этана:

In [ ]:
mv ethane-out.p2n Mol_red1.p2n
RED-vIII.4.pl
In [ ]:
@<TRIPOS>MOLECULE
LIG
    8     7     1     0     1
SMALL
USER_CHARGES
@<TRIPOS>ATOM
  1 C           0.763688    0.000000   -0.000000 C         1 LIG       -0.0189 ****
  2 H           1.156406    0.000000   -1.012074 H         1 LIG        0.0059 ****
  3 H           1.156406    0.876482    0.506037 H         1 LIG        0.0059 ****
  4 H           1.156406   -0.876482    0.506037 H         1 LIG        0.0059 ****
  5 C          -0.763688    0.000000    0.000000 C         1 LIG       -0.0155 ****
  6 H          -1.156406    0.000000    1.012074 H         1 LIG        0.0056 ****
  7 H          -1.156406    0.876482   -0.506037 H         1 LIG        0.0056 ****
  8 H          -1.156406   -0.876482   -0.506037 H         1 LIG        0.0056 ****
@<TRIPOS>BOND
    1     1     2 1
    2     1     3 1
    3     1     4 1
    4     1     5 1
    5     5     6 1
    6     5     7 1
    7     5     8 1
@<TRIPOS>SUBSTRUCTURE
      1  LIG              1 ****               0 ****  ****  

2-4. VdW параметры

Создадим описание этана в формате пакета программ GROMACS. При задании типов атомов и параметров функции Леннард-Джонса будем считать, что Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия между атомами углерода разных молекул этана минимальны, т.к. атомы углерода почти полностью экранированы атомами водорода, что Ван-дер-Ваальсовый радиус водорода (sigma) известен, но не известен epsilon водорода. При описании молекулы укажем, что атомы через три связи не учитываются при расчете Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. При описании атомов укажем их точечные заряды, вычисленные ранее. При описании связей укажем их длины (в нанометрах), вычисленные ранее, и константы жесткости. Аналогично опишем углы и торсионные углы. Укажем пары атомов, которые не учитываются при расчете Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. При описании системы укажем координаты с 38 молекулами этана.

In [ ]:
[ defaults ]
; nbfunc        comb-rule       gen-pairs       fudgeLJ fudgeQQ
1               2               yes              0.5     0.8333
[ atomtypes ]
; name      at.num  mass     charge ptype  sigma      epsilon
H          1        1.008    0.0000  A   1.06908e-01  1.00000e-00
C          6        12.01    0.0000  A   3.39967e-01  3.59824e-01
[ moleculetype ]
; Name            nrexcl
ethane            3
[ atoms ]
;   nr  type  resnr  residue  atom   cgnr     charge       mass
     1   C      1    ETH      C1      1    -0.0189    12.01
     2   C      1    ETH      C2      2    -0.0155    12.01
     3   H      1    ETH      H1      3     0.0059    1.008
     4   H      1    ETH      H2      4     0.0059    1.008
     5   H      1    ETH      H3      5     0.0059    1.008
     6   H      1    ETH      H4      6     0.0056    1.008
     7   H      1    ETH      H5      7     0.0056    1.008
     8   H      1    ETH      H6      8     0.0056    1.008
[ bonds ]
;  ai    aj funct  b0       kb
     1   2   1  0.1554   250000.0
     1   3   1  0.1085   300000.0
     1   4   1  0.1085   300000.0
     1   5   1  0.1085   300000.0
     2   6   1  0.1085   300000.0
     2   7   1  0.1085   300000.0
     2   8   1  0.1085   300000.0
[ angles ]
;  ai    aj    ak funct  phi0   kphi
;around c1
    2     1     3     1   111.291    400.400
    2     1     4     1   111.291    400.400
    2     1     5     1   111.291    400.400
    3     1     4     1   111.291    200.400
    3     1     5     1   111.291    200.400
    4     1     5     1   111.291    200.400    
;around c2
    1     2     6     1   111.291    400.400
    1     2     7     1   111.291    400.400
    1     2     8     1   111.291    400.400
    6     2     7     1   111.291    200.400
    6     2     8     1   111.291    200.400
    7     2     8     1   111.291    200.400    
[ dihedrals ]
;  ai    aj    ak    al funct  t0           kt      mult
    3    1     2     6      1  0.0      0.62760     3
    3    1     2     7      1  0.0      0.62760     3
    3    1     2     8      1  0.0      0.62760     3
    4    1     2     6      1  0.0      0.62760     3
    4    1     2     7      1  0.0      0.62760     3
    4    1     2     8      1  0.0      0.62760     3
    5    1     2     6      1  0.0      0.62760     3
    5    1     2     7      1  0.0      0.62760     3
    5    1     2     8      1  0.0      0.62760     3
[ pairs ]
;  ai    aj funct
   3  6
   3  7
   3  8
   4  6
   4  7
   4  8
   5  6
   5  7
   5  8
[ System ]
first one
[ molecules ]
;Name count
 ethane    38

