Abstrakt
We extend our recently developed quantum-mechanical/molecular mechanics (QM/MM) approach [Dziedzic et al., J. Chem. Phys. 145, 124106 (2016)] to enable in situ optimization of the localized orbitals. The quantum subsystem is described with ONETEP linear-scaling density functional theory and the classical subsystem – with the AMOEBA polarizable force field. The two subsystems interact via multipolar electrostatics and are fully mutually polarizable. A total energy minimization scheme is employed for the Hamiltonian of the coupled QM/MM system. We demonstrate that, compared to simpler models using fixed basis sets, the additional flexibility offered by in situ optimized basis functions improves the accuracy of the QM/MM interface, but also poses new challenges, making the QM subsystem more prone to overpolarization and unphysical charge transfer due to increased charge penetration. We show how these issues can be efficiently solved by replacing the classical repulsive van der Waals term for QM/MM interactions with an interaction of the electronic density with a fixed, repul- sive MM potential that mimics Pauli repulsion, together with a modest increase in the damping of QM/MM polarization. We validate our method, with particular attention paid to the hydrogen bond, in tests on water-ion pairs, the water dimer, first solvation shells of neutral and charged species, and solute-solvent interaction energies. As a proof of principle, we determine suitable repulsive potential parameters for water, K+, and Cl−. The mechanisms we employed to counteract the unphysical overpolarization of the QM subsystem are demonstrated to be adequate, and our approach is robust. We find that the inclusion of explicit polarization in the MM part of QM/MM improves agreement with fully QM calculations. Our model permits the use of minimal size QM regions and, remarkably, yields good energetics across the well-balanced QM/MM interface.
Cytowania
-
1 6
CrossRef
-
0
Web of Science
-
1 6
Scopus
Autorzy (4)
Cytuj jako
Pełna treść
- Wersja publikacji
- Accepted albo Published Version
- Licencja
- Copyright (2019 Author(s))
Słowa kluczowe
Informacje szczegółowe
- Kategoria:
- Publikacja w czasopiśmie
- Typ:
- artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR
- Opublikowano w:
-
JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS
nr 150,
strony 1 - 24,
ISSN: 0021-9606 - Język:
- angielski
- Rok wydania:
- 2019
- Opis bibliograficzny:
- Dziedzic J., Head-Gordon T., Head-Gordon M., Skylaris C.: Mutually polarizable QM/MM model with in situ optimized localized basis functions// JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS. -Vol. 150, (2019), s.1-24
- DOI:
- Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1063/1.5080384
- Bibliografia: test
-
- W. F. van Gunsteren and H. J. C. Berendsen, Angew. Chem., Int. Ed. 29, 992 (1990). otwiera się w nowej karcie
- O. Demerdash, L.-P. Wang, and T. Head-Gordon, Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 8, e1355 (2018). otwiera się w nowej karcie
- P. S. Nerenberg and T. Head-Gordon, Curr. Opin. Struct. Biol. 49, 129 (2018), Theory and simulation-Macromolecular assemblies. otwiera się w nowej karcie
- O. Demerdash, Y. Mao, T. Liu, M. Head-Gordon, and T. Head-Gordon, J. Chem. Phys. 147, 161721 (2017). otwiera się w nowej karcie
- Y. Mao, O. Demerdash, M. Head-Gordon, and T. Head-Gordon, J. Chem. Theory Comput. 12, 5422 (2016). otwiera się w nowej karcie
- W. L. Jorgensen, J. Chem. Theory Comput. 3, 1877 (2007). otwiera się w nowej karcie
- O. Demerdash, E.-H. Yap, and T. Head-Gordon, Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 149 (2014). otwiera się w nowej karcie
- S. W. Rick and S. J. Stuart, Rev. Comput. Chem. 18, 89 (2002). otwiera się w nowej karcie
- P. Cieplak, F.-Y. Dupradeau, Y. Duan, and J. Wang, J. Phys.: Condens. Matter 21, 333102 (2009). otwiera się w nowej karcie
- G. Lamoureux, A. D. MacKerell, and B. Roux, J. Chem. Phys. 119, 5185 (2003). otwiera się w nowej karcie
- D. P. Geerke and W. F. van Gunsteren, J. Phys. Chem. B 111, 6425 (2007). otwiera się w nowej karcie
- A. C. T. van Duin, S. Dasgupta, F. Lorant, and W. A. Goddard III, J. Phys. Chem. A 105, 9396 (2001). otwiera się w nowej karcie
- D.-X. Zhao, C. Liu, F.-F. Wang, C.-Y. Yu, L.-D. Gong, S.-B. Liu, and Z.-Z. Yang, J. Chem. Theory Comput. 6, 795 (2010). otwiera się w nowej karcie
- G. A. Kaminski, H. A. Stern, B. J. Berne, R. A. Friesner, Y. X. Cao, R. B. Murphy, R. Zhou, and T. A. Halgren, J. Comput. Chem. 23, 1515 (2002). otwiera się w nowej karcie
- P. Ren and J. W. Ponder, J. Comput. Chem. 23, 1497 (2002). otwiera się w nowej karcie
- P. Ren and J. W. Ponder, J. Phys. Chem. B 107, 5933 (2003). otwiera się w nowej karcie
- P. Ren, C. Wu, and J. W. Ponder, J. Chem. Theory Comput. 7, 3143 (2011). otwiera się w nowej karcie
- J. W. Ponder, C. Wu, P. Ren, V. S. Pande, J. D. Chodera, M. J. Schnieders, I. Haque, D. L. Mobley, D. S. Lambrecht, J. R. A. DiStasio, M. Head-Gordon, ARTICLE scitation.org/journal/jcp otwiera się w nowej karcie
- G. N. I. Clark, M. E. Johnson, and T. Head-Gordon, J. Phys. Chem. B 114, 2549 (2010). otwiera się w nowej karcie
- P. Cieplak, J. Caldwell, and P. Kollman, J. Comput. Chem. 22, 1048 (2001). otwiera się w nowej karcie
- P. N. Day, J. H. Jensen, M. S. Gordon, S. P. Webb, W. J. Stevens, M. Krauss, D. Garmer, H. Basch, and D. Cohen, J. Chem. Phys. 105, 1968 (1996). otwiera się w nowej karcie
- N. Gresh, G. A. Cisneros, T. A. Darden, and J.-P. Piquemal, J. Chem. Theory Comput. 3, 1960 (2007). otwiera się w nowej karcie
- A. Holt, J. Boström, G. Karlström, and R. Lindh, J. Comput. Chem. 31, 1583 (2010). otwiera się w nowej karcie
- K. Burke, J. Chem. Phys. 136, 150901 (2012). otwiera się w nowej karcie
- A. Warshel and M. Levitt, J. Mol. Biol. 103, 227 (1976). otwiera się w nowej karcie
- J. Spence, Y. Huang, and O. Sankey, Acta Metall. Mater. 41, 2815 (1993). otwiera się w nowej karcie
- X. Long, J. Nicholas, M. Guest, and R. Ornstein, J. Mol. Struct. 412, 121 (1997). otwiera się w nowej karcie
- G. A. Cisneros, J.-P. Piquemal, and T. A. Darden, J. Phys. Chem. B 110, 13682 (2006). otwiera się w nowej karcie
- J. Q. Broughton, F. F. Abraham, N. Bernstein, and E. Kaxiras, Phys. Rev. B 60, 2391 (1999). otwiera się w nowej karcie
- H. Hu, Z. Lu, J. M. Parks, S. K. Burger, and W. Yang, J. Chem. Phys. 128, 034105 (2008). otwiera się w nowej karcie
- S. Ogata, E. Lidorikis, F. Shimojo, A. Nakano, P. Vashishta, and R. K. Kalia, Comput. Phys. Commun. 138, 143 (2001). otwiera się w nowej karcie
- G. Csányi, T. Albaret, M. C. Payne, and A. De Vita, Phys. Rev. Lett. 93, 175503 (2004). otwiera się w nowej karcie
- D. Fang, R. E. Duke, and G. A. Cisneros, J. Chem. Phys. 143, 044103 (2015). otwiera się w nowej karcie
- R. Khare, S. L. Mielke, J. T. Paci, S. Zhang, R. Ballarini, G. C. Schatz, and T. Belytschko, Phys. Rev. B 75, 075412 (2007). otwiera się w nowej karcie
- F. Cui and H. Li, J. Chem. Phys. 138, 174114 (2013). otwiera się w nowej karcie
- J. Dziedzic, M. Bobrowski, and J. Rybicki, Phys. Rev. B 83, 224114 (2011). otwiera się w nowej karcie
- A. J. Sodt, Y. Mei, G. König, P. Tao, R. P. Steele, B. R. Brooks, and Y. Shao, J. Phys. Chem. A 119, 1511 (2015). otwiera się w nowej karcie
- M. W. van der Kamp and A. J. Mulholland, Biochemistry 52, 2708 (2013). otwiera się w nowej karcie
- H. M. Senn and W. Thiel, Angew. Chem., Int. Ed. 48, 1198 (2009). otwiera się w nowej karcie
- N. Bernstein, J. R. Kermode, and G. Csányi, Rep. Prog. Phys. 72, 026501 (2009). otwiera się w nowej karcie
- T. Schwabe, J. M. H. Olsen, K. Sneskov, J. Kongsted, and O. Christiansen, J. Chem. Theory Comput. 7, 2209 (2011). otwiera się w nowej karcie
- M. Aida, H. Yamataka, and M. Dupuis, Int. J. Quantum Chem. 77, 199 (2000). otwiera się w nowej karcie
- J. M. Olsen, K. Aidas, and J. Kongsted, J. Chem. Theory Comput. 6, 3721 (2010). otwiera się w nowej karcie
- C. Curutchet, A. Muñoz-Losa, S. Monti, J. Kongsted, G. D. Scholes, and B. Mennucci, J. Chem. Theory Comput. 5, 1838 (2009). otwiera się w nowej karcie
- S. Caprasecca, S. Jurinovich, L. Viani, C. Curutchet, and B. Mennucci, J. Chem. Theory Comput. 10, 1588 (2014). otwiera się w nowej karcie
- C. B. Nielsen, O. Christiansen, K. V. Mikkelsen, and J. Kongsted, J. Chem. Phys. 126, 154112 (2007). otwiera się w nowej karcie
- K. Sneskov, T. Schwabe, O. Christiansen, and J. Kongsted, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 18551 (2011). otwiera się w nowej karcie
- S. Caprasecca, S. Jurinovich, L. Lagardère, B. Stamm, and F. Lipparini, J. Chem. Theory Comput. 11, 694 (2015). otwiera się w nowej karcie
- E. G. Kratz, A. R. Walker, L. Lagardère, F. Lipparini, J.-P. Piquemal, and G. Andrés Cisneros, J. Comput. Chem. 37, 1019 (2016). otwiera się w nowej karcie
- S. Caprasecca, C. Curutchet, and B. Mennucci, J. Chem. Theory Comput. 8, 4462 (2012). otwiera się w nowej karcie
- N. M. Thellamurege, D. Si, F. Cui, H. Zhu, R. Lai, and H. Li, J. Comput. Chem. 34, 2816 (2013). otwiera się w nowej karcie
