Занятие 5.

Вычисление точечных зарядов и VdW параметров для молекулярной механики.

Суть задания состоит в расчёте точечных зарядов на атомах этана. Построение файла топологии, этот файл содержит описание ковалентных и нековалентных взаимодействий. С помощью расчёта энтальпии испарения предлагается найти оптимальные параметры для описания Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.

  1. Сначала необходимо определить точечные заряды. Для этого нужно воспользоываться набором скриптов RED на perl.
    С помощью babel сделаем pdb-файл этана et.pdb из результатов оптимизации из предыдущего практикума. 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
    Мультиплетность молекулы равна 1, заряд равен 0. Тогда переименуем p2n-файл в Mol_red1.p2n. Теперь запустим RED:
    RED-vIII.4.pl
    Получили файл Mol_m1-o1.mol2 с координатами атомов и зарядами.

  2. Начнем создание файла описания молекулы в формате пакета программ GROMACS. Единица измерения расстояния в GROMACS нанометр. Получили файл: et.top.
    В первых двух строчках зададим некоторые правила:
    [ defaults ]
    ; nbfunc        comb-rule       gen-pairs       fudgeLJ fudgeQQ
    1               2               yes              0.5     0.8333
    Дальше задаем типы атомов и собственно параметры для функции Леннорда-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 (сигма) нам известен. Получилось, что в этом разделе имеем лишь одну переменную - 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:
    [ 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 возьмем из предыдущего занятия:
    [ 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
    Затем перейдем к описанию углов:
    [ 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    200.400
        4     1     2     1   109.500    200.400
        5     1     2     1   109.500    200.400
    ;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
    Далее переходим к торсионным углам:
    [ 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. Особенность расчета 16-46 взаимодейс6твий 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
    Основное описание молекулы создано. Теперь переходим к описанию системы:
    [ System ]
    ; any text here
    first one
    [ molecules ]
    ;Name count
     et    38
    В результате получаем файл et.top с полным описанием системы.

  3. Мы создали описание молекулы с нуля. Наша следующая задача - промоделировать испарение этана. Воспользуемся двумя файлами с системами: первая соответствует газовой фазе, где расстояния между молекулами равны порядка 50 ангстрем, а вторая имеет такую же плотность, как и жидкий этан. Наша задача заключается в том, чтобы провести короткое моделирование динамики каждой из этих систем, определить разницу в энергии VdW взаимодействий между системами и сравнить эту разницу с энтальпией испарения этана. При Т=25 это значение равно 5.4 кДж/моль. Вспомним, что epsilon для водорода нам не известна. По аналогии с предыдущим занятием создадим 7 топологий с разными значениями epsilon, после чего проведем для каждой системы молекулярную динамику с каждым файлом топологии, после чего посчитаем значения энергий (для чего воспользуемся утилитой g_energy). Будем использовать скрипт:
        #!/bin/bash
    for i in {1..7}; do
    
    ###Создадим 7 топологий с разными значениями epsilon###
    
        ep=$( echo "scale=5; 1/$i/$i/$i"  | bc -l )
        sed "s/1.00000/$ep/" et.top > v_${i}.top
    
    ###Проведем для каждой системы молекулярную динамику с каждым файлом топологии###
    
        grompp_d -f md -c box_big -p v_${i}.top -o vb_${i} -maxwarn 1 && mdrun_d -deffnm  vb_${i} -v 
        grompp_d -f md -c box_38 -p v_${i}.top -o v_${i} -maxwarn 1 && mdrun_d -deffnm  v_${i} -v 
    
    ###Посчитаем значения энергий с помощью утилиты g_energy###
    
        echo -e "LJ-(SR)\nCoulomb-(SR)\n0" | g_energy -f -b 10  vb_${i} -o eb_${i} > vb_${i}.txt
        echo -e "LJ-(SR)\nCoulomb-(SR)\n0" | g_energy -f -b 10  v_${i} -o e_${i} > v_${i}.txt
    
    done
    <\pre>
        После этого необходимо провести для каждой системы молекулярную динамику с каждым файлом топологии. Дан файл с настройкам для динамики. Добавим в скрипт строчки для расчета:
         
    grompp_d -f md -c box_big -p v_${i}.top -o vb_${i} -maxwarn 1 && mdrun_d -deffnm  vb_${i} -v 
    grompp_d -f md -c box_38 -p v_${i}.top -o v_${i} -maxwarn 1 && mdrun_d -deffnm  v_${i} -v 
    Теперь надо посчитать сами значения энергий, для этого воспользуемся утилитой g_energy. Эта утилита может работать в интерактивном режиме, но это не удобно. В скрипте поэтому используем перенаправление потока. Символ '\n' означает перенос строки:
    echo -e "LJ-(SR)\nCoulomb-(SR)\n0" | g_energy -f -b 10  vb_${i} -o eb_${i} > vb_${i}.txt
    echo -e "LJ-(SR)\nCoulomb-(SR)\n0" | g_energy -f -b 10  v_${i} -o e_${i} > v_${i}.txt
    Скрипт был сохранен в файле.

  4. В итоге мы получили txt файлы со средними значениями энергий для разных значений epsilon водорода. Интересующие данные были сохранены в файлах epsflu.txt - для жидкой фазы и epsgas.txt - для газовой фазы. Результаты показывают, что вклад VdW взаимодействий больше вклада кулоновских взаимодействий, особенно для системы жидкой фазы. Поэтому для оценки энтальпии испарения можно брать значения только для VdW взаимодействий в жидкой фазе. Epsblon водорода должна лежать в диапозоне от 0.016 до 0.037


 


<<Обратно на шестой семестр

<<Обратно на главную страницу

©Лелекова Мария,2011