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Chemistry

Isotopische Wirkung im doppelten Protonentransferprozess von Porphycen nach verbesserter QM/MM-Methode untersucht

Published: July 19, 2019 doi: 10.3791/60040
Automatic Translation
1,2, 3, 4
1State Key Laboratory of Structural Chemistry, Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences, 2University of Chinese Academy of Sciences, 3XtalPi Inc. (Shenzhen Jingtai Technology Co., Ltd.), 4Institute of Bioinformatics and Medical Engineering, School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University of Technology

Summary

Ein Protokoll, das eine erweiterte QM/MM-Methode verwendet, um die isotopenische Wirkung auf den doppelten Protonentransferprozess bei Porphycen zu untersuchen, wird hier vorgestellt.

Abstract

Die einzelne Deuteriumsubstitution in Porphycen führt zu einer asymmetrischen Molekulargeometrie, die den doppelten Protonentransferprozess im Porphycänmolekül beeinflussen kann. In dieser Studie haben wir eine verbesserte QM/MM-Methode namens SITS-QM/MM angewendet, um Wasserstoff/Deuterium (H/D)-Isotopeneffekte auf den doppelten Protonentransfer bei Porphycen zu untersuchen. Entfernungsänderungen in SITS-QM/MM Molekulardynamiksimulationen legten nahe, dass das deuteriumsubstituierte Porphycen den stufenweisen Doppelprotonentransfermechanismus annahm. Die Strukturanalyse und die freien Energieverschiebungen des doppelten Protonentransferprozesses zeigten, dass die asymmetrische Isotopensubstitution die kovalenten Wasserstoffbindungen subtil komprimierte und den ursprünglichen Übergangszustandverändern verändern kann.

Introduction

Der Protonentransferprozess in Porphycen birgt mögliche Anwendungen bei der Entwicklung molekularer Schalter, Transistoren und Informationsspeicher geräte1,2. 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 Mechanismus3,4. 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 Übergangspfadprobennahm 10,11, Regenschirmprobennahme (US)12,13und integrierte Temperierungsstichproben (ITS)14, 15. Die Kombination verschiedener verbesserter Probenahmeverfahren kann die Stichprobeneffizienz weiter erhöhen16,17,18. 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 nk einzubeziehen, um breitere Temperaturbereiche abzudecken.

Equation 1

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

Equation 2

U s, Use und Ue 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,

Equation 3

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

Equation 4

Wir Equation 5 weisen Equation 6 , und in einem Us Begriff in SITS,

Equation 7

Das volle Potential des Systems wurde dann in die Energie des Teilsystems Us, die Wechselwirkungsenergie zwischen dem Teilsystem und der Umwelt Useund die Energie der Umwelt Uezerlegt. 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

Equation 8

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 nk (opt-sits); Produktionssimulation und Datenanalyse.

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Protocol

1. Gebäudemodell

  1. Porphycenstruktur aufbauen: Öffnen Sie GaussView Software durch Doppelklicken der Maus. Klicken Sie dann im Menü der GaußView auf elementfragmentieren, um die benötigten Elemente auszuwählen. Konstruieren Sie Porphycen. Klicken Sie dann auf Datei, um sie als pdb-Datei zu speichern.
  2. Solvate das Modell: Solvate porphycen e in einem kubischen TIP3P21 Wasserkasten mit einer Kantenlänge von 38 , indem Sie den Befehl im Linux-Betriebssystem ausgeben: genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8.
  3. Deuterium porphycen bauen: Geben Sie den folgenden Befehl aus, um eine Topologiedatei zu generieren: cns < ppi_solv.inp. Öffnen Sie dann prp-wat.psf mit vi Befehl und ändern Sie die Masse von H1 von 1.00800 auf 2.01600, um ein intramolekulares Wasserstoffatom von Porphycen durch Deuterium zu ersetzen, um einzelne deuteriumsubstituiertePorphysen zu bauen.
  4. Legen Sie normale MD-Simulationsparameter fest: Eingabemethode scctb, integral 0.5 fsund cutoff 12 in der MD-Eingabedatei, indem Sie sie mit dem Befehl vi öffnen.
    ANMERKUNG: Nehmen Sie einen Cutoff-Abstand von 12 ° für die Berechnung von vdW- und elektrostatischen Wechselwirkungen an. Simulieren Sie das Porphycenmolekül mit DFTB/MIO-Methode22. Legen Sie den Integrationszeitschritt für MD-Simulationen auf 0,5 fs fest. Halten Sie die Temperatur des Simulationssystems bei 300 K mit Demlangevin Thermostat. Führen Sie dann die Simulationen mit der Software QM4D aus, und folgen Sie den folgenden Schritten.