- J. Dziedzic, Y. Mao, Y. Shao, J. Ponder, T. Head-Gordon, M. Head-Gordon, and C.-K. Skylaris, J. Chem. Phys. 145, 124106 (2016). otwiera się w nowej karcie
- Y. Mao, Y. Shao, J. Dziedzic, C.-K. Skylaris, T. Head-Gordon, and M. Head-Gordon, J. Chem. Theory Comput. 13, 1963 (2017). otwiera się w nowej karcie
- M. Schwörer, C. Wichmann, and P. Tavan, J. Chem. Phys. 144, 114504 (2016). otwiera się w nowej karcie
- D. Loco, E. Polack, S. Caprasecca, L. Lagardère, F. Lipparini, J.-P. Piquemal, and B. Mennucci, J. Chem. Theory Comput. 12, 3654 (2016). otwiera się w nowej karcie
- D. Loco, L. Lagardère, S. Caprasecca, F. Lipparini, B. Mennucci, and J.-P. Piquemal, J. Chem. Theory Comput. 13, 4025 (2017). otwiera się w nowej karcie
- R. A. Bryce, R. Buesnel, I. H. Hillier, and N. A. Burton, Chem. Phys. Lett. 279, 367 (1997). otwiera się w nowej karcie
- F. Lipparini, C. Cappelli, and V. Barone, J. Chem. Theory Comput. 8, 4153 (2012). otwiera się w nowej karcie
- F. Lipparini, C. Cappelli, and V. Barone, J. Chem. Phys. 138, 234108 (2013). otwiera się w nowej karcie
- I. Carnimeo, C. Cappelli, and V. Barone, J. Comput. Chem. 36, 2271 (2015). otwiera się w nowej karcie
- E. Boulanger and W. Thiel, J. Chem. Theory Comput. 10, 1795 (2014). otwiera się w nowej karcie
- E. Boulanger and W. Thiel, J. Chem. Theory Comput. 8, 4527 (2012). otwiera się w nowej karcie
- X. Pan, E. Rosta, and Y. Shao, Molecules 23, 2500 (2018). otwiera się w nowej karcie
- A. H. Steindal, K. Ruud, L. Frediani, K. Aidas, and J. Kongsted, J. Phys. Chem. B 115, 3027 (2011). otwiera się w nowej karcie
- C.-K. Skylaris, P. D. Haynes, A. A. Mostofi, and M. C. Payne, J. Chem. Phys. 122, 084119 (2005). otwiera się w nowej karcie
- C. Zhang, C. Lu, Z. Jing, C. Wu, J.-P. Piquemal, J. W. Ponder, and P. Ren, J. Chem. Theory Comput. 14(4), 2084 (2018). otwiera się w nowej karcie
- W. Kohn, Phys. Rev. Lett. 76, 3168 (1996). otwiera się w nowej karcie
- C.-K. Skylaris, P. D. Haynes, A. A. Mostofi, and M. C. Payne, J. Phys.: Condens. Matter 17, 5757 (2005). otwiera się w nowej karcie
- C.-K. Skylaris, A. A. Mostofi, P. D. Haynes, O. Diéguez, and M. C. Payne, Phys. Rev. B 66, 035119 (2002). otwiera się w nowej karcie
- Q. Hill and C.-K. Skylaris, Proc. R. Soc. A 465, 669 (2009). otwiera się w nowej karcie
- M. Elstner, P. Hobza, T. Frauenheim, S. Suhai, and E. Kaxiras, J. Chem. Phys. 114, 5149 (2001). otwiera się w nowej karcie
- B. Thole, Chem. Phys. 59, 341 (1981). otwiera się w nowej karcie
- P. T. van Duijnen and M. Swart, J. Phys. Chem. A 102, 2399 (1998). otwiera się w nowej karcie
- C. J. Burnham, J. Li, S. S. Xantheas, and M. Leslie, J. Chem. Phys. 110, 4566 (1999). otwiera się w nowej karcie
- T. Halgren, J. Am. Chem. Soc. 114, 7827 (1992). otwiera się w nowej karcie
- A. A. Mostofi, On Linear-Scaling Methods for Quantum Mechanical First- Principles Calculations (University of Cambridge, 2004).
- Q. Hill, "Development of more accurate computational methods within linear-scaling density functional theory," Ph.D. thesis, University of Southampton, Southampton, United Kingdom, 2010.
