Mutually polarizable QM/MM model with in situ optimized localized basis functions - Publikacja - MOST Wiedzy

Wyszukiwarka

Mutually polarizable QM/MM model with in situ optimized localized basis functions

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 4

    CrossRef

  • 1 3

    Web of Science

  • 1 4

    Scopus

Autorzy (4)

Cytuj jako

Pełna treść

pobierz publikację
pobrano 15 razy
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
  1. W. F. van Gunsteren and H. J. C. Berendsen, Angew. Chem., Int. Ed. 29, 992 (1990). otwiera się w nowej karcie
  2. O. Demerdash, L.-P. Wang, and T. Head-Gordon, Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 8, e1355 (2018). otwiera się w nowej karcie
  3. P. S. Nerenberg and T. Head-Gordon, Curr. Opin. Struct. Biol. 49, 129 (2018), Theory and simulation-Macromolecular assemblies. otwiera się w nowej karcie
  4. O. Demerdash, Y. Mao, T. Liu, M. Head-Gordon, and T. Head-Gordon, J. Chem. Phys. 147, 161721 (2017). otwiera się w nowej karcie
  5. Y. Mao, O. Demerdash, M. Head-Gordon, and T. Head-Gordon, J. Chem. Theory Comput. 12, 5422 (2016). otwiera się w nowej karcie
  6. W. L. Jorgensen, J. Chem. Theory Comput. 3, 1877 (2007). otwiera się w nowej karcie
  7. O. Demerdash, E.-H. Yap, and T. Head-Gordon, Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 149 (2014). otwiera się w nowej karcie
  8. S. W. Rick and S. J. Stuart, Rev. Comput. Chem. 18, 89 (2002). otwiera się w nowej karcie
  9. P. Cieplak, F.-Y. Dupradeau, Y. Duan, and J. Wang, J. Phys.: Condens. Matter 21, 333102 (2009). otwiera się w nowej karcie
  10. G. Lamoureux, A. D. MacKerell, and B. Roux, J. Chem. Phys. 119, 5185 (2003). otwiera się w nowej karcie
  11. D. P. Geerke and W. F. van Gunsteren, J. Phys. Chem. B 111, 6425 (2007). otwiera się w nowej karcie
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. P. Ren and J. W. Ponder, J. Comput. Chem. 23, 1497 (2002). otwiera się w nowej karcie
  16. P. Ren and J. W. Ponder, J. Phys. Chem. B 107, 5933 (2003). otwiera się w nowej karcie
  17. P. Ren, C. Wu, and J. W. Ponder, J. Chem. Theory Comput. 7, 3143 (2011). otwiera się w nowej karcie
  18. 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
  19. G. N. I. Clark, M. E. Johnson, and T. Head-Gordon, J. Phys. Chem. B 114, 2549 (2010). otwiera się w nowej karcie
  20. P. Cieplak, J. Caldwell, and P. Kollman, J. Comput. Chem. 22, 1048 (2001). otwiera się w nowej karcie
  21. 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
  22. N. Gresh, G. A. Cisneros, T. A. Darden, and J.-P. Piquemal, J. Chem. Theory Comput. 3, 1960 (2007). otwiera się w nowej karcie
  23. A. Holt, J. Boström, G. Karlström, and R. Lindh, J. Comput. Chem. 31, 1583 (2010). otwiera się w nowej karcie
  24. K. Burke, J. Chem. Phys. 136, 150901 (2012). otwiera się w nowej karcie
  25. A. Warshel and M. Levitt, J. Mol. Biol. 103, 227 (1976). otwiera się w nowej karcie
  26. J. Spence, Y. Huang, and O. Sankey, Acta Metall. Mater. 41, 2815 (1993). otwiera się w nowej karcie
  27. X. Long, J. Nicholas, M. Guest, and R. Ornstein, J. Mol. Struct. 412, 121 (1997). otwiera się w nowej karcie
  28. G. A. Cisneros, J.-P. Piquemal, and T. A. Darden, J. Phys. Chem. B 110, 13682 (2006). otwiera się w nowej karcie
  29. J. Q. Broughton, F. F. Abraham, N. Bernstein, and E. Kaxiras, Phys. Rev. B 60, 2391 (1999). otwiera się w nowej karcie
  30. H. Hu, Z. Lu, J. M. Parks, S. K. Burger, and W. Yang, J. Chem. Phys. 128, 034105 (2008). otwiera się w nowej karcie
