Квантово-химические расчеты структур органических и координационных соединений Докладчик: Крутиков Александр Александрович, аспирант Химического института им. А.М. Бутлерова КГУ Модели растворителей • Континуальные модели – – – – – SCRF ( Self-Consistent Reaction Field ) SVPE и SS(V)PE ( Surface Volume Polarization for Electrostatics ) COSMO ( Conductor like Screening Model ) SMx ( Solvation Models ) PCM ( Polarizable Continuum Model ) • D-PCM • IEFPCM • C-PCM • Молекулярные модели – EFP ( Effective Fragment Potential ) • EFP1 • EFP2 SCRF – самосогласованное реакционное поле Рис. 1. Модель реакционного поля Онзагера. ε – диэлектрическая проницаемость среды a0 – радиус полости Hrf = H0 + H1 H0 – гамильтониан изолированной молекулы H1 – вклад модели растворителя Недостатки метода: 1) трудность выбора радиуса полости, 2) электростатические потенциалы растворителя представлены в виде диполя, 3) сферическая полость не отображает действительное окружение растворенной молекулы. PCM – модель поляризуемого континуума Рис. 2. Молекула воды в модели PCM – модель полости. Gsol = Ges + Gdr + Gcav Gsol – свободная энергия сольватированной молекулы Ges – энергия электростатического взаимодействия Gdr – энергия дисперсионно-репульсионного взаимодействия Gcav – энергия образования полости EFP – эффективный потенциал фрагментов Рис. 3. Бис-L-гистидинат меди(II), Cu(His)2, с 30 молекулами воды (EFP). Ограничения метода: 1) Не все методы расчета работают с EFP 2) Внутренняя структура EFP фрагмента заморожена, то есть в процессе оптимизации углы и длины связей, а также прочие характеристики остаются постоянными. 3) Используется только группа симметрии С1. Рис. 4. Механизм сольватации молекулы аланина (слева), устойчивые конформации L-аланина (справа). Gordon M.S. Water and Alanine: From Puddles(32) to Ponds(49) / M.S. Gordon, J.M. Mullin // J. Phys. Chem. B. – 2009. – V. 113, N 43. – P. 14413–14420. Gordon M.S. Alanine: Then There Was Water / M.S. Gordon, J.M. Mullin // J. Phys. Chem. B. – 2009. – V. 113, N 25. – P. 8657–8669. Cu(D-His)(GlyTyrH-2)-2 Cu(L-His)2 Cu(D-His)(TyrLeuH-1)-1 Cu(D-His)(TyrLeuH-2)-2 Cu(L-His)(L-HisH)+ Cu(L-His)(GlyGlyH-1)- Cu(L-His)(TyrPheH-1)- Cu(L-His)(GlyTyrH-1)- Cu(L-His)(TyrPheH-2)2- GlyGlyHisH GlyGlyTyrH GlyGlyTyrH Cu(L-His)(L-HisH)+ Cu(L-His)(L-HisH)+ c 60 молекулами воды Рис. 5. Распределение по энергиям различных конформаций глицилглицил-L-гистидина, по вертикали измеряется общая энергия молекулы в единицах Хартри, по горизонтали – число шагов в расчете. Таблица 1. Сравнение временных затрат в расчетах энергии с помощью ab initio и EFP Gordon M.S. Fast Fragments: The Development of a Parallel Effective Fragment Potential Method / M.S. Gordon, H.M. Netzloff // J. Comput. Chem. – 2004. - V. 25. – P. 1926–1935. Таблица 2. Зависимость производительности расчета от числа ядер на кластере Таблица 4. Оптимизация геометрии аминокислоты аланина (RHF) на разном количестве ядер на кластере Таблица 3. Оценка времени расчета структур глициновых олигопептидов на бинарном (1) и скомпилированном (2) GAMESS'е 6 ядер, в 5.49 раз GGGG/RHF Energy 2 GGGG/RHF Energy 1 GG/RHF Energy 2 4 ядра, в 3.85 раз 2 ядра, в 2 раза GG/RHF Energy 1 G/RHF Energy 2 G/RHF Energy 1 1 ядро 0 20 40 60 80 100 120 140 0 160 10 20 30 40 t, сек t, сек. Таблица 5. Зависимость времени расчета от выбранного базиса волновых функций в системе альфа-аланин – вода (1:1) t, сек Базис Число интегралов Число базисных функций MINI 13 45 45 MIDI 34.1 3205 81 STO 39.8 980 44 6-21G 17.6 3184 81 6-31G 26.3 3261 81 6-31++G(d,p) 478 17170 187 50 60 70 80 Таблица 6. Зависимость времени расчета одного шага глобальной оптимизации от числа атомов и числа молекул воды Соединение Число атомов число EFP Число базисных функций Число интегралов время расчета 1шага (мин.) GlyGlyTyrH 38 30 501 103353 103 Cu(His)2 39 30 465 81212 78.9 Cu(L-His)(GlyGlyH-1)-1 38 20 660 170342 270.3 Cu(D-His)(GlyTyrH-2)-2 48 30 853 286684 507.6 Cu(D-His)(TyrLeuH-1)-1 61 31 1007 368268 851.1 Cu(L-His)(TyrPheH-1)-1 62 35 1070 382423 820.9 Перспективы: 1) Настройка GAMESS для увеличения производительности вычислений. 2) Установка в usr/local и подключение к планировщику задач PBS или Torque. Благодарим за внимание.