Силовое поле (химия)

редактировать

Концепция молекулярного моделирования

Силовое поле используется для минимизации энергии растяжения связи этой молекулы этана.

В контексте химии и молекулярного моделирования, силовое поле - это вычислительный метод, который используется для оценки сил между атомы внутри молекул, а также между молекулами. Точнее, силовое поле относится к наборам функциональной формы и параметры, используются для вычислений потенциальной энергии системы элементов или крупнозернистых частиц в моделирование молекулярной механики, молекулярной динамики или Монте-Карло. Параметры для выбранной энергетической функции могут быть получены из экспериментов в физике и химии, расчетов в квантовой механике или обоих. Силовые поля - это межатомные потенциалы и используют ту же концепцию, что и силовые поля в классической физике, с той разницей, что параметры силового поля в химии описывают энергетический ландшафт, из которого силы, действующие на каждую частицу, выводятся как градиент потенциальной энергии относительно координат частицы.

Силовые поля атома всех систем, включающая водород, в то время как межатомные потенциалы объединенного атома рассматривают атомы водорода и углерода в метильных групп и метиленовых мостиках как одно взаимодействие центр. Крупнозернистые потенциалы, которые часто используются в длительном моделировании макромолекул, как белки, нуклеиновые кислоты, и многокомпонентные комплексы, жертвуют химическими деталями для повышения эффективности вычислений.

Содержание

1 Функциональная форма
- 1.1 Растяжение связи
- 1.2 Электростатические взаимодействия
2 Параметризация
- 2.1 Методы
- 2.2 Параметризация
3 Переносимость
4 Ограничения
5 Широко используемые силовые поля
- 5.1 Классический
- 5.2 Поляризуемый
- 5.3 Реактивный
- 5.4 Крупнозернистый
- 5.5 Машинное обучение
- 5.6 Вода
- 5.7 Модифицированные аминокислоты
- 5.8 Другое
6 См. Также
7 Ссылки
8 Дополнительная литература

Функциональная форма

Функция потенциальной энергии молекулярной механики с континуальным растворителем.

Основная функциональная форма потенциальная энергия в молекулярной механике включает в себя связанные термины для взаимодействий элементов, которые связаны ковалентными связями, и несвязанные (также называемые нековалентными t) термины, описывающие дальнодействующие электростатические и силы-дер-Ваальса. Конкретное разложение терминов зависит от силового поля, но общую форму для полной энергии в аддитивном силовом поле можно записать как

$E total = E bonded + E nonbonded {\ displaystyle \ E _ {\ text {total}} = E _ {\ text {bonded}} + E _ {\ text {nonbonded}}}$ $\ E_{{{\text{total}}}}=E_{{{\text{bonded}}}}+E_{{{\text{nonbonded}}}}$

где компоненты ковалентного и нековалентного вкладов даются суммирования:

$E bonded = E bond + E угол + E двугранный {\ displaystyle \ E _ { \ text {bonded}} = E _ {\ text {bond}} + E _ {\ text {angle}} + E _ {\ text {dihed}}}$ $\ E_{{{\text{bonded}}}}=E_{{{\text{bond}}}}+E_{{{\text{angle}}}}+E_{{{\text{dihedral}}}}$

$E nonbonded = E электростатический + E ван дер Ваальс {\ displaystyle \ E _ {\ text {nonbonded}} = E _ {\ text {electrostatic}} + E _ {\ text {van der Waals}}}$ $\ E_{{{\text{nonbonded}}}}=E_{{{\text{electrostatic}}}}+E_{{{\text{van der Waals}}}}$

Обычно термины связи и угла моделируются квадратичными энергетическими функциями, не допускающие разрыва связи. Более реалистичное описание ковалентной связи при более высоком растяжении обеспечивается более дорогим потенциал Морзе. Функциональная форма двугранной энергии меняется от одного силового поля к другому. Дополнительные, «неправильные торсионные» термины могут быть добавлены для обеспечения плоскостности ароматических колец и других сопряженных систем, а также «перекрестные термины», которые описывают соединение различных внутренних элементов, таких как углы и длина связи. Некоторые силовые поля также включают явные термины для водородных связей.

Несвязанные члены наиболее трудоемкими в вычислительном отношении. Популярный выбор - ограничить столкновение парными энергиями. Член Ван-дер-Ваальса обычно вычисляется с помощью способности Леннарда-Джонса, а электростатический член - с помощью закона Кулона, хотя оба могут масштабироваться с постоянным коэффициентом для учета электронного поляризуемость. Исследования с этим выражением энергии были сосредоточены на биомолекулах с 1970-х годов и были распространены периодической таблицы в начале 2000-х, включая металлы, керамику, минералы и органические соединения.

