Der Protonentransferprozess in Porphycen birgt mögliche Anwendungen bei der Entwicklung molekularer Schalter, Transistoren und Informationsspeicher geräte^1,2. Insbesondere die Tautomerisierung in Porphycenen durch doppelten Protonentransferprozess hat großes Interesse in den Bereichen Spektroskopie und Photophysik²geweckt. Die inneren Wasserstoffatome von Porphycen können durch einen doppelten Protonentransferprozess von einem Transisomer zum anderen äquivalenten Transisomer migrieren, wie in Abbildung 1dargestellt. Für den doppelten Protonentransferwurden wurden zwei Mechanismen vorgeschlagen: der konzertierte und der stufenweise Mechanismus^3,4. Im konzertierten Doppelprotonentransferverfahren bewegen sich beide Protonatome symmetrisch synchron in den Übergangszustand, während ein Proton die Übertragung vor dem anderen Proton schrittweise abschließt. Zwei Wasserstoffatome können je nach Korrelationsstärke zwischen zwei Wasserstoffatomen⁵gleichzeitig oder stufenweise übertragen werden.

Die Isotopsubstitution wurde verwendet, um die strukturellen Eigenschaften von Molekülen und Ratenkonstanten der Reaktionskinetik zu erkennen⁶. Die einzelne Deuteriumsubstitution im inneren Wasserstoff von Porphycen führt zu einer asymmetrischen Form des Moleküls. Die Wasserstoffbindung kann sich aufgrund der Massendifferenz zwischen den Wasserstoff- und Deuteriumatomen ausdehnen oder zusammenziehen. Die Isotopensubstitution führt zu einer Störung im Porphycengerüst. Es stellt sich die Frage, ob sich die asymmetrische Struktur auf den Protonentransferprozess auswirken würde. Limbach und Kollegen berichteten, dass der Ersatz von Wasserstoff durch Deuterium sowohl Wasserstoffbindungen komprimieren wird, als auch die kooperative Kopplung von zwei Wasserstoffbindungen in Porphycen einen konzertierten Mechanismus⁷begünstigen kann, während Yoshikawa die Deuteration würde dazu beitragen, dass der stufenweise Mechanismus mehr beitragen würde als der konzertierte Mechanismus⁸. Experimentelle Techniken, wie die Kraftspektroskopie, wurden entwickelt, um Tautomerisierungsdetails in einem einzigen Porphycen zu erfassen⁹. Es ist jedoch immer noch schwierig, die atomaren Details des Protonentransfers experimentell zu bestimmen, da er vorübergehend ist.

Theoretische Berechnungen und Simulationen können als komplementäre Werkzeuge zur Aufklärung der Reaktionsmechanismen der Protonenübertragung dienen. Unter verschiedenen theoretischen Methoden können molekulare Dynamik (MD)-Simulationen dynamische Bewegungen jedes Atoms überwachen und wurden häufig verwendet, um komplexe Mechanismen in chemischen und enzymatischen Reaktionen aufzudecken. Regelmäßige MD-Simulationen leiden jedoch in der Regel unter unzureichendem Stichprobenproblem, insbesondere wenn im Prozess des Interesses eine hohe Energiebarriere besteht. Daher wurden verbesserte Probenahmemethoden entwickelt, die Übergangspfadproben^{nahm 10,11}, Regenschirmprobennahme (US)^12,13und integrierte Temperierungsstichproben (ITS)^{14, 15}. Die Kombination verschiedener verbesserter Probenahmeverfahren kann die Stichprobeneffizienz weiter erhöhen^16,17,18. Um die verbesserten Sampling-Algorithmen bei der Simulation chemischer Reaktionen zu nutzen, haben wir kürzlich die selektive integrierte Temperier-Methode (SITS) mit quantenmechanischen und molekularmechanischen (QM/MM) Potentialen implementiert. Die vorgeschlagene SITS-QM/MM-Methode kombiniert die Vorteile beider Methoden: Die SITS-Methode beschleunigt die Probenahme und kann alle möglichen Reaktionskanäle ohne Vorherige Kenntnis des Reaktionsmechanismus untersuchen, und QM/MM bietet eine genauere Beschreibung der den Bindungsbildungs- und -bruch, der nicht allein durch MM-Methoden simuliert werden kann. Der implementierte SITS-QM/MM-Ansatz hat erfolgreich konzertierte Doppelprotonenübertragung, unkorrelierten und korrelierten stufenweisen Doppelprotonentransfermechanismus in verschiedenen Systemen aufgedeckt, ohne Reaktionskoordinaten vorzudefinieren¹⁹. Für Porphycen wurde das stufenweise, aber korrelierteProtonentransferzeichen 19 gemeldet. Die hybride SITS-QM/MM-Methode wurde verwendet, um den Isotopeneffekt bei Porphycen in unserer Studie zu untersuchen, und unten sind die detaillierten Beschreibungen des Algorithmus und Protokolls unserer Methode.

Wir haben die SITS-Methode mit hybriden QM/MM-Potenzialen implementiert. Das effektive Potenzial von SITS wurde definiert, um die potentielle Energie bei unterschiedlichen Temperaturen mit den Gewichtungsfaktoren n_k einzubeziehen, um breitere Temperaturbereiche abzudecken.

wobei N die Anzahl der kanonischen Begriffe ist, ist k die umgekehrte Temperatur und n_k der entsprechende Gewichtungsfaktor für jede kanonische Komponente. U_E (R) und U_N(R) stellen die erweiterten und nicht verbesserten Begriffe in SITS dar und sind definiert als

U _s, U_se und U_e sind die potentielle Energie des Teilsystems, die Wechselwirkung zwischen Teilsystem und Umwelt und die potentielle Energie der Umwelt. DAS QM/MM-Potenzial wird als hybride Summe aus drei Komponenten,

wobei U_qm, U_qm/mmund U_mm der interne Energiebegriff des QM-Teilsystems, die Wechselwirkungsenergie zwischen den QM- und MM-Regionen und die Wechselwirkungsenergie innerhalb des M-Subsystems sind. Der Begriff U_qm/mm kann weiter in drei Komponenten unterteilt werden, darunter die elektrostatischen, van der Waals und kovalente Wechselwirkungsenergiebegriffe zwischen qm- und MM-Atomen,

Wir weisen , und in einem U_s Begriff in SITS,

Das volle Potential des Systems wurde dann in die Energie des Teilsystems U_s, die Wechselwirkungsenergie zwischen dem Teilsystem und der Umwelt U_seund die Energie der Umwelt U_ezerlegt. Im System der vorliegenden Arbeit ist das Teilsystem beispielsweise die Porphycence und die Umwelt das Wasser.

Das PMF-Profil entlang einer kollektiven Variable (R) wird als

Die allgemein verwendeten Reaktionskoordinaten für jedenWasserstofftransfer von N1 N2 sind q₁ = (r₁–r₂)/2 und q₂ = r₁ + r₂, wobei sind₁ der Abstand von N1-H1 und r₂ ist der Abstand von H1-N2.

Die Methode wurde im QM/MM MD Simulationspaket QM⁴D²⁰implementiert. Den vollständigen Quellcode und die Dokumentation finden Sie hier: http://www.qm4d.info/.

Im Allgemeinen umfassen die SITS-QM/MM MD-Simulationen vier Schritte: Pre-Equilibrium (Pre-Sits); Optimierung n_k (opt-sits); Produktionssimulation und Datenanalyse.