Vízmodell

Egy vízmodell a geometriai, elektromos töltéseivel és a Lennard-Jones paramétereivel definiálható

A számítógépes kémiában a vízmodellek a molekulákra ható vízkörnyezet figyelembevételére, a hidratáció leírására szolgálnak. Vízklaszterek, vizes oldatok és a folyékony víz szerkezeti és termodinamikai viszonyai írhatók le segítségükkel. A modellalkotáshoz szükséges paramétereket kvantumkémiai számításokból, molekulamechanikai szimulációkból, kísérleti adatokból, valamint ezek kombinációjából származtatják. Nagyszámú vízmodell létezik, amelyeket az alábbi tulajdonságaik alapján csoportosíthatunk:

  1. konkrét vízmolekulák jelenléte szerint: explicit, implicit vagy hibrid vízmodell (explicit-implicit vízmodell)
  2. a bennük lévő kölcsönhatási pontok száma szerint: 2-6, vagy akár több (pl. BK3 vízmodell[1]) kölcsönhatási ponttal bíró vízmodellek
  3. a vízmodell rigiditása szerint: merev vagy flexibilis vízmodellek
  4. a vízmodell polarizálhatósága szerint: nem-polarizálható, polarizálható vízmodellek.

Implicit vízmodell

Olyan kvantumkémiai vagy molekulamechanikai számolásban, ahol a vízkörnyezetet folytonos modell segítségével veszik figyelembe, az egyedi vízmolekulák nincsenek reprezentálva, csak az általuk kiváltott átlagolt hatás jelentkezik. Ilyen egyszerű modellek a polarizálható kontinuum modellek (PCM). Ezen modellek sok esetben nem képesek reprodukálni a kísérleti értékeket, mivel az erősen kötött vizeket a kiátlagolás teljesen elhanyagolja. Az implicit vízmodellek hatékonysága kisszámú explicit víz segítségével javítható (hibrid modell).

Explicit vízmodell

Olyan kvantumkémiai vagy molekulamechanikai számolásban, ahol a vízkörnyezetet annak szerkezetével reprezentálja. A modellek a kölcsönhatási pontok száma szerint csoportosíthatóak. Jellemző hogy a kölcsönhatási pontok egybeesnek vízmolekula valamely atomjával (H, O), de ez nem szükségszerű (M vagy L). Néhány modelltípus az oxigén nemkötő elektronpárjait (L) szintén kölcsönhatási pontokkal reprezentálja.

2 kölcsönhatási ponttal bíró modellek

3 kölcsönhatási ponttal bíró modellek

Az alábbi táblázatban a legfontosabb 3 kölcsönhatási ponttal bíró modellek paramétereit tartalmazza.

TIPS[2] SPC[3] TIP3P[4] SPC/E[5] SPC/E
r(OH), Å 0,9572 1,0 0,9572 1,0
HOH, fok 104,52 109,47 104,52 109,47
× 10-3, kcal Å12/mol 580,0 629,4 582,0 629,4
B, kcal Å6/mol 525,0 625,5 595,0 625,5
q(O) -0,80 -0,82 -0,834 -0,8476
q(H) +0,40 +0,41 +0,417 +0,4238

Az SPC/E modell tartalmaz egy átlagos polarizáció korrekciót is:

Flexibilis SPC vízmodell

Flexibilis SPC vízmodell geometriai paraméterei és atomi töltései

További modellek

  • Ferguson (flexibilis modell SPC)
  • CVFF (flexibilis modell)
  • MG (rugalmas, disszociatív)
  • KKY potenciál (flexibilis modell).
  • BLXL (nem ponttöltéses potenciál).

4 kölcsönhatási ponttal bíró modellek

Paraméterek BF[6] TIPS2[7] TIP4P TIP4P-Ew[8] TIP4P/ICE[9] TIP4P/2005[10] OPC[11] TIP4P-D[12]
r(OH), Å 0,96 0,9572 0,9572 0,9572 0,9572 0,9572 0,8724 0,9572
HAHH, fok 105,7 104,52 104,52 104,52 104,52 104,52 103,6 104,52
r(OM), Å 0,15 0,15 0,15 0,125 0,1577 0,1546 0,1594 0,1546
× 10-3, kcal Å12/mol 560,4 695,0 600,0 656,1 857,9 731,3 865,1 904,7
B, kcal Å6/mol 837,0 600,0 610,0 653,5 850,5 736,0 858,1 900,0
q(M) -0,98 -1,07 -1,04 -1,04844 -1,1794 -1,1128 -1,3582 -1,16
q(H) +0,49 +0,535 +0,52 +0,52422 +0,5897 +0,5564 +0,6791 +0,58
  • TIP4PF (flexibilis)

