´Cwiczenie # 6. Obliczanie i interpretacja widma IR Wykonanie

Ćwiczenie # 6.
Przybliżone metody uwzgl˛edniania rozpuszczalnika oraz ładunki atomowe
znajdowane z rozkładu potencjału elektrostatycznego.
Do tej pory wszystkie obliczenia wykonywaliśmy dla czasteczek
˛
w próżni. Cz˛esto jednak interesuja˛ nas właściwości czasteczek
˛
w roztworach (w biologii przeważnie wodnych), a efekty solwatacyjne sa˛ nieraz bardzo znaczace
˛ dla energetyki reakcji biochemicznych. W tym ćwiczeniu wykonamy
obliczenia pokazujace
˛ użyteczność metody PCM (ang. polarizable continuum model), w które rozpuszczalnik jest modelowany jako ośrodek ciagły
˛ o zadanej wartości stałej dielektrycznej. W obliczeniach PCM solwatowana czasteczka
˛
znajduje si˛e we wn˛ece wewnatrz
˛ dielektryka (reprezentujacego
˛
rozpuszczalnik). Rozkład ładunku na czasteczce
˛
indukuje ładunek na powierzchni wn˛eki, a ten z kolei
wpływa na rozkład ładunku w czastece.
˛
Rozkład ładunku na czasteczce
˛
musi być wi˛ec samouzgodniony z polem reakcji rozpuszczalnika (ang. self-consistent reaction field).
Naszym zadaniem b˛edzie optymalizacja geometrii β-alaniny w formie jonu obojniaczego, czyli
formy dominujacej
˛ w roztworze wodnym o pH bliskim 7. Optymalizacj˛e wykonanym w metodzie
RHF/def2-SVP zarówno dla czasteczki
˛
w próżni, jak i dla modelu czasteczki
˛
w wodzie (metoda
PCM) w celu porównania wyników. Dla zoptymalizowanych geometrii obliczymy ładunki atomowe
wyznaczone z rozkładu potencjału elektrostatycznego wokół czasteczki
˛
β-alaniny; tego typu ładunki
cz˛esto stosuje si˛e w polach siłowych (np. AMBER), wi˛ec ich wyznaczenie jest cz˛eścia˛ procedury
parametryzacji nowej czasteczki
˛
w danym polu siłowym.
Wykonanie obliczeń
1. Zbuduj w programie MOLDEN model czasteczki
˛
β-alaniny w konformacji gauche (kat
˛ dwu◦
ścienny N−C−C−C winien mieć wartość ±60 ), por. rysunek 1. Zapisz geometri˛e w formacie
XYZ.
Rysunek 1: Model jonu obojniaczego β-alaniny w konformacji gauche.
2. Przygotuj input i wykonaj optymalizacj˛e geometrii w próżni na poziomie RHF/def2-SVP (w sekcji kierujacej:
˛
RHF/Def2SVP). Obejrzyj w programie MOLDEN przebieg optymalizacji, zobacz czy charakter jonu obojniaczego jest zachowany. Zapisz zoptylizowana˛ geometri˛e w formacie XYZ. Z pliku wynikowego odczytaj wartość momentu dipolowego dla zoptymalizowanej
geometrii.
3. Przygotuj input do obliczeń w „wodzie”. W sekcji kierujacej
˛ musi si˛e znaleźć m.in.:
SCRF(PCM,solvent=water).
Obejrzyj w programie MOLDEN przebieg optymalizacji, zobacz czy charakter jonu obojniaczego jest zachowany. Zapisz zoptylizowana˛ geometri˛e w formacie XYZ. Z pliku wynikowego
odczytaj wartość momentu dipolowego dla zoptymalizowanej geometrii.
1
4. Dla obu zoptymalizowanych geometrii (z próżni i „wody”) wykonaj obliczenia ładunków ESP
(znajdowanych z rozkładu potencjału elektostatycznego wokół molekuły). Aby wykonać obliczenie ładunków ESP w sekcji kierujacej
˛ musi si˛e znaleźć: Pop=ESP.
Oblicz i zapisz wartości sumy ładunków ESP dla grup aminowych i karboksylowych wyznaczonych dla geometrii z próżni i „wody”, porównaj wyniki. Uwaga: uwzl˛ednij fakt, że jeden
z atomów wodoru jest raz cz˛eścia˛ grupy aminowej, a innym razem karboksylowej. Numery
atomów możesz sprawdzić w programie MOLDEN.
Co powinno być w sprawozdaniu?
• Krótki opis metody PCM (kilka zdań) oraz procedury wyznaczania ładunków ESP.
• Wyniki i obserwacje z ćwiczenia wraz z komentarzem do uzyskanych wyników.
Literatura
(1) F. Jensen „Introduction to Computational Chemistry”, str. 392–399
2