Растяжение связи

В наиболее упрощенных подходах используется формула закона Гука :

$E bond = kij 2 (lij - l 0, ij) 2 {\ displaystyle E _ {\ text {bond}} = {\ frac {k_ {ij}} {2}} (l_ {ij} -l_ {0, ij}) ^ {2}}$ $E_{\text{bond}}={\frac {k_{ij}}{2}}(l_{ij}-l_{0,ij})^{2}$

Где $kij {\ displaystyle k_ {ij}}$ $k_{{ij}}$ - силовая константа, $lij {\ displaystyle l_ {ij}}$ $l_{ij}$ - длина связи и $l 0, ij {\ displaystyle l_ {0, ij}}$ $l_{0,ij}$ - значение длины связи между атомами $i {\ displaystyle i}$ $i$ и $j {\ displaystyle j} <123.>$ $j$ , когда все остальные члены в силовом поле установлены на 0. Термин $l 0, ij {\ displaystyle l_ {0, ij}}$ $l_{0,ij}$ часто называют равновесной связью. длина, которая может вызвать путаницу. Равновесная длина связи - это значение, принятое в равновесие при 298 K с учетом всех других силового поля и кинетической энергии. Следовательно, $l 0, ij {\ displaystyle l_ {0, ij}}$ $l_{0,ij}$ часто на несколько процентов отличается от длины длины связи в экспериментах при 298 К.

Связь константа растяжения $kij {\ displaystyle k_ {ij}}$ $k_{{ij}}$ может быть определена из экспериментального инфракрасного настроения, рамановского ассортимент или высокоуровневого квантово-механические расчеты. Константа $k i j {\ displaystyle k_ {ij}}$ $k_{{ij}}$ определяет частоты колебаний в моделировании молекулярной динамики. Чем сильнее связь между атомами, тем выше значение постоянной силовой и тем выше волновое число (энергия) в ИК / рамановском спектре. Спектр колебания в соответствии с заданной силовой постоянной может быть вычислен из коротких MD-траекторий (5 пс) с временными шагами ~ 1 фс, вычисления автокорреляционной функции скорости и ее преобразования Фурье.

Хотя формула Гука Закон обеспечивает разумный уровень точности при длинах связей, близких к равновесному расстоянию, он менее точен при удалении. Для моделирования лучшей кривой Морзе можно использовать кубические и более высокие степени. Использование ограничительных возможностей обычных силовых полей. Вместо этого можно использовать Морзе, чтобы обеспечить разрыв связи и более высокую точность, если его даже вычислить менее эффективно.

Электростатические взаимодействия

Электростатические взаимодействия кулоновской энергии, которая использует атомные заряды $qi {\ displaystyle q_ {i}}$ $q_{i}$ для обозначения химической связи в диапазоне от ковалентной до полярной ковалентной и ионной связи. Типичная формула - закон Кулона :

$E Coulomb = 1 4 π ε 0 qiqjrij {\ displaystyle E _ {\ text {Coulomb}} = {1 \ over 4 \ pi \ varepsilon _ {0}} {\ frac {q_ {i} q_ {j}} {r_ {ij}}}}$ $E_{\text{Coulomb}}={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {q_{i}q_{j}}{r_{ij}}}$

Где $rij {\ displaystyle r_ {ij}}$ $r_{ij}$ - расстояние между двумя атомами $я { \ displaystyle i}$ $i$ и $j {\ displaystyle j}$ $j$ . Полная кулоновская энергия представляет собой сумму по всем попарным комбинациям элементов и обычно не включает 1, 2 связанных атома, 1, 3 связанных атома, а также 1, 4 связанных атома.

Заряды значение элементы могут импортировать доминирующий вклад в потенциальная энергия, особенно для полярных молекул и ионных соединений, и решающее для моделирования геометрии, энергии взаимодействия, а также реакционной способности. Присвоение атомных зарядов часто по-прежнему следует эмпирическим и ненадежным квантово-механическим протоколам, что часто приводит к нескольким 100% неопределенности относительно физически обоснованных значений в соответствии с экспериментальными дипольными моментами и теорией. Были разработаны воспроизводимые атомные заряды для силовых полей на основе экспериментальных данных для деформации электронов, внутренних дипольных моментов и расширенной модели Борна. Неопределенности <10%, or ±0.1e, enable a consistent representation of chemical bonding and up to hundred times higher accuracy in computed structures and energies along with physical interpretation of other parameters in the force field.

