Fragment orbitalu molekularnego

Metoda orbitali cząsteczkowych fragmentów ( FMO ) to metoda obliczeniowa, która może obliczać bardzo duże układy molekularne z tysiącami atomów przy użyciu kwantowo-chemicznych funkcji falowych ab initio.

Historia BMF i metod pokrewnych

Alfa-helisa pofragmentowana dla FMO przy użyciu Facio.

Metoda orbitali molekularnych fragmentów (FMO) została opracowana przez K. Kitaurę i współpracowników w 1999 r. FMO jest głęboko powiązana z analizą rozkładu energii (EDA) autorstwa Kitaury i Morokumy, opracowaną w 1976 r. Głównym zastosowaniem FMO jest obliczanie bardzo dużych układy molekularne, dzieląc je na fragmenty i wykonując obliczenia kwantowo-mechaniczne ab initio lub funkcjonału gęstości fragmentów i ich dimerów, przy czym uwzględnia się pole kulombowskie z całego układu. Ta ostatnia funkcja umożliwia obliczenia fragmentów bez użycia wielkich liter.

Metoda wzajemnie zgodnych pól (MCF) wprowadziła ideę samospójnych obliczeń fragmentów w ich potencjale osadzania, która była później wykorzystywana z pewnymi modyfikacjami w różnych metodach, w tym FMO. Istniały inne metody związane z FMO, w tym metoda korelacji przyrostowej H. Stolla (1992).

Później zaproponowano inne metody ściśle związane z FMO, w tym metodę energii jądra L. Huanga i elektrostatycznie osadzoną ekspansję wielu ciał autorstwa E. Dahlke, S. Hirata, a później M. Kamiya, zasugerowali podejścia również bardzo blisko związane z FMO. Metoda efektywnego orbitalu molekularnego fragmentów (EFMO) łączy w sobie niektóre cechy efektywnych potencjałów fragmentów (EFP) i FMO. Szczegółową perspektywę rozwoju metody opartej na fragmentach można znaleźć w niedawnym przeglądzie.

Wprowadzenie do FMO

Oprócz obliczenia całkowitych właściwości, takich jak energia, gradient energii, moment dipolowy itp., dla każdej pary fragmentów uzyskuje się oddziaływanie par. Ta energia interakcji pary może być dalej rozkładana na wkłady elektrostatyczne, wymiany, przenoszenia ładunku i dyspersji. Ta analiza jest znana jako analiza rozkładu energii interakcji par (PIEDA) i może być traktowana jako EDA oparta na FMO. Alternatywnie, w ramach FMO zaproponowano analizę konfiguracji interakcji fragmentów (CAFI) i analizę interakcji fragmentów opartą na lokalnym MP2 (FILM).

W FMO różne funkcje falowe mogą być używane do obliczeń ab initio fragmentów i ich dimerów, takich jak Hartree-Fock , teoria funkcjonału gęstości (DFT), wielokonfiguracyjne samouzgodnione pole (MCSCF), zależne od czasu DFT ( TDDFT ) , interakcja konfiguracji (CI), teoria perturbacji drugiego rzędu Møllera-Plesseta (MP2) i sprzężony klaster (CC). Efekty rozpuszczalnika można traktować za pomocą modelu kontinuum polaryzowalnego (PKM). Kod FMO jest bardzo wydajnie przetwarzany równolegle przy użyciu uogólnionego interfejsu danych rozproszonych (GDDI), a setki procesorów mogą być używane z niemal idealnym skalowaniem.

W książce FMO wydanej w 2009 roku można znaleźć 10 ilustrowanych rozdziałów napisanych przez ekspertów w zakresie rozwoju i aplikacji FMO, a także CDROM z opatrzonymi adnotacjami przykładami plików wejściowych i wyjściowych, oprogramowaniem do modelowania Facio oraz samouczkami wideo (filmy AppliGuide, pokazujące kliknięć myszką) do obróbki trudnych plików PDB za pomocą Facio. Oprócz tej książki, istnieje kilka rozdziałów opublikowanych w innych książkach.

Opublikowano trzy ogólne recenzje FMO.

W latach 2013-2014 japońskie czasopismo CICSJ Bulletin opublikowało serię artykułów FMO w języku japońskim (łącznie ok. Interfejs FMO w Facio i opracowanie wersji OpenMP GAMESS/FMO na komputerze K.

Największy rozmiar systemu obliczony do tej pory za pomocą FMO to płyta o powierzchni fullerytu, zawierająca 1 030 440 atomów, której geometria została w pełni zoptymalizowana za pomocą FMO- DFTB niedawno zaimplementowanego w GAMESS.

Zastosowania FMO

Istnieją dwa główne obszary zastosowań FMO: biochemia i dynamika molekularna reakcji chemicznych w roztworach. Ponadto pojawia się dziedzina zastosowań nieorganicznych.