  31. 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
  32. G. Csányi, T. Albaret, M. C. Payne, and A. De Vita, Phys. Rev. Lett. 93, 175503 (2004). otwiera się w nowej karcie
  33. D. Fang, R. E. Duke, and G. A. Cisneros, J. Chem. Phys. 143, 044103 (2015). otwiera się w nowej karcie
  34. 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
  35. F. Cui and H. Li, J. Chem. Phys. 138, 174114 (2013). otwiera się w nowej karcie
  36. J. Dziedzic, M. Bobrowski, and J. Rybicki, Phys. Rev. B 83, 224114 (2011). otwiera się w nowej karcie
  37. 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
  38. M. W. van der Kamp and A. J. Mulholland, Biochemistry 52, 2708 (2013). otwiera się w nowej karcie
  39. H. M. Senn and W. Thiel, Angew. Chem., Int. Ed. 48, 1198 (2009). otwiera się w nowej karcie
  40. N. Bernstein, J. R. Kermode, and G. Csányi, Rep. Prog. Phys. 72, 026501 (2009). otwiera się w nowej karcie
  41. 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
  42. M. Aida, H. Yamataka, and M. Dupuis, Int. J. Quantum Chem. 77, 199 (2000). otwiera się w nowej karcie
  43. J. M. Olsen, K. Aidas, and J. Kongsted, J. Chem. Theory Comput. 6, 3721 (2010). otwiera się w nowej karcie
  44. 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
  45. S. Caprasecca, S. Jurinovich, L. Viani, C. Curutchet, and B. Mennucci, J. Chem. Theory Comput. 10, 1588 (2014). otwiera się w nowej karcie
  46. C. B. Nielsen, O. Christiansen, K. V. Mikkelsen, and J. Kongsted, J. Chem. Phys. 126, 154112 (2007). otwiera się w nowej karcie
  47. K. Sneskov, T. Schwabe, O. Christiansen, and J. Kongsted, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 18551 (2011). otwiera się w nowej karcie
  48. S. Caprasecca, S. Jurinovich, L. Lagardère, B. Stamm, and F. Lipparini, J. Chem. Theory Comput. 11, 694 (2015). otwiera się w nowej karcie
  49. 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
  50. S. Caprasecca, C. Curutchet, and B. Mennucci, J. Chem. Theory Comput. 8, 4462 (2012). otwiera się w nowej karcie
  51. 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
  52. 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
  53. 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
  54. M. Schwörer, C. Wichmann, and P. Tavan, J. Chem. Phys. 144, 114504 (2016). otwiera się w nowej karcie
  55. 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
  56. 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
  57. R. A. Bryce, R. Buesnel, I. H. Hillier, and N. A. Burton, Chem. Phys. Lett. 279, 367 (1997). otwiera się w nowej karcie
  58. F. Lipparini, C. Cappelli, and V. Barone, J. Chem. Theory Comput. 8, 4153 (2012). otwiera się w nowej karcie
  59. F. Lipparini, C. Cappelli, and V. Barone, J. Chem. Phys. 138, 234108 (2013). otwiera się w nowej karcie
  60. I. Carnimeo, C. Cappelli, and V. Barone, J. Comput. Chem. 36, 2271 (2015). otwiera się w nowej karcie
  61. E. Boulanger and W. Thiel, J. Chem. Theory Comput. 10, 1795 (2014). otwiera się w nowej karcie
  62. E. Boulanger and W. Thiel, J. Chem. Theory Comput. 8, 4527 (2012). otwiera się w nowej karcie
  63. X. Pan, E. Rosta, and Y. Shao, Molecules 23, 2500 (2018). otwiera się w nowej karcie
  64. A. H. Steindal, K. Ruud, L. Frediani, K. Aidas, and J. Kongsted, J. Phys. Chem. B 115, 3027 (2011). otwiera się w nowej karcie
  65. C.-K. Skylaris, P. D. Haynes, A. A. Mostofi, and M. C. Payne, J. Chem. Phys. 122, 084119 (2005). otwiera się w nowej karcie