5 kölcsönhatási ponttal bíró modellek

BNS[13] ST2 TIP5P[14] TIP5P-E[15]
r(OH), Å 1,0 1,0 0,9572 0,9572
HOH, fok 109,47 109,47 104,52 104,52
r(OL), Å 1,0 0,8 0,70 0,70
LOL, fok 109,47 109,47 109,47 109,47
× 10-3, kcal Å12/mol 77,4 238,7 544.5 554,3
B, kcal Å6/mol 153,8 268,9 590.3 628,2
q(L) -0,19562 -0,2357 -0.241 -0,241
q(H) +0,19562 +0,2357 +0.241 +0,241
RL, Å 2,0379 2,0160
RU, Å 3,1877 3,1287

A BNS, ST2 modellek a Coulomb-törvényt a S(r) függvénnyel módosítva veszik figyelembe, oly módon hogy az kis távolságok esetén leskálázza:

Jegyzetek

  1. ↑ Péter T. Kiss and András Baranyai: A systematic development of a polarizable potential of water http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4807600?journalCode=jcp
  2. ↑ Jorgensen, W. L. (1981). „Transferable intermolecular potential functions for water, alcohols, and ethers. Application to liquid water”. J. Am. Chem. Soc. 103, 335-340. o. DOI:10.1021/ja00392a016. 
  3. ↑ H.J.C. Berendsen, J.P.M. Postma, W.F. van Gunsteren, and J. Hermans, In Intermolecular Forces, edited by B. Pullman (Reidel, Dordrecht, 1981), p. 331.
  4. ↑ Jorgensen, W. L. (1983). „Comparison of simple potential functions for simulating liquid water”. J. Chem. Phys 79, 926–935. o. DOI:10.1063/1.445869. 
  5. ↑ Berendsen, H. J. C. (1987). „The missing term in effective pair potentials”. J. Phys. Chem 91, 6269–6271. o. DOI:10.1021/j100308a038. 
  6. ↑ Bernal, J. D. (1933). „A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions”. J. Chem. Phys. 1, 515. o. DOI:10.1063/1.1749327. 
  7. ↑ Jorgensen (1982). „Revised TIPS for simulations of liquid water and aqueous solutions”. J. Chem. Phys 77, 4156–4163. o. DOI:10.1063/1.444325. 
  8. ↑ Horn, H. W. (2004). „Development of an improved four-site water model for biomolecular simulations: TIP4P-Ew.”. J. Chem. Phys. 120, 9665–9678. o. DOI:10.1063/1.1683075. 
  9. ↑ Abascal, J. L. F. (2005). „A potential model for the study of ices and amorphous water: TIP4P/Ice”. J. Chem. Phys. 122, 234511. o. DOI:10.1063/1.1931662. 
  10. ↑ Abascal, J. L. F. (2005). „A general purpose model for the condensed phases of water: TIP4P/2005”. J. Chem. Phys. 123, 234505. o. DOI:10.1063/1.2121687. 
  11. ↑ Izadi, S. (2014). „Building Water Models: A Different Approach”. The Journal of Physical Chemistry Letters 5 (21), 3863–3871. o. DOI:10.1021/jz501780a. 
  12. ↑ Piana, Stefano (2015). „Water Dispersion Interactions Strongly Influence Simulated Structural Properties of Disordered Protein States”. The Journal of Physical Chemistry B 119, 150312133835006. o. DOI:10.1021/jp508971m. ISSN 1520-6106. 
  13. ↑ Stillinger, F.H. (1974). „Improved simulation of liquid water by molecular dynamics”. J. Chem. Phys. 60, 1545–1557. o. DOI:10.1063/1.1681229. 
  14. ↑ Mahoney, M. W. (2000). „A five-site model for liquid water and the reproduction of the density anomaly by rigid, nonpolarizable potential functions”. J. Chem. Phys. 112, 8910–8922. o. DOI:10.1063/1.481505. 
  15. ↑ Rick, S. W. (2004). „A reoptimization of the five-site water potential (TIP5P) for use with Ewald sums”. J. Chem. Phys. 120, 6085–6093. o. DOI:10.1063/1.1652434. 

Kapcsolódó szócikkek