W 2005 roku zastosowanie FMO do obliczania podstawowego stanu elektronowego białka fotosyntetycznego o liczbie ponad 20 000 atomów zostało wyróżnione nagrodą za najlepszą pracę techniczną na Supercomputing 2005. Opublikowano szereg zastosowań FMO do problemów biochemicznych, m.in. , projektowanie leków , ilościowa zależność struktura-aktywność ( QSAR ) oraz badania stanów wzbudzonych i reakcji chemicznych układów biologicznych. W niedawnym opracowaniu (2008) zaproponowano adaptacyjną obróbkę zamrożonych orbitalnych (AFO) odłączonych wiązań dla FMO, umożliwiając badanie ciał stałych, powierzchni i nanoukładów, takich jak nanoprzewody krzemowe. FMO-TDDFT zastosowano również do stanów wzbudzonych kryształów molekularnych (chinakrydon).

Wśród układów nieorganicznych zbadano materiały pokrewne krzemionce (zeolity, mezoporowate nanocząstki i powierzchnie krzemionki) za pomocą FMO, a także ciecze jonowe i wstęgi azotku boru.

Oprogramowanie dla FMO

Metoda FMO jest zaimplementowana w pakietach oprogramowania GAMESS (USA) , ABINIT-MP i PAICS, dystrybuowanych bezpłatnie.

We wcześniejszym etapie przygotowanie plików wejściowych GAMESS ułatwiał program FMOutil . Później różne części FMOutil zostały włączone do nowego graficznego interfejsu użytkownika o nazwie fu . Fu to ogólny GUI typu open source, nie ograniczający się do FMO lub GAMESS. Jest napisany głównie w Pythonie, a niektóre krytyczne moduły są w FORTRANIE. Fu jest rozpowszechniany na licencji BSD, więc każdy może go modyfikować i redystrybuować swobodnie. Dodatkowo kolejny graficzny interfejs użytkownika Facio opracowany przez M. Suenagę posiada bardzo wygodne specjalistyczne wsparcie FMO (oprócz innych funkcji), dzięki któremu możliwa jest automatyczna fragmentacja klastrów molekularnych, białek, nukleotydów, sacharydów i dowolnej ich kombinacji (np. DNA i kompleksy białkowe w jawnym rozpuszczalniku) można wykonać w ciągu kilku minut, a ręczną fragmentację brył i powierzchni można wykonać, klikając wiązania, które mają zostać oderwane. Facio może również wizualizować wyniki obliczeń FMO, takie jak interakcje par.


Implementacja FMO w GAMESS

(E - energia, G - gradient, H - Hessian; e, g i h - odpowiednio to samo, ale w wersji rozwojowej, która wkrótce zostanie wydana; pogrubienie - można używać z PCM)

SCFTYP= RHF ROHF UHF GVB MCSCF
Zwykły EG H EG H EG H - NP
MP2 NP EG _ mi - -
CC mi mi - - -
CI mi - - - -
DFT EG H - EG H - -
TDDFT EG _ - mi - -
DFTB EG H - - - -

