Izomer átalakulások és
Download
1 / 67

Fogarasi Géza ELTE Kémiai Intézet, Elméleti Kémiai Laboratórium - PowerPoint PPT Presentation


  • 68 Views
  • Uploaded on

Izomer átalakulások és konformációs változások kvantumkémiai vizsgálata biomolekulákban. Fogarasi Géza ELTE Kémiai Intézet, Elméleti Kémiai Laboratórium. Motiváció: Citozin. The significance of tautomerism was recognized from the beginnings:. Watson and Crick, Nature 1953. …………………………….

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Fogarasi Géza ELTE Kémiai Intézet, Elméleti Kémiai Laboratórium' - hailey


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Izomer átalakulások éskonformációs változások

kvantumkémiai vizsgálata biomolekulákban

Fogarasi Géza

ELTE Kémiai Intézet, Elméleti Kémiai Laboratórium

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Motiváció: Citozin

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


The significance of tautomerism was recognized from the beginnings:

Watson and Crick, Nature 1953.

……………………………

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Már Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.a relatív energiák számítása is kihívás

The basic challenge for theory should be realized

at the beginning:

Tautomers - unlike conformers – have completely different electronic structures. At the same time, the energy differences may be as low as for conformers, just a few kcal/mol.

Then: can we calculate (relative) energies for different electronic systems with an accuracy of ~ 0.5 kcal/mol?!

(This is realistic for conformers, but quite questionable for tautomers.)

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Tes Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.zt számítások kis molekulákon

Formamidic acid

Formamide

Vinylamine

Acetaldimine

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Methods Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

Electronic theory:

RHF, B3LYP, MP2, CCSD(T)

Basis sets:

from 6-31G(d,p) to 6-311++G(3df, 3pd)

and cc-PVTZ to aug-cc-PV5Z

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Table 1. Computed energies for tautomer pairs Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

(energies, E in a.u.= 4.3594 aJ, differences, E in kcal = 4.184 kJ).

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Table 1. contd1. Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Table 1. contd2. Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

a Notations follow standard convention except that in the correlation consistent basis sets “cc” is tacitly assumed, thus omitted for brevity. After the double slash ‘//’ the level of geometry optimization is indicated; ’~’ means optimization at the same level as the energy calculation.b All coupled cluster calculations were done at the MP2/aug-pVTZ geometry.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Conclusion of high Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.-level test calculations

Tautomer energy differences with the largest basis sets from above, kcal/mol

Bad news:

a) the two systems behave differently!!

b) CC (coupled cluster) level is needed

Good news:

SD and SD(T) essentially the same

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


N Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

H

N

H

N

H

2

2

2

4

4

4

N

5

N

N

3

5

5

3

3

2

6

H

2

6

2

6

N

N

N

O

1

O

O

1

1

H

H

1

2

a

2

b

H

H

N

N

H

H

4

4

N

5

N

5

3

3

2

6

2

6

N

N

O

1

O

1

H

H

3

a

3

b

CYTOSINEtautomers

The most prominent example of a “multiform” molecule:

Five low-energy isomers (three tautomers plus two rotamers)

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.relatív energiák is nagyon érzékenyek a számítási szintre

Relative energies of cytosine tautomers, ab initio results

MP2 CCSD CCSD(T) ....

MP2, CCSD, CCSD(T) ...

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Kevésbé közismert: a zéruspont-energia érzékenysége Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

Zero Point Energies, kcal/mol

aGould et al.6 bKwiatkowski and Leszczynski.9cKobayashi,29 only the differences

listed; f functions omitted from the cc-pVTZ basis set.dpresent work. eRelative to 2b.

Compare HF and MP2!

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Compare traditional wf and DFT Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

1: the “canonical” oxo form; 2b: enol; 3a: imino

Watch out, black-box users!:

DFT gives a qualitatively different picture!