2. Pre-Sits

  1. Temperaturparameter einrichten: Eingabe templow 260, temphigh 1100 und ntemp 160 in der Eingabedatei.
    HINWEIS: Der Temperaturbereich von 260K bis 1100K wurde von der QM4D-Software während MD-Simulationen auf 160 Temperaturpunkte verteilt. Die Vorlageneingabedateien sind in Supplementary Filesenthalten.
  2. Initiieren Sie die Pre-Sits: Legen Sie Runtype 100 und Schritt 120.000 in der Eingabedatei fest. Geben Sie dann den folgenden Befehl aus: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
    HINWEIS: Der Gesamtschritt beträgt 120.000, kann aber je nach Bedarf angepasst werden. Die vorgeschlagenen Parameter von MD-Simulationen werden im $INPUTFILEgespeichert. Derselbe Befehl wird auch in den folgenden Opt-Sits- und Produktionssimulationsschritten verwendet, wobei die Eingabedatei entsprechend geändert wird.
  3. Berechnung der zersetzten Energien
    1. Energieänderungen extrahieren: Überwachen Sie während der Pre-Sits-Phase die Energie jedes Terms, um die Mittelwerte zu berechnen, wie in Abbildung 1dargestellt. Verwenden Sie den Befehl grep Linux, um die Energie wie folgt zu extrahieren:
      grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE | awk ''a+='3;b+='4;c+='5'END'print a/NR,b/NR,c/NR'.
    2. Ändern Sie die durchschnittlichen Energien in der MD-Eingabedatei: Berechnen Sie die durchschnittlichen Energien basierend auf der Ausgabe der befehlsgebenden Zeile oben, und ändern Sie die Zeile vshift0 -30801.95; vshift1 -26.88; vshift2 -13888.28 in der Eingabedatei mit den neu generierten Durchschnitten.
      HINWEIS: Die Zahlen -30801.85, -26.88 und -13888.28 sind die durchschnittlichen Energien im aktuellen Modellsystem. Ändern Sie die Werte basierend auf den jeweiligen Systemen.

3. Opt-Sits

  1. Initiieren von Opt-Sits: Legen Sie runtype 0 in der Eingabedatei fest. Starten Sie dann das Programm QM4D, indem Sie den Befehl wie in Schritt 2.2 gezeigt eingeben, um den Optimierungsschritt zu starten.
  2. Überwachung der Energieveränderungen und nk Werte.
    1. Zeichnen Sie die Energieausbreitung mit dem "Grace"-Programm und stellen Sie sicher, dass die Energiefluktuation die niedrigsten und höchsten Enden des Temperaturbereichs abdecken kann.
    2. Speichern Sie nach der Optimierung die endgültigen n k-Werte des opt-sits-Schritts in einer neuen Datei, die in diesem Protokoll als nk.dat bezeichnet wird.