Zobacz też

  1. Bibliografia _ E. Ikeo; T. Asada; T. Nakano; M. Uebayasi (1999). „Metoda orbitali molekularnych fragmentów: przybliżona metoda obliczeniowa dla dużych cząsteczek”. chemia fizyka Lett . 313 (3–4): 701–706. Bibcode : 1999CPL...313..701K . doi : 10.1016/S0009-2614(99)00874-X .
  2. Bibliografia _ J. Ładik (1975). „Badanie interakcji między cząsteczkami na średnich odległościach: I. Supermolekuła SCF LCAO MO, perturbacyjne i wzajemnie spójne obliczenia dla dwóch oddziałujących cząsteczek HF i CH 2 O”. chemia fizyka . 8 (1–2): 192–200. Bibcode : 1975CP......8..192O . doi : 10.1016/0301-0104(75)80107-8 .
  3. ^ H. Stoll (1992), Phys. Obj. B 46, 6700
  4. Bibliografia   _ Massa, Lou; Karle, Hieronim (2005). „Metoda energii jądra zilustrowana peptydami”. Międzynarodowy Dziennik Chemii Kwantowej . Wileya. 103 (6): 808–817. Bibcode : 2005IJQC..103..808H . doi : 10.1002/qua.20542 . ISSN 0020-7608 .
  5. ^    Dahlke, Erin E.; Truhlar, Donald G. (2006-11-04). „Elektrostatycznie osadzona ekspansja wielu ciał dla dużych systemów, z aplikacjami do klastrów wodnych”. Journal of Chemical Theory and Computing . Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne (ACS). 3 (1): 46–53. doi : 10.1021/ct600253j . ISSN 1549-9618 . PMID 26627150 .
  6. ^    Hirata, więc; Valiev, Marat; Dupuis, Michel; Xantheas, Sotiris S.; Sugiki, Shinichiro; Sekino, Hideo (2005-08-10). „Metody szybkiej korelacji elektronów dla klastrów molekularnych w stanach podstawowych i wzbudzonych”. Fizyka molekularna . Informa UK Limited. 103 (15-16): 2255-2265. Bibcode : 2005MolPh.103.2255H . doi : 10.1080/00268970500083788 . ISSN 0026-8976 . S2CID 95428135 .
  7. Bibliografia    _ Hirata, więc; Valiev, Marat (21.02.2008). „Metody szybkiej korelacji elektronów dla klastrów molekularnych bez błędów superpozycji zestawu bazowego”. The Journal of Chemical Physics . Wydawnictwo AIP. 128 (7): 074103. Bibcode : 2008JChPh.128g4103K . doi : 10.1063/1.2828517 . ISSN 0021-9606 . PMID 18298136 .
  8. ^    Gordon, Mark S.; Fiodorow, Dmitrij G.; Pruitt, Spencer R.; Slipczenko, Ludmiła W. (26.08.2011). „Metody fragmentacji: droga do dokładnych obliczeń w dużych systemach” . Recenzje chemiczne . Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne (ACS). 112 (1): 632–672. doi : 10.1021/cr200093j . ISSN 0009-2665 . PMID 21866983 .
  9. ^   The Fragment Molecular Orbital Method: Practical Applications to Large Molecular Systems , pod redakcją DG Fedorov, K. Kitaura, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2009 ISBN 978-1-4200-7848-0
  10. ^   "(a) DG Fedorov, K. Kitaura, Teoretyczny rozwój metody fragmentacji orbity molekularnej (FMO) i (b) T. Nakano, Y. Mochizuki, K. Fukuzawa, S. Amari, S. Tanaka, Rozwój i zastosowania oprogramowania ABINIT-MP opartego na metodzie orbitalnej fragmentów molekularnych w Nowoczesne metody teoretycznej chemii fizycznej biopolimerów , pod red. E. Starikov, J. Lewis, S. Tanaka, Elsevier, Amsterdam, 2006, ISBN 978-0-444-52220 -7
  11. ^ T. Nagata, DG Fiodorow, K. Kitaura (2011). „Matematyczne sformułowanie metody orbitalnej fragmentu molekularnego” w technikach skalowania liniowego w chemii obliczeniowej i fizyce . R. Zalesny, MG Papadopoulos, PG Mezey, J. Leszczyński (red.), Springer, New York, s. 17-64.
  12. ^ Y. Komeiji, Y. Mochizuki, T. Nakano, H. Mori (2012). „Najnowsze postępy w symulacjach dynamiki molekularnej opartej na fragmentach orbitali molekularnych (FMO-MD)”, w Molecular Dynamics - Theoretical Developments and Applications in Nanotechnology and Energy , L. Wang (red.), Intech, s. 3-24.
  13. ^   DG Fiodorow; i in. (2007). „Rozszerzenie mocy chemii kwantowej na duże systemy za pomocą metody orbitalnej fragmentów molekularnych”. J. Fiz. chemia A. _ 111 (30): 6904–6914. Bibcode : 2007JPCA..111.6904F . doi : 10.1021/jp0716740 . PMID 17511437 .
  14. ^    Fiodorow, Dmitrij G.; Nagata, Takeshi; Kitaura, Kazuo (2012). „Badanie chemii za pomocą metody orbitalnej fragmentów molekularnych”. Chemia fizyczna Fizyka chemiczna . Królewskie Towarzystwo Chemii (RSC). 14 (21): 7562–77. Bibcode : 2012PCCP...14.7562F . doi : 10.1039/c2cp23784a . ISSN 1463-9076 . PMID 22410762 .
  15. ^    Tanaka, Shigenori; Mochizuki, Yuji; Komeiji, Yuto; Okiyama, Yoshio; Fukuzawa, Kaori (2014). „Obliczenia fragmentów molekularno-orbitalnych skorelowanych elektronowo dla systemów biomolekularnych i nano”. fizyka chemia chemia fizyka . Królewskie Towarzystwo Chemii (RSC). 16 (22): 10310–10344. Bibcode : 2014PCCP...1610310T . doi : 10.1039/c4cp00316k . ISSN 1463-9076 . PMID 24740821 .
  16. Bibliografia _ _
  17. Bibliografia    _ Fiodorow, Dmitrij G.; Irle, Stephan (2014-10-17). „Ścisłe wiązanie funkcji gęstości w połączeniu z metodą orbitalną fragmentów molekularnych”. Journal of Chemical Theory and Computing . Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne (ACS). 10 (11): 4801–4812. doi : 10.1021/ct500489d . ISSN 1549-9618 . PMID 26584367 .
  18. ^ http://staff.aist.go.jp/dgfedorov/fmo/fmoref.txt [ bez adresu URL zwykły plik tekstowy ]
  19. Bibliografia _ _
  20. Bibliografia _ _
  21. ^ „Facio oprogramowanie do modelowania molekularnego 3D” . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 18.06.2017 . Źródło 2009-05-08 .

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fragment_molecular_orbital&oldid=1106128973 ”