- J. Sala, E. Guàrdia, and M. Masia, J. Chem. Phys. 133, 234101 (2010). otwiera się w nowej karcie
- A. Stone, Chem. Phys. Lett. 83, 233 (1981). otwiera się w nowej karcie
- A. Stone and M. Alderton, Mol. Phys. 56, 1047 (1985). otwiera się w nowej karcie
- Y. Shi, Z. Xia, J. Zhang, R. Best, C. Wu, J. W. Ponder, and P. Ren, J. Chem. Theory Comput. 9, 4046 (2013). otwiera się w nowej karcie
- A. J. Stone, J. Chem. Theory Comput. 1, 1128 (2005). otwiera się w nowej karcie
- A. J. Misquitta, A. J. Stone, and F. Fazeli, J. Chem. Theory Comput. 10, 5405 (2014). otwiera się w nowej karcie
- E. R. Kuechler, T. J. Giese, and D. M. York, J. Chem. Phys. 143, 234111 (2015). otwiera się w nowej karcie
- I. V. Yudanov, V. A. Nasluzov, K. M. Neyman, and N. Rösch, Int. J. Quantum Chem. 65, 975 (1997). otwiera się w nowej karcie
- J.-P. Piquemal, G. A. Cisneros, P. Reinhardt, N. Gresh, and T. A. Darden, J. Chem. Phys. 124, 104101 (2006). otwiera się w nowej karcie
- R. J. Wheatley and S. L. Price, Mol. Phys. 69, 507 (1990). otwiera się w nowej karcie
- J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). otwiera się w nowej karcie
- N. Mardirossian and M. Head-Gordon, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 9904 (2014). otwiera się w nowej karcie
- M. J. Gillan, D. Alfé, and A. Michaelides, J. Chem. Phys. 144, 130901 (2016). otwiera się w nowej karcie
- I.-C. Lin, A. P. Seitsonen, I. Tavernelli, and U. Rothlisberger, J. Chem. Theory Comput. 8, 3902 (2012). otwiera się w nowej karcie
- R. A. DiStasio, B. Santra, Z. Li, X. Wu, and R. Car, J. Chem. Phys. 141, 084502 (2014). otwiera się w nowej karcie
- D. L. Mobley, K. L. Wymer, N. M. Lim, and J. P. Guthrie, J. Comput.-Aided Mol. Des. 28, 135 (2014). otwiera się w nowej karcie
- ARTICLE scitation.org/journal/jcp otwiera się w nowej karcie
- J. Wang, R. M. Wolf, J. W. Caldwell, P. A. Kollman, and D. A. Case, J. Comput. Chem. 25, 1157 (2004). otwiera się w nowej karcie
- W. L. Jorgensen, J. Chandrasekhar, J. D. Madura, R. W. Impey, and M. L. Klein, J. Chem. Phys. 79, 926 (1983). otwiera się w nowej karcie
- T. Fox and P. A. Kollman, J. Phys. Chem. B 102, 8070 (1998). otwiera się w nowej karcie
- I. S. Joung and T. E. Cheatham, J. Phys. Chem. B 112, 9020 (2008). otwiera się w nowej karcie
- V. Vitale, J. Dziedzic, S. M.-M. Dubois, H. Fangohr, and C.-K. Skylaris, J. Chem. Theory Comput. 11, 3321 (2015). otwiera się w nowej karcie
- P. J. Dyer and P. T. Cummings, J. Chem. Phys. 125, 144519 (2006). otwiera się w nowej karcie
- Weryfikacja:
- Politechnika Gdańska
Powiązane datasety
wyświetlono 98 razy
Publikacje, które mogą cię zainteresować
TINKTEP: A fully self-consistent, mutually polarizable QM/MM approach based on the AMOEBA force field
- J. Dziedzic,
- Y. Mao,
- Y. Shao
- + 4 autorów
Performance of the AMOEBA Water Model in the Vicinity of QM Solutes: A Diagnosis Using Energy Decomposition Analysis
- Y. Mao,
- Y. Shao,
- J. Dziedzic
- + 3 autorów