4. Laufende Produktionssimulationen

  1. VORBEREITEN der MD-Eingabedatei: Legen Sie runtype 1 in der neuen Eingabedatei fest, um den Produktionssimulationsschritt zu starten. Geben Sie den Dateinamen der gespeicherten n k-Datei als nkfile nk.dat in der Eingabedatei an. Die Anzahl der Zeitschritte wurde in den aktuellen Systemen auf 6.400.000 festgelegt.
  2. Initiieren der Produktions-MD-Simulation: Geben Sie den folgenden Befehl aus, um MD-Simulationen zu starten: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die n k-Werte von der QM 4 D Software eingelesen werden können. Die Simulationszeit ist systemabhängig, so ändern Sie den Simulationsschritt basierend auf spezifischen Anforderungen. Wählen Sie eine angemessene Anzahl von Zeitschritten aus, um genügend Simulationszeit für Ihr eigenes System sicherzustellen. Dieser Schritt ist wahrscheinlich zeitaufwändig, also speichern Sie Neustartdateien, um zu vermeiden, dass die Produktion von Anfang an neu gestartet wird, sobald sie unterbrochen wird.

5 Datenanalyse

  1. Überwachen der Entfernungsänderungen
    1. Überwachen Sie den Klebeform- und -bruchwährend während der Produktionsphase, verwenden Sie den Befehl grep, um die Abstandsänderungen von H1-N1 und H1-N2 während der Simulationszeit zu überprüfen. Die gleiche Operation kann für H2-N3 und H2-N4 durchgeführt werden. Zeichnen Sie dann die Abstandsausbreitung mit dem akkumulierten Entfernungswert während der Produktionssimulationen.
  2. Extrahieren von Reaktionskoordinaten
    1. Extrahieren Sie die Reaktionskoordinaten und die Energiebegriffe aus der Produktionsausgabedatei, die von QM4D per Befehl grep erzeugt wird:
      grep 'dist 1' $OUTPUTFILE | awk ''print ''5'' > Abstand1;
      grep 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0.
    2. Organisieren Sie Daten in vier Spalten: q1, q2, U0 und U' (U0 und U' sind die Ausgabe normaler Energie und gewichtete Energie), und schreiben Sie sie in die Datendatei zu jedem Zeitrahmen.
  3. Berechnung freier Energie
    1. Berechnen Sie die freie Energie, indem Sie den folgenden Befehl ausgeben:
      sits-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE.
      HINWEIS: sits-pmf ist die histogrammbasierte Analysemethode. [hist_minx hist_maxx num_binsx] definiert den Bereich und die Anzahl der Abschnitte für die erste Reaktionskoordinate. Die zweiten Reaktionskoordinaten können durch [hist_miny hist_maxy num_binsy] eingestellt werden.
    2. Um die freie Energie auf die zweidimensionale Landschaft zu projizieren, geben Sie den folgenden Befehl ein:
      sits-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > sits-pmf.out.
      HINWEIS: Verwenden Sie insgesamt 24 Abschnitte und 36 Abschnitte, um die Entfernungsänderungen in zwei ausgewählten Reaktionskoordinaten, q1 bzw. q2,abzudecken. Speichern Sie die 2D-PMF-Daten für jedes Wasserstoff/Deuterium in der Sits-pmf.out-Datei.

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Representative Results

Der einzelne Deuteriumsubstitutionseffekt auf den doppelten Protonentransferprozess bei Porphycen wurde im aktuellen Protokoll untersucht (Abbildung 1). Die potentielle Energie des QM-Teilsystems und des Wassers während des Vorgleichgewichts- und Optimierungsschritts wurden überprüft, um sicherzustellen, dass die Energie auf einen größeren Energiebereich erweitert wurde (Abbildung 2). Die repräsentativen Abstands- und Winkeländerungen (Abbildung 3 und Abbildung 4) und die projizierten Änderungen der freien Energie ( Abbildung5) wurden verwendet, um den Deuteriumsubstitutionseffekt auf die Geometrie und den Protonentransferprozess von Porphycen.

