TSM – Modelování molekulárních struktur -1- TSM Modelování molekulárních struktur Petr Kulhánek petr.kulhanek@ceitec.muni.cz CEITEC – Středoevropský technologický institut, Masarykova univerzita, Kamenice 5, 625 00 Brno NCBR – Národní centrum pro výzkum biomolekul, Masarykova univerzita, Kotlářská 2, 611 37 Brno Cvičení IV TSM – Modelování molekulárních struktur -2Hledání reakční cesty (single coordinate driving) TSM – Modelování molekulárních struktur -3Driving, strategie Volba vhodné reakční koordináty popisující průběh reakce: • Reakční koordináta je většinou velmi komplikovaná • Je nutno použít zjednodušenou koordinátu co nejlépe postihující reakci • Vybíráme z jednoduchých geometrických parametrů (délka, úhel, torzní úhel atd.) • U reakcí se nejčastěji používají vzdálenosti mezi atomy, mezi kterými vznikají nebo zanikají vazby. • U konformačních přechodů se většinou používají torzní úhly. • Jako výchozí stav drivingu volíme stav s nejmenším počtem konformačních stupňů volnosti. Pokud je to tedy výhodné driving můžeme provádět ve směru od produktu k reaktantu. Cílem drivingu je nalézt odhad tranzitního stavu reakce. Driving se provádí tak, že se mění zvolený geometrický parametr a všechny ostatní stupně geometrické volnosti se optimalizují. Parametrem může být např. zkracování délky mezi atomy, mezi kterými v průběhu reakce vzniká vazba. TSM – Modelování molekulárních struktur -4Driving, vstup # PM3 Opt=ModRedundant NoSymm (prazdny radek) komentar (prazdny radek) naboj 1 znacka x y z znacka x y z ............... (prazdny radek) B A1 A2 S NStep StepSize (prazdny radek) aktivuje driving měníme vzdálenost čísla atomů, mezi kterými budeme měnit vzdálenost (počítá se od jedné) počet kroků (celé číslo) délka kroku (kladné nebo áporné čislo), číslo musí obsahovat desetinou tečku (pro vzdálenost je optimum okolo 0.1 Å) TSM – Modelování molekulárních struktur -5Driving, příklad ............... H -7.27527 1.28418 0.56205 B 5 11 S 15 0.1 prázdný řádek Zkracujeme délku mezi atomy 5 a 11 a to v patnácti krocích vždy o 0.1 Å. TSM – Modelování molekulárních struktur -6Driving, výsledky 1) Aktivace modulu qmutil: $ module add qmutil 2) Zobrazení průběhu drivingu (energie): $ extract-gdrv-ene soubor.log 3) Průběh drivingu (všechny geometrie): $ extract-gdrv-xyz soubor.log > soubor_drv.xyz 4) Získání významné (N-té) geometrie: $ extract-xyz-str soubor_drv.xyz N1 > soubor_TS.xyz Je vhodné podívat se na průběh drivingu, např. v programu vmd nebo Avogadro. Číslo struktury, kterou chceme vyextrahovat ze souboru soubor_drv.xyz. TSM – Modelování molekulárních struktur -7Driving, výsledky # Coordinate: R(4,7) # Step Value Energy [kcal/mol] S Energy [au] # ---- --------- ------------------ - ------------------ 1 1.5380 0.000 - 0.002554791 2 1.6380 2.648 / 0.006774307 3 1.7380 8.526 / 0.016141320 4 1.8380 15.826 / 0.027774776 5 1.9380 23.919 / 0.040672342 6 2.0380 32.626 / 0.054548199 7 2.1380 41.714 / 0.069029627 8 2.2380 50.746 / 0.083423613 9 2.3380 59.194 / 0.096886686 10 2.4380 66.597 / 0.108683559 11 2.5380 72.657 / 0.118340986 12 2.6380 77.257 / 0.125671188 13 2.7380 80.400 / 0.130680500 14 2.8380 36.191 \ 0.060228061 15 2.9380 35.376 \ 0.058929736 16 3.0380 34.774 \ 0.057970622 Struktura s maximální energii na reakční cestě => odhad tranzitního stavu Číslo struktury Příklad: Dielsova Alderova cykloadiční reakce TSM – Modelování molekulárních struktur -8Driving, výsledky produkt (výchozí stav drivingu) trháme vazbu Zlom indikuje, že použitá koordináta ne zcela postihuje průběh reakce Příklad: Dielsova Alderova cykloadiční reakce Struktura s maximální energii na reakční cestě => odhad tranzitního stavu TSM – Modelování molekulárních struktur -9Optimalizace geometrie tranzitního stavu reakce TSM – Modelování molekulárních struktur -10Optimalizace TS, vstup soubor ukládáme s příponou .com # PM3 Opt(CalcFC,TS,NoEigenTest,MaxCycle=25) NoSymm (prazdny radek) komentar (prazdny radek) naboj 1 znacka x y z znacka x y z znacka x y z ............... (prazdny radek) optimalizace geometrie tranzitního stavu TSM – Modelování molekulárních struktur -11Optimalizace TS, výstup Výstup zpracováváme stejně jako by se jednalo o normální optimalizaci geometrie. • Pokud je překročen maximální počet kroků, je možné zkusit pokračovat v optimalizaci (extrahovat poslední souřadnice a znovu provést optimalizaci). Druhou možností je místo klíčového slova CalcFC použít klíčové slovo CalcAll. • Pokud není TS nalezen do cca 30 optimalizačních kroků, je nutné nalézt vhodnější odhad TS. • TS musí mít pouze jednu imaginární (“zápornou”) frekvenci. • Vibrační pohyb s imaginární frekvencí musí sledovat vznik a zánik vazeb odpovídající reakčním kroku. • Pokud se TS nepodaří nalézt, je možné použít místo drivingu metodu QST2 (Opt=QST2, viz. http://gaussian.com/g_tech/g_ur/k_opt.htm)