Authors:	Komin, Sittipong
Title:	Spectroscopic properties from hybrid QM, MM molecular dynamics simulation
Online publication date:	25-Mar-2009
Year of first publication:	2009
Language:	english
Abstract:	The central aim of this thesis work is the application and further development of a hybrid quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) based approach to compute spectroscopic properties of molecules in complex chemical environments from electronic structure theory. In the framework of this thesis, an existing density functional theory implementation of the QM/MM approach is first used to calculate the nuclear magnetic resonance (NMR) solvent shifts of an adenine molecule in aqueous solution. The findings show that the aqueous solvation with its strongly fluctuating hydrogen bond network leads to specific changes in the NMR resonance lines. Besides the absolute values, also the ordering of the NMR lines changes under the influence of the solvating water molecules. Without the QM/MM scheme, a quantum chemical calculation could have led to an incorrect assignment of these lines. The second part of this thesis describes a methodological improvement of the QM/MM method that is designed for cases in which a covalent chemical bond crosses the QM/MM boundary. The development consists in an automatized protocol to optimize a so-called capping potential that saturates the electronic subsystem in the QM region. The optimization scheme is capable of tuning the parameters in such a way that the deviations of the electronic orbitals between the regular and the truncated (and "capped") molecule are minimized. This in turn results in a considerable improvement of the structural and spectroscopic parameters when computed with the new optimized capping potential within the QM/MM technique. This optimization scheme is applied and benchmarked on the example of truncated carbon-carbon bonds in a set of small test molecules. It turns out that the optimized capping potentials yield an excellent agreement of NMR chemical shifts and protonation energies with respect to the corresponding full molecules. These results are very promising, so that the application to larger biological complexes will significantly improve the reliability of the prediction of the related spectroscopic properties. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Anwendung und methodische Weiterentwicklung von gemischt quantenmechanischen und kraftfeldbasierten Molekulardynamik-Simulationen (QM/MM-MD) zum Zweck der Berechnung von spektroskopischen Parametern, insbesondere von chemischen Verschiebungen in der Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR = engl. nuclear magnetic resonance). Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst eine bereits bestehende QM/MM Implementierung auf eine aktuelle Problematik angewendet, namentlich der Berechnung von sogenannten Solvent-Shifts eines Adenin-Molküls in wässriger Lösung. Dabei stellte sich heraus, dass die komplexe und sehr schnelle Dynamik des Wasserstoffbrücken-Netzwerks der wässrigen Phase einen entscheidenden Einfluss insbesondere auf die chemischen Verschiebungen der Protonen hat. Im Vergleich mit den Verschiebungen des isolierten Moleküls im Vakuum ändert sich sogar deren Reihenfolge. Bei den Verschiebungen des Stickstoffs ist der Einfluss des Solvents etwas weniger dramatisch, jedoch immer noch signifikant. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt einen Ansatz zur methodischen Verbesserung der bestehenden QM/MM-Implementierung. In vielen Fällen besitzen Moleküle einen Teil, der quantenmechanisch behandelt werden muss, und einen weiteren Teil, für den eine klassische Behandlung ausreichend ist. In einer solchen Situation gibt es also eine kovalente Bindung, welche die Grenze zwischen dem QM- und dem MM-Bereich überschreitet. Diese chemische Bindung besteht demnach zwischen einem quantenmechanischen Atom, dem Kern plus seiner Elektronenhülle, und einem klassischen, beschrieben durch eine Punktladung ohne Elektronen. Hier muss das elektronische System des QM-Bereichs entsprechend abgesättigt werden, was oftmals über die Substitution des MM-Atoms durch ein Wasserstoffatom geschieht. Diese Lösung ist jedoch mit mehreren Nachteilen verbunden, wodurch ihre praktische Relevanz stark reduziert wird. Genauere Verfahren indes sind mit einem deutlich erhöhten Aufwand bei der Konfiguration des QM/MM-Systems verbunden. Hier konnte im Rahmen dieser Dissertation eine Methode weiterentwickelt werden, die einen Kompromiss zwischen algorithmischer Komplexität und einfacher Anwendbarkeit darstellt, und zwar mit Hilfe speziell optimierter effektiver Potentiale. Diese sind dahingehend optimiert, dass sie zwar nur einen einwertigen Bindungscharakter haben (also wie das Wasserstoffatom nur ein Valenzelektron besitzen), andererseits aber die chemischen Eigenschaften des Kohlenstoffs nachbilden. Letztere betreffen insbesondere die Bindungslänge und die Schwingungsfrequenz. Weiterhin konnte mit dieser Optimierung erreicht werden, dass die QM/MM NMR chemischen Verschiebungen im Vergleich zu einer entsprechenden rein quantenmechanischen Rechnung möglichst gut reproduziert werden. Diese methodische Verbesserung wurde anhand einer Reihe von Modellsystemen auf ihre Leistungsfähigkeit und Transferierbarkeit überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass im Vergleich mit den bislang praktizierten Potentialen zur Absättigung des QM-Bereichs signifikante Fortschritte erzielt werden konnten. Insbesondere die Genauigkeit der spektroskopischen Parameter in der Nähe des QM/M Bindungsbruchs konnten deutlich verbessert werden.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4318
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-19366
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen