Квантовохимические расчеты структур органических и

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.