Figure 1
Abbildung 1. Die Strukturen der untersuchten Moleküle.
Die Strukturen von Porphycen (A) und deuteriertem Porphycen(B). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2. Die potenziellen Energieänderungen während MD-Simulationen.
Die potenziellen Energieveränderungen der QM-Region (A) und der Umwelt (B) in Pre-Sits- und Opt-Sits-Schritten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3. Die charakteristische Entfernung ändert sich.
(A) Die Abstandsänderungen von H1-N1 und H2-N3 für Porphycen und (B) die Abstandsänderungen von D1-N1 und H2-N3 für deuterierteporycen während SIRTS-QM/MM-Simulationen; (C) die Verteilung der Entfernungsänderungen für H1-N1 und H2-N3 für Porphycen und (D) D1-N1 und H2-N3 für deuteriertes Porphycen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4. Die Wasserstoffbindungswinkel während der Produktions-MD-Simulationen.
Die Wasserstoff-Bindungsengel für (A) Prophycen und (B) deuteriertes Porphycen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5. Die freie Energielandschaft jedes Wasserstofftransferprozesses, der auf zwei Reaktionskoordinaten projiziert wurde (q1, q2).
(A) und (B) sind 2D-freie Energielandschaften von H1- und H2-Übertragung in Porphycen; (C) und (D) 2D freie Energielandschaft von D1- und H2-Übertragung in deuteriertem Porphycen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Dateien. Topologiedatei, Kraftfeldparameterdatei, Koordinatendatei und Eingabedatei. Bitte klicken Sie hier, um die Datei herunterzuladen.

Ergänzungsfilm 1. Porphycen. Bitte klicken Sie hier, um das Video herunterzuladen.

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Discussion

Die Struktur des Porphycens wurde in Abbildung 1dargestellt. Das elektrostatische Einbettungs-QM/MM-Hybridpotential mit SITS-Methode wurde verwendet, um die chemischen Reaktionen in Wasser23,24zu beschreiben. Der Protonentransfer erfolgt innerhalb von Porphycen3 und somit wird Porphycen als QM-Region und das erinnernde Wasser als MM-Region festgelegt. Hierbei haben wir DFTB/MIO als qm-Methode zur Behandlung des Porphycens übernommen, indem wir die Effizienz und Genauigkeit22,25ausgleichen. Als Probenahmeverbesserungstechnik wurde gezeigt, dass die SITS-Simulation die Verteilung von Us auf hochenergetische Regionen erweitert und in der Zwischenzeit eine ausreichende Probenahme um die Energieregion bei der Temperatur von Interesse aufbewahren kann. Im aktuellen Fall wurde die Energie von Us im "Opt-Sits"-Schritt auf breitere Bereiche erweitert, die die Energie der Standard-MD-Simulationen im Schritt "pre-sits" umfassen, wie in Abbildung 2dargestellt. In der Zwischenzeit deuteten die sanften Energieveränderungen von Ue darauf hin, dass die höhere Temperatur im QM-Subsystem keine Störungen in die Umgebung bringen würde. Die SITS-QM/MM-Methode realisierte eine verbesserte Probenahme in der interessierten QM-Region, ohne die potenzielle Energie des Wassers zu beeinträchtigen.

