增强QM/MM方法研究的植物双质子转移过程中的同位素效应

质子转移过程在分子开关、晶体管和信息存储装置1、2的开发中具有潜在的应用^价值。特别是,通过双质子转移过程对光子的陶化引起了光谱学和光^物理2领域的广泛关注。通过双质子转移过程,孔生的内部氢原子可以从一个转异体转移到另一个等效的转异体,如图1所示。 提出了双质子转移过程的两个机制:协同和逐步机制3,4。在协调的双质子转移过程中,两个质子原子以对称方式同步地移动到过渡状态,而一个质子在另一个质子之前以逐步过程完成转移。两个氢原子可以同时或逐步转移,这取决于两个氢原子之间的相关强度5。

同位素替代已用于检测分子的结构性质和反应动力学^的速率常数6。单二元替代在猪的内氢导致分子的不对称形状。由于氢原子和铀原子之间的质量差异,氢键可能会膨胀或收缩。同位素替代在孔雀脚手架上引入扰动。问题是,不对称结构是否会影响质子转移过程。Limbach和同事报告说,用二氢替换氢将压缩两种氢键,而两个氢键在porphycene中的协同耦合可能有利于协同机制7,而吉川则指出去功能化将使逐步机制的贡献大于协同机制8。实验技术,如力谱,已经开发,以捕获在单个孔^素9的陶化细节。然而,由于质子转移的瞬态性,要确定其原子细节仍然具有挑战性。

理论计算和模拟可以作为阐明质子转移反应机制的补充工具。在不同的理论方法中,分子动力学(MD)模拟可以监测每个原子的动态运动,并广泛用于揭示化学和酶反应的复杂机制。然而,定期的MD模拟往往受到采样不足的影响,特别是当在感兴趣的过程中存在高能量屏障时。因此,已经开发出了增强的采样方法,包括过渡路径采样10、11、伞式采样(美国)12、13和综合回火采样(ITS)14。 ¹⁵.结合不同的增强采样方法,可进一步提高采样效率16、17、18。为了利用增强的采样算法模拟化学反应,我们^最近19日采用了具有量子力学和分子力学(QM/MM)电位的选择性集成回火采样(SITS)方法。建议的SITS-QM/MM方法结合了两种方法的优点:SITS方法加速采样,并可以在事先了解反应机制的情况下探索所有可能的反应通道,而QM/MM则提供了更准确的描述。粘结形成和粘结断裂过程,不能单靠MM方法来模拟。已实施的SITS-QM/MM方法成功地在不同系统中发现了协同双质子转移、不相关和相关的双质子传递机制,没有预先确定反应^坐标19。对于porphycene,^有19个报告是分步但相关的质子转移特性。混合SITS-QM/MM方法用于研究本研究的泊生子中同位素效应,下面是该方法算法和协议的详细说明。

我们实现了具有混合 QM/MM 潜力的 SITS 方法。SITS 的有效电位被定义为包括不同温度下的电位能量,以及加权因子 n _k,以覆盖更广泛的温度范围,

其中,N是规范项的数量,α _k是反向温度,n _k是每个规范分量的相应权重因子。U_E (R) 和U_N(R) 表示 SITS 中的增强和非增强术语,定义为:

Us、Ue和Ue是子系统的势能,是子系统与环境的相互作用,是环境的潜在能量。 QM/MM 电位表示为三个组件的混合总和,

其中U qm、U _qm/mm和U _mm分别是QM子系统的内部能量术语、QM和MM区域之间的相互作用能量以及MM子系统内的相互作用能量。 U_qm/mm术语可进一步分为三个组分,包括静态、范德瓦尔斯和 QM 原子和 MM 原子之间的共价相互作用能量项,

我们分配,并在 SITS 中分配到一个U术语中,

然后,系统的全部电位被分解为子系统U的能量、子系统与环境Ue之间的相互作用能量以及环境Ue的能量。 例如,在目前的工作系统中,子系统是肺生,环境是水。

沿集合变量*(R) 的 PMF 配置文件派生为,

N1+H1[ ] 每次氢传递的一般使用的反应坐标N2是q₁ = (r₁=r₂)/2 和q₂ = r₁ = r_2,其中是_N1-H1的距离,r₂是H1-N2.

该方法已在QM/MM MD仿真封装QM⁴D²⁰中实现。完整的源代码和文档可在此处找到:http://www.qm4d.info/。

通常,SITS-QM/MM MD 仿真涉及四个步骤:预平衡(预坐);优化n_k(选择坐);生产模拟和数据分析。