Параметризация

В дополнение к функциональной форме потенциалововые поля определяют набор параметров различных типов, химических связей, двугранных углов, внеплоскостных взаимодействий, небондовых взаимодействий и возможных других условий. Многие наборы используются эмпирическими, а в некоторых силовых полях используются большие подгоночные термины, которые дают физическую интерпретацию. Типы веществ для разных элементов, а также для одних и тех же элементов в достаточно разных химических средах. Например, атомы кислорода в воде и атомы кислорода в карбонильной функциональной группе классифицируются как разные типы силового поля. Типичные наборы параметров силового поля включают значения для атомной массы, атомного заряда, параметры Леннарда-Джонса для каждого типа атома, а также значения равновесия длины связей, валентные углы и двугранные углы. Связанные термины каждого к парам, тройкам и четверкам связанных элементов и включают значения эффективной жесткости пружины для эффективного использования. Большинство параметров силового поля используют модель фиксированного заряда, согласно которому каждый атому приписывается одно значение атомного заряда, которое не влияет на локальную электростатическая среда.

Параметризация силового поля для моделирования с максимальной точностью и переносимостью, например, IFF соответствует четко определенному протоколу. (1) получение рентгеновской структуры кристаллической структуры или системы формулы, (2) определение типов объектов, (3) получение параметров атомных зарядов, (4) задание начальных параметров Леннарда-Джонса и связанных параметров, (5) вычислительные испытания плотности и геометрия относительно экспериментальных справочных данных, (6) вычислительные испытания энергетических свойств (поверхностная энергия, энергия гидратации ) относительно экспериментальных справочных данных, (7) вторичная проверка и уточнение (тепловые, механические и диффузионные свойства). Основные итерационные циклы проходят между шагами (5) и (4), а также между (6) и (4) / (3). Химическая интерпретация параметров и надежные экспериментальные справочные данные играют решающую роль.

Параметры для молекулярного моделирования биологических макромолекул, таких как белки, ДНК и РНК, часто были получены из наблюдений малых соответствующих молекул, более доступных для экспериментальных исследований и квантовых расчетов. Таким образом, возникает множество проблем, таких как (1) ненадежные атомные заряды из квантовых вычислений могут обеспечить все вычисленные свойства и внутреннюю согласованность, (2) полученные из квантовой механики молекулы в газовой фазе, могут быть неприменимы для моделирования в конденсированной фаза, (3) использование данных для малых молекул и применение к более полимерным структурам связано с неопределенностью, (4) несходные состояния экспериментальные данные с вариациями в точности и эталонныхх (например, температура) могут вызвать отклонения. В результате получены данные о расходящихся параметрах силового поля для биологических молекул. Экспериментальные справочные данные включали, например, энтальпию испарения (OPLS ), энтальпию сублимации, дипольные моменты и различные спектроскопические параметры. Несоответствия можно пройти через интерпретацию всех параметров силового поля и выбора согласованного эталонного состояния, например, комнатной температуры и атмосферного давления.

Некоторые силовые поля также не содержат обоснованного химического обоснования, протокола параметров, неполной проверки свойств (структуры и энергии), отсутствия интерпретации параметров и обсуждения неопределенностей. В этих случаях сообщалось о больших случайных отклонениях вычисленных свойств.

Методы

Некоторые силовые поля включают явные модели для поляризуемости, где эффективный заряд частицы влиять электростатические взаимодействия с ее соседями. Распространены модели ядро-оболочка, которые состоят из положительно заряженной частицы, представляющей поляризуемый атом, отрицательно заряженной частицы, присоединенной к ядру атома через пружинный гармонический осциллятор потенциал. Недавние примеры включают поляризуемые модели с виртуальными электронами, которые воспроизводят заряды изображения в металлах и поляризуемые биомолекулярные силовые поля. При добавлении таких степеней свободы для поляризуемости параметров более сложного и увеличения размера в произвольных параметрах соответствия и сравнения совместимости. Вычислительные затраты вычисляют из-за необходимости многократно вычислять локальное электростатическое поле.

Поляризуемые модели работают хорошо, когда они фиксируют важные химические свойства, относительно суммарный атомный заряд точен (в пределах ± 10%). В время такие модели ошибочно называют «последнееми осциллятора Друде». Подходящим термином для этих моделей является «модели осциллятора Лоренца», поскольку Лоренц, а не Друде использует некоторую форму присоединения электронов к ядрам. Модели Друде предполагают неограниченное движение электронов, например, свободный электронный газ в металлах.

Параметризация

Исторически использовалось много подходов к параметрам параметрического поля. Многочисленные классические силовые поля основывались на относительно непрозрачных протоколах параметров, например, с приближением квантово-механических расчетов, часто в газовой фазе, с ожиданием некоторой корреляции со свойствами конденсированной фазы и эмпирических модификаций потенциалов для соответствующего экспериментальным наблюдаемым. Протоколы могут быть невоспроизводимыми, и полуавтоматизация часто играет роль для генерации параметров, оптимизации для быстрой генерации параметров и широкого охвата, а не для химической согласованности, интерпретируемости, надежности и устойчивости.

