Molekulární dynamika vody a alkoholů

Prezentace na téma: "Molekulární dynamika vody a alkoholů"— Transkript prezentace:

1 Molekulární dynamika vody a alkoholů
Pavel Petrus Katedra fyziky, Univerzita J. E. Purkyně, Ústí nad Labem 10. týden

2 Obsah přednášky Modely vody SPC SPC/E TIP4P TIP5P Modely alkoholů OPLS
TraPPE Radiální distribuční funkce Výsledky

3 Voda Fázový diagram vody

4 Různé modely vody

5 Jednoduché modely vody
molekula vody je tuhá => závisí na nevazebných interakcí interakce jsou pouze nevazebné: elektrostatické interakce (Coulombův potenciál), disperzní a repulsní interakce (Lennard-Jonesův potenciál) Lennard-Jonesovým potenciálem interagují pouze kyslíková interakční centra („sites“) dělí se podle počtu „sites“ (tj. interakčních center) na: 2 -, 3 -, 4 -, 5 -, 6 - „sites“ modely

6 Potenciálové parametry
SPC model vody Autor: H. J. C. Berendsen 3 – „sites“ model Potenciálové parametry „site“  (K)  (Å) q O 3.166 -0.82 H - 0.41 Geometrie molekuly rOH = 1Å H-O-H = ° H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren, J. Hermans, Intermolecular Forces. (Reidel, Dordrecht, 1981).

7 Potenciálové parametry
SPC/E model vody Autor: H. J. C. Berendsen 3 – „sites“ model Potenciálové parametry „site“  (K)  (Å) q O 3.166 H - 0.4238 Geometrie molekuly rOH = 1Å H-O-H = ° Polarizační korekce => Lepší hustota a self-difůzní koeficient než u SPC modelu H. J. C. Berendsen, J. R. Grigera, T. P. Straatsma, J. Phys. Chem. (1987), 91,

8 Potenciálové parametry
TIP4P model vody Autor: W. L. Jorgensen 4 – „sites“ model Potenciálové parametry „site“  (K)  (Å) q O 77.936 H - 0.52 M -1.04 Geometrie molekuly rOH = Å rOM = 0.15Å H-O-H = ° W. L. Jorgensen, J. Chandrasekhar, J. D. Madura, R. W. Impey, M. L. Klein, J. Chem. Phys. (1983), 79,

9 Potenciálové parametry
TIP5P model vody Autor: M. W. Mahoney 5 – „sites” model Potenciálové parametry „site“  (K)  (Å) q O 3.12 H - 0.241 L -0.241 Geometrie molekuly rOH = Å rOL = 0.7Å H-O-H = ° L-O-L = ° M. W. Mahoney, W. L. Jorgensen, J. Chem. Phys. (2000), 112,

10 Alkoholy Deriváty uhlovodíků, které vznikají náhradou jednoho či více atomů vodíku na atomu uhlíku nearomatického uhlovodíku hydroxylovou skupinou (-OH). Methyl - (methylová skupina) vzniká odtržením jednoho vodíkového atomu z methanu. Má souhrnný vzorec -CH3 a velmi často se ve vzorcích zapisuje jako -Me. Methylen - chemická skupina, kde je atom uhlíku vázán se dvěma atomy vodíku, tj. CH2. „Force-field“, které budeme probírat: OPLS-UA TRaPPe-UA

11 OPLS-UA OPLS (Optimized Potentials for Liquid Simulations)
Autor: W. L. Jorgensen UA (United Atom) – methylová a methylenová skupina jsou nahrazeny jedním pseudo-atomem s centrem v uhlíkovém atomu

12 OPLS-UA Pro křížové interakce u Lennard-Jonesova potenciálu
používáme Lorentzovy-Berthelodovy kombinační pravidla: Vzdálenost mezi dvěma sousedními atomy v molekule je konstantní. W. L. Jorgensen, J. Tirado-Rives, J. Am. Chem. Soc. (1988), 110, 1657–1666. W. L. Jorgensen, D. S. Maxwell, J. Tirado-Rives, J. Am. Chem. Soc. (1996), 45, 11225–11236.