Theoretical results, e.g.:

CCSD(T)[f.c.]/cc-pVTZ// rfg

1 2b 3a

1.51 0. 1.49

-0.54 0. 1.27

-0.28 0. 1.74

B3LYP/6-311++G(2d,2p): B3PW91/6-311++G(2d,2p):

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Conclusion: the three low-energy tautomers of cytosine Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26. are

within a range of ~ 2 kcal/mol

Theoretical results

CCSD(T)[f.c.]/cc-pVTZ// rfg

1 2b 3a

1.51 0. 1.49

And, rotamers: 2a 0.8 kcal/mol above 2b,

3b 2 kcal/mol above 3a

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Az egyensúlyt meghatározó Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.szabadentalpiák

Cytosine. Thermodynamic Quantities at T = 298 K, kcal/mol

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

aGeometries (moments of inertia) from CCSD/TZP, vibrational frequencies from MP2/TZP, electronic energies CCSD(T)/cc-pVTZ.

bB3LYP/6-311++G(2d,2p). cTotal Gibbs free energy from nuclear motions, including the constant contributions from translation and

Hrot. dRelative to tautomer 2b. e After adding the electronic energies, from Tables 3 and 5, respectively, including the corrections for

non-planarity from Table 4, see also text.

Compare G(1-3a), with CC and DFT!

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A protonátmenet Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.mechanizmusa

Transition states

Tautomer pairs formamide- formamidic acid

and formamidine - formamidine

FMD-FACFIM-FIM

Az energiagátak:

ETS+167 TS

ETS+149 TS

B3LYP

/6-31G(d,p) -2.82338 46.2 -0.93823 45.6/6-311++G(2d,2p) -2.88299 48.1 -0.98977 47.7/6-311++G(3df,3pd) -2.89097 47.7 -0.99666 47.2

MP2

/6-31G(d,p) -2.34658 46.8 -0.48803 47.0/6-311++G(2d,2p) -2.47062 47.4 -0.59244 47.6/6-311++G(3df,3pd) -2.53860 45.5 -0.65601 45.5/PVTZ//~ -2.53331 45.3 -0.64943 45.6 Imag. frequency (1894 cm-1)(1925 cm-1)/aug-PVTZ//~ -2.54854 45.3 -0.66421 45.6/PVQZ//aug-PVTZ -2.59031 45.4 -0.70087 45.6/aug-PVQZ//aug-PVTZ -2.59709 45.3 -0.70747 45.4/PV5Z//aug-PVTZ -2.61135 45.3 -0.71972 45.5aug-PV5Z//aug-PVTZ -2.61443 45.3 -0.72260 45.4

Vibrational frequencies at MP2/PVTZ level. Each system has one single imaginary frequency, indicating that the TS is indeed a first order saddle point.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Tautomer pairs formamide- formamidic acid and formamidine – formamidine

contnd.

FMD-FACFIM-FIM

ETS+167 TS

ETS+149 TS

CCSD//MP2

/aug-PVTZ -2.60032 50.0 -0.72427 50.7/PVQZ -2.67723 50.0 -0.79316 50.7/aug-PVQZ -2.68423 50.0 -0.80005 50.6/PV5Z -2.71257 50.1 -0.82606 50.8/aug-PV5Z -2.71611 50.1

CCSD(T)//MP2

aug-PVTZ -2.63290 47.2 -0.75677 47.8/PVQZ -2.71169 47.1 -0.82743 47.8/aug-PVQZ -2.71926 47.1 -0.83486 47.6/PV5Z -2.74835 47.2 -0.86156 47.8/aug-PV5Z -2.75210 47.1

TS in cytosine (amine – imine) : ~ 40 kcal/mol

Conclusion:

all barriers are far too high for proton transfer to occur.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A víz szerepe – formamidine

The effect of water

  • a) Affects the relative energies

  • b) Affects the TS barrier

Model: supermolecule

water molecule(s) added explicitly

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


The effect of water: – formamidine9 structures investigated

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Citozin-monohidrát komplexek – formamidine

The favorite binding place is the same in all three tautomers. Optimized structures:

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A vízmolekula kapcsolódásának erőssége – formamidine

The keto form binds water significantly stronger

Dissociation energies of cytosine-monohydrates (stabilization by water), kcal/mol.