Aus Entfernungsänderungen in Abbildung 3wurde festgestellt, dass H1 von N1 nach N2 übertragen wurde, um einen Transit-cis-Zustand zu bilden, und dann eine nacheinander schnelle H2-Übertragung initiierte, um den anderen Trans-Zustand wieder anzukommen; und umgekehrt. Der Dynamik-Protonentransferprozess wird im Supplementary Movie 1gezeigt. Deuterium D1 Transfer zwischen N1 und N2 in der einzigen deuterated Porphycen beschwor die Übertragung von H2 zwischen N3 und N4. Asynchrone Entfernungsänderungen deuteten auf den stufenweisen Doppelprotonentransferprozess sowohl für Porphycen als auch für einzelne deuteriumsubstituierte Porphysen hin. Die ähnlichen Entfernungsverteilungen von D1-N1 und H2-N3 legten nahe, dass der kooperative Effekt auf zwei Wasserstoffbindungen26. In Übereinstimmung mit dem zuvor gemeldeten primären geometrischen Isotopeneffekt26ist der Abstand von D1-N1 kürzer als der Abstand von H1-N1 (1,048 % vs. 1,051 ) ( Wie in Abbildung 3dargestellt, beobachteten wir etwa 135, und 65 Mal der Übertragung von H oder D für Porphycen und seine Isotopomere innerhalb von 3,2 ns MD-Simulationen. Die Deuteriierung kann sich weniger auf die Wasserstoffbindungswinkel auswirken, wie in Abbildung 4dargestellt. Die ausreichende Probenahme auf den beiden Reaktionskanälen ermöglichte es uns, die freien Energiewechsel jedes Protonentransfers zu berechnen. Der offensichtliche Isotopeneffekt wurde in der 2D-Freienergielandschaft beobachtet. Der Übergangszustand wurde von (0,01 , 2,52 ) auf (-0,01 , 2,76 ) verschoben, wie aus den Reaktionskoordinaten (q1, q2) (siehe Abbildung 5) hervorgeht. Der höhere q 2-Wert bedeutet, dass die nicht gebundene Wasserstoffbindung erweitert wurde. Dies kann vom asymmetrischen Gerüst des deuterierten Porphycens stammen.

Sowohl Protonentransferprozesse in Porphycen als auch deuteriertes Porphycen können durch SITS-QM/MM MD-Simulationen erfasst werden, ohne die Reaktionskoordinaten vorzudefinieren. Darüber hinaus zeigten SITS-QM/MM MD-Simulationen den strukturellen Unterschied, der durch den Isotopeneffekt eingeschleppt wurde. Die Wasserstoffbindung D1-N1 wurde im Vergleich zu H1-N1 verkürzt. Der Übergangszustand wurde aufgrund einer asymmetrischen Form, die durch Deuteration verursacht wird, in Richtung eines höheren q 2-Wertes verschoben. Obwohl nur ein feiner Unterschied in der kovalenten Wasserstoffbindung festgestellt wurde, kann der Abstandsunterschied größere Energiedifferenz um die Gleichgewichtsbindungsentfernung heraufbeschwören. Wir planen, diese Beobachtung in den zukünftigen Studien weiter zu validieren.

Die Durchführbarkeit von SITS-QM/MM wurde im Doppelkanal der Reaktionen gut validiert, ohne die Reaktionskoordinaten in der vorliegenden Studie vorzudefinieren. Diese Methode birgt das Potenzial, Reaktionsprodukte aus bekannten Reaktantenzuständen zu suchen, wenn kein vorheriger Reaktionsmechanismus vorgesehen ist. Wir haben die DFTB/MIO-Methode bei der aktuellen Implementierung des SITS-QM/MM-Ansatzes übernommen und ein besseres Verständnis des Isotopeneffekts gewonnen. Es ist erwähnenswert, dass der implementierte Ansatz in der Lage ist, die freien Energieänderungen zu erfassen, aber möglicherweise nicht dynamische Eigenschaften erfassen, ohne den Quantentunneleffekt zu berücksichtigen. Dennoch dient dieses Protokoll als Ausgangspunkt, um die chemischen Reaktionsmechanismen in der kondensierten Umgebung zu untersuchen. Wir erwarten, dass die SITS-QM/MM-Methode auf übergeordnete QM-Methoden ausgeweitet wird und damit in Zukunft komplexere Systeme nutzen kann.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Forschung wird unterstützt durch das National Key Research and Development Program of China (2017YFA06801, 2018YFA0208600), Natural Science Foundation of Jiangsu Province und National Natural Science Foundation of China (91645116). L.X ist zhong-Wu speziell erwurde Professor an der Jiangsu University of Technology. Die Autoren würdigen die Vorschläge von Dr. Hao Hu und Dr. Mingjun Yang.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
operating system CentOS Linux release 6.0
QM4D software http://www.qm4d.info/ in-house program
Computer desktop HP

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