Дипломная работа Квантово-химическая и молекулярная динамика водородных связей в водных средах Дипломник: студент гр. 691 “б” Воробьёв Е. А. Научный руководитель: д.б.н., проф. Петренко Ю. М. Молекулярно-динамические модели молекул воды Трехточечные SPC SPC/E Четырехточечная TIP4P TIP3P Пятиточечная TIP5P Молекулярно-динамические модели молекул воды Параметры молекулярно-динамических моделей молекул воды Цель работы Изучение характера поведения и условий синтеза водородных связей и ассоциатов воды, создаваемых ими, методами квантово-химической и молекулярной динамики. Задачи: 1. Исследование возможности квантово-химического синтеза молекул воды в среде HyperChem и их параметризация. 2. Исследование возможности квантово-химического синтеза водородных связей и создаваемых ими водных ассоциатов в среде HyperChem и их параметризация. 3. Исследование возможности синтеза молекул воды, водородных связей и водных ассоциатов, создаваемых ими, в среде GROMACS с использованием раздельно и совместно методов квантовой и молекулярной динамики. Энергетика HHO-атомной системы Энергетика ННО-атомной системы в зависимости от угла НОН -47300 -47350 -47400 -47450 -47500 2 -47550 -47600 -47650 1 -47700 350 340 330 320 310 300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -47750 1 – при расстоянии ОН равном 0.95 Å 2 – при расстоянии ОН равном 1.5 Å По оси абсцисс – угол НОН, °; по оси ординат – полная энергия, ккал/моль Энергетика ННO-атомной системы Полная энергия (Ккал/моль) 1 2 rOH (Å) 1 – при угле HОН равном 90° 2 – при угле HОН равном 180° Квантовый синтез молекулы воды H 2Å 0.943 Å 105.97° 0.943 Å 3.4 Å 0 H Характеристики молекулы воды, синтезированной разными методами Метод Угол НОН, ˚ Расстояние ОН, Å Полная энергия, ккал/моль Заряд Н, (е) Заряд О, (е) ХартриФока 105.974 0.943 -47705.5 0.335 -0.670 РМ3 107.694 0.951 -7492.69 0.179 -0.358 АМ1 103.535 0.961 -8038.22 0.191 -0.382 Энергетика НН-атомной системы Полная энергия (Ккал/моль) 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 -200 -400 -600 rmin=0.7235 Å, -800 -1000 Emin=-709.251 ккал/моль 25 30 35 40 rHH (Å) Квантовый синтез молекулы воды H 0.943 Å 105.97° 0.73 Å 2.9 Å 0.943 Å 0 Полная энергия O атома -46847.7 ккал/моль Полная энергия -709.9 ккал/моль -47705.5 ккал/моль Энергия Н-Н 449.9 ккал/моль O-Н связи связи 298.9 ккал/моль Полная энергия Н атома -130 ккал/моль H Квантовый синтез водородных связей H 0.943 Å 0.943 Å 2.63 Å Синтез водородной связи 2.64 Å 0.943 Å воды из атомов двух молекул 0.943 Å 0 H 0 H H H 0.942 Å H 0.948 Å 0 0 2.04 Å 0.944 Å 0.944 Å H H Квантовый синтез водородных связей Две молекулы воды могут образовывать димеры следующих конфигураций по количеству водородных связей: Одинарная пространственная Одинарная плоскостная Двойная Четырехкратная Квантовый синтез водородных связей Энергии димеров воды для разных конфигураций Конфигурация Невзаимодействующие молекулы Одинарная пространственная Одинарная плоскостная Двойная Четырехкратная Энергия, ккал/моль полученная по методу AM1 PM3 Хартри-Фока -16076.44 -14985.38 -95411.0 - -14988.879 -95416.63 -16081.9 -16081.8 -14988.196 -14985.635 -14987.091 -95415.944 -95414.222 -95413.589 Квантовый синтез водородных связей Усредненная энергия водородной связи в димерах воды Конфигурация Одинарная пространственная Одинарная плоскостная Двойная Четырехкратная Энергия, ккал/моль полученная по методу AM1 PM3 Хартри-Фока - 3.499 5.63 2.73 1.34 2.816 0.1275 0.428 4.944 1.611 0.647 Квантовый синтез водородных связей 0.943 Å 2.023 Å 0.943 Å 0.951 Å 0.952 Å 0.943 Å 0.943 Å 0.943 Å 1.998 Å 0.943 Å 0.943 Å 0.943 Å 1.995 Å 0.951 Å 0.943 Å Квантовый синтез водородных связей Три молекулы воды могут образовывать тримеры следующих конфигураций: Циклическая: Полная энергия -143134 ккал/моль Усредненная энергия водородной связи 5.8 ккал/моль Линейная: Полная энергия -143127 ккал/моль Усредненная энергия водородной связи 5.7 ккал/моль Молекулярная динамика водородной связи распределение длин распределение углов Параметры водородных связей чистой воды при T=300K модели SPC (черный) и TIP4P (красный) Электростатический синтез водородных связей Вид димера МД Виды димеров КМ Электростатический синтез водородных связей Вид тримера МД Вид тримера КМ Электростатический синтез водородных связей Вид тетрамера МД Вид тетрамера КМ Молекулярная динамика синтеза молекулы воды H Динамика атома кислорода 0 Динамика атома водорода H Выводы 1. Определена геометрия молекулы воды, синтезированной квантово-химическим методом Хартри-Фока: длина связи OH 0.943˚A, валентный угол 105.974°. Распределение зарядов: на атоме водорода 0.335е, на атоме кислорода -0.670е. Значения указанных параметров сохраняются при разных способах синтеза. 2. Осуществлен квантово-химический синтез водородной связи между двумя молекулами воды. Водородная связь связывает две молекулы воды и создает четыре вида димеров. При этом изменяются углы, распределение зарядов и длины связей у молекул димеров. Усредненная величина энергии водородной связи в димерах в зависимости от их вида варьирует от 0.647 до 5.63 ккал/моль. 3. Осуществлен квантово-химический синтез водородной связи между тремя молекулами воды. Водородная связь создает два вида тримеров. При этом изменяются углы, распределение зарядов и длины связей у молекул тримеров. Усредненная величина энергии водородной связи в тримерах в зависимости от их вида варьирует от 5.7 до 5.8 ккал/моль. 4. Установлены принципиальные различия в отражении свойств водородной связи, синтезированной квантово-химическими методами и методом молекулярной динамики, в частности, по длинам связей, их энергиям и топологиям простых ассоциатов, образуемых ими. 5. Подтверждена возможность эффективного сочетания квантовых методов с методом молекулярной динамики для точного отражения динамики водородной связи, осуществлен синтез необходимой для этого молекулы воды в рамках такого подхода. Спасибо за внимание