One single water molecule makes the keto form 1already

more stable energetically than the hydroxy form 2b.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Az átmeneti állapot – formamidine: a vízmolekula hatása

The TS barrier: Water as a catalyst

Test: Formamide plus water, water may mediate proton transfer

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Formamide – formamidine↔ Formamidic acid Monohydrate

For comparison, remember: w/o water it was E ~10.5, ETS ~ 47 kcal

_______________________________________________________________________________________________________

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A – formamidinecitozinban az amino ↔ imino átmenet lehet fontos

Cytosine 1 ↔ 3a TS with water

Quantum Chemical Transition State Barrier for

Cytosine.H2O and Cytosine.2H2O

Method Basis set Cyt.H2O Cyt.2H2O

DFT (b3lyp) 6-31G(d,p) 15.8a 15.8

6-311++G(d,p) 18.1 17.7

cc-pVTZ 17.7 17.8

MP2 6-31G(d,p) 18.3 19.3

6-311++G(d,p) 19.6 19.7

cc-pVTZ 17.1 18.0

CCSD(T)//MP2/pVTZ aug-pVDZ 19.5 --

cc-pVTZ 18.8 --

aImaginary frequency: 1577 cm-1

TS reduced by more than a factor of 2; second H2O indifferent

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A – formamidineprotonátmenet mechanizmusa:

ab initio molekuladinamika

Ab initio simulation of dynamics

The notion of reaction mechanisms is based on the Born-Oppenheimer (B-O) approximation: atoms move on a potential energy surface (PES) defined by the electronic energy as a function of nuclear positions. In the simplest models reactions follow the minimum energy pathway (MEP), going through a transition state (TS). The MEP expressed in mass-weighted Cartesians is referred to as the internal reaction coordinate, IRC. Recent computations have shown that reactions may follow a route totally different from the IRC.

(W.L. Hase, Science 2002; M. Dupuis, Science 2003).

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


True dynamics calculations require knowledge of the complete PES, and recent methods generate it "on the fly". The well-known Car-Parrinello method is most efficient computationally because the electronic wave function is "propagated", and not optimized, at the trajectory points. As a consequence, the system is moving close to, but not exactly on the B-O surface.

In B-O dynamics, the wave function of a QC method is fully optimized in each step along the trajectory. Energy and first derivatives are determined from ab initio wf, with the atomic movements calculated from them classically. This is the approach adopted here. using Verlet's algorithm.

The QC method was DFT(B3LYP)/3-21G.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Ab initio simulation of cytosine tautomerization

Note the synchronous change of the relevant N – H bonds

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Egy Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.lépéssel tovább:

Bázis + cukor = nukleozid

citidin

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Konformációs problémák ... Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

A glikozidos kötés körüli forgatás szerint:

Syn conformation: O4’-C1’-N1-C2 = 59 deg

B3lyp/6-31G** = -891.164082 , dipole/D = 7.4

Anti conformation: O4’-C1’-N1-C2 = -172 deg

B3lyp/6-31G** = -891.172737, dipole/D = 6.8 D

 = 5.4 kcal/mol

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Conformers Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.in the vicinity of the anti form:

“conf1”: -891.172736

dipole/D = 6.85

conf2”: -891.174667

dipole/D = 5.66

 = 1.2 kcal/mol

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


P Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.ályázati támogatások:

Financial support by the Hungarian Scientific Research Foundation (OTKA, Grants No. T68427) is greatfully acknowledged. The European Union and the European Social Fund have provided financial support to the project under the grant no. TAMOP 4.2.1./B-09/KMR-2010-0003.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Maradékok Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26. .....

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


The End Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

Acknowledgement.

Financial support has been provided by Hungarian science grants NKTH-OTKA-A07, no. K 68427 and OTKA K72423.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Molekuladinamika Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

A modell:

1. egy (v. néhány) egyedi molekula

2. Born-Oppenheimer ab initio dinamika:

A magok klasszikusan (Newton) mozognak, a potenciálfelületet kvantummechanika szerint számítjuk

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A modell (folyt.): Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

Két út:

a) A potenciálfelületet előre legyártjuk, fittelés

b) Direkt módszer: menet közben, on the fly

A trajektória minden egyes pontjában komplett ab initio számítás - energia és erők

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


A trajektória: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

-(dV/dR) = ma

V(R) = Emol (r; R),

E comes from solving the electronic Schröd. eq.

Ri+1 = Ri + vit + 1/2ait2 + 1/6bit3 + ….

visszafele időben:

Ri-1 = Ri - vit + 1/2ait2 - 1/6bit3 + ….

A két egyenletet összeadva:

Ri+1 = 2Ri - Ri-1 +ait2 + …. Verlet

(note: sebességek nincsenek benne explicite; kinetikus energiához külön számolandók a t alatti elmozdulásokból)

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Tesztpéldák: fluorid-, ill. klorid- Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

ion vízben

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Fig. 5. Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.Snapshots of configurations. Top row (H2O)6Cl- ; Bottom row (H2O)6F- from left to right: t=0, 0.4, 0.8, 1.2 ps. HF/6-31G* calculations, T=150 K, time step = 0.1 fs. Halogen ions are in shadowed black.

