Vízmodell

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez
Egy vízmodell a geometriai, elektromos töltéseivel és a Lennard-Jones paramétereivel definiálható.

A számításos kémiában vízmodellek a molekulákra ható vízkörnyezet figyelembevételére szolgálnak. A vízmodellek segítségével jellemezhető a vízklaszterek, vizes oldatok és a folyékony víz szerkezeti viszonyai és leírható a vizes környezet (hidratáció) termodinamikai hatása. A modellalkotáshoz szükséges paramétereket kvantumkémiai számításokból, molekulamechanikai szimulációkból, kísérleti adatokból, valamint ezek kombinációjából származtatják. Nagyszámú vízmodell létezik, amelyeket az alábbi tulajdonságaik alapján csoportosíthatjuk:

  1. konkrét vízmolekulák jelenléte szerint: explicit, implicit vagy hibrid vízmodell (explicit-implicit vízmodell)
  2. a bennük lévő kölcsönhatási pontok száma szerint: 2-6, de 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[szerkesztés]

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 hatékonyságát kisszámú explicit víz segítségével javíthatóak.

Explicit vízmodell[szerkesztés]

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.

Water models.svg

2 kölcsönhatási ponttal bíró modellek[szerkesztés]

3 kölcsönhatási ponttal bíró modellek[szerkesztés]

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[szerkesztés]

Flexibilis SPC vízmodell geometriai paraméterei és atomi töltései

További modellek[szerkesztés]

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

4 kölcsönhatási ponttal bíró modellek[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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 veszi figyelembe, oly módon hogy az kis távolságok esetén leskálázza:

6 kölcsönhatási ponttal bíró modellek[szerkesztés]

További modellek[szerkesztés]

A számítások gépigénye[szerkesztés]

Lásd még[szerkesztés]

Hivatkozások[szerkesztés]

  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.