  66. 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
  67. W. Kohn, Phys. Rev. Lett. 76, 3168 (1996). otwiera się w nowej karcie
  68. 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
  69. 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
  70. Q. Hill and C.-K. Skylaris, Proc. R. Soc. A 465, 669 (2009). otwiera się w nowej karcie
  71. M. Elstner, P. Hobza, T. Frauenheim, S. Suhai, and E. Kaxiras, J. Chem. Phys. 114, 5149 (2001). otwiera się w nowej karcie
  72. B. Thole, Chem. Phys. 59, 341 (1981). otwiera się w nowej karcie
  73. P. T. van Duijnen and M. Swart, J. Phys. Chem. A 102, 2399 (1998). otwiera się w nowej karcie
  74. C. J. Burnham, J. Li, S. S. Xantheas, and M. Leslie, J. Chem. Phys. 110, 4566 (1999). otwiera się w nowej karcie
  75. T. Halgren, J. Am. Chem. Soc. 114, 7827 (1992). otwiera się w nowej karcie
  76. A. A. Mostofi, On Linear-Scaling Methods for Quantum Mechanical First- Principles Calculations (University of Cambridge, 2004).
  77. Q. Hill, "Development of more accurate computational methods within linear-scaling density functional theory," Ph.D. thesis, University of Southampton, Southampton, United Kingdom, 2010.
  78. J. Sala, E. Guàrdia, and M. Masia, J. Chem. Phys. 133, 234101 (2010). otwiera się w nowej karcie
  79. A. Stone, Chem. Phys. Lett. 83, 233 (1981). otwiera się w nowej karcie
  80. A. Stone and M. Alderton, Mol. Phys. 56, 1047 (1985). otwiera się w nowej karcie
  81. 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
  82. A. J. Stone, J. Chem. Theory Comput. 1, 1128 (2005). otwiera się w nowej karcie
  83. A. J. Misquitta, A. J. Stone, and F. Fazeli, J. Chem. Theory Comput. 10, 5405 (2014). otwiera się w nowej karcie
  84. E. R. Kuechler, T. J. Giese, and D. M. York, J. Chem. Phys. 143, 234111 (2015). otwiera się w nowej karcie
  85. I. V. Yudanov, V. A. Nasluzov, K. M. Neyman, and N. Rösch, Int. J. Quantum Chem. 65, 975 (1997). otwiera się w nowej karcie
  86. 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
  87. R. J. Wheatley and S. L. Price, Mol. Phys. 69, 507 (1990). otwiera się w nowej karcie
  88. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). otwiera się w nowej karcie
  89. N. Mardirossian and M. Head-Gordon, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 9904 (2014). otwiera się w nowej karcie
  90. M. J. Gillan, D. Alfé, and A. Michaelides, J. Chem. Phys. 144, 130901 (2016). otwiera się w nowej karcie
  91. I.-C. Lin, A. P. Seitsonen, I. Tavernelli, and U. Rothlisberger, J. Chem. Theory Comput. 8, 3902 (2012). otwiera się w nowej karcie
  92. R. A. DiStasio, B. Santra, Z. Li, X. Wu, and R. Car, J. Chem. Phys. 141, 084502 (2014). otwiera się w nowej karcie
  93. 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
  94. ARTICLE scitation.org/journal/jcp otwiera się w nowej karcie
  95. 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
  96. 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
  97. T. Fox and P. A. Kollman, J. Phys. Chem. B 102, 8070 (1998). otwiera się w nowej karcie
  98. I. S. Joung and T. E. Cheatham, J. Phys. Chem. B 112, 9020 (2008). otwiera się w nowej karcie
  99. 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
  100. P. J. Dyer and P. T. Cummings, J. Chem. Phys. 125, 144519 (2006). otwiera się w nowej karcie
Weryfikacja:
Politechnika Gdańska

wyświetlono 60 razy

Publikacje, które mogą cię zainteresować

Meta Tagi