Аналогичные, даже более автоматизированные инструменты стали доступны недавно для параметров новых силовых полей и помощи пользователям в разработке параметров для химикатов, которые на сегодняшний день не параметризованы. Попытки предоставить открытые исходные коды и методы включают openMM и openMD. Использование полуавтоматики или полнойбезуспешной оценки параметров, вероятно, приведет к увеличению несоответствий на оставшихся оценках параметров, вероятно, снизит интерпретацию и оценку параметров.

Силовое поле интерфейса (IFF) предполагает одно-единственное выражение энергии для всех соединений в периодическом (с вариантами 9-6 и 12-6 LJ) и использует строгую проверку со стандартизованными протоколами моделирования. Обеспечивает полную интерпретируемость и совместимость.

Переносимость

Функциональные формы и наборы параметров были определеными межатомных потенциалов и имеют переменную степень непротиворечивости и переносимости. Одна из функций одной другой внутренней функции. В некоторых случаях могут быть сделаны с небольшими усилиями, например, между 9-6 дополнительнми Леннарда-Джонса и 12-6 дополнительнми Леннарда-Джонса. Переход от предполагаемой мощности или от встроенных моделей к гармоническим способам, наоборот, потребовал многих дополнительных предположений и может быть невозможен.

Ограничения

Все межатомные потенциалы основаны на приближении и экспериментальных данных, поэтому их часто называют эмпирическими. Производительность оценивается от более высокой точности, чем вычисления теории функционала плотности, с доступом к системам и временным масштабом в миллион раз больше, до случайных предположений в зависимости от силового поля. Использование точных представлений о химических связях в сочетании с воспроизводимыми экспериментальными данными и подтверждением может привести к устойчивым межатомным высоким качеством с меньшим источником параметров и допущений по сравнению с квантовыми методами уровня DFT.

Возможные ограничения включают атомные заряды, также называемые точечными зарядами. Большинство силовых полей полагаются на точечные заряды для воспроизведения электростатического потенциала вокруг молекул, который хуже работает для анизотропных распределений заряда. Средство исправления состоит в том, что точечные заряды имеют четкую интерпретацию, а виртуальные электроны могут быть добавлены для захвата основных характеристик электронной структуры, таких как дополнительная поляризуемость в металлических системах для описания потенциала изображения, внутренние мультипольные моменты в π-сопряженных системах и неподеленные пары. в воде. Электронная поляризация окружающей среды может быть лучше учтена с помощью поляризуемых силовых полей или макроскопической диэлектрической постоянной. Однако применение одного значения диэлектрической проницаемости является грубым приближением в сильно гетерогенных средах белков, биологических мембран, минералов или электролитов.

Все типы сил Ван-дер-Ваальса также являются сильно зависит от окружающей среды, поскольку эти силы возникают в результате взаимодействия индуцированных и «мгновенных» диполей (см. Межмолекулярная сила ). Первоначальная теория этих сил Фрица Лондона применима только в вакууме. Более общая теория сил Ван-дер-Ваальса в конденсированных средах была разработана А. Д. Маклахланом в 1963 году и включает оригинальный подход Лондона как частный случай. Теория Маклахлана предсказывает, что притяжение Ван-дер-Ваальса в среде слабее, чем в вакууме, и подчиняется правилу «подобное растворяется, как правило», что означает, что атомы разных типов взаимодействуют слабее, чем атомы идентичных типов. Это контрастирует с комбинаторными правилами или уравнением Слейтера-Кирквуда, применяемыми для развития классических силовых полей. Комбинаторные правила гласят, что энергия взаимодействия двух разнородных атомов (например, C… N) представляет собой среднее значение энергий взаимодействия соответствующих идентичных пар атомов (например, C… C и N… N). Согласно теории Маклахлана, взаимодействия частиц в среде могут быть даже полностью отталкивающими, как это наблюдается для жидкого гелия, однако отсутствие испарения и наличие точки замерзания противоречит теории чисто отталкивающих взаимодействий. Измерения сил притяжения между различными материалами (постоянная Хамакера ) были объяснены Якобом Исраэлашвили. Например, «взаимодействие углеводородов через воду составляет около 10% от взаимодействия через вакуум». Такие эффекты представлены в молекулярной динамике через парные взаимодействия, которые пространственно более плотны в конденсированной фазе по сравнению с газовой фазой и воспроизводятся после подтверждения параметров для всех фаз для воспроизведения химической связи, плотности и когезионной / поверхностной энергии.

Ограничения явно ощущаются в уточнении структуры белка. Основная основная проблема - это огромное пространство конформации полимерных молекул, которое выходит за рамки современной вычислительной возможности, когда содержит более ~ 20 мономеров. Участники критической оценки предсказания структуры белка (CASP ) не пытались усовершенствовать свои модели, чтобы избежать «главного