Effet isotopique dans le processus de transfert double de proton du porphycène étudié par la méthode améliorée de QM/MM

Le processus de transfert de protons dans les porphycènes contient des applications potentielles dans le développement de commutateurs moléculaires, de transistors et de dispositifs de stockage d’informations^1,2. En particulier, la tautomerisation chez les porphycènes par le double processus de transfert de protons a suscité un grand intérêt dans les domaines de la spectroscopie et de la photophysique². Les atomes intérieurs d’hydrogène du porphycène peuvent migrer d’un isoété trans à l’autre isosomer trans équivalent par le double processus de transfert de protons comme le montre la figure 1. Deux mécanismes ont été proposés pour le double processus de transfert de protons : le mécanisme concerté et le mécanisme stepwise^3,4. Dans le processus concerté de transfert de double proton, les deux atomes de proton se déplacent à l’état de transition de façon synchrone d’une manière symétrique, tandis qu’un proton complète le transfert avant l’autre proton dans un processus stepwise. Deux atomes d’hydrogène peuvent se transférer simultanément ou pas à pas en fonction de la force de corrélation entre deux atomes d’hydrogène⁵.

La substitution isotopique a été utilisée pour détecter les propriétés structurelles des molécules et les constantes de taux de la cinétique de réaction⁶. La substitution unique de deutérium dans l’hydrogène intérieur du porphycène conduit à une forme asymétrique de la molécule. La liaison d’hydrogène peut se dilater ou se contracter en raison de la différence de masse entre les atomes d’hydrogène et de deutérium. La substitution isotopique introduit une perturbation dans l’échafaudage du porphycène. La question se pose de savoir si la structure asymétrique affecterait le processus de transfert de protons. Limbach et ses collègues ont signalé que le remplacement de l’hydrogène par du deutérium comprimera les deux liaisons d’hydrogène, et le couplage coopératif de deux liaisons d’hydrogène dans le porphycène peut favoriser le mécanisme concerté⁷, tandis que Yoshikawa a déclaré le la deutration ferait contribuer le mécanisme stepwise plus que le mécanisme concerté⁸. Des techniques expérimentales, telles que la spectroscopie de force, ont été développées pour capturer des détails de tautomerisation dans un seul porphycène⁹. Cependant, il est toujours difficile de déterminer les détails atomiques du transfert de proton expérimentalement en raison de sa nature transitoire.

Les calculs et simulations théoriques peuvent servir d’outils complémentaires pour élucider les mécanismes de réaction du transfert de protons. Parmi les différentes méthodes théoriques, les simulations de dynamique moléculaire (MD) peuvent surveiller les mouvements dynamiques de chaque atome, et ont été largement utilisées pour révéler des mécanismes complexes dans les réactions chimiques et enzymatiques. Cependant, les simulations régulières de MD ont tendance à souffrir d’un problème d’échantillonnage insuffisant, surtout lorsqu’il existe une barrière énergétique élevée dans le processus d’intérêt. Par conséquent, des méthodes d’échantillonnage améliorées ont été développées, qui comprennent l’échantillonnage des trajectoires de transition^10,11, l’échantillonnage parapluie (US)^12,13, et l’échantillonnage de tempérament intégré (ITS)^{14, 15}. La combinaison de différentes méthodes d’échantillonnage améliorées peut encore augmenter l’efficacité de l’échantillonnage^16,17,18. Pour exploiter les algorithmes d’échantillonnage améliorés dans la simulation des réactions chimiques, nous avons mis en œuvre la méthode sélective intégrée d’échantillonnage de tempérament (SITS) avec des potentiels mécaniques quantiques et moléculaires (QM/MM) récemment¹⁹. La méthode SITS-QM/MM proposée combine les avantages des deux méthodes : la méthode SITS accélère l’échantillonnage et peut explorer tous les canaux de réaction possibles sans connaître préalablement le mécanisme de réaction, et QM/MM fournit une description plus précise de le processus de formation et de rupture des liaisons, qui ne peut pas être simulé uniquement par des méthodes MM. L’approche SITS-QM/MM mise en œuvre a permis de découvrir un double transfert concerté de protons, unmécanisme de transfert de double proton non corrélé et corrélé dans différents systèmes, sans coordination de réaction prédéfinie¹⁹. Pour le porphycène, le caractère de transfert de protons en sens inverse mais corrélé a été rapporté¹⁹. La méthode hybride SITS-QM/MM a été utilisée pour étudier l’effet isotopique dans le porphycène dans notre étude, et ci-dessous sont les descriptions détaillées de l’algorithme et du protocole de notre méthode.

Nous avons mis en œuvre la méthode SITS avec des potentiels hybrides QM/MM. Le potentiel effectif du SITS a été défini pour inclure l’énergie potentielle à différentes températures avec les facteurs de pondération n_k pour couvrir des plages de température plus larges,

où, N est le nombre de termes canoniques, k est la température inverse, et n_k est le facteur de pondération correspondant pour chaque composant canonique. U_{E (En)} (R) et U_N(R) représentent les termes améliorés et non améliorés dans Les SITS et sont définis comme:

U (U) _s, U_se et U_e sont l’énergie potentielle du sous-système, l’interaction entre le sous-système et l’environnement, et l’énergie potentielle de l’environnement. Le potentiel QM/MM est exprimé comme une synthèse hybride de trois composantes,

où U_qm, U_qm/mm, et U_mm sont le terme d’énergie interne du sous-système QM, l’énergie d’interaction entre les régions QM et MM, et l’énergie d’interaction dans le sous-système MM, respectivement. Le terme U_qm/mm peut être divisé en trois composantes, dont l’électrostatique, van der Waals, et les termes d’énergie d’interaction covalente entre les atomes QM et MM,

Nous assignons , et dans un terme U _s dans SITS,

Le plein potentiel du système a ensuite été décomposé en énergie du sous-système U_s, l’énergie d’interaction entre le sous-système et l’environnement U_se, et l’énergie de l’environnement U_e. Par exemple, dans le système du travail actuel, le sous-système est la porphycence, et l’environnement de l’eau.

Le profil PMF le long d’une variable collective (R) est dérivé comme,

Les coordonnées de réaction généralement utilisées pour chaque transfert d’hydrogène de N1etH1 N2 sont q₁ ‘ (r₁‘r₂)/2 et q₂ ‘ r₁ ‘r ₂, où sont₁ est la distance de N1-H1 et r₂ est la distance de H1-N2.

La méthode a été mise en œuvre dans le paquet de simulation QM/MM MD QM⁴D²⁰. Le code source complet et la documentation peuvent être trouvés ici: http://www.qm4d.info/.

En général, les simulations SITS-QM/MM MD comportent quatre étapes : pré-équilibre (pré-assises); optimisation n_k (opt-sits); simulation de production et l’analyse des données.