13 OPLS-UA model methanolu
CH3 - O - H UA Potenciálové parametry „site“  (K)  (Å) q CH3 3.775 0.265 O 3.070 -0.700 H - 0.435 Geometrie molekuly rCH3-O = 1.43Å rO-H = 0.945Å CH3-O-H = 108.5°

14 OPLS-UA model ethanolu
Potenciálové parametry „site“  (K)  (Å) q CH3 3.775 0.000 O 3.070 -0.700 CH2 3.905 0.265 H - 0.435 Geometrie molekuly UA rCH3-CH2 = 1.53Å rO-CH2 = 1.43Å rO-H = 0.945Å CH3-CH2-O = 108° CH2-O-H = 108.5° CH3- CH2 - O - H

15 OPLS-UA model ethanolu
Intramolekulární potenciálové parametry Dihedral c1(K) c2(K) c3(K) CH3-CH2-O-H

16 TraPPE-UA TraPPE (Transferable Potentials for Phase Equilibria)
Autor: M. G. Martin UA (United Atom) – methylová a methylenová skupina jsou nahrazeny jedním atomem s centrem v uhlíkovém atomu O, H – modelovány explicitně Interakce B. Chen, J. J. Potoff, J. I. Siepmann, J. Phys. Chem. B (2001),105,

17 TraPPE-UA Ethanol Methanol UA UA CH3- CH2 - O - H CH3 - O - H

18 TraPPE-UA model methanolu
Potenciálové parametry Geometrie molekuly „site“  (K)  (Å) q CH3 98 3.75 0.265 O 93 3.02 -0.700 H - 0.435 rCH3-0 = 1.43Å rO-H = 0.945Å CH3-O-H = 108.5° Intramolekulární potenciálové parametry Bends 0 (°) K (K) CH3-O-H 108.5 55400

19 TraPPE-UA model ethanolu
Potenciálové parametry Geometrie molekuly „site“  (K)  (Å) q CH3 98 3.75 O 93 3.02 -0.7 CH2 46 3.95 0.265 H - 0.435 rCH3-CH2 = 1.54Å rO-CH2 = 1.43Å rO-H = 0.945Å CH2-O-H = 108.5° CH3-CH2-O = ° Intramolekulární potenciálové parametry Bends 0 (°) K (K) CH2-O-H 108.5 55400 CH3-CH2-O 109.47 50400 Dihedral c1(K) c2(K) c3(K) CH3-CH2-O-H 209.82 -29.17 187.93

20 Radiální distribuční funkce (RDF)
Definice v NVT souboru: Popisuje pravděpodobnost nalezení částice ve vzdálenosti r od jiné částice. I. Nezbeda, J. Kolafa, M. Kotrla, Úvod do molekulárních simulací: Metody Monte Carlo a molekulární dynamiky. Karolinum (2002).

21 DLPOLY - SIMULACE NVT simulace – voda
Teplota: 300 K, hustota: 1000 kg/m3, počet molekul: 864 Relaxační konstanta Noseho-Hooverova termostatu: 0.1ps Přesnost Ewaldovy sumace: Poloměr ořezání: Å Integrační krok: 0. 5 fs Čas ekvilibrace: 50 ps Čas měření: 50 ps

22 Výsledky - voda Model DO .10-9 (m2/s) u (kJ/mol) P (MPa) SPC 3.6399
8.329 SPC/E 2.7568 0.950 TIP4P 3.4799 2.670 TIP5P 2.7719 6.115

23 Výsledky – porovnání g(r)

24 Výsledky – porovnání g(r)

25 Výsledky – porovnání g(r)

26 DLPOLY - SIMULACE NVT simulace – methanol, ethanol
Teplota: K, hustota: kg/m3 (methanol), kg/m3 (ethanol), počet molekul: 864 Relaxační konstanta Noseho-Hooverova termostatu: 0.5ps Přesnost Ewaldovy sumace: Poloměr ořezání: 19.5 Å Integrační krok: 2 fs Čas ekvilibrace: 200 ps Čas měření: 200 ps

27 Výsledky - alkoholy Model DO .10-9 (m2 / s) u (kJ/mol) P (MPa)
Methanol OPLS-UA 2.4423 5.5352 Trappe-UA 2.0932 1.0147 Ethanol 1.1882 1.1157 0.7778

28 Výsledky – porovnání g(r) methanolu

29 Výsledky – porovnání g(r) methanolu

30 Výsledky – porovnání g(r) methanolu

31 Výsledky – porovnání g(r) ethanolu

32 Výsledky – porovnání g(r) ethanolu

33 Výsledky – porovnání g(r) ethanolu