Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://kodomo.fbb.msu.ru/~blackdaffodil/term6/pr5.html
Дата изменения: Sun Mar 24 23:43:28 2013
Дата индексирования: Thu Feb 27 22:00:57 2014
Кодировка: Windows-1251
Вычисление точечных зарядов и VdW параметров для молекулярной механики

Вычисление точечных зарядов и VdW параметров для молекулярной механики



Суть задания состоит в расчете точечных зарядов на атомах этана. Построение файла топологии, этот файл содержит описание ковалентных и нековалентных взаимодействий. С помощью расчета энтальпии испарения предлагается найти оптимальные параметры для описания Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
Начнем с того, что определим точечные заряды. Для этого воспользуемся набором скриптов RED на perl.

С помощью babel сделаем pdb файл этана из результатов оптимизации из предыдущего практикума:
et.pdb

Добавим путь к скриптам в системный путь:

export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/bin

Теперь с помощью скрипта Ante_RED.pl подготовим pdb файл.

Ante_RED.pl et.pdb 

Переименуем p2n файл в Mol_red1.p2n (входной файл следующего скрипта). Запускаем RED:

RED-vIII.4.pl

В директории Data-RED находим файл Mol_m1-o1.mol2 с координатами атомов и зарядами.

Начнем создание файла описания молекулы в формате пакета программ GROMACS. Единица измерения расстояния в GROMACS нанометр.
Итак первые две строчки, здесь мы задаем некоторые правила:

[ defaults ]
; nbfunc        comb-rule       gen-pairs       fudgeLJ fudgeQQ
1               2               yes              0.5     0.8333

Дальше мы задаем типы атомов и собственно параметры для функции Ленорда-Джонса. Будем считать, что в случае этана Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие между атомами углерода разных молекул минимально, так как углероды почти полностью экранированы атомами водорода. Поэтому поставим для углерода некоторые параметры. Ван-дер-Ваальсовый радиус водорода, т.е. сигма нам известен из многих источников, см. webelements.com. Итак у нас получилось, что в этом разделе всего одна переменная это epsilon для водорода.
[ atomtypes ]
; name      at.num  mass     charge ptype  sigma      epsilon
H          1        1.008    0.0000  A   1.06908e-01  1.00000e-00
C          6        12.01    0.0000  A   3.39967e-01  3.59824e-01

Дальше переходим непосредственно к описанию молекулы. Здесь мы описываем имя и указываем, что соседи через три связи не учитываются при расчете Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. Это верно так, как мы включаем это взаимодействие в торсионные углы:
[ moleculetype ]
; Name            nrexcl
et            3

Добавим атомы этана. В первом столбце идет номер атома. На него мы будем ссылаться при описании связей.

[ atoms ]
;   nr  type  resnr  residue  atom   cgnr     charge       mass
     1   C      1    ETH      C1      1    -0.0189       12.01
     2   C      1    ETH      C2      2    -0.0155       12.01
     3   H      1    ETH      H1      3     0.0059       1.008
     4   H      1    ETH      H2      4     0.0059       1.008
     5   H      1    ETH      H3      5     0.0059       1.008
     6   H      1    ETH      H4      6     0.0056       1.008
     7   H      1    ETH      H5      7     0.0056       1.008
     8   H      1    ETH      H6      8     0.0056       1.008

Переходим к описанию связей. Константу жесткости и длину связи берем из занятия 4.

[ bonds ]
;  ai    aj funct  b0       kb
     1   2   1  0.1554   150000.0 
     1   3   1  0.1085   180000.0
     1   4   1  0.1085   180000.0
     1   5   1  0.1085   180000.0
     2   6   1  0.1085   180000.0
     2   7   1  0.1085   180000.0
     2   8   1  0.1085   180000.0

Описание углов, тоже самое. Силовые константы берем из примера.

[ angles ]
;  ai    aj    ak funct  phi0   kphi
;around c1
    3     1     4     1   109.500    200.400
    3     1     5     1   109.500    200.400
    4     1     5     1   109.500    200.400
    3     1     2     1   109.500    400.400
    4     1     2     1   109.500    400.400
    5     1     2     1   109.500    400.400
;around c2
    1     2     6     1   109.500    400.400
    1     2     7     1   109.500    400.400
    1     2     8     1   109.500    400.400
    6     2     7     1   109.500    200.400
    6     2     8     1   109.500    200.400
    7     2     8     1   109.500    200.400

Торсионные углы, параметры из примера:

[ dihedrals ]
;  ai    aj    ak    al funct  t0           kt      mult
    3    1     2     6      1  0.0      0.62760     3
    3    1     2     7      1  0.0      0.62760     3
    3    1     2     8      1  0.0      0.62760     3
    4    1     2     6      1  0.0      0.62760     3
    4    1     2     7      1  0.0      0.62760     3
    4    1     2     8      1  0.0      0.62760     3
    5    1     2     6      1  0.0      0.62760     3
    5    1     2     7      1  0.0      0.62760     3
    5    1     2     8      1  0.0      0.62760     3

Теперь создадим список пар атомов которые не должны считаться при расчете VdW. Здесь можно возразить: а как же nrexcl=3 ? . Особенность расчета 1-4 взаимодействий подразумевает, что в профиле торсионного угла участвует не только потенциал с cos, но и LJ отталкивание. Это удобно для точной параметризации, но нам пока не надо. Итак добавляем список:

[ pairs ]
;  ai    aj funct
   3  6
   3  7
   3  8
   4  6
   4  7
   4  8
   5  6
   5  7
   5  8

Итак основное описание молекулы создано. Теперь переходим к описанию системы. Используем уже готовые координаты с 38 молекулами этана. Давайте укажем это в описании:

[ System ]
; any text here
first one
[ molecules ]
;Name count
 et    38

В итоге получаем файл et.top

Итак мы создали описание молекулы с нуля. Чаще для этого используются программы с готовыми блоками.

Наша следующая задача промоделировать испарение этана. Нам любезно подготовлены два файла, описывающие два состояния системы, первое соответствует газовой фазе, где расстояния между молекулами порядка 50 ангстрем. Файл для газа. Вторая система имеет такую же плотность как и жидкий этан. Файл для жидкой фазы. Наша задача провести короткое моделирование динамики каждой из этих систем о определить разницу в энергии VdW взаимодействий между системами. И сравнить эту разнице с энтальпией испарения этана. При Т=25 это значение равно 5.4 кДж/моль. Вспомним, что epsilon для водорода нам не известна. Давайте по аналогии с занятием 4 создадим 7 топологий с разными значениями epsilon. Будем использовать скрипт:

make_bash.bash

На основе данных файлов txt получаем:

Из таблицы четко видно, что энергия VdW вносит во взаимодействие гораздо больший вклад, чем кулоновские силы. Наиболее близкое значение энергии испарения наблюдается при epsilon=0,03703. Чтобы воспроизводилась энтальпия испарения этана epsilon водорода должна лежать в диапазоне от 0.0125 до 0.03703.