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Statika és dinamika egy példán: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

CYTOSINE

Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


Egy komplex vizsgálat: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

CYTOSINE

Why cytosine?

  • - the biological allureis obvious: DNA

  • tautomerism : of general interest for the structural chemist

    • genetics: mutations?

  • challenge for QC: describe completely different electronic arrangements with accuracy ΔE < 1 kcal/mol

  • Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Anyagszerkezet-kutatási Konferencia, Mátrafüred, 2006. május 23-24.


    1: the “canonical” Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.oxo form; 2b: enol; 3a: imino

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Part 1: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Relative stabilities of free tautomers

    High-level quantum chemical calculations have been carried out in an effort to reinvestigate the relative stabilities of the three lowest-lying tautomers of cytosine.

    Geometrieswere optimized at theCCSD/TZPlevel,

    electronic energies calculated at CCSD(T)/cc-pVTZ

    and vibrational frequencies at MBPT(2)/TZP.

    Comparative DFT calculations were also performed.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Indicating Accuracy: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Rotational Constants (MHz) of Three Tautomers of Cytosine

    Agreement almost too good to be true ?

    a Notation: plan. - optimization in planarity constraint; compl. - complete optimization, without constraint. bInertia defect,  = IC - IA- IB , in amu Å2 ;

    it is, of course, exact zero for structures with planarity constraint; note that the four digits quoted here for the rotational constants are not sufficient for ,

    which was calculated independently from the cartesian coordinates. cOur earlier results23. dResults by Kobayashi29, the cc-pVTZ basis set was truncated by omitting

    he f functions; e the optimized structure was non-planar but  cannot be reproduced from the four-digit rotational constants.

    fMicrowave spectroscopic results on a supersonic beam by Brown et al.27

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Ab Initio Energies of Three Cytosine Tautomers Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    a Following general practice, the first part of the notation specifies the level of energy calculation; after the symbol // the level of geometry

    determination is given; f.c. - frozen core, frozen virtuals; full - no restriction; ~ geometry optimization done at the same level as the energy

    calculation; rfg - the CCSD/TZP geometry used in the majority of high level energy calculations. All geometry optimizations relevant to this

    table were run under planarity constraint, except, as indicated, for the non-planar MP2/cc-pVTZ calculation. bAbsolute energy + 394, in

    atomic units. c Relative energies with respect to tautomer 2b, in kcal/mol.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Compare 1 and 3a, with MP2 and CC!


    DFT Energies of Three Cytosine Tautomers Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    _______________________________________________________

    a In the DFT calculations, geometry and energy were always calculated at the same level

    Plan. - planarity constraint;compl. - complete optimization (allowing non-planar structure).

    bAbsolute energy for 2b in atomic units, relative energies with respect to 2b, in kcal/mol.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Conclusions on Part 1: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Methodology (reliability):

    (a) Basis set: electronic energies are stable within ~0.3 kcal/mol, from TZP upwards.

    (b) Electron correlation:, the fluctuation of energies between MBPT(2),

    CCSD and CCSD(T) is still big, of the order of 1 kcal/mol.

    (c) Zero point energies:Relative values differ by up to 1 kcal/mol between HF and MP2

    (d) Gibbs free energies: 2 to 3 times larger than the ZPE contributions!

    Also: the ΔG contributions from nuclear motion are very significant, about half of the relative electronic values.

    (e) DFT : relative stabilites are qualitatively different from that obtained by conventional quantum chemistry

    Relative stabilities:

    The amino-oxo and the imino-oxo forms are closely equivalent, and only ~ 0.8 kcal less stable than the amino-hydroxy form.

    Noticable is the stability of the imino form!

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Energies of cytosine-monohydrate complexes Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.a

    aThe bold letters 1, 2b and 3a refer to three tautomers, and A,B,C to three complexes for each tautomer, see Scheme 1. Electronic energies: for 2bA the absolute energy in hartrees; for the other tautomers, values relative to 2bA in kcal/mol. bUnless otherwise specified, energies refer to the optimum geometry of the given method. .

    cno min.: search was done but no minimum found for complex C. dcc-pVDZ+: the aug-cc-pVDZ basis set, with a small reduction: the diffuse functions are applied on all heteroatoms and the hydrogens attached to heteroatoms, but are omitted on the carbons and the two C-H hydrogens. eCalculated only for the three tautomers as listed.

    fThe full augmented cc-pVTZ basis set, with diffuse functions on all atoms; electron correlation with frozen core. gAbsolute energies, in hartrees.

    Favorite binding at position A in all 3 cases

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Conclusion on part 2: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    1. For all three tautomers, the favorite binding position of water is the O=C2-N1-H moiety (H-O- C2= N1 in the enol form).

    2. Water binds to the keto form of cytosine significantly stronger (~ 1.7 kcal/mol) than to the enol form. This may just be enough to reverse the energy ordering of the keto and enol forms.

    3. Methodology (strategy for future):

    a) take E for tautomers from highest-level electron

    correlation calculations (very expensive);

    b) add E for binding with waterfrom MP2 (DFT?), but basis set should be fairly large.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Jön végre dinamika is? Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Part 3:

    Try to ‘see’ the process of tautomerisation

    Method: ab initio dynamics*

    1) cytosine alone

    2) can water help?

    * Pulay, P., Fogarasi, G.: Fock matrix dynamics, CPL 386, 272-278 (2004)

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    A víz közvetíthet: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Figure 2 Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.. Snapshots from the tautomerization trajectory. Total time span 5 ps, with resolution of 1 fs (5000 steps). Shown are steps from 1535 to 1570 fs taken from the original trajectory, every 5th geometry reproduced.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Movie ?? Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    The End Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Következő képek: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.Maradékok ....

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    University of California at Davis: Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    The Double Helix Sculpture

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Present study, HF/6-31G*, E= -772.759459 a.u. Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

     = -2.3 kcal/mol

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Energy Differences Between Non-Planar and Planar Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Optimizations, kcal/mol

    Conclusion: Larger basis sets move the structure towards planarity?

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Relative energies of cytosine tautomers Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26., DFTresults

    S1 - BLYP, plan.; S2 - B3LYP, plan.; S3 - B3PW91 plan.; S4 - BLYP, plan; S5 - B3LYP, plan; S6 - B3LYP, compl.;

    S7 - B3PW91, plan.; S8 - B3PW91, compl.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Calculated Mole Ratios Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.a

    aRelative to tautomer 2b, as obtained from the conventional quantum chemistry calculationsof Gibbs free energies; for details see

    the footnotes to Table 7. bcalculated from electronic energies only, the latter taken from earlier lower level results, see text

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Dissociation energies of cytosine-monohydrate complexes Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.a

    _______________________________________________________

    a EX0 and EY0 refer to the corresponding tautomer and to water, respectively, as the monomers, their geometries optimized by MP2/diffs1 and energies calculated at CCSD(T)/TZP; energies in hartrees. 0 is the dissociation energy without basis set superposition error,  is the final value after BSSE correction, all in kcal/mol.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Tautomerization captured! Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.

    Time range:  1530-1570 fs ( cf: T  0.1 fs for an X-H str.)

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    Monomer energies, and differences in binding energies of cytosine-water complexes

    a Absolute energy in hartrees for 2b; for the rest, energy differences in kcal/mol. bEnergy difference of a pair of

    complexes (from Table 1) minus the energy difference of the corresponding monomer pair from this table. c Where not specified,

    geometries were optimized at the same level as energies calculated; calculations marked with [fc] used frozen core in the

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    The three lowest-lying tautomers of cytosine were considered,

    with the water molecule at three different positions for each,

    thus giving a total of 9 monohydrated structures.

    Geometries were optimized at the MP2/cc-pVDZ+ level,

    energies calculated at CCSD(T)/TZP. Zero point energies

    for the most important three structures were obtained at MP2/TZP.

    In the structures investigated, water is attached to the ring by

    two hydrogen bonds, in one of them water is proton donor,

    in the other it is proton acceptor. There are two types of structure

    of this kind. A thirdtype of structure in which water is

    double proton donor was reported in some earlier studies;

    according to the present results this structure is anartifact obtained

    only with small basis sets.

    Szervetlen és Fémorganikus Kémiai, Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottságok, Eger-Demjén, 2011. márc. 24-26.


    ad