Промоделируем испарение этана с помощью пакета программ GROMACS. Первая система соответствует газовой фазе, где расстояния между молекулами порядка 50 ангстрем. Вторая система имеет такую же плотность, как и жидкий этан. Создадим файлы, в которых epsilon водорода принимает различные значения, проведем моделирование динамики двух систем (для каждого файла) в программе grompp, вычислим энергию Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий в каждой системе (для каждого файла) в программе g_energy, сохраним эти значения в файлы и определим разницу энергии Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий между двумя системами (для каждого файла):

In [1]:
%%bash
echo Epsilon Delta_E_VdW
for i in {1..7}; do
    ep=$(echo "scale=5; 1/$i/$i/$i" | bc -l )
    sed "s/1.00000e-00/$ep/" ethane.top > v_${i}.top
    grompp_d -f md -c box_big -p v_${i}.top -o vb_${i} -maxwarn 1 && mdrun_d -deffnm  vb_${i} -v
    grompp_d -f md -c box_38 -p v_${i}.top -o v_${i} -maxwarn 1 && mdrun_d -deffnm  v_${i} -v
    echo -e "LJ-(SR)\nCoulomb-(SR)\n0" | g_energy -f -b 10  vb_${i} -o eb_${i} > ethane_g_${i}.txt
    echo -e "LJ-(SR)\nCoulomb-(SR)\n0" | g_energy -f -b 10  v_${i} -o e_${i} > ethane_l_${i}.txt
    gas=$(awk '$1=="LJ" {printf $3}' ethane_g_$i.txt)
    liquid=$(awk '$1=="LJ" {printf $3}' ethane_l_$i.txt)
    delta=$(echo $gas '-' $liquid | bc -l)
    echo $ep $delta
done
Epsilon Delta_E_VdW
1.00000 254.491773124
.12500 18.469541915
.03703 3.138428607
.01562 1.312045542
.00800 1.433319183
.00462 .398777379
.00291 1.740422812

При сравнении разницы энергии Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий между двумя системами с экспериментальным значением энтальпии испарения этана (5.4 кДж/моль при 25°С) можно предположить, что значение epsilon водорода чуть больше, чем 0.037. Вкладом Кулоновских взаимодействий можно пренебречь.

Конвертируем соответствующие файлы в формат pdb в программе trjconv:

In [ ]:
trjconv_d -f vb_3 -s vb_3 -o vb_3.pdb
trjconv_d -f v_3 -s v_3 -o v_3.pdb

Моделирование этана в жидкой фазе:

In [2]:
from IPython.display import HTML
HTML('<video controls><source src="v_3.mp4"></video>')
Out[2]:

Моделирование этана в газовой фазе:

In [3]:
HTML('<video controls><source src="vb_3.mp4"></video>')
Out[3]: