Развитие методов моделирования молекулярных явлений в конденсированных средах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.17 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ . имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Григоренко Белла Людвиговна

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ

02.00.17 — математическая и квантовая химия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук.

ХИМИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Москва 2004

Работа выполнена в лаборатории химической кибернетики на кафедре физической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный консультант:

доктор химических наук, профессор Немухин Александр Владимирович

Официальные оппоненты- чл.-корр РАН, доктор физико-математических

наук, профессор Грибов Лев Александрович

доктор химических наук, профессор Михейкин Игорь Дмитриевич

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Дементьев Андрей Игоревич

Центр Фотохимии РАН

Защита состоится "18" ноября 2004 г. в 1620 часов на заседании Диссертационного совета Д 501.001.50 при Московском Государственном Университете имени М.ВЛомоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д.1, стр.3, Химический факультет МГУ, ауд.337

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова

Автореферат разослан "18" октября 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.50, кандидат химических наук

2005-4

12393

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Роль молекулярного моделирования в химии достаточно велика, несмотря на приоритет экспериментальных исследований в этой области естествознания. Наиболее значимы такие теоретические результаты, которые невозможно, крайне трудно или слишком дорого получить экспериментальными средствами. Традиционно к задачам моделирования относят определение строения и свойств отдельных молекул, молекулярных ассоциатов или фрагментов твердых тел, а также описание механизмов химических реакций на молекулярном уровне. Во всех случаях необходимым этапом моделирования является построение поверхностей потенциальной энергии молекулярных систем.

Основной особенностью при анализе химических превращений в конденсированных средах является необходимость учета влияния окружения (инертной или реакционной матрицы, молекул растворителя, молекулярных групп белка) на свойства выделенной центральной части. Это влияние может быть весьма существенным, и учет подобных эффектов составляет, в частности, предмет исследований, описанных в диссертации. Данные работы относятся к развитию кластерных моделей, в рамках которых определенное число частиц среды явно включается в рассматриваемую молекулярную систему Необходимость развития новых методов моделирования молекулярных явлений в рамках кластерных подходов диктуется тем, что с использованием эмпирических потенциальных функций, вообще говоря, невозможно описывать изменения электронной структуры в ходе химических реакций, в то время как применение неэмпирических приближений квантовой химии ограничено частицами с небольшим числом атомов. Перспективы моделирования свойств больших молекулярных систем, для которых целесообразно подразделение на центральную и периферийную части, связаны с различными вариантами комбинированных методов квантовой и молекулярной механики, интенсивно развивающимися в настоящее время. Этому направлению посвящена большая часть работ, составляющих предмет данной диссертации.

Цель работы. В работе ставилась задача разработки практически полезных способов расчета поверхностей потенциальной энергии для моделирования молекулярных явлений в конденсированных средах в рамках кластерных приближений, включающего анализ структуры, спектров и динамики молекул в инертных матрицах, в полярных растворителях, в белковых матрицах. ---- ' , . «Х^Г1

Научная новизна результатов. Нее выполненные в диссертации результаты являются новыми, опубликованы в отечественных и международных научных журналах и доложены на авторитетных конференциях.

Практическая значимость. Развиты эффективные методы построения межмолекулярных потенциалов, необходимые для моделирования молекулярных явлений в конденсированных средах Разработаны комплексы программ, реализующие оригинальный комбинированный метод квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ), а также методы классической и сметанной квантово-классической молекулярной динамики, активно используемые при моделировании свойств матрично-изолированных систем, химических реакций в водных растворах, реакций ферментативного катализа Личный вклад автора. Все работы, описанные в диссертации, выполнены лично автором в сотрудничестве с сотрудниками, аспирантами и студентами Химического факультета МГУ им. М.В Ломоносова, а также с сотрудниками исследовательских групп США и Финляндии. На защиту выносятся:

- Методы моделирования матричных эффектов при исследовании молекул и малых кластеров, изолированных в низкотемпературных матрицах инертных газов.

- Методы расчета поверхностей потенциальной энергии молекулярных кластеров в приближении двухатомных фрагментов в молекулах.

- Комбинированный метол квантовой и молекулярной механики с конформационно-подвижными эффективными фрагментами

- Результаты расчетов конкретных систем, моделирующих фрагменты конденсированных фаз развитыми методами.

Апробация работы. Основные результаты работ были доложены на следующих научных конференциях' International Conference on Chemistry and Physics in Matrices, Helsinki, Finland (1995); 14th and 15th international Conferences on High Resolution Molecular Spectroscopy, Czech Republic (1996, 1998); Austin Symposium on Molecular Structure, Austin, USA (1997); Ohio State International Symposia on Molecular Spectroscopy, Columbus, USA (1998); 1th International Conference on Low-Temperature Chemistry, Volga River, Russia (1994), 2nd International Conference on Low-Temperature Chemistry, Kansas-City, USA (1996); International Conference "Physics of Clusters", Puschino, Russia (1996); Всероссийской конференции по теоретической химии, Казань (1998); International Conference on Chemistry and Physics in Matrices, Spital, Austria (1997); Gordon Conference on Matrix Isolation, New-Hampshire, USA (1999); International Conference in Honor of Professor

электронные характеристики системы методами квантовой химии, а также проводится расчет молекулярно-динамических траекторий с вычислением характеристик системы вдоль траекторий

1.1. Строение, спектры и динамика кластеров металлов в матрицах инертных газов.

При рассмотрении изолированных в низкотемпературных аргоновых матрицах малых кластеров лития Li„Arm (n=3,4,5; т<100) в работах [1, 8] основное внимание было уделено распределению заряда в литиевых частицах, которое важно для предсказания реакционной способности металлических кластеров с полярными реагентами. Потенциалы взаимодействия Li-Ar и Ar-Ar аппроксимировались аналитическими функциями с параметрами, подобранными по экспериментальным и теоретическим литературным данным. С этими потенциалами проводились расчеты молекулярно-динамических траекторий, а также квантовохимические расчеты электронного распределения во всей системе. В работе [1] был применен прием, который имеет прямое отношение к комбинированным методам квантовой и молекулярной механики, а именно, в точках вдоль траекторий к элементам матрицы Фока кластера лития добавлялись эффективные одноэлектронные потенциалы от каждого атома аргона Парамегры этих потенциалов были предварительно найдены по теории функционала электронной плотности Построенные графики флуктуаций зарядовых распределений вдоль молекулярно-динамических траекторий весьма показательны - по мере эволюции системы происходят достаточно заметные осцилляции зарядов на металлических центрах с изменением абсолютной величины заряда до 0,2 атомных единиц При этом четко видна корреляция парциальных зарядов с положением металлического кластера внутри оболочки инертного газа, в частности, при выходе кластера на поверхность может меняться знак заряда.

Исследование свойств малых кластеров магния в аргоновом окружении [7] проводилось для проверки гипотезы о более высокой реакционной способности кластерных частиц Mgn (п=2-4) по сравнению с атомами магния. Для моделирования применялся метод молекулярной динамики с полуэмпирическими потенциалами Результатами расчетов являются графики зависимости флуюуации расстояний между атомами магния 5 от температуры Т Показано, что аргоновое окружение вызывает значительное уменьшение амплитуд колебаний в кластерах магния при всех рассмотренных температурах (Т<80) по сравнению со свободным состоянием' среднеквадратичная амплитуда колебаний Mg2, Mg3, Mg.) снижается на 20-60% Важным

выводом работы представляется заключение, что значения 5 для всех кластеров М£„ в аргоновой среде достаточно близки, что означает, что матрица не создает предпочтений какой-либо кластерной частице, и они имеют близкие шансы на существование в матрице.

При расчетах матричных сдвигов в электронном спектре молекулы Ыаг в низкотемпературных криптоновых матрицах [2] ставилась задача интерпретировать результаты экспериментальных исследований, согласно которым криптоновое окружение индуцирует сдвиги полос в электронном спектре №2 по-разному для разных переходов-для полосы В-Х ('Пи - '£г+ ) характерен сдвиг на 12 им в синюю сторону ((523 см'1), а для полосы А-Х ('Ги+ - г£в+ ) на 17 нм в красную (-406 см"') В предложенной нами модели [2] матрица моделировалась гетерокластером КагКг«, и положение полосы в электронном спектре Ыаг ассоциировалось с разностью орбитальных энергий двухатомной молекулы: л„ - ав для перехода В-Х в о, - и, для перехода А-Х. Для расчетов конфигураций гетерокластеров №2Кгб2 использовались методы молекулярной динамики. С полученными структурами проводились расчеты электронною распределения в молекуле №2 в гетерокластере, т.е. к элементам матрицы Фока добавлялись эффективные одноэлектронные потенциалы, моделирующие влияние криптоновых атомов, затем вычислялись орбитальные энергии и оценивались положения полос в спектре. Результаты моделирования позволили качественно правильно оценить матричные эффекты сдвиги полос в электронном спектре Иаг вследствие влияния криптонового окружения происходят в разные стороны для А-Х (-461 см'1) и В-Х (+636 см"1) переходов.

1.2. Малые молекулы и межмолекулярные комплексы в матрицах инертных газов.

Неэмпирический анализ электронной задачи, следующий за молекулярно-динамическим моделированием гегерокластера относительно большого размера, был использован при рассмотрении свойств молекулы NBr в аргоновых оболочках [4] В рамках модели с числом атомов аргона до 170 оказалось возможным практически количественно воспроизвести индуцированный матрицей синий сдвиг (+9 см"1) для колебательной полосы молекулы КВг Колебания в системе анализировались методом молекулярной динамики, и оценки влияния матрицы на электронные характеристики молекулы КВг в основном Х31" и возбужденном Ъ'Х+ состояниях в кластере МВг@Агц проводились методами квантовой химии (МР2/6-ЗШ*) Сделан вывод, что следствием взаимодействия с матрицей могут быть достаточно заметные сдвиги в орбитальных энергиях связывающих орбиталей и орбиталей неподеленных пар.

Определенный прогресс в моделировании матричных эффектов был достигнут при использовании приближения двухатомных фрагментов в молекулах (ДФМ) для описания потенциалов взаимодействия молекул внедрения с сольватными оболочками атомов инертных газов В первых работах данного направления [6, 14] рассчитывались сдвиги частоты колебаний Av молекулы HF при ее ассоциации с аргоновыми кластерами определенного размера Аг„ (n-1 - 12, 62). Основной интерес представляет моделирование зависимости свойства (в данном случае, v) молекулы внедрения от размера сольватной оболочки, что является предметом анализа в теории микрорастворимости. Моделирование проводилось следующим образом. На построенной для гетерокластера каждого размера потенциальной поверхности находились точки глобального и локальных минимумов с использованием алгоритмов метода Монте Карло. Далее рассчитывались классические молекулярно-динамические траектории при малых значениях температуры (кинетической энергии), определялись автокорреляционные функции скорости, фурье-преобразованием которых находились функции мощности Пик спектра мощности в области высоких частот соотносился с частотой колебаний фрагмента HF в кластере HF»Ar„. Разность с частотой колебаний молекулы HF в свободном состоянии давала оценку Av для данного значения п.

Поверхности потенциальной энергии систем HF«Ar„ строились как суперпозиции парных потенциалов взаимодействия атомов аргона V(Ar,Arj ) и всевозможных троек V(Ar,HF)

V(HF» Агл) = ^ V(ArlHF) + J]V(Ai;Arj) (О

.-1 .<j

Для описания взаимодействия Ar-Ar был использован общепринятый многопараметрический потенциал Азиза-Чена, калиброванный по большой совокупности экспериментальных данных для аргона. Потенциал взаимодействия в тройной системе ArHF был построен по принципам приближения ДФМ:

V(ArHF) = V(HF,E) + [V(ArF,S)cos! у + V(ArF,ri)sin2 ц/ + V(ArH,Z)Jcos3 ß + (2) [V(ArF',E) + V(ArH\E)]sin2 ß В формуле (2) потенциал V(HF,£) основного электронного состояния 'l молекулы HF комбинируется с энергиями других пар, причем рассматриваются вклады как нейтральных ArF, АгН, так и ионных ArF", АгН+ электронных конфигураций. Смешивание нейтральных и ионных вкладов задается через параметр ß. Смешивание электронных конфигураций Г-и П-типа двухатомного фрагментаАгР зависит от угла у между направлениями F-H и F-Ar.

Необходимые потенциальные кривые двухатомных фрагментов были либо аппроксимированы по экспериментальным данным (Ш. АгР, 21, гП; АгР", 'X), либо рассчитаны неэмпирическими методами квантовой химии (АгН, 2Е; АгРГ, '£) Параметр смешивания нейтральных и ионных состояний (? был выбран таким образом, чтобы для трехатомной системы АгНР, описываемой потенциальной поверхностью приближения ДФМ, правильно воспроизводилась энергия связи (~ 200 см"1) по отношению к Аг + НР, а также сдвиг частоты колебаний (-10 см'1) молекулы ИР при ее ассоциации с одним атомов аргона. Коэффициент (3 являлся единственным подгоночным параметром модели На Рис.1 приведены результаты расчетов Ау, полученные в нашей модели (кривая 2), а также литературные данные квантовых расчетов с использованием известной эмпирической потенциальной поверхности Хатсона для АгНР. Для некоторых кластеров показаны равновесные геометрические конфигурации основных изомеров.

Рис.1. Зависимость сдвига частоты колебаний (Av) молекулы HF при ассоциации с кластерами Аг„: кривая (1) - экспериментальные данные [H.Gutowsky, 19871; кривая (2) -наши расчеты [6]; кривая (3) - литературные данные квантовых расчетов [S.Liu, 1994].

В наших расчетах получена такая же немонотонная зависимость Av от п, как и в других теоретических подходах [S.Liu, 1994]. Важным результатом работы является то, что вычисленный сольватный сдвиг в кластере HF«Ar62 (-40 см'1) практически совпадает с экспериментальным сдвигом в аргоновой матрице (-41 см'1). Анализ структур кластеров HF*Ar„ позволяет объяснить механизм роста сольватных оболочек- формирование HF»Ar„ сходно с формированием кластеров Аг„, и уже при п-12 молекула HF полностью входит в объем.

10

о

2

4 » в 7 в • 10 11 12

Число ягомо» Аг

Построенная методом ДФМ поверхность потенциальной энергии Аг11Р была также использована в работе [23] для моделирования динамики колебательной предиссоциации данного ван-дер-ваальсова кластера.

Успех расчетов строения и спектров кластеров НР»Аг„ стимулировал работы по моделированию свойств димера фторида водорода (НР)2 в аргоновом окружении [5, 10, 11] Для (НР)г известны результаты колебательной спектроскопии в газовой фазе [А.Рте, 1984], в объеме аргоновой матрицы [Ь.Апёге\¥8, 1992], а также на поверхности аргоновых нанокластеров [РНшвкеп, 1994]. Наиболее важные результаты моделирования относятся именно к описанию различий в спектрах комплекса в разном аргоновом окружении.

Равновесная геометрическая конфигурация (НР)2 изображена на Рис.2 Указанные параметры отвечают точке минимума на эмпирической 6-мерной потенциальной поверхности У((НР)?), подобранной по большой совокупности экспериментальных данных для газофазной системы [М.риаск 1991].

При моделировании свойств гетерокластеров (HF)2*Ar„ потенциальная поверхность всей системы представлялась следующим образом

V((IlF)2.Arn) = ¿ £v(Ar(HF)J + £V(ArAr) + V((HF)2) 0>

а-1 к]

где V(ArAr) - парный потенциал Азиза-Чена, V(ArHF) - потенциал приближения ДФМ для трехатомного комплекса Потенциальные кривые двухатомных фрагментов и параметры смешивания были практически такими же, как при расчетах HF«Ar„. Структуры гетерокластеров, отвечающие минимумам на потенциальных поверхностях, описаны в работах [5,10,11] Показано, что первая сольватная оболочка, полностью окружающая димер фторида водорода, содержит 15 атомов аргона. В работе [11] проанализированы как объемные, так и поверхностные структуры захвата комплекса (HF)2 Частоты колебаний были рассчитаны методами молекулярной динамики для кластера с п=62 через автокорреляционные функции скорости. При сравнении частот колебаний (HF)2 и (HF)2'At62 были вычислены сольватные сдвиги, комбинацией которых с

экспериментальными 1азофазными частотами были оценены положения полос в аргоновой матрице.

В работах [5,10] для потенциальной поверхности (НТ)2 была использована аналитическая функция, предложенная А Савиным В таблице 1 приведены вычисленные с этой функцией сольватные сдвиги, а также теоретически предсказанный и экспериментальный колебательный спектры димера фторида водорода в аргоновой матрице.

Таблица 1. Частоты колебаний и положения полос в спектрах (см'1) димера фторида водорода, (НР)2.

Колебание Полосы в газовой фазе, A.Pine, 1984 Сдвиги в аргоновых кластерах Предсказанный спектр в аргоновой матрице Экспериментальный спектр в аргоновой матрице, L. Andrews, 1992

Валентное Н^ 3931 -45 3886 3896

Валентное Нь-Рь 3868 -40 3828 3826

Симметричное деформационное 425 +12 437 —

Р-Р 125 +25 150 128

Антисимметричное деформационное 161 +16 177 189

Торсионное 375 +9 384 400

В работе [11] была использована более точная потенциальная поверхность (HF)2, построенная по экспериментальным спектральным данным [М Quack, 1991]. Наиболее существенным достижением данной модели является воспроизведение различий в позициях ИК-активной полосы, отвечающей валентному колебанию Нь-Fb, для разных мест захвата димера фторида водорода аргоновым кластером. Для кластера (HF^-Ar^ было найдено несколько равновесных геометрических конфигураций (изомеров) при близких значениях полной энергии Структура с димером в центре аргонового кластера соответствует условиям экспериментов матричной изоляции, в то время как структуры с расположением димера на поверхности аргонового кластера отвечают экспериментам с захватом димера фторида водорода аргоновыми каплями в молекулярных пучках Вычисленная в наших работах разница в положениях полосы колебания Hb-Fb, отвечающая различным местам захвата, составляет 6 см"1 в полном соответствие с экспериментальными данными.

1.3. Моделирование спектров молекул в матрицах методами смешанной квантово-классической молекулярной динамики.

Использование приближения ДФМ позволяет проводить достаточно экономичные вычисления энергии и сил, чтобы совместить расчеты классических траекторий с трактовкой избранных степеней свободы по квантовым уравнениям.

В нашей работе [21] были рассчитаны эмиссионные электронно-колебательные спектры для переходов 23П8(у-0)- >13Пи(у") молекулы С12 в оболочках атомов неона. Согласно экспериментальным данным [РОиеШег, 1989] влияние неоновой матрицы приводит к тому, что эта система полос электронно-колебательных переходов молекулы С12 смещена в сторону меньших энергий примерно на 0,1 эВ по сравнению с газофазным спектром На Рис 3 изображены фрагменты потенциальных кривых возбужденных электронных состояний симметрии 3П молекулы СЬ. Состояния 13Пг11 коррелируют с основными состояниями атомов С1('Р) + С1(2Р), состояния 23П&11 - с ион-парным пределом СГ(3Р) + СГ('З). Экспериментально исследованный спектр относится к переходам с низшего колебательного уровня электронного состояния 23Пе на серию колебательных уровней состояния 13П„.

05 I | ■ | ■ ......—| . |

20 72 24 26 2В 30 32

Рис.З. Фрагменты потенциальных кривых валентных состояний 13Пи, 13П8 и ион-парных состояний 23Пи, 23П6 СЬ, построенные на основе экспериментальных спектроскопических данных для связанных состояний и результатов неэмпирических результатов для отталкивательной кривой 13П8.

В нашей модели полосы в спектре газофазной молекулы СЬ рассчитывались численным решением одномерного уравнения Шредингера для низших колебательных состояний с потенциальными кривыми 23Пг, 13ПЦ, построенными на основе экспериментальных спектроскопических (РКР) данных Были определены положения линий в спектре и соответствующие факторы Франка-Кондона, оценивающие интенсивности.

Для моделирования спектров СЬ в неоновой матрице был рассмотрен гетерокластер, состоящий из 498 атомов неона с двухатомной молекулой в центре системы. Полный потенциал взаимодействия частиц представлен следующим образом:

V = У(С12(П) + £ У(Ке,Ые,) + £ У(Ке,С12(Г)) (5)

I <1 1

т е. суммируются вклады от парных взаимодействий Ке.-Ые, и всех троек №,-СЬ, причем молекула СЬ рассматривается в определенном электронном состоянии Г (23Пв или 13П„) Трехчастичные потенциалы ЫеСЬ строились в приближении ДФМ.

Энергии Е непосредственно рассчитывались как собственные значения матрицы гамильтониана ДФМ (НС=ЕС). Для вычислений сил собственные векторы С пересчитывались на каждом шаге интегрирования, и градиенты энергии, соответствующей каждой геометрической координате q, оценивались по формуле1

(6)

й] Зд

Производные матричных элементов гамильтониана по координате д выражались аналитически.

На каждом шаге интегрирования рассчитывалось сечение многомерной поверхности потенциальной энергии вдоль межъядерного расстояния СЬ, т.е. строились эффективные потенциальные кривые молекулы СЬ внутри оболочки инертного газа. Далее, вдоль траекторий численно интегрировалось одномерное уравнение Шредингера и оценивались положения линий в спектре и соответствующие факторы Франка-Кондона. Так как проводилось моделирование эмиссионного спектра, релаксация геометрии проводилась для верхней потенциальной поверхности, коррелирующей с 23Пг состоянием СЬ При сравнении потенциалов в матрице и соответствующих потенциальных кривых в газовой фазе заметно более существенное влияние матрицы на верхнее ион-парное состояние 23Пг, чем на нижнее валентное состояние 13П„.

На Рис.4 приведены рассчитанные спектры перехода 23П8(у'=0)-»13П„(у") молекулы СЬ (расчет проведен с экспериментальными газофазными потенциальными

кривыми молекулы), и молекулы СЬ внутри оболочки неоновых атомов (расчет проведен с эффективными потенциальными кривыми молекулы в кластере) В согласии с экспериментальными данными серии линий (у'=0У) в матрице сдвинуты в красную сторону примерно на 0,1 эВ относительно спектра в газовой фазе Если в газовой фазе доминирующим в спектре является пик у"=6, то в матрице наибольшие интенсивности проявляют пики у"=В и у"=7

Рис.4. Рассчитанные эмиссионные спектры для перехода 23ng(v,=0)->l3n11(v") CI2 в неоновой матрице (верхний рисунок) и в газовой фазе (нижний рисунок). Сплошная и пунктирная линии относятся к спектрам, рассчитанным для двух мест захвата двухатомной молекулы неоновым кластером. Для обоих мест захвата два наиболее интенсивных пика в матричном спектре относятся к v'=7 или 8.

Похожий подход был применен для моделирования спектров люминисиенции радикала SH в низкотемпературных криптоновых матрицах [22,33] Особенностью экспериментальных снекгров [L Khriachtchev, 1998] является наличие двух пиков при 375 и 413 нм с существенно разными временами жизни 350 и 750 не, которые определенно относятся к переходу A2I+ (v'=0)-> Х2П(у"). С использованием приближения ДФМ были построены поверхности потенциальной энергии гетерокластеров SH»Krn для основного состояния, коррелирующего с пределом SH(X) + п Кг, и возбужденного состояния, отвечающего пределу SH(A) + п Кг. Далее методом смешанной квантово-классической молекулярной динамики были рассчитаны эмиссионные спектры A2I+ (v'=0) -» Х2П (v"), времена жизни возбужденных состояни и проведен анализ траекторий для обсуждения мест захвата радикала SH в криптоновых кластерах. Вдоль классических траекторий

рассчитывались эффективные потенциальные кривые двухатомной молекулы 8Н(Х,А) и численным решением одномерного уравнения Шредингера определялись положения полос и интенсивности.

При построении потенциальных поверхностей приближения ДФМ были использованы многоатомные базисные функции, составленные из функций атомных состояний (Н), 'Э (Н*), 3Р (8), 'О (в), 2Р (8"), ^ (Кг) и 2Р (Кг+). Включение ионных конфигураций было необходимо для правильного описания потенциалов 8НКг. Требуемые потенциальные кривые двухатомных фрагментов были частично получены из экспериментальных данных, частично рассчитаны нами неэмпирическими методами квантовой химии [24]. При сравнении вычисленных методом ДФМ поверхностей потенциальной энергии трехатомного комплекса БНКг в основном и возбужденном электронном состояниях с аппроксимациями, полученными на основе спектроскопических данных высокого разрешения [Р.КотатЬаЛ, 1997], был сделан вывод об адекватности потенциалов, используемых при моделировании гетерокластеров 8Н*Кг„.

Молекулярно-динамическое моделирование включало расчёт и анализ траекторий, вычисляемых следующим образом. Выделялся фрагмент ГЦК-решётки из 256 атомов Кг, в который в центральной части случайным образом с произвольной ориентацией помещалась частица 8Н. Затем удалялись атомы Кг, находящиеся на расстоянии менее 2.9 А от атома 8 или 2 5 А от атома Н. Далее проводился молекулярно-динамический расчёт с масштабированием скоростей для поддержания температуры 7К кластера 8Н (Х2П) + пКг (длина этого участка траектории «1.0х10",2с) После стабилизации системы проводилось моделирование при постоянной полной энергии. Длина этого участка «1.0х10""с, он состоял из 20 ООО шагов, причем каждые 10 шагов (2000 раз за траекторию) рассчитывались спектры (длины волн и интенсивности), функции радиального распределения, время жизни т. В конце каждой траектории рассчитывался средний спектр по траектории, среднее время жизни, средняя функция радиального распределения и строилась карта вероятности попадания атомов Кг в различные положения вокруг атома Н. Оценки времени жизни проводились на основе приближенной формулы [В.И.Пупышев, 1987] для каждого дискретного колебательного уровня возбужденного электронного состояния:

где АI/ — разность энергий основного и возбужденного электронных состояний, £> — дипольный момент перехода, V' — волновая функция нижнего колебательного уровня возбужденного электронного сосюяния

Таблица 2. Экспериментальные и теоретические характеристики пиков в спектре люминисценции УН в криптоновом окружении.

Положение пика (им) Время жизни (НС) Особенности МД траекторий

Пик (1) Пик (2) Пик (1) Пик (2) Пик (1) Пик (2)

Эксперимент 375 413 350 750 —

Теория 340-350 390-400 550-600 800-840 Свободное вращение БНвКг вН...Кг комплекс

При анализе рассчитанных траекторий и спектров был сделан вывод о том, два наблюдаемых в экспериментах пика относятся к двум различным местам захвата вН криптоновым окружением Пик при меньшей длине волны соотносится с траекториями, при которых вН совершает свободное движение внутри криптонового кластера. Пик при большей длине волны соотносится с траекториями, для которых характерно образование трехатомного комплекса 8Н...К.Г Вычисленные по формуле (7) времена жизни возбужденных состояний ЭН для траекторий обоих типов также коррелируют с экспериментальными характеристиками спектров люминисценции (Таблица 2).

В работе [20] методами смешанной квантово-классической молекулярной динамики анализировалась динамика фрагментации ионизованных кластеров гелия Неп+ (п = 3 - 13) Применялись подходы, основанные на приближении среднего поля и метод Талли для перескоков между адиабатическими поверхностями. Поверхности потенциальной энергии частиц и матричные элементы неадиабатической связи были построены методом ДФМ. По результатам расчетов прослежена связь миграции заряда внутри кластера с его распадом.

Часть II. Развитие метода двухатомных фрагментов в молекулах (ДФМ) для моделирование свойств молекулярных кластеров с водородными связями. Постановка задачи. Одна из основных целей этой части работы - разработка практически полезных методов расчета ППЭ молекулярных кластеров с водородными связями Учитывая удачный опыт использования метода ДФМ для моделирования простейшего «растворителя» - матрицы из атомов инертного газа, была поставлена задача

модифицировать приближение ДФМ таким образом, чтобы на его основе можно было построить потенциалы для межмолекулярных взаимодействий молекул воды и фторида водорода.

В основе метода ДФМ лежит строгое представление гамильтониана N-атомной системы (abc...) в виде декомпозиции на двухатомные Наь и одноатомные На составляющие:

Соответствующее соотношение справедливо и для матричной формы полного Н и фрагментных Наь и На гамильтонианов при выбранном наборе многоатомных базисных функций (МБФ), задаваемых в виде произведений атомных (или ионных) функций состояний. Поскольку составляются только такие произведения, которые обеспечивают правильные состояния по спину и пространственной симметрии многоатомной молекулярной системы, данная методика относится к разновидности приближения валентных схем.

II.1. Модель ДФМ для потенциальной поверхности молекулы воды.

В работе [18] на основе приближения ДФМ была построена модельная потенциальная поверхность основного состояния НгО. При этом рассматривались две модели: (1) без учета ион-парных состояний, т е 2S (Н), 3Р (О), 1D (О), и (2) с добавлением к набору (1) ионных состояний 'S (Н+), 2Р (СУ). Соответственно, в первом случае матрицы гамильтонианов имели размерность 5x5, во втором 9x9. Было показано, что вариант без учета ионных вкладов не воспроизводит потенциальную поверхность системы. Результаты неэмпирических квантовохимических расчетов методами конфигурационного взаимодействия требуемых потенциальных кривых фрагмента ОН описаны в работе [12]. В таблице 3 сопоставлены результаты расчетов молекулярных постоянных молекулы воды, вычисленных в нашей модели ДФМ, и рассчитанных с использованием эталонной потенциальной поверхности молекулы воды [Н Partridge, 1997]. Поверхность Партриджа-Швенке была построена на основе квантовохимических расчетов и скорректирована так, чтобы воспроизводить тысячи известных колебательно-вращательных уровней энергии со спектроскопической точностью

В нашей работе было показано, что приближение ДФМ при правильном выборе модели позволяет получить достаточно точное описание потенциальной поверхности отдельной молекулы Н?0.

(8)

я Ь>а

а

Таблица 3. Сопоставление молекулярных постоянных Н2О, вычисленных методом ДФМ и квантовохимическими неэмпирическими методами Приведены значения равновесного расстояния О-Н, валентного угла, энергии и координаты седловой точки, отвечающей линейной конфигурации ядер, силовых постоянных и г армонических частот колебаний

ДФМ ab initio [Н.Partridge, 1997]

R* (А) 0.959 0.959

ac(deg) 104 4 104.4

Es(eV) 1.37 1.38

Rs (А) 0.959 0.933

32Е, . ,д> 8-54 8.442 —j- (mdyn/A)

я /а, 0.750 0.707 —г- (mdyn/A) да

coi (cm1) 3847 3834

<в2 (cm"1) 1657 1650

(Оз (cm"1)_3910_3945

II.2. Развитие модели ДФМ, и строение кластеров (Н20)„.

Построение поверхностей потенциальной энергии ассоциатов полярных молекул HF, Н2О на основе приближения ДФМ потребовало существенного развития этой методологии [19,25,26,28]. Основное внимание было уделено расчетам энергии межмолекулярного взаимодействия для произвольных расположений в пространстве мономерных единиц Для решения поставленной задачи применялась теория возмущений на основе метода ДФМ [А.А.Бучаченко, Н.Ф.Степанов, 1996] в сочетании с модификацией методики ДФМ, учитывающей вклады от ионных электронных конфигураций мономеров. В приложении к кластерам воды (Н20)„ предложенная схема сводится к следующему.

Обычное представление матрицы гамильтониана (8) переписывается таким образом чтобы выделить мономерные и димерные единицы

HDIM= Z Н(Н20), + X На,Ь,~На1 (9)

(monomers) I (dimers)ij

и соответственно, внутримолекулярные и межмолекулярные вклады

н01М=н:г,+н:г,-на1 (ю)

Если целью расчета является межмолекулярное взаимодействие, то задача сводится к выражению матричных элементов Н^^1' через потенциальные кривые пар атомных частиц, каждая из которых принадлежит разным мономерам выделенного димера.

Матрица Н^^' рассматривается как матрица оператора возмущения в базисе произведений функций мономеров

(П)

п

<у|н:г'|у>= (П)

Соответственно, (Ч' | | *Р) оценивает сумму энергий мономеров. После

спецификации всех матриц преобразований набора МБФ оказывается возможным вывести явные выражения для каждого вклада в энергию взаимодействия для димера (у), у(стм) вклады зависят от потенциальных кривых У*ь пары атомных частиц в

определенном электронном состоянии к как функций расстояний между ядрами а также от угловых переменных, определяемых геометрией всего кластера (Н20)„- Как принято в подходе ДФМ, относительные веса нейтральных и ионных электронных конфигураций в волновых функциях валентных схем мономерных молекул выражаются через параметр смешивания (5

I V) = -Щ (|3Р(0)>|28(Н,)>|28(Н2)> соз(5 + |2Р(0>|'8(Н,>|28(Н2)> +

|3Р(0)>|28(Н,)>|28(Н2)> соБр + 12Р(0>!28(Н,)>||Я(Н,> этр) (13)

Значение параметра р можно выбрать по результатам квантовохимических расчетов молекулы Н20.

Формула для разбивается на взвешенную сумму нейтральных-нейтральных

(ММ), нейтральных-ионных (N1) и ионных-ионных (II) составляющих символ относится к нейтральным атомам О, Н; I - к ионам О", Н+)

У(«м, = + + (14)

Весовые коэффициенты \У««(Р) определяются на основе выкладок с формулами (11-13). В

свою очередь, каждая составляющая V' содержит вклады от перекрестных пар атомных

частиц в димере

у(") = у(") , у<"> . у(**> , у(**) , у(") ,

у0,н)1 + уо,нр + уо,н„ + у0,1112

Окончательное выражение для энергии взаимодействия п мономерных молекул йоды получается при добавлении к ^ у(им) электростатических слагаемых, зависящих ог

МтегзЖ.)

зарядов q (Н+, О"), взимодействующих с нейтральными атомными частицами (Н, О) с поляризуемостями а, причем необходимо учесть масштабирующие факторы Г((3), связанные с параметром смешивания:

'<■) 1-1 а, >1 Ь, к>) ск Га,ь/а,ск

В данной работе информация о некоторых двухатомных потенциалах была взята из литературы, однако, большая часть была рассчитана нами, так напрмер, потенциальные кривые синглетных и триплетных состояний фрагмента ОН+, а также кривые дублетных и кваргетных состояний Ог.

В нашей работе [28] были рассмотрены молекулярные ассоциаты, состоящие из 2 -6 молекул воды Основное внимание уделялось характеристикам систем в конфигурациях глобальных минимумов и низколежащих локальных минимумов (изомерных структур). Для малых кластеров воды известны результаты моделирования их структуры и свойств, выполненных в разных приближениях от неэмпирических квантовохимических подходов высокого уровня точности до молекулярно-механических моделей. Не всегда эти результаты согласуются между собой.

На Рис 5 изображены некоторые структуры димера (а), тримера (Ь, с), тетрамера (с1, е), пентамера ({) и гексамера Ь, ¡, }). Наша модель ДФМ позволяет качественно правильно воспроизвести сепсу водородных связей для всей совокупности кластеров и описать конфигурации основных изомеров.

В таблице 4 приведены характеристики наиболее исследованного комплекса, а именно, димера воды. Цитируются данные литературных теоретических (не ранее середины 90-х годов) и экспериментальных результатов, а также результаш нашей модели ДФМ. Видно, что параметры равновесной геометрической конфигурации (НгО)?, а также энергия связи достаточно хорошо описываются в рамках предложенного метода расчета потенциальной поверхности и не уступают по точности результатам дорогостоящих квантовохимических вычислений.

Ч ->Ч

1 о >

/

о

К» Л

9" О о*

о

?

9

S: "

о»!

г

с/" 4

0 л

V3

'»o

J

Рис.5. Рассчитанные равновесные конфигурации кластеров воды (НгО)п (а) - димер, (Ь) и (с) - структуры (иис!) и (иии) тримера; (с() и (е) - структуры (и(1и<1) и (ииё<1) тетрамера; (1) - циклический пентамер, структуры гексамера: - призма, (Ь) -клетка, (¡) - кольцо и (¡) - книга

Таблица 4. Параметры димера воды (Н20)2 Приведены значения расстояния между атомами кислорода (Я(О-О)), угла (0) между плоскостью акцепторного мономера и осью О-О, угла (ф) между донорной О-Н связью и осью О-О, а также энергии связи (Еь) по отношению к мономерам.

Метод определения R(O-O), A 0,град ф, град Еь, ккал/моль

Экспериментальные оценки 2.98 + 0.03 2.95 122+10 0± 10 5.4 ±0.7 5.2 ± 0.7

MP2/aug-cc-pVDZ [S.Xantheas, 1995] 2.91 4.4

B3LYP /6-311 ++G(d,p) [GJ.Tawa, 19981 2 90 133. 2.4 5.83

Ab initio VB [A.Famulari, 1998] 3.00 134.5 2.5 4.69

МР2/aug-cc-pVQZ [M.Schtttz, 1998] MM(TIP3P) [X.P.Long, 1997] 2 90 2.73 122.8 6.0 4.86

6. 6.2

TIP3P/4P [D J Wales, 19981 6 6/6 2

ASP-W2/W4 [M P.Hodges, 1997] 2.96/2 97 116У123. 6.2/-2.1 5.0

DFT/MM [X.P.Long, 19971 2.64-2.89 5.-7.

ДФМ, настоящая работа 3.01 115. 1. 5 65

Определенное внимание уделялось анализу изомерных структур кластеров (НгО),, (п > 2) Было показано, что использованная методика позволяет не только найти геометрические конфигурации низкоэнергетических изомеров, но правильно воспроизвести порядок следования изомеров на энергетической шкале и разности энергий между этими структурами В таблице 5 сопоставлены результаты нашего расчета и литературные данные для энергий нескольких изомеров для гексамера (НгО)б Известно, что задача правильного описания гексамеров воды является одной из самых сложных в теории строения межмолекулярных комплексов Результаты нашей модели ДФМ хорошо согласуются с результатами эталонных расчетов

Таблица 5. Энергии связи (ккал/моль) для низших по энергии изомеров гексамера воды (НгО)б' «призма» (Рис^), «клетка» (5Ь), «кольцо» (51) и «книга» (5])

Метод расчета Призма Клетка Кольцо Книга

MP2/aug-cc-pVQZ [J M.Pedulla, 1998] 47 64 47.62 46.3

B-LYP/aug-cc-pVDZ [S.Xantheas, 19951 41 8

B3LYP/6-311 ++G(d,p) [G.J.Tawa, 1998] 49.22 49.18 50.7 49.8

MP2/HZ4P(2fg,2d)++ [J.Kim, 1998] 45.1 45.0 43.9 44.7

ASP-W4 [J.M.Pedulla, 1998] 47.1 45.8 43.4

ДФМ, настоящая работа 45.8 45.1 44.0 45 6

1.3. Развитие модели ДФМ, и строение кластеров (HF)„.

Работы [19,25-27,29] были посвящены развитию метода ДФМ в приложении к моделированию свойств кластеров фторида водорода (HF)„ Формулы общей теории ДФМ и ее модификации [28] для моделирования свойств кластеров воды при соответствующей коррекции относятся и к описанию комплексов (HF)„. В частности, волновая функция мономерной молекулы HF должна описываться уравнением

I У) = (|2P(F)>|2S(H)>cos(3 + j'S(F)>!1S(H1+)> sinP (17)

Первым успехом модели [19] было воспроизведение равновесной геометрической конфигурации димера (Рис.2), известной из данных спектроскопии высокого разрешения Затем были рассчитаны параметры основных циклических изомеров (HF)n (п > 3).

В таблице 6 приведены параметры основных изомеров кластеров (HF)„, вычисленные в нашей модели ДФМ, вычисленные с полуэмпирическими потенциальными поверхностями (QS) [М Quack, 1997], а также неэмпирическим методом квантовой химии МР2/6-311 +G(2d,2p)

Таблица 6. Параметры основных изомеров кластеров (HF)„ (циклические структуры для for п > 3), вычисленные в нашей модели ДФМ, вычисленные с эмпирическими потенциальными поверхностями (QS) [М.Quack, 1997], а также неэмпирическим меюдом

п Энергии связи (кДж/моль) Расстояния Fhf в мономерных молекулах (А) Расстояния между ближайшими атомами фтора Rrr (А) Углы при водородных связях 0HFF (град)

ДФМ QS МР2 ДФМ QS МР2 ДФМ QS МР2 ДФМ QS МР2

2 20 7 19.1(2) 19 5 0 921 0 923(1) 0 923 2.75 2 735(10) 2 77 11 7(1) 6

3 63 63(3) 64 0.929 0 933(3) 0 933 2.62 2 59(2) 2.64 34 24(3) 22

4 117 117(4) 115 0 934 0 944(5) 0 942 2 56 2 51(3) 2.57 20 12(2) 10

5 163 161(5) 155 0.937 0 948(6) 0 945 2 54 2 48(4) 2 54 11 6(2) 4

6 203 199(6) 190 0.937 0 949(6) 0 945 2 53 2 47(5) 2 53 6 3(2) 1

Кроме того, были найдены также изомерные структуры кластеров (НР)П. В работах [26,29] была применена оригинальная реализация методики глобальной оптимизации для поиска стационарных точек на пологих многомерных потенциальных поверхностях (№)„, основанной на комбинации алгоритма Монте Карло и градиентных алгоритмов. Рис.6, на котором изображены некоторые из изомеров гексамера, демонстрирует разнообразие структур среди данных молекулярных ассоциатов.

Таблица 7. Энергии (кДж/моль) изомерных структур (Рис.6) гексамера (НР)б по отношению к энергии основного циклического изомера. Клетки в столбце ВЗЬУР со значком показывают, что данным методом невозможно локализовать

соответствующую стационарную точку, и система перегруппировывается в другой изомер.

Структура ДФМ МР2/ aug-cc-pVDZ МР2/ 6-311+G** B3LYP/ 6-311+G**

(а) 27 33 29 —

<Ь) 26 22 21 24

(с) 35 38 34 =>(е)

(d) 24 24 23 =>(Ь)

(е) 44 40 35 43

(f) 33 41 37 50

В таблице 7 для выделенных гексамеров приведены вычисленные (адиабатические) значения энергии для структур Рис 6 по отношению к энергии основного

циклического изомера Видно, что порядок изомеров и даже относи 1ельные энергии предсказываются методом ДФМ в согласие с данными квантовохимических расчетов.

>

2,16 2,30

9»

........

2,56 2,61

2 69 5 ж

р /С

2,52

264 256

©• V "

©-с;

2,4»

2 47

(а)

(Ь)

17 260 ;

XV -ё

У \ \\1Л

•V

(С)

№

/ ^" 1

2,52

1I "

(е)

(0

Рис.6. Геометрические конфигурации нескольких низкоэнергетических изомеров (ПР)6 1 (оказанные расстояния (А) вычислены методом ДФМ (верхние значения) и МР2/а1^-сс-р\ТЭ7, (если приведены, то нижние значения)

11.4. Комбинированный метод КМ/ДФМ: Диссоциация молекулы НЕ в кластерах

В работе [27] потенциальные поверхности кластеров (НР)„ приближения ДФМ были использованы для моделирования химической реакции в окружении молекул растворителя. Для этого были сформулированы уравнения комбинированного метода квантовой механики (КМ) и ДФМ (КМ/ДФМ) (по аналогии с гибридными подходами квантовой и молекулярной механики) Согласно этой методике для описания выделенной центральной части всей молекулярной системы применяются уравнения квантовой теории, а взаимодействие КМ-подсистемы с молекулами окружения (а также взаимодействие молекул окружения между собой) передается теорией более низкого уровня. В данном случае мы имели в распоряжении хорошо калиброванный потенциал взаимодействия молекул фторида водорода по схеме ДФМ, т.е. в приближении, обобщающем молекулярно-механическое описание. Рассматривалась реакция диссоциации молекулы «растворенного вещества» НР —> Н + Р в окружении молекул «растворителя» (НР)„. Разрыв химической связи (в основном и возбужденном электронных состояниях) выделенной молекулы описывался средствами квантовой химии (методом МК ССП), а подстройка молекул окружения для каждою значения координаты реакции и учет взаимодействия растворитель - растворенное вещество учитывались с помощью потенциалов ДФМ. Для примера приведены результаты моделирования реакции диссоциации молекулы НР в окружении четырех молекул растворителя.

Рис.7. Равновесная структура кластера (НР)5 в конфигурации локального минимума. Показанные расстояния (А) вычислены методом ДФМ (верхние значения) и МР2/а1^-сс-рУТЭг (нижние значения).

На Рис 7 изображена структура кластера (НР)5 в конфигурации локального минимума, в котором центральная молекула фторида водорода (подвергающаяся

(НР)„.

3.08 2,96

диссоциации) окружена четырьмя другими молекулами Методом КМ/ДФМ рассчитывались сечения поверхностей потенциальной энергии кластера (НР)б вдоль координаты, соответствующей диссоциации выделенной молекулы НЬ' из пентамера. Остальные 4 молекулы кластера, окружающие выделенную, рассматриваются как молекулы «растворителя» Для каждого значения координаты реакции, т е межъядерного расстояния Янг в диссоциирующей молекуле Нр, положения всех частиц в кластере оптимизировались по минимуму энергии. Нижнее электронное состояние системы коррелирует с основными состояниями атомов Н+Р диссоциирующей молекулы Ш7. Возбужденное электронное состояние коррелирует с ион-парным пределом Н* + Г.

На Рис.8 показаны рассчитанные сечения поверхностей потенциальной энергии кластера (НР)5 Определенные изменения вследствие влияния «растворителя» происходят на потенциальной поверхности основного состояния, однако, наиболее интересным оказывается эффект окружения на возбужденное состояние. Видно, что потенциальные кривые диссоциации на нейтральные и ион-парные атомные частицы резко сближаются в том случае, когда молекула диссоциирует в молекулярном окружении. Молекулы растворителя НР полярные, и их существенное влияние на ион-парные состояния частиц «растворенного вещества» понятно.

Рис.8. Потенциальные кривые диссоциации молекулы НР в изолированном состоянии и в кластере (НР)4.

Можно ожидать, что при увеличении числа молекул растворителя потенциальная кривая диссоциации на иоп-парные атомные частицы понизится еще сильнее и пересечет кривую основного состояния Фактически данный расчет моделирует явление электролитической диссоциации полярных молекул в растворах. Качественно похожие результаты были получены и для кластеров большего размера [27].

ЩН Р) А

Данный пример демонстрирует возможности использования поверхностей потенциальной энергии молекулярных ассоциатов с водородными связями, построенных по теории ДФМ, для моделирования химических реакций в конденсированных средах

Часть III. Развитие комбинированных методов квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) для моделирования химических реакций в сложном молекулярном окружении.

Постановка задачи. Значительный прогресс в моделировании явлений ферментативного катализа на молекулярном уровне связан с разработкой комбинированных методов квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ). Согласно основной идее этого подхода [A.Warshel, 1976] часть молекулярных групп белка, в которой происходят перераспределения химических связей, включается в основную подсистему, и энергии и силы в ней рассчитываются методами квантовой химии, а остальная часть относится к молекулярно-механической подсистеме. Предполагается, что в приближении КМ/ММ необходимо учитывать и конформационные изменения в MM-части, происходящие в ходе химической реакции, и влияние поля MM-подсистемы на гамильтониан квантовой части Развитие и применение методики КМ/ММ на основе теории потенциалов эффективных фрагментов [M.Gordon, 2001] было дано в наших работах [31, 34-45] Данная методика позволяет также рассчитывать энергетические профили реакций в водной среде

Ш.1. Моделирование реакции ОН' + СО2 —> НСОз" в водных кластерах.

В работах [31, 34] рассмотрена реакция ОН' + С02 —► НСОз", энергетический профиль которой принципиально различается для газовой фазы и для водного окружения (Рис 9). В отсутствии среды энергия сближающихся реагентов понижается вплоть до точки образования продукта НСОз' В водном окружении на пути реакции возникает потенциальный барьер, на наличие которого указывают и экспериментальные данные, и расчеты в рамках континуальных моделей среды. Метод КМ/ММ в варианте потенциалов эффективных фрагментов позволяет учесть молекулы растворителя в рамках кластерного подхода Выполненные расчеты в этом приближении дают тот же резульш, чю и в рамках континуальной модели, а именно, предсказывают наличие барьера (Рис 9)

МЧ] — ч

6(4321

Я, А

Рис.9. Энергетический профиль реакции ОН" + СОг —> НСОз". Координатой реакции выбрано расстояние Я между кислородом гидроксила и углеродом СОг; остальные внутренние координаты оптимизированы для каждого значения Я. Профиль в газовой фазе рассчитан в приближении МР2/6-311++0** Профиль в водном окружении рассчитан для системы в окружении совокупности молекул воды, описываемых эффективными фрагментами (положения молекул воды также оптимизированы для каждого значения координаты реакции).

Преимуществом дискретных моделей среды является возможность анализировать расположение частиц растворенного вещества и растворителя вдоль координаты реакции в среде. В данном случае удается понять причину возникновения барьера на пути реакции, рассматривая систему водородных связей, в которую вовлекаются молекулы воды и реагентов. Если сравнить расположение частиц до барьера и на барьере, то можно заметить, что в ближайшей гидрагной оболочке ОН' происходят изменения - до барьера гидроксил-анион окружен большим количеством молекул воды, чем на барьере (6 против 4), и соответственно, энергия такой системы оказывается ниже. В наших работах был оценен барьер свободной энергии величиной 8-13 ккал/моль, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

III.2. Моделирование свойств и динамики НХеОН в водных кластерах.

Ряд соединений благ ородных газов состава где У - электроотрицательный

фрагмент, были синтезированы методами матричной криохимии в университете Хельсинки (Финляндия) [М.Каяапеп, Ь.КЬпасМсЬеу, 2000]. В частности, была зафиксирована частица НХеОН, образующаяся при лазерном облучении водно-ксеноновой

смеси в аргоновых матрицах с последующим отжигом матрицы Полосы ИК-спектра, отнесенного к данному соединению, полностью согласуются с результатами квантово-химических расчетов. Система НХеОН, представляющая собой ионную пару НХе+...ОН", относится к локальному минимуму на потенциальной поверхности, и основному измеру соответствует комплекс Хе...НгО. Большой интерес представляло исследование возможности существования ассоциатов НХеОН с молекулами воды.

В нашей работе [37] рассматривались кластеры состава НХеОН-(НзО)„, причем на первом этапе моделирования частица внедрения НХеОН описывалась методами квантовой химии, а окружающие ее молекулы воды - эффективными фрагментами. Было показано, что молекулы воды фиксированной геометрической конфигурации могут образовывать клетки, полностью захватывающие НХеОН Однако, подобные локальные минимумы на потенциальных поверхностях неустойчивы, и при переходе на более высокий уровень моделирования средствами квантовой химии наблюдается декомпозиция кластеров. В частности, методами МР2 с использованием базисов aug-cc-pVTZ на кислороде и водороде, штуттгартского пседопотенциала и соответствующего базиса (6s6pld)/[4s4pld] на ксеноне были найдены конфигурации локальных и глобальных минимумов на ППЭ комплексов НХеОН с молекулами воды. Было показано, что комплексам НХе0Н-(Н20)„ (п=1,2,3) соответствуют связанные состояния систем, в то время как дальнейшее увеличение числа молекул воды приводит к распаду комплекса Расчетом частот и ИК-интенсивностей колебаний было показано, что неотнесенные ранее экспериментальные полосы в спектрах матрично-иэолироваиных частиц соответствуют комплексам с одной HXeOH-(HjO) и двумя НХе0Н-(Н?0)2 молекулами воды. Наиболее интересные результаты были получены при моделировании пути распада комплексов, т е. переходу систем от локальных к глобальным минимумам Для этого были найдены конфигурации переходных состояний как седловых точек с единственной мнимой частотой колебаний, и в обе стороны от этих точек построены пути минимальной энергии в долины реагентов и продуктов (опция внутренней координаты реакции (IRC)).

На Рис.10 показан рассчитанный энергетический профиль, соответствующий распаду комплекса НХеОН с двумя молекулами воды. Слева показана конфигурация локального минимума (метастабильного состояния) НХеОН-(НгО)2 (а), на вершине барьера изображена конфигурация переходного состояния (Ь), справа внизу - структура продукта распада Хе + ЗНгО (е). Промежуточные структуры (с) и (d) иллюстрируют процесс миграции протонов по системе водородных связей. При движении системы слева направо сразу же после переходного состояния протон от фрагмента ХеН+ переходит на

ближайшую молекулы воды (структура (с)) Другой протон от образовавшейся частицы НзО+ движется к следующей молекуле воды (структура (с1)), от которой еще один протон перемещается к гидроксилу ОН".

1

0-

ш

-20-

-40-

-60-

-80-

100-

120-

-4

0 2 4 Яеасиоп соокйпаи

Рис.10. Рассчитанный методом МР2 путь реакции распада комплекса НХе0Н-(Н20)2 - > Хе-(Н20)з. Показаны конфигурации метастабильного состояния НХе0Н-(Н20)2 (а), переходного состояния (Ь), продукта реакции НХе0Н-(Н20)2 (е), и промежуточных структур на пути передачи протона (с) и ((1).

Данный механизм переноса протона по ориентированным цепям молекул воды иллюстрирует молекулярную схему, которую принято называть водным (или протонным) проводником.

Ш.З. Метод КМ/ММ с конформационно-подвижными эффективными фрагментами.

Непосредственное использование метода потенциалов эффективных фрагментов (ЭФ) в том виде, как он реализован в программе ОАМЕ8Я(ив) [М.Оогс1оп, 2001], сталкивается с существенными ограничениями, связанными с условием фиксированных внутренних координат ЭФ Для задач моделирования свойств и динамики молекул в окружении молекул растворителя, описываемых фрагментами, это ограничение не самое серьезное. Однако, если претендовать на описание химических превращений в среде биомолскул, в частности, на описание ферментативных реакций, то необходимо серьезное усовершенствование подхода. Развитие метода КМ/ММ на основе теории потенциалов эффективных фрагментов, позволившее приступить к регулярным расчетам энергетических профилей химических реакций в окружении биомолекул, описано в наших работах [35,36,39]. Были предложены два принципиально новых подхода: (1) введение

конформационной нежесткости в ЭФ, (2) решение проблемы границы между КМ- и ММ-подсис1емами. Программная реализация нового варианта метода КМ/ММ основана на комбинации программ PC GAMESS (А.Грановский) и TTNKFR (J Ponder)

Рис.11. Представление молекулярной системы (дипептида М-ацетил-1--аланин-М'-метиламида) подвижной совокупностью эффективных фрагментов

На Рис.11 показано, каким образом молекула дипептида М-ацетил-Ь-аланин-М'-метиламида, относимая к ММ-подсистеме, может бьггь представлена подвижной совокупностью малых ЭФ. В данном примере фрагментами с фиксированными внутренними координатами являются группы СНз, ССЖН, СНг. Центральным допущением нашего подхода является предположение, что взаимодействие каждого ЭФ с квантовой частью описывается по теории потенциалов эффективных фрагментов, но взаимодействие фрагментов между собой моделируется с использованием молекулярно-механических силовых полей. Взаимодействие ц-го фрагмента с квантовой частью моделируется посредством потенциалов в ядерной и электронной частях. Для электронной части эффективные одноэлектронные потенциалы УД г) вносят вклады в матричные элементы одноэлектронного гамилыониана (или фокиана) квантовой подсис!емы. Соответствующие потенциалы записываются в виде

= + (18) к=1

Параметры электростатических вкладов УЕ1"Е<:ц(г) определяются в предварительных квантовохимических расчетах электронной плотности фрагмента, параметры дополнительных вкладов У*\,(г) подбираются также по результатам квантовохимических

расчетов энер1ии взаимодействия (Х-го фрагмента с реперной молекулой квантовой подсистемы (часто, с молекулой воды). Для большого числа ЭФ, составляющих аминокислотные остатки, нами были подобраны параметры потенциалов ЭФ, использованные в различных приложениях без дальнейшей корректировки.

В работах [35,40] рассчитывались конформационные изменения в молекуле дипептида М-ацетил-1,-аланин-Р>Г-метиламида при ее комплексации с молекулами воды. Дипептид, представленный шестью эффективными фрагментами (3 группы СНз, 2 группы СОМН и 1 группа СН, Рис 12), относился к ММ-подсистеме, описываемой силовыми полями ОРЦЗАА, несколько молекул воды - к КМ-подсистеме, описываемой в приближении 1ШР/6-ЗЮ**. На Рис.12 изображена структура комплекса, отвечающая глобальному минимуму на композитной Е«м + Емм потенциальной поверхности для комплекса с четырьмя молекулами воды.

Рис.12. Комплекс Ы-ацетил-Г.-аланин-Ы'-метиламида с 4 молекулами воды.

Было показано, что с использованием данного варианта метода КМ/ММ можно воспроизвести результаты экспериментальных наблюдений [С Б-Рооп, 2000], согласно которым ассоциация дипептида с 4 молекулами воды приводит к значительному изменению двугранных углов ф и ц/ по отношению к их значениям для свободного дипептида. Результаты наших КМ/ММ расчетов полностью согласуются с экспериментальными данными для углов ф и *|/ - расчет' <р = -80°, V)/- 154°; эксперимент: (р = -85 + 5°, \\1 =■ 160 + 20° Результаты КМ/ММ моделирования также хорошо согласуются с данными квантовохимических расчетов в отношении порядка следования изомеров данного комплекса

Другое принципиальное положение нашей схемы о границе между КМ- и ММ-областями, проходящей по коваленгным связям, проиллюстрировано на Рис.13 на примере аминокислотного остатка гистидина В данном случае к квантовой части отнесено

имидазольное кольцо, остальные группы молекулярно-механической части представляются подвижной совокупностью эффективных фрагментов В нашей схеме выделяется фрагмент, общий и для КМ-, и для ММ-подсистем (здесь, группа -СНг-), называемый буфером. Будучи частью КМ-подсистемы, буферный фрагмент дополняется замыкающим атомом водорода, с другой стороны, как часть ММ-подсистемы, буферный фрагмент не участвует во вкладах от потенциалов фрагментов ММ-части в матрицу Фока квантовой подсистемы. Расчет сил на атомы буферного фрагмента также имеет свои особенности.

Рис.13. Иллюстрация трактовки границы между КМ- и ММ-подсистемами.

В работах [36,39] выведены правила вычислений энергии для всей системы Е = Ккм + Емм, а также сил, действующих на каждый атом В результате создана методика, которая позволяет рассчитывать композитные поверхности потенциальной энергии и находить стационарные точки на этих поверхностях. В рабо1е [39] показано, что наша схема КМ/ММ позволяет воспроизвести результаты общепринятых тестов для развиваемых различными авторами методик КМ/ММ. На Рис 14 приведены результаты значительно более сложного теста, а именно, результаты расчетов потенциальной кривой внутреннего вращения вокруг Са - Ср связи в гистидине, причем именно по этой связи проходит

граница между КМ- и ММ-областями (Рис.13). Совпадение потенциалов, полученных в

1РОС. НАЦИОНАЛЬНА)« | БИБЛИОТЕКА | С. Петербург ( 33

01 ЯО Ш (

рамках полностью неэмпирического подхода и по новой схеме КМ/ММ, достаточно убедительное.

-180 -150 -120 -90 -60 -30

i 11 i '' i ' 1 i 30 60 90 120 150 180

Torsional angle, deg

Рис.14. Потенциальные кривые внутреннего вращения вокруг Са - Ср связи в гистидине Кривая с квадратами относится к результатам расчетов методом КМ/ММ ({ШИ/б-ЗЮ**/ОРГ.8ЛА) с разделением на подсис!емы согласно Рис.13 Кривая с треугольниками относится к результатам полностью квантового неэмпирического методом ЯНР/б-ЗЮ**

Ш.4. Моделирование реакции глютатиона с гидроксиметильным радикалом в водных кластерах.

В работах [41,44] новый метод КМ/ММ с подвижными эффективными фрагментами был применен для расчетов энергетических профилей радикальной реакции глютатиона 08Н с гидроксиметильным радикалом в водном окружении

+ *СН2ОН

NH3

I °

I И

'OOCHCH2CH2CNH

+ сн.он

OOCH.NHCCHCHj-S'

ын3

I 0

I II

'ООСНСН2СН2СМН

I

"ООСН2КНССНСН2-5Н

А «

Атомы гидроксиметилыюго радикала и сульфгидрильной группы ОвН с примыкающим буферным фрагментом СН2 отнесены к КМ-подсистеме Остальные группы молекулы глютатиона были представлены 10-ю эффективными фрагментами Каждый такой

фрагмент перемещается как единое целое в результате взаимодействий с квантовой подсистемой и с остальными эффективными фрагментами (включая и молекулы воды)

Н($Н)-Р(СН), А

Рис. 15. Энергетический профиль реакции глютатиона с гидроксиметильным радикалом в водных оболочках

Молекулы воды из гидратной оболочки также описывались в приближении эффективных фрагментов, т.е. как частицы с фиксированными внутренними координатами, взаимодействующие с КМ-подсистемой и с ММ-частью пептида с параметрами потенциалов ЭФ, включенными в базу данных программного комплекса ОАМЕЯЙ. Взаимодействие молекул воды между собой в данном приложении рассчитывалось с помощью эмпирического потенциала Т1РЗР (включенного в библиотеку ОРЬвАА).

На первом этапе бьии выполнены расчеты энергетического профиля реперной газофазной реакции "СНгОН + СН:)ЯН -> СН3ОН + СНзБ", что включало нахождение переходного состояния (седловой точки на потенциальной поверхности) и построение полного сечения, связывающего реагенты и продукты. Был использован

mhoi (¡конфигурационный метод ССП с учетом наиболее важных электронных конфигураций, претерпевающих изменения в ходе радикальной реакции

Далее вся система ('СНгОН + GSH) в конфигурации, близкой к переходному состоянию, окружалась достаточно большим кластером молекул воды и проводились расчеты энергии при спусках либо в долину реагентов, либо в долину продуктов В квантовой части использовался метод МК ССП, в ММ-части - силовые поля OPLSAA Рассчитанный подобным способом профиль показан на Рис 15 Были рассмотрены различные конформации глютатиона, а также гидратные оболочки разного размера.

По результатам моделирования был сделан вывод о том, что активационный барьер реакции глютатиона с гидроксиметильным радикалом в воде ниже, чем при реакции метшггиола с гидроксиметильным радикалом Показано, что на рассчитываемый энергетический профиль большее влияние оказывают конформационные изменения в трипептиде, нежели наличие гидратной оболочки молекул воды. Роль пептидного окружения заключается в расположении реакционных групп в позиции либо способстствующей, либо препятствующей реакции

Ш.5. Моделирование протонного транспорта по водным проводникам.

В другом приложении [38] нового метода КМ/ММ было выполнено моделирование реакций передачи протонов по ориентированным сетям водородных связей в белковом окружении. На Рис 16 показана одна из таких систем, описывающая участки канала мембранного белка М2 вируса гриппа. Передача прогона осуществляется через последовательность молекул воды в полости канала (водные проводники), и очевидным препятствием на пути до концевой группы Asp является наличие аминокислотного остатка i истидина.

Исходные координаты атомов модельной системы Рис.16 были получены на основании эксперимен гальных данных для белка М2, состоящего из четырех пептидных спиралей. Для наших расчетов была взята одна из таких спиралей, составленная из остатков глицина, общей длины 21 К. Большинство частиц спирали были фиксированы в пространстве для симуляции сгенки канала Функциональные группы His и Asp, и ближайшие к ним 4 молекулы воды составляли квантовую подсистему Буферные фрагменты и ближайшие к ним ЭФ из ММ-подсистемы были подвижны Оптимизация геометрических параметров проводилась методом КМ/ММ в приближении RHF/6-31G/OPLSAA Далее к системе был добавлен протон на крайнюю правую (Рис.16)

молекулу воды, и проводилась минимизация энергии Следуя координатам системы вдоль спуска по энергии, можно составить представление о движении протона Весь маршрут подразделен на первую часть (до N8 остатка His) и вторую (от Ne His до Asp)

Рис.16. Модельная система для описания протонного траспорта по ориентированным сетям водородных связей вдоль стенки канала мембранного белка М2 вируса гриппа.

Результаты моделирования методом КМ/ММ [38] показали, что вдоль ориентированных цепей молекул воды, прикрепленных к молекулярным стенкам, протон перемещается без потенциального барьера. Качественная картина перемещений протона вдоль молекул воды (с наблюдением промежуточных структур Н30+) похожа на картину Рис.10. С количественной точки зрения важно отметить, что рельеф поверхности потенциальной энергии оказывается достаточно пологим, и реориентация молекул воды позволяет избежать затрат энергии на перегруппировку химических связей. Единственный барьер на пути протона до концевой группы Asp возникает от необходимости разрывать связь Ne-H в His на второй части маршрута.

Высота активационнош барьера при отрыве протона от Nf. His была уточнена в серии квантовохимических неэмпирических расчетов с упрощенными молекулярными моделями. Было показано, что эта величина не должна превышать 5 ккал/моль.

III.6. Моделирование механизмов ферментативных реакций.

В работе [42] новым методом КМ/ММ был рассмотрен каталитический цикл реакции гадролиза пептидных связей сериновыми протеазами типа трипсина Особенностью этих ферментов является наличие каталитической триады из аминокислотных остатков серина, гистидина и аспарагиновой кислоты (Serl 95, His57, Aspl02) Существенное значение имеют также группы NH от остатков Gly 193 и Serl95, способствующие образованию т.н оксианионной дыры, позволяющей стабилизировать тетраэдрические интермедиа™ и на стадии ацилирования, и на стадии деацилирования. На пути реакции гидролиза молекулярная система проходит через фермент-субстратный комплекс (ES), первый тетраэдрический интермедиат (INT1), фермент-ацильный комплекс (ЕА), второй тетраэдрический интермедиат (INT2). Каждой структуре отвечает область локального минимума на потенциальной поверхности.

На Рис.17 пояснена схема разделения системы трипсин-субстрат на КМ- и ММ-части Начальные координаты атомов были взяты из комплекса трипсин-ингибитор BPTI (код 2РТС из банка данных белковых структур). Из молекулы ингибитора был выделен участок, моделирующий субстрат.

В квантовую область были включены фрагменты каталитической триады и центральная часть модельного субстрата около разрываемой связи. ММ-подсистема включала 750 атомов в пределах 18 А от кислородного центра серина каталитической триады. Расчеты в квантовой области при локализации точек минимумов на потенциальной поверхности были проведены в приближении ССП с базисом 6-31G Параметры молекулярно-механической части соответствовали библиотеке AMBER

Для выбранной системы были найдены равновесные геометрические конфигурации как точки минимумов на ППЭ, отвечающие характерным структурам на пути реакций всего каталитического цикла (ES, INT1, ЕА, INT2) Таким образом, моделирование энергетического профиля реакции полностью отвечает химическим представлениям о механизме ферментативного катализа сериновыми протеазами Энергии в стационарных точках были пересчитаны с использованием приближения MP2/6-31G**//RHF/6-31G в квантовой части Показано, что активационный барьер лимитирующей скорость стадии составляет 9,5 ккал/моль.

Рис.17. Разделение системы, моделирующей фермент-субстратный комплекс каталитического цикла сериновых протеаз, на КМ- и ММ-подсистемы.

В работе [45] новым методом КМ/ММ был рассмотрен механи ¡м реакции гидролиза гуанозинтрифосфата (GTP) в белковом комплексе RAS-GAP. Данная реакция, приводящая к гуанозиндифосфату (GDP) и неорганическому фосфату Pi

GTP + Н20 GDP + P¡ является лимитирующей стадией всего цикла связывания/гидролиза GTP, ответственного за передачу сигналов на рост клеток. Сбой в работе этой молекулярной машины, в частности, замедление или прекращение реакции гидролиза при определенных мутациях белка RAS имеет следствием развитие раковых опухолей Экспериментальному и теоретическому изучению реакции гидролиза GTP посвящено большое число работ, и тем не менее, четких и непротиворечивых ответов на вопросы о механизме и о роли ключевых аминокислотных остатков не дано. В частности, попытки рассчитать энергетический профиль реакции по механизму субстрат-ассистирующего катализа в рамках различных молекулярных моделей приводят к нереально высоким активационным барьерам более 40 ккал/моль.

В наших pa6oiax была рассмотрена модель, схематично изображенная на Рис 18 В квантовую подсистему включены фосфатные группы GTP, молекула воды, катион Mai ния, фрагмент Gln61 от RAS, фрагмент Agr789 от GAP (тн «аргининовый палец»). Именно эти аминокислотные остатки считаются ключевыми при функционировании всею

ферментативного комплекса В процедуру оптимизации геометрических параметров по минимуму полной энергии включены все 43 атома квантовой части и ботыпинство атомов ММ-части. При расчетах использован неэмпирический метод Хартри-Фока с базисом 1_АМЬ20/,с1р в КМ-части и параметры силового поля АМВЕЛ в ММ-части Начальные координаты атомов были выбраны на основе структуры комплекса КАЯ-ПАР с аналогом СТР (код 1 из банка данных белковых структур)

Рис.18. Молекулярная модель для расчетов методом КМ/ММ потенциальной поверхности реакции гидролиза гуанозинтрифосфата белковым комплексом ЯА8-ОАР. В квантовую подсистему включены 43 атома, часть из которых показана шарами и стержнями, к молекулярно-механической подсистеме отнесены атомы в пределах примерно 40 А от активного центра.

Результаты расчетов энергетического профиля пути реакции показаны на Рис.19, и соответствующие химические преобразования проиллюстрированы на Рис.20. Наиболее важным представляется заключение о наличии реакционного пути с невысокими активационными барьерами и о непосредственном участии С1п61 в реакции гидролиза.

/

X

^ TS1

+14.2

+8.6

0.0

GTP+H,0+E

+1.8

GDR+P0j+H20+E

X

>Л К

Reagents

TS2

H ^

Intermediate

Products -6.6

GDP+Pj+E*

Reaction coordinate

О

Рис.19. Энергетический профиль реакции гидролиза GTP белковым комплексом RASGAP.

"П—/ TWi*-У

о о о V

I I

о— Р— о— Р^ о —

у

Г— О— F^ О — C&XF -I. . щ. Y) Р

II уГ \

о о _

Ч I

О —Р—- о — GMP

Gto61

/ /

с'ч NH, NH. еьа—НИ, вн.

N™= \<V Чи: V/

•п.»—/

\/ I

ОН—Г О— Р— О— ОМР

I I

он о

он

„„ да,

\н \V

1

А»|Ч»

Рис.20. Схема, иллюстрирующая механизм реакции гидролиза GTP в белковом комплексе RAS-GAP,

Основные результаты и выводы

1 Предложена общая стратегия моделирования матричных эффектов при исследованиях химических частиц, изолированных в низко1емпсратурных матрицах инертных газов Не, N6, Аг, Кг. Продемонстрировала определяющая роль многочастичных вкладов в потенциалы взаимодействия хозяин-гость при моделировании матричных эффектов Показано, что использование метода двухатомных фрагментов в молекулах (ДФМ) оказывается практически полезным приемом при построении потенциальных поверхностей подобных систем Среди частиц внедрения в матрицы инертных газов рассмотрены малые кластеры металлов (лития, натрия, магния), двухатомные молекулы (НР, ЫВг, СЬ, вН), межмолекулярный комплекс (НР)2-

2. Предложен вариант квантово-классической молекулярной динамики, позволяющий рассчитывать электронно-колебательные спектры двухатомных молекул в матрицах инертных газов. Результаты моделирования спектров молекулы СЬ в неоновых матрицах и радикала 8Н в криптоновых матрицах согласуются с экспериментальными данными, полученными методами матричной изоляции.

3. Развит метод расчета поверхностей потенциальной энергии молекулярных кластеров с водородными связями на основе приближения ДФМ. Показано,что результаты моделирования строения и свойств кластеров фторида водорода (НР)„ и (Н20)п (гК 6) в рамках предложенного приближения не уступают по точности неэмпирическим расчетам.

4. Выполнены расчеты неэмпирическими методами квантовой химии высокого уровня точности потенциальных кривых основных и возбужденных электронных состояний для большой совокупности двухатомных молекул, необходимых для построения потенциальных поверхностей методом ДФМ

5 Развиты методы моделирования свойств и реакций молекул внедрения, комбинирующие квантово-механическос описание центральной подсистемы с полуэмпирическими подходами молекулярной механики или ДФМ для потенциалов взаимодействия хозяин-гость С использованием подобных подходов выполнены расчеты электронного строения кластеров лития в аргоновых кластерах, расчеты диссоциации молекулы НР в кластерах фторида водорода, расчеты реакций аниона гидроксила с диоксидом углерода (ОН' + СО2

I ICO )"), глютатиона с гидроксиметильным радикалом (GSH + СН2ОН -> OS- 1 СН3ОН), а также реакции декомпозиции НХеОН в водных кластерах.

6. Развит новый вариант комбинированного метода квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) на основе теории потенциалов эффективных фрагментов (ЭФ), допускающий конформационную подвижность ЭФ Создана компьютерная программа нового метода КМ/ММ, реализующая связку комплексов программ квантовой химии PC GAMESS и молекулярпой механики TINKER. С использованием нового метода рассмотрены структуры пептидов в водных кластерах, рассчитаны энергетические профили реакции передачи протона по водным проводникам, реакции каталитического цикла сериновых протеаз, реакции гидролиза гуанозинтрифосфата белковым комплексом RAS-GAP

Публикации по теме диссертации

1. Grigorenko В L., Nemukhin A.V , G.B.Sergeev, Stepanyuk V S , Szasz A , Effects of argon atoms on charge distributions in small lithium clusters // Phys.Rev. B, 1994, V 50, P. 18666

2. Nemukhin A.V., Grigorenko В L , Sergeev G В , Simulations of krypton matrix effects on the electronic spectrum ofNa2//Canad.J.Phys ,1994, V.72, p.909

3 Немухин А В , Григоренко Б.J1, Сергеев Г Б , Влияние инертных матриц на свойства матрично-изолированньтх частиц // Вестник МГУ, Химия, 1995,Т 36, С.379

4. Nemukhin А V, Grigorenko В L., Properties of the NBr molecule in argon clusters //Chem.Phys.Lett., 1995, V 233, P.627.

5. Nemukhin A V., Grigorenko B.L., Savin A V , Theoretical vibrational spectrum of (HF)2 in argon matrices //Chem Phys Lett, 1996, V.250, P.226

6 Grigorenko B.L., Nemukhin A V , Apkarian V A , Many-body potentials and dynamics based on diatomics-in-molecules- Vibrational frequency shifts in Ar„HF (n=l-12,62) clusters // J Chem Phys., 1996, V 104, P.5510-5516.

7 Немухин A.B , Григоренко Б J1, Ожегова Н.В, Молекулярная динамика малых кластеров магния в аргоновой матрице // Химич. Физика, 1997, Т 16, С 65

8 Немухин А.В., Григоренко Б Л., Ожегова Н.В., Моделирование свойств литиевых кластеров в аргоновых матрицах // Ж физич.химии, 1997,Т 71, С 306

9 Grigorenko В L , Nemukhin А V., Buchachenko А.А., Stepanov N F , Umanskii S Ya., Diatomics-in-molecules description of the Rg-Hah rare gas-halogen van der Waals complexes with applications to He-Cl2 //J Chem. Phys , 1997, V 106, P 4575

24 Nemukhin A V , Grigorenko В L , Granovsky A A , Ab initio potential energy curves of the fragments and diatomics-in-mo!ecules potential energy surfaces for the SH .Kr complex // Chera.Phys.Lett., 1999, V.301, P.287-296

25. Grigorenko BL, Moskovsky A A, Nemukhin AV., Diatomics-in-ionic systems and ab initio predictions for the stationary points on potential energy surfaces of the (HF)„ dusters (n=3-6)// JChem.Phys., 1999,V 111. P.4442-4452

26 Grigorenko В L , Moskovsky A A., Nemukhin A.V , An analysis of stationary points on the (HF)n potential surfaces (n < 6) predicted by the diatomics-in-ionic systems model

// J Molec Strucure (THEOCHEM), 2000, V 498, P.47-60

27 Nemukhin A.V, Grigorenko B.L , Skasyrskaya E Ya., Topol I A , Burt S К , A new hybrid approach for modeling reactions in molecular clusters' Application to hydrogen bonded systems // J.Chem.Phys., 2000,V.l 12, P 513-521

28 Nemukhin A V., Grigorenko B.I., Topol I.A, Burt S.K , Hydrogen bonding at the diatomics-in-molecules level: Water clusters // J.Chem.Phys., 2000,V.l 13, P.2638-2647.

29. Moskovsky A.A., Grigorenko B.L, Granovsky A.A , Nemukhin A V, Structures of the nedium-size hydrogen fluoride clusters // Russian J.Phys. Chem, 2000, V 74, Suppl 2, P S228-S236

30. Бучаченко A.A , Григоренко Б Л , Немухин А.В., Степанов Н.Ф., Уточненные расчеты колебательного спектра и динамики комплекса ArHF с использованием полуэмпирической потенциальной поверхности // Ж Физич Хим , 2001, Т 75, Х»3, С.400-406

31. Григоренко Б.Л., Князева М А„ Немухин АВ, Моделирование реакций в водных кластерах методами квантовой химии И Вестник Моек Ун-та, Химия, 2001, Т 42, с 92-94 32 Klotzbuecher W.E, Petrukhina М А , Nemukhin A.V., Ermilov A.Yu., Grigorenko B.L, Formation of mixed d- and f-block metal clusters in inert matrices, comparison of the observed and theoretical optical spectra of AgHo // Spectrochemica Acta A, 2001, V.57, P.1093-1101

33. Firsov D.A., Grigorenko B.L., Nemukhin A V , Khriachtchev L.Yu., Rasanen M , Emission of SH radicals in solid krypton Mixed quantum-classical molecular dynamics simulations // Chem.Phys.Lett, 2001,V.338, P 317-322

34 Nemukhin A V , Topol I.A, Grigorenko В L , Burt S K., On the origin of potential barrier tor the reaction OH" + CO2 -> HCO3' in water: Studies by using continuum and cluster solvation methods // J Phys Chem.B, 2002,V 106, P 1734-1740

35 Nemukhin A V., Grigorenko B.L , Bochenkova A V , Topol I.A , Burt S K., A QM/MM approach with effective fragment potentials applied to the dipeptide-water structures

// J Molec.Struct. (Theochem), 2002,V.581, P.167-175

36. Grigorenko B.L., Nemukhin A V., Topol I A., Burt S.K., Modeling of biomolecular systems with the quantum mechanical and molecular mechanical method based on the effective fragment potential technique Proposal of flexible fragments //J.Phys Chem.A, 2002,V.106, P.10663-10672

37. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Khriachtchev L.Yu., Tanskanen H, Pettersson M., Rasanen M., Intermolecular complexes of HXeOH with water. Stabilization and destabilization effects // J.Am.Chem.Soc., 2002,V. 124, P. 10706-10711

38. Nemukhin A.V., Gngorenko B.L., Topol I.A., Burt S.K., Quantum chemical simulations of the proton transfer in water wires attached to molecular walls //J.Phys.Chem B, 2003, V.107, P.2958-2965

39. Nemukhin A.V., Grigorenko В L, Topol I.A., Burt S.K., Flexible effective fragment QM/MM method. Validation through the challenging tests // J.Comp.Chem. 2003, V.24, P.1410-1420

40. Nemukhin A.V, Grigorenko B.L., Bochenkova A.V., Kovba V.M., Epifanovsky E M., Structures of the peptidc-water complexes studied by the hybrid quantum mechanical -molecular mechanical (QM/MM) technique // Struct.Chem. 2004,V.l 5, P.3-9

41. Немухин А В , 1 ршоренко Б.Л., Князева M А , Моделирование реакции глютатиона с гидроксиметильным радикалом в воде комбинированными методами квантовой и молекулярной механики // Ж.физич химии, 2004, Т.78, №6, С. 1028-1035.

42. Nemukhm А V., Grigorenko B.L., Rogov A.V., Topol I A., Burt S.K., Modeling of the serine protease prototype reactions with the flexible effective fragment potential QM/MM method

// Theoret.Chem. Accounts. 2004, V 111, P.36-48

43. Немухин AB, Григоренко БЛ, Грановский A.A., Молекулярное моделирование с программой PC GAMESS: От двухатомных молекул до ферментов // Вестник Моск. Ун-та, Химия, 2004, Т.45, С. 75-102.

44. Nemukhin А V., Gngorenko В L, Topol I.A., Burt S.K., QM/MM modeling of the glutathione - hydroxymethyl radical reaction in water // Phys Chem Chem.Phys. 2004, V.6, P.1031-1038

45 Topol I.A., Cachau R1:,., Nemukhin A V , Grigorenko B.L., Burt S.K., Quantum chemical modeling of the GTP hydrolysis by the RAS-GAP protein complex //Biochemica et Biophisica Acta 2004, V.1700, P.125-136.

Отпечатано в копицентре Москва, Ленинские горы, МГУ, 1 Гуманитарный корпус www.stprint.ru e-mail: zakaz@stprint.ru тел. 939-3338 Заказ № 70 тираж 175 экз. Подписано в печать12.10.2004

РНБ Русский фонд

2005-4 12393

»19409

Введение.

Часть I. Моделирование строения, спектров и динамики молекул в инертных матрицах.

Постановка задачи.

1.1. Строение, спектры и динамика кластеров металлов в матрицах инертных газов.

Свойства кластеров Lin и Na2 в окружении атомов инертного газа.

Детали моделирования.

Моделирование свойств малых литиевых кластеров в аргоновых матрицах.

Влияние криптоновой матрицы на электронные спектры молекулы Na2.

Молекулярная динамика кластеров Mgn в аргоновом окружении.

1.2. Малые молекулы и межмолекулярные комплексы в матрицах инертных газов.

Свойства молекулы NBr в агоновых матрицах.

Потенциальные поверхности Rg.HF; молекула HF в аргоновых кластерах.

Межмолекулярный комплекс (HF)2 в аргоновых кластерах.

I.3. Моделирование спектров молекул в матрицах методами смешанной квантово-классической молекулярной динамики.

Спектры молекулы СЬ в неоновой матрице.

Потенциальные поверхности Kr.SH, спектры люминисценции SH в криптоне.

Часть II. Развитие метода двухатомных фрагментов в молекулах (ДФМ) для моделирования свойств межмолекулярных кластеров с водородными связями.

Постановка задачи.

II.1. Модель ДФМ для потециальной поверхности молекулы воды.

11.2. Развитие модели ДФМ, и строение кластеров (Н20)п.

11.3. Развитие модели ДФМ, и строение кластеров (HF)„.

11.4. Комбинированный метод КМ/ДФМ: Диссоциация молекулы

HF в кластерах (HF)n.

Роль молекулярного моделирования в химии достаточно велика, несмотря на явный приоритет экспериментальных исследований в этой области естествознания. Наиболее значимы такие теоретические результаты, которые невозможно, крайне трудно или слишком дорого получить экспериментальными средствами. Традиционно к задачам моделирования относят определение строения отдельных молекул, молекулярных ассоциатов или фрагментов твердых тел, а также описание механизмов химических реакций на молекулярном уровне. Очевидно, что методы квантовой механики позволяют давать достаточно полное представление о структуре и реакциях молекул. Область молекулярного моделирования, основанная на феноменологическом представлении энергии молекулярных систем, т.е. молекулярная механика, таюке испытывает серьезное влияние квантовой теории, поскольку очень часто параметры используемых потенциальных функций проще рассчитать методами квантовой химии, нежели подбирать их по большой совокупности экспериментальных данных.

Моделирование структуры и динамики химических процессов начинается с построения поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) системы. Для расчетов молекулярных превращений в газовой фазе, как правило, достаточно знания ППЭ в основном и возбужденных электронных состояниях молекулярной системы. Основной особенностью при анализе превращений в конденсированных средах является необходимость учета вляния окружения (инертной или реакционной матрицы, растворителя, молекулярных групп белка и т.д.) на свойства, и соответственно, на

ППЭ, центральной подсистемы. Подразделение всей молекулярной системы, моделирующей фрагмент конденсированной фазы, на центральную и периферийную части зависит от постановки задачи. В задачах моделирования спектров частиц, изолированных в матрицах, центральная часть - это молекула внедрения, а периферийная часть - атомы матрицы. В задачах моделирования растворов на микроуровне центральная часть - это частицы растворенного вещества, а периферийная часть - молекулы растворителя. В задачах моделирования химических реакций в белках разделение менее очевидно, но, как правило, к центральной подсистеме можно отнести фрагменты в непосредственной близости от реакционного центра, а к периферийной - молекулярные группы в пределах десятков ангстрем от центра. Термин «периферийная подсистема» не означает, что атомные или молекулярные группы из этой подсистемы не оказывают влияние на свойства центральной части, это влияние может быть весьма существенным, и, в частности, учет подобных эффектов составляет предмет исследований, описанных в данной работе.

Известны два основных подхода к анализу молекулярных систем в конденсированных средах - на основе континуальных моделей среды и на основе кластерных моделей. Работы, составившие предмет данной диссертации, преимущественно относятся к направлению кластерных моделей, в рамках которого определенное число частиц среды явно включается в рассматриваемую молекулярную систему. В дальнейшем часто будет использоваться название «кластер» для фрагмента конденсированной фазы, выделенного для теоретического анализа.

Методы построения 11113 для молекулярного моделирования можно подразделить на полуэмпирические и неэмпирические. В первом случае потенциалы взаимодействия между частицами записываются в аналитическом виде, и параметры выбранных функций подбираются по согласованию результатов моделирования с выборкой экспериментальных данных. Наиболее популярны потенциалы, используемые в методах молекулярной механики (ММ), классической молекулярной динамики или потенциалы, применяемые в физике твердого тела. В рамках подобного подхода было выполнено огромное число работ по моделированию свойств атомных кластеров, как гомогенных, так и гетерогенных. Прежде всего, это расчеты равновесных геометрических конфигураций кластеров, как совокупность минимумов на многомерных ППЭ. Следует иметь в виду, что для подобных систем характерно наличие большого числа таких минимумов, и соответственно, наличие множества структурных модификаций. Как правило, локальные минимумы разделены невысокими потенциальными барьерами, и даже при небольших температурах могут наблюдаться переходы между структурами. Следовательно, требуется перечислить достаточно большое число структур, что составляет достаточно сложную задачу. Далее, для найденных точек рассчитываются энергетические характеристики и делаются прогнозы о термодинамической стабильности системы. В частности, используются молекулярно-динамические (МД) расчеты траекторий частиц в кластерах при заданной температуре. Анализ траекторий, построение различных функций распределения, автокорреляционных функций позволяет характеризовать кластер, проанализировать зависимость свойств от размера кластера.

Наиболее существенным ограничением моделирования с эмпирическими потенциалами является то обстоятельство, что, оставаясь в рамках этого подхода, вообще говоря, невозможно рассматривать химические реакции, так как подобные потенциалы не описывают изменений электронной структуры.

Потенциалы взаимодействия, построенные неэмпирическими методами квантовой химии, естественно, более универсальны и принципиально позволяют решать все проблемы строения и химических реакций. Основные ограничения здесь связаны с размерами выделенной молекулярной системы. По-видимому, можно утверждать, что для частиц, включающих до двух десятков атомов, современные квантово-химические методы могут рутинно применяться и приводить к очень надежным результатам. Речь может идти о нахождении координат стационарных точек на поверхностях потенциальной энергии основных электронных состояний кластеров (т.е. точек локальных минимумов и барьеров на путях перегруппировок), расчетах относительных энергий в этих точках, а также энергетических профилей путей химических реакций в системе, прогнозах колебательных и электронных спектров, анализе деталей распределения электронной плотности. Стоимость подобных расчетов достаточно высока даже на уровне Хартри-Фоковского приближения. Кроме того, для молекулярных кластеров зачастую требуется применение методов с учетом эффектов электронной корреляции. Тем не менее, для систем с числом атомов от десяти до ста неэмпирические расчеты также технически осуществимы, но в этом случае придется значительно поступиться уровнем приближения. При этом равновесные геометрические конфигурации низколежащих минимумов на потенциальных поверхностях можно определить относительно хорошо, равно как и оценить термодинамическую стабильность кластеров. Хотя прогноз спектров и реакционной способности кластерных частиц будет выполнен с меньшей точностью, но качественные тенденции будут воспроизведены правильно.

Существенный прогресс в развитии методов моделирования свойств больших молекулярных систем (для которых целесообразно подразделение на центральную и периферийную части) связан с т.н. комбинированными методами квантовой механики - молекулярной механики (КМ/ММ), интенсивно развивающимися в настоящее время. Основная идея таких подходов - использовать квантовое описание для активной части подсистемы, которая считается наиболее важной, и учесть строение периферийной части большой системы и ее влияние на центральную область посредством эмпирических или полуэмпирических потенциалов. Во многих случаях размер центральной части может быть выбран в пределах двух-пяти десятков атомов, и неэмпирические методы квантовой химии могут обеспечить хорошее количественное описание и строения, и реакций в выделенной подсистеме. В молекулярно-механическую подсистему могут быть включены сотни и тысячи атомов. Хотя не все принципиальные вопросы теории КМ/ММ решены, этот подход все более активно применяется при моделировании процессов в биомолекулярных системах и в материаловедении.

Все совеременные методы молекулярного моделирования ориентированы на использование компьютеров и специальных пакетов программ. Работы, составляющие предмет данной диссертации, преимущественно выполнены с применением квантовохимического пакета программ GAMESS (The General Atomic and Molecular Electronic Structure System) и его версии PC GAMESS, ориентированной на компьютеры архитектуры Intel. Небольшая часть расчетов выполнена с использованием комплекса Gaussian. Задачи молекулярно-динамического моделирования решались с помощью компьютерных программ, разработанных в данной работе. Полностью оригинальными являются компьютерные программы реализации метода КМ/ММ, осуществляющие связку комплексов программ квантовой химии PC GAMESS и молекулярной механики TINKER.

Диссертация посвящена развитию новых методов расчета поверхностей потенциальной энергии молекулярных кластеров, моделирующих фрагменты конденсированных фаз, а также компьютерным реализациям новых подходов и исследованию конкретных задач матричной изоляции, задач теории микрорастворимости, и задач моделирования в биохимии.

Диссертация состоит из трех частей: Часть 1 «Моделирование строения, спектров и динамики молекул в инертных матрицах»; Часть 2 «Развитие метода двухатомных фрагментов в молекулах (ДФМ) для моделирования свойств межмолекулярных кластеров с водородными связями»; Часть 3 «Развитие комбинированных методов квантовой и молекулярной механики для моделирования химических реакций в сложном молекулярном окружении».

Основные результаты исследований представлены в 45 публикациях [1-45] в рецензируемых отечественных и международных научных журналах. Литературный обзор не выделен в отдельную главу, общую для всей работы, но в каждой части приводятся сведения о работах, представленных в литературе, имеющих отношение к соответствующему разделу диссертации. Ссылки на общие вопросы квантовой механики, квантовой химии, молекулярной спектроскопии, изложенные, в частности, в учебниках и монографиях [46-57] и активно использованные в ходе исследований, как правило, не будут приводиться явно в тексте, чтобы не перегружать изложение.

Часть I. Моделирование строения, спектров и динамики молекул в инертных матрицах.

Постановка задачи.

Цель первой части работы — теоретическая оценка изменений в структурных, динамических и электронных свойствах молекул, межмолекулярных комплексов и малых кластеров, обязанных влиянию матрицы из атомов благородных газов на свойства внедренной в нее системы.

С тех пор, как начались исследования атомов и молекул в инертном охлаждённом твёрдом носителе и появился термин «матричная изоляция» [58, 59], изучение спектров молекул с высокой реакционной способностью стало одним из приоритетных научных направлений. Однако, вскоре выяснилось, что матрицы «инертных» газов не являются действительно инертными и во многих случаях могут оказывать существенное воздействие на изолированные частицы и их спектры. По мере развития экспериментальных приемов и улучшения разрешения спектральных линий проблема оценки матричных сдвигов в спектрах стала достаточно актуальной. Практическое значение моделирования матричных сдвигов связано с тем, что для очень многих соединений доступны только лишь результаты экспериментов в матрицах, и необходима экстраполяция молекулярных постоянных для свободных, а не матрично-изолированных молекул.

Теоретические основы моделирования матричных эффектов в принципе понятны - за наблюдаемые изменения ответственно межмолекулярное взаимодействие между молекулой внедрения и атомами (или молекулами) матричного окружения. Основную проблему представляет вычисление конкретных величин матричных сдвигов, причем даже направление подобного сдвига далеко не всегда удается воспроизвести на модельном уровне. Если говорить о колебательных спектрах молекул, то в инертных матрицах матричные сдвиги могут быть в пределах нескольких десятков волновых чисел как в сторону больших частот (положительные или «синие» сдвиги), так и в сторону меньших частот (отрицательные или «красные» сдвиги) по сравнению с газовой фазой. Известно, что в экспериментальных условиях возможно образование нескольких мест захвата одной и той же молекулы данной матрицей в зависимости от способа ее приготовления, что приводит к достаточно сложной картине спектра и еще более затрудняет теоретический анализ.

Начиная с наших первых работ в этом направлении [1 - 5, 7, 8] была предложена следующая схема учета влияния инертной матрицы на свойства захваченных матрицей частиц: система моделируется гетерокластером заданного размера, составленным из фрагмента кристаллической решетки ГЦК инертного газа Rg (Ne, Аг, Кг). В центре системы формируется полость, в которую помещается молекула. С выбранными потенциалами взаимодействия матричных атомов с внедренной в матрицу молекулой определяется равновесная геометрическая конфигурация системы, и в этой точке анализируются ее свойства, в частности, подсчитывается матрица силовых постоянных молекулы с учетом вкладов от взаимодействия с окружением, либо рассчитываются электронные характеристики системы методами квантовой химии, очень часто проводится расчет молекулярно-динамических траекторий от данной начальной конфигурации с вычислением ряда характеристик системы вдоль траектории.

Теоретические работы других исследовательских групп по моделированию свойств и динамики малых молекул в матрицах инертных газов достаточно полно отражены в обзорах Р.Гербера с сотрудниками [60] и А.Апкаряна и Н.Швентнера [61]. В работах Р.Гербера и др. проводятся молекулярно-динамические расчеты процессов фотодиссоциации малых молекул в кластерах инертных' газов с использованием полуэмпирических потенциальных поверхностей [62, 63]. Недавняя работа [64], посвященная оценкам колебательных спектров соединений HArF, HKrF, HXeCl, HXel в кластерах инертных газов и анализу структур вблизи мест захвата молекул матрицей, по выбору методики близка к нашим подходам. В группе И.Хааса также проводятся молекулярно-динамические расчеты геометрии мест захвата малых молекул с применением эмпирических потенциалов (например, [65]). Достаточно активны в области моделирования свойств соединений инертных газов методами квантовой химии группы в Финляндии (Я.Лунделл, Х.Куннту [66-68]). На химическом факультете МГУ оригинальное направление исследования свойств ван-дер-ваальсовых кластеров с участием атомов инертных газов развивается в лаборатории строения и квантовой механики молекул в работах А.А.Бучаченко и Н.Ф.Степанова [69-71]. В лаборатории молекулярных пучков химического факультета МГУ проводятся теоретические оценки свойств малых кластеров инертных газов [72].

Наши работы, изложенные в Части I, в определенной степени развивают подход, предложенный в начале 90-х годов (А.Крылова и А.В.Немухин [73, 74]) для расчетов колебательных спектров матрично-изолированных частиц. Прежде всего, это относится к необходимости учета многочастичных вкладов в энергию взаимодействия при построении поверхностей потенциальной энергии.

Основные результаты и выводы

1. Предложена общая стратегия моделирования матричных эффектов при исследованиях химических частиц, изолированных в низкотемпературных матрицах благородных газов Ne, Ar, Кг. На основе фрагмента решетки ГЦК формируется гетерокластер с молекулой внедрения в центре системы. Для всей системы строится потенциальная поверхность и рассчитываются структурные и динамические свойства матрично-изолированной частицы. Продемонстрирована определяющая роль многочастичных вкладов в потенциалы взаимодействия хозяин-гость при моделировании матричных эффектов. Показано, что использование метода двухатомных фрагментов в молекулах (ДФМ) оказывается практически полезным приемом при построении потенциальных поверхностей подобных систем. Среди частиц внедрения в матрицы инертных газов рассмотрены малые кластеры металлов (лития, натрия, магния), двухатомные молекулы (HF, NBr, CI2, SH), межмолекулярный комплекс (HF)2.

2. Предложен вариант квантово-классической молекулярной динамики, позволяющий рассчитывать электронно-колебательные спектры двухатомных молекул в матрицах благородных газов. Результаты моделирования спектров молекулы С12 в неоновых матрицах и радикала SH в криптоновых матрицах полностью согласуются с экспериментальными данными, полученными методами матричной изоляции.

3. Развит метод расчета поверхностей потенциальной энергии молекулярных кластеров с водородными связями на основе приближения ДФМ. Показано,что результаты моделирования строения и свойств кластеров фторида водорода (HF)n и (Н20)п (п< 6) в рамках предложенного приближения не уступают по точности неэмпирическим расчетам.

4. Выполнены расчеты неэмпирическими методами квантовой химии высокого уровня точности потенциальных кривых основных и возбужденных электронных состояний для большой совокупности двухатомных молекул, необходимых для построения потенциальных поверхностей методом ДФМ.

5. Развиты методы моделирования свойств и реакций молекул внедрения, комбинирующие квантово-механическое описание центральной подсистемы с полуэмпирическими подходами молекулярной механики или ДФМ для потенциалов взаимодействия хозяин-гость. С использованием подобных подходов выполнены расчеты электронного строения кластеров лития в аргоновых кластерах, расчеты диссоциации молекулы HF в кластерах фторида водорода, расчеты реакций аниона гидроксила с диоксидом углерода (ОН" + С02 —> НСОз"), глютатиона с гидроксиметильным радикалом (GSH + -СН2ОН GS- + СН3ОН), а также реакции декомпозиции НХеОН в водных кластерах.

6. Развит новый вариант комбинированного метода квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) на основе теории потенциалов эффективных фрагментов (ЭФ), допускающий конформационную подвижность ЭФ. Создана компьютерная программа нового метода КМ/ММ, реализующая связку комплексов программ квантовой химии PC GAMES S и молекулярной механики TINKER. С использованием нового метода рассмотрены структуры пептидов в водных кластерах, рассчитаны энергетические профили реакции передачи протона по водным проводникам, реакции каталитического цикла сериновых протеаз, реакции гидролиза гуанозинтрифосфата белковым комплексом RAS-GAP.

1. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Sergeev G.B., Stepanyuk V.S., Szasz A., Effects of argon atoms on charge distributions in small lithium clusters // Phys.Rev. B, 1994, V.50, P. 18666

2. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Sergeev G.B., Simulations of krypton matrix effects on the electronic spectrum of Na2 //Canad J.Phys., 1994, V.72, p.909.

3. Немухин A.B., Григоренко Б.Л., Сергеев Г.Б., Влияние инертных матриц на свойства матрично-изолированных частиц // Вестник МГУ, Химия, 1995,Т.36, С.379.

4. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Properties of the NBr molecule in argon clusters

5. Chem.Phys.Lett., 1995, V.233, P.627.

6. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Savin A.V., Theoretical vibrational spectrum of (HF)2 in argon matrices //Chem.Phys.Lett., 1996, V.250, P.226.

7. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Apkarian V.A., Many-body potentials and dynamics based on diatomics-in-molecules: Vibrational frequency shifts in ArnHF (n=l-12,62) clusters // J.Chem. Phys., 1996, V.104, P.5510-5516.

8. Немухин A.B., Григоренко Б.Л., Ожегова H.B., Молекулярная динамика малых кластеров магния в аргоновой матрице // Химич. Физика, 1997, Т.16, С.65

9. Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Ожегова Н.В., Моделирование свойств литиевых кластеров в аргоновых матрицах // Ж.физич.химии, 1997,Т.71, С.306

10. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Buchachenko A.A., Stepanov N.F., Umanskii S.Ya., Diatomics-in-molecules description of the Rg-Hal2 rare gas-halogen van der Waals complexes with applications to He-Cl2 // J.Chem. Phys., 1997, V.106, P.4575

11. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Modeling properties of the HF dimer in argon clusters // Intern.J.Quant. Chem. ,1997, V.62, P.55

12. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Modeling trapping sites of (HF)2 in argon clusters // Chem.Phys.Lett., 1997, V.270, P. 103.

13. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Ab initio potential functions for the ionic states of OH// Chem.Phys.Lett., 1997, V.276, P.171.

14. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Apkarian V.A., Inclusion of ion-pair states in the diatomics-in-molecules description of potential energy surfaces: van der Waals complexes of He-Cl2 and Ar-Cl2 // Chem.Phys., 1997,V.219,P.161.

15. Григоренко Б.Л., Немухин A.B., Султанов В.Б., Расчет структуры кластеров ArnHF с ДКМ-потенциалом ArHF

16. Химич.физика, 1997, Т. 16, №12, С.З.

17. Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Ожегова Н.В., Моделирование свойств литиевых кластеров в аргоновых матрицах

18. Ж.физич.химии 1997, Т.71, С.306.

19. Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Ожегова Н.В., Моделирование спектров матрично-изолированных молекул

20. Ж.структ. химии, 1997, Т.38,С.256.

21. Григоренко Б.Л., Немухин А.В., Ожегова Н.В., Князева М.А., Молекулярная динамика кластеров с поверхностями потенциальной энергии метода двухатомных фрагментов в молекулах // Известия РАН, Физика, 1998, 62, №6, С.1164.

22. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Apkarian V.A., Towards quantitative diatomics-in-molecules model for the water molecule

23. Chem.Phys., 1998, V.232, P.321.

24. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Apkarian V.A., Hydrogen bonding described through diatomics-in-ionic-systems: The HF dimer

25. J.Chem.Phys., 1998,V.108, P.4413.

26. Ovchinnikov M., Grigorenko B.L., Janda K.C., Apkarian V.A., Charge localization and fragmentation dynamics of ionized helium clusters //J.Chem.Phys., 1998,V.108, P.9351.

27. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Ozhegova N.V., MD-DIM3 лsimulations of the ng(ion-pair) —> nu(valence) red-shifted transitions of Cl2 in neon matrices //Chem. Phys. Lett., 1998, V.296, P.84-92

28. Grigorenko B.L., Khriachtchev L., Nemukhin A.V., Pettersson M., Isoniemi E., Rasanen M., Excited-state effects in luminescence spectroscopy of SH radicals in krypton matrices: Experiment and simulations // J.Chem.Phys., 1999,V.110, P.5836-5843

29. Buchachenko A.A., Stepanov N.F., Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., ArHF vibrational predissociation dynamics using the diatomics-in-molecules potential energy surface // J.Chem.Phys., 1999,V.l 11, P.2470-2477

30. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Granovsky A.A., Ab initio potential energy curves of the fragments and diatomics-in-molecules potential energy surfaces for the SH.Kr complex // Chem.Phys.Lett., 1999, V.301, P.287-296

31. Grigorenko B.L., Moskovsky A.A., Nemukhin A.V., Diatomics-in-ionic systems and ab initio predictions for the stationary points on potential energy surfaces of the (HF)n clusters (n=3-6) // J.Chem.Phys., 1999,V. Ill, P.4442-4452

32. Grigorenko B.L., Moskovsky A.A., Nemukhin A.V., An analysis of stationary points on the (HF)n potential surfaces (n < 6) predicted by the diatomics-in-ionic systems model // J.Molec.Strucure (THEOCHEM), 2000, V.498, P.47-60

33. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Skasyrskaya E.Ya., Topol I.A., Burt S.K., A new hybrid approach for modeling reactions in molecular clusters: Application to hydrogen bonded systems // J.Chem.Phys.,2000,V.l 12, P.513-521

34. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Topol I.A., Burt S.K., Hydrogen bonding at the diatomics-in-molecules level: Water clusters

35. J.Chem.Phys., 2000,V.l 13, P.2638-2647.

36. Moskovsky A.A., Grigorenko B.L., Granovsky A.A., Nemukhin A. V., Structures of the nedium-size hydrogen fluoride clusters // Russian J.Phys. Chem, 2000, V.74,Suppl.2, P.S228-S236

37. Бучаченко A.A., Григоренко Б.Л., Немухин A.B., Степанов Н.Ф., Уточненные расчеты колебательного спектра и динамики комплекса ArHF с использованием полуэмпирической потенциальной поверхности //Ж.Физич.Хим., 2001, Т.75, №3, С.400-406

38. Григоренко Б.Л., Князева М.А., Немухин А.В., Моделирование реакций в водных кластерах методами квантовой химии // Вестник Моск. Ун-та, Химия,2001, Т.42, с.92-94

39. Firsov D.A., Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Khriachtchev L.Yu., Rasanen M., Emission of SH radicals in solid krypton: Mixed quantum-classical molecular dynamics simulations // Chem.Phys.Lett.,2001,V.338,P.317-322

40. Nemukhin A.V., Topol I.A., Grigorenko B.L., Burt S.K., On the origin of potential barrier for the reaction OH" + C02 -> HC03" in water: Studies by using continuum and cluster solvation methods

41. J.Phys.Chem.B, 2002,V.106, P.l734-1740

42. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Bochenkova A.V., Topol I.A., Burt S.K., A QM/MM approach with effective fragment potentials applied to the dipeptide-water structures // J.Molec.Struct. (Theochem),2002,V.581, P.167-175

43. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Khriachtchev L.Yu., Tanskanen H., Pettersson M., Rasanen M., Intermolecular complexes of HXeOH with water: Stabilization and destabilization effects // J.Am.Chem.Soc., 2002,V.124, P.10706-10711

44. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Topol I.A., Burt S.K., Quantum chemical simulations of the proton transfer in water wires attached to molecular walls // J.Phys.Chem.B, 2003, V.107, P.2958-2965

45. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Topol I.A., Burt S.K., Flexible effective fragment QM/MM method: Validation through the challenging tests //J.Comp.Chem. 2003, V.24, P.1410-1420

46. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Bochenkova A.V., Kovba V.M., Epifanovsky E.M., Structures of the peptide-water complexes studied by the hybrid quantum mechanical molecular mechanical (QM/MM) technique // Struct.Chem. 2004,V.l5, P.3-9

47. Немухин A.B., Григоренко Б.JI., Князева М.А., Моделирование реакции глютатиона с гидроксиметильным радикалом в воде комбинированными методами квантовой и молекулярной механики // Ж.физич.химии, 2004, Т.78, №6, С.1028-1035.

48. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Rogov A.V., Topol I.A., Burt S.K., Modeling of the serine protease prototype reactions with the flexible effective fragment potential QM/MM method // Theoret.Chem.Accounts. 2004, V.l 11, P.36-48

49. Немухин A.B., Григоренко Б.Л., Грановский А.А., Молекулярное моделирование с программой PC GAMESS: От двухатомных молекул до ферментов // Вестник Моск. Ун-та, Химия, 2004, Т.45, С. 75-102.

50. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Topol I.A., Burt S.K., QM/MM modeling of the glutathione hydroxymethyl radical reaction in water

51. Phys.Chem.Chem.Phys. 2004, V.6, P.1031-1038

52. Topol I.A., Cachau R.E., Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Burt S.K., Quantum chemical modeling of the GTP hydrolysis by the RAS-GAP protein complex //Biochemica et Biophisica Acta 2004, V.l700, P.125-136.

53. Слэтер Дж., Электронная структура молекул, М., «Мир», 1965.

54. Базилевский М.В., Метод молекулярных орбит и реакционная способность органических молекул, М., «Химия», 1969.

55. Мак-Вини Р., Сатклиф Б., Квантовая механика молекул, М., «Мир», 1972.

56. Грибов Л.А., Введение в молекулярную спектроскопию, М., «Наука», 1976.

57. Жидомиров Г.М., Багатурьянц А.А., Абронин И.А., Прикладная квантовая химия, М., «Химия», 1979.

58. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев P.M., Теория строения молекул, М., «Высшая школа», 1979.

59. Грибов Л.А., Баранов В.И., Новосадов Б.К., Методы расчета электронно-колебательных спектров многоатомных молекул, М., «Наука», 1984.

60. Абаренков И.В, Братцев В.Ф., Тулуб А.В., Начала квантовой химии, М., «Высшая школа», 1989.

61. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И., Квантовая механика молекул и квантовая химия, М., Изд-во МГУ, 1991.

62. Грибов Л.А., Баранов В.И., Зеленцов Д.Ю., Электронно-колебательные спектры многоатомных молекул. Теория и методы расчета, М., «Наука», 1997.

63. Грибов Л.А., Муштакова С.П., Квантовая химия: Учебник, М., «Гардарики», 1999.

64. Степанов Н.Ф., Квантовая механика и квантовая химия, Изд-во МГУ, 2001.

65. Криохимия, под ред. М.Московица, Г.Озина. М., Мир, 1979.

66. Г.Б.Сергеев, В.А.Батюк, Криохимия, М., Химия, 1978, 295 с.

67. Gerber R.B., McCoy А.В., Garcia-Vela A., Photochemical reactions in weakly bound clusters //Annu. Rev. Phys.Chem., 1994, V.45, P. 275314.

68. Apkarian V.A., Schwenter N., Molecular Photodynamics in rare gas solids //Chem.Rev., 1999, V.99, P. 1481-1514.

69. Krylov A.I., Gerber R.B., Photodissociation of ICN in liquid Ar: Dynamics of cage effect and of excited state isomerization, 1994, V.100, P. 4242-4252.

70. Niv M.Y., Bargheer M., Gerber R.B., Photodissociation and recombination of F2 molecule in Ar54 cluster: Nonadiabatic molecular dynamics simulations //J.Chem.Phys., 2000, V.l 13, P. 6660-6672.

71. Bihary Z., Chaban G.M., Gerber R.B., Vibrational spectroscopy and matrix-site geometries of HArF, HKrF, HXeCl, and HXel in rare-gas solids //J.Chem.Phys., 2002, V.l 16, P. 5521-5529.

72. Fraenkel R., Haas Y. Trapping of guests in a rare gas matrix: A molecular dynamics simulation //J.Chem.Phys., 1994, V.l00, P.4324-4328.

73. Lundell J., Nieminen J., Kunttu H., All-electron and effective core potential studies on ground states of ArH+, KrH+, and XeH+ ions //Chem.Phys.Lett., 1993, V.208, P. 247-249.

74. Nieminen J., Kauppi E., Lundell J., Kunttu H., Potential energy surface and vibrational analysis along the stretching vibrations of XeHXe+ ion //J.Chem.Phys., 1993, V.98, P. 8698-8703.

75. Jolkkonen S., Pettersson M., Lundell J., Trapping site structures of HArF and HKrF in solid rare gases //J.Chem.Phys., 2003, V.l 19, P. 7356-7364.

76. Buchachenko A.A., Baisogolov A.Yu., Stepanov N.F., Interaction potentials and fragmentation dynamics of the Ne.Br2 complexes in the ground and electronically excited states //J.Chem.Soc.Faraday Trans., 1994, V. 90, PP. 3229-3236.

77. Buchachenko A.A., Stepanov N.F., Ar-I2 interactions: The models based on the diatomics-in-molecules approach //J.Chem.Phys., 1996, V. 104, PP. 9913-9925.

78. Бучаченко А.А. Дисс.соиск.уч.степ. докт. физ.-мат. наук, МГУ, 2003.

79. Elyutin P.V., Baranov V.I., Belega E.D., Trubnikov D.N., The partitioning functions and thermodynamic properties of small clusters of rare gas atoms //J.Chem.Phys., 1994, V.100, P. 3843-3854.

80. Крылова А.И., Пупышев В.И., Немухин A.B., Моделирование колебательного спектра матрично-изолированных молекул оксидов алюминия // Вестник Моск. Ун-та, Химия, 1991, Т.32, с.556-560

81. Krylova A.I., Nemukhin A.V., Stepanov N.F., Vibrational matrix shifts simulations of S02 in rare gases: Importance of many-body effects //J.Molec.Struct. (Theochem), 1992, V.262, P. 55-64.

82. Сергеев Г.Б., Нанохимия, M. Изд-во МГУ, 2003.

83. Sergeev G.B., Cryochemistry of metal nanoparticles //J. Nanoparticle Research, 2003, V.5, P. 529-537.

84. Reed A.E., Weinstock R.B., Weinhold F., Natural population analysis //J.Chem.Phys, 1985, V.83, P.735-746.

85. Kohn W., Sham L.J., Self-consistent equations including exchange and correlation effects //Phys.Rev., 1965, V.140, P.A1133-A1138.

86. Vosko S.H., Wilk L., Nusair M., Accurate spin-dependent electron liquid correlation energies for local spin density calculations: A critical analysis //Canad.J.Phys., 1988, V.58, P.1200-1211.

87. Немухин A.B., Механизм реакции Li2+ + H2S по данным неэмпирических квантовохимических расчетов //Журнал физ.химии 1995, т.69, N 5, с.889-897

88. Doye J.P.K., Wales D.J., Global minima for transition metal clusters described by Sutton-Chen potentials //New J.Chem., 1998, V.22, P.733-744.

89. Wales D.J., Transition states for Ar55. // Chem.Phys .Lett., 1990, V.166, P.419-424.

90. Stevens W.J., Basch H., Krauss M., Compact effective potentials and efficient shared exponent basis sets for the first- and second-raw atoms

91. J.Chem.Phys. 1984, V.81, P.6026-6033.

92. Hofmann M., Leutwyler S., Schulze W., Molecular spectroscopy by photodeflection of Na2 in a supersonic nozzle beam // Chem.Phys., 1979, V.62, P.444-450.

93. Klabunde K.J., Whetten A., Metal cluster vs. atom reactivities. Calcium and magnesium vapor with alkyl halides and methane

94. J.Am.Chem.Soc. 1986. V.108. P.6529-6534

95. Jasien P.J., Dykstra C.E., Simplest magnesium cluster Grignard. Theoretical evidence for strong metal-metal stabilization of RMg2X species //J.Am.Chem.Soc. 1983. V.105. P.2089-2090

96. Jasien P J., Dykstra C.E., The influence of a second magnesium atom in unsolvated magnesium-hydrogen halide reactions // J.Am.Chem.Soc. 1985. V.107. P.1891-1895

97. Nemukhin A.V., Topol I.A., Weinhold F., Structure of Magnesium Cluster Grignard Reagents // Inorg.Chem. 1995. V.34. P.2980-2985.

98. Dyall K.G., McLean A.D., The potential energy curves of the X'Zg4" ground state of Mg2 and Ca2 using the interacting correlated fragments model // J.Chem.Phys. 1992, V.97, P.8424-8431.

99. Partridge H., Bauschlicher C.W., Petterson L.G.M., McLean A.D., Liu В., Yoshimine M., Komornicki A., On the dissociation energy of Mg2 // J.Chem.Phys. 1990. V.92. P.5377-5388.

100. Reuse F., Khanna S.N., de Coulon V., Buttet J., Pseudopotential local-spin-density studies of neutral and charged Mgn (n<7) clusters //Phys.Rev.B, 1990, V.41. P. 11743-11759.

101. Davis S.R., Ab initio study of the insertion reaction of magnesium into the carbon-halogen bond of fluoro- and chloromethane

102. J.Am.Chem.Soc. 1991. V. 113. P.4145-4150

103. Jellinek J., Beck T.L., Berry R.S., Solid-liquid phase changes in simulated isoenergetic Ar13 // J.Chem.Phys. 1986. V.84. P.2783-2794.

104. Lee T.J., Rendell A.P., Taylor P.R., Vibrations in small Mg clusters //J.Chem.Phys. 1990. V.93. P.6636-6641.

105. Winter M., Seranski K., Schurath U., Site effects in spectra of matrix-isolated diatomic molecules: A modelling approach //Chem.Phys. 1992, V.159, P. 235.

106. Seranski K., Winter M., Schurath U., Site-resolved vibronic spectra of matrix-isolated NBr: Comparison with model calculations //Chem.Phys. 1992, V.159, P. 247.

107. Fraenkel R., Haas Y., A molecular dynamics simulation of NBr trapping in an argon matrix //Chem.Phys.Lett., 1994, V.220, P.77.

108. Fraenkel R., Haas Y., Molecular dynamics simulations of rare gas matrix deposition //Chem.Phys., 1994, V.186, P.185.

109. Ellison F.O., A method of diatomics-in-molecules. I. General theory and application to H20 //J.Am.Chem.Soc., 1963, V.85, P.3540-3544.

110. Tully J.C., in Modern Theoretical Chemistry, Semiempirical Methods of Electronic Structure Calculations, V.7A, ed. by G.A.Segal (Plenum, New York, 1977), Chap.6

111. Gutowsky H.S., Klots T.D., Chuang C., Schmuttenmaer C.A., Emulsson T. Rotational spectra and structures of the Ar2-H/DF trimers //J.Chem.Phys., 1987, V.86, P. 569-576.

112. Anderson D.T., Winn J.S., Matrix isolated HF: the high-resolution infrared spectrum of a cryogenically solvated hindered rotor //Chem.Phys., 1994, V.189, P.171.

113. Aziz R.A., Chen H.H., An accurate intermolecular potential for argon //J.Chem.Phys., 1977, V.67, P. 5719-5726.

114. Tao F.M., Klemperer W., Accurate ab initio potential energy surfaces of Ar-HF, Ar-H20, and Ar-NH3 //J.Chem.Phys., 1994, V.l01, P.l 129-1145.

115. Hutson J., Vibrational dependence of the anisotropic intermolecular potential of Ar-HF //J.Chem.Phys., 1992, V.96, P.6752-6767.

116. Liu S., Bacic Z., Moskowitz J.W., Schmidt R.E., Equilibrium structures and approximate HF vibrational red shifts for Ar„HF («=1-14) van der Waals clusters //J.Chem.Phys., 1994, V.100, P.7166-7181.

117. Pine A.S., Lafferty W.J., Howard B.J., Vibrational predissociation, tunneling, and rotational saturation in the HF and DF dimers //J.Chem.Phys., 1984, V.81, P.2939-2950.

118. Andrews L, Davis S.R., Hunt R.D. //Mol.Phys., 1992, V.77, P. 993.

119. Huisken F., Stemmler M., Infrared spectroscopy of methanol clusters adsorbed on large Ar* host clusters //J.Chem.Phys., 1993, V.98., P.7680-7691.

120. Huisken F., Kalouidis M., Kulcke A., Laush C., Lisy J.M., Vibrational spectroscopy of small (HF)n clusters in size-selected molecular beams //J.Chem.Phys., 1995, V.l03, P.5366-5377

121. Quack M., Suhm M., Potential energy surfaces, quasiadiabatic channels, rovibrational spectra, and intramolecular dynamics of (HF)2 and its isotopomers from quantum Monte Carlo calculations //J.Chem.Phys., 1991, V.95, P.28-59.

122. Webster F., Rossky P.J., Friesner R.A., Nonadiabatic processes in condensed matter: Semi-classical theory and implementations //Computer Physics Communications, 1991, V.63, P.494-522.

123. Heller E.J. in The Physics and Chemistry of Wave Packets, edited by Yeazell J.A. and Uzer T. (Wiley, New York, 2000), P.31.

124. Ben-Nun M., Martinez T.J., Ab initio quantum molecular dynamics //Advances Chem.Phys., 2002, V.121, P.439-512.

125. Fair J.R., Schaefer D., Kosloff R., Nesbitt D.J., Intramolecular energy flow and nonadiabaticity in vibrationally mediated chemistry: Wave packet studies of CI + H20 //J.Chem.Phys., 2002, V.l 16, P. 14061416.

126. Burant J.C., Batista V.S., Real time integrals using the Herman-Kluk propagator//J.Chem.Phys., 2002, V.l 16, P.2748-2756.

127. Wong K.F., Rossky P.J., Solvent-induced electronic decoherence: Configuration dependent dissipative evolution for solvated electron systems //J.Chem.Phys., 2002, V.l 16, P. 8429-8438.

128. Makhov D.V., Egorov V.V., Bagatur'yants A.A., Alfimov M.V., Calculation of optical lineshapes for disordered molecular aggregates using the resolvent of the Hamiltonian //J.Luminescence, 1997, V.72-74, P.439-441.

129. Coxon J.A., Revised molecular constants, RKR potential, and long-range analysis for the £ П(0„ ) state of СЬ, and rotationally dependent Franck-Condon factors for Cl2 (BX%+) II J. Mol. Spectrosc. 1980. V.82. P.264.

130. Bondybey V.E., Fletcher C., Photophysics of low lying electronic states of Cl2 in rare gas solids // J.Chem.Phys., 1976, V.64, P.3615-3620.

131. Langen J., Lodemann K.-P., Schurath U. Effect of guest-host interaction on spectra and relaxation dynamics of matrix-isolated Br2 B3n0+U, A3nlu,andA'3n2u //Chem.Phys. 1987. V.l 12. P.393-408.

132. Zadoyan R., Li Z., Ashjian P., Martens C.C., Apkarian V.A. Femtosecond dynamics of coherent photodissociation—recombination of I2 isolated in matrix Ar // Chem.Phys. Lett. 1994. V.218. P.504-514.

133. Alimi R., Gerber R.B., Apkarian V.A. Dynamics of molecular reactions in solids: Photodissociation of F2 in crystalline Ar

134. J.Chem.Phys. 1990. V.92. P.3551-3558.

135. Kunttu H., Feld J., Alimi R., Becker A., Apkarian V.A. Charge transfer and radiative dissociation dynamics in fluorine-doped solid krypton and argon // J.Chem. Phys. 1990. V.92. P.4856-4875.

136. Feld J., Kunttu H., Apkarian V.A. Photodissociation of F2 and mobility of F atoms in crystalline argon // J.Chem.Phys. 1990. V.93.• P.1009-1020.

137. Ishiwata Т., Kasai Y., Obi K. Optical-optical double resonance spectroscopy of Cl2: First observation and analysis of the ion-pair state and the lower-lying valence state //J.Chem.Phys. 1991. V.95. P.60-65.

138. Gurtler P., Kunz H., Le Calve J. Vacuum ultraviolet spectroscopy of the Cl2 molecule trapped in pure neon, pure argon, or mixed neon-argon matrices // J.Chem. Phys. 1989. V.91. №10. P.6020-6028.

139. Hill M.H., Apkarian V.A. Photodynamics of charge transfer and ion-pair states of Cl2:Xe complexes in liquid Ar // J.Chem.Phys. 1996. V.105. №10. P.4023-4032.

140. Ishiwata Т., Kasai Y., Obi K. Observation of the ion-pair state of Cl2 by perturbation-facilitated optical-optical double resonance

141. Chem.Phys.Lett. 1996. V.261. P.175-180.

142. Aquilanti V., Cappelelletti D., Lorent V., Luzzatti E., Pirani F. Molecular beam studies of weak interactions of open-shell atoms: the ground and lowest excited states of rare-gas chlorides // J.Phys. Chem. 1993. V.97. P.2063-2071.

143. Ahlrichs R., Bohm H.J., Brode S., Tang K.T., Toennies J.P. Interaction potentials for alkali ion-rare gas and halogen ion-rare gas systems//J.Chem. Phys. 1988. V.88. P.6290-6302.

144. Dias da Silva J., Brandao J., Varandas A.C.J. Accurate diatomic curves for Ne2, Ar2, Kr2 and Xe2 form the extended Hartree-Fock approximate correlation energy model //J.Chem.Soc.Faraday Trans. Pt.2. 1989. V.85. P.1851-1876.

145. Reed A.E., Curtiss L.A., Weinhold F. Intermolecular interactions from a natural bond orbital, donor-acceptor viewpoint // Chem.Rev. 1988, V.88. P.899-926.

146. Cline J.I., Sivakumar N., Evard D.D., Bieler C.R., Reid B.P., Halberstadt N., Hair S.R.,Janda K.C. Product state distributions for the vibrational predissociation of NeCl2 //J.Chem.Phys. 1989. V.90. P.2605-2616.

147. Naumkin F.Yu., Knowles P.J. On the adequacy of pairwise additive potentials for rare gas-halogen systems: The effect of anisotropy of interactions between atoms //J.Chem.Phys. 1995. V.103. P.3392-3399.

148. Buchachenko A.A., Stepanov N.F. First-order intermolecular diatomics-in-molecule potentials. Potential energy surfaces, spectra, and fragmentation dynamics of the Ne • • • Cl2 complex // J.Chem.Phys. 1997. V.106. P.10134-10144.

149. Кунин С., Вычислительная физика. М., Мир. 1992.

150. Khriachtchev L., Pettersson M., Isoniemi E., Rasanen M., 193 nm photolysis of H2S in rare-gas matrices: Luminescence spectroscopy of the products//J. Chem. Phys. 1998, V.108, 5747-5754.

151. Korambath P.P., Wu X.T., Hayes E.F., Carter C.C., Miller T.A., Empirical potential energy surface for Ar • SH/D and Kr • SH/D //J.Chem. Phys. 1997, V.107, 3460-3470.

152. Пупышев В. И., Об оценке времени жизни возбужденного электронного состояния. Теория // Оптика и спектроскопия, 1987, Т. 63, Вып. 3, С. 570-574.

153. Хобза П., Заградник Р., Межмолекулярные комплексы: Роль ван-дер-ваальсовых взаимодействий в физической химии и биодисциплинах, М., Мир, 1989, 376 с.

154. Степанов Н.Ф., Водородная связь: Как ее понимать //Соросовский образовательный журнал, 2001, Т.7, №2, С. 28-34.

155. Немухин А.В., Димер фторида водорода: Строение простейшего комплекса с водородной связью //Соросовский образовательный журнал, 1998, Т.*, №7, С. 65-69.

156. Волошин В.П., Желиговская Е.А., Маленков Г.Г., Наберухин Ю.И., Тытик Д.Л., Структуры сеток водородных связей и динамика молекул воды в конденсированных водных системах //Рос.хим.ж. (Ж.Рос.хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2001, T.XLV, №3, С.31-37.

157. Базилевский М.В., Венер М.В., Теоретические исследования реакций переноса протона и атома водорода в конденсированной фазе //Успехи химии, 2003, Т.72, С.3-39.

158. Buck U., Huisken F., Infrared spectroscopy of size-selected water and methanol clusters //Chem.Rev., 2000, V.100, P.3863-3890.

159. Desfrancois C., Carles S., Schermann J.P., Weakly bound clusters of biological interest//Chem.Rev., 2000, V.100, P.3943-3962.

160. Niedner-Schattenburg G., Bondybey V., FT-ICR studies of solvation effects in ionic cluster reactions //Chem.Rev., 2000, Y.100, P.4059-4086.

161. Chalasinski G., Szczesniak M., State of art and challenges of the ab initio theory of intermolecular interactions //Chem.Rev., 2000, Y.100, P.4227-4252.

162. Hobza P., Havlas Z., Blue-shifting hydrogen bonds //Chem.Rev., 2000, V.100, P.4253-4264.

163. Каплан И.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. М.: Наука, 1982, 312 с.

164. Немухин А.В. //Рос.хим.журн. (Журн.Рос.хим.о-ва им. Д.И.Менделеева), 1966, Т.40, С.48.

165. Никитин Е.Е., Уманский С.С. Неадиабатические переходы при медленных атомных столкновениях. М.: Атомиздат, 1979.

166. Nemukhin A.V., Stepanov N.F., Diatomics-in-molecules study of LiOH //IntJ.Quant.Chem., 1979, V.15, P.49-54.

167. Nemukhin A.V., Lyudkovsky S.V., Stepanov N.F., Diatomics-in-molecules studies of the Li+^O interaction // J.Molec.Struct. (THEOCHEM) 1983, V.104, P.403-411

168. Ovchinnikov M., Apkarian V.A., Practical formulation of accurate many-body potentials through the perturbative extension of diatomics-in-ionic-systems: Applied to HF clusters //J.Chem.Phys., 1999, V.110, P. 9842-9852.

169. Partridge H., Schwenke D.W., The determination of an accurate isotope dependent potential energy surface for water from extensive ab initio calculations and experimental data //J.Chem.Phys. 1997, V.106, P.4618-4639 .

170. Dyke T.R., Mack K.M., Muenter J.S., The structure of water dimer from molecular beam electric resonance spectroscopy // J.Chem.Phys. 1977, V.66, P.498-510.

171. Odutola J.A., Dyke T.R., Partially deuterated water dimers: Microwave spectra and structure // J.Chem.Phys. 1980, V.72, P.5062-5070.

172. Curtiss L.A., Frirup D.J., Blander M., Studies of molecular association in H20 and D20 vapors by measurement of thermal conductivity // J.Chem.Phys. 1979, V.71, P.2703-2711.

173. Mas E.M., Szalewicz K., Effects of monomer geometry and basis set saturation on computed depth of water dimer potential //J.Chem.Phys. 1996, V.l04, P.7606-7614.

174. Xantheas S.S., Ab initio studies of cyclic water clusters (H20)„, и=1-6. III. Comparison of density functional with MP2 results //

175. J.Chem.Phys. 1995, V.102, P.4505-4517.

176. Tawa G.J., Topol I.A., Burt S.K., Caldwell R.A., Rashin A.A., Calculation of the aqueous solvation free energy of the proton //J.Chem.Phys. 1998, V.109, P.4852-4863.

177. Famulari A., Raimondi M., Sironi M., Gianinetti E., Ab initio MO-VB study of water dimer //Chem.Phys. 1998, V.232, P.289-298.

178. Schiitz V., Rauhut G., Werner H.-J., Local Treatment of Electron Correlation in Molecular Clusters: Structures and Stabilities of (H20)n, n = 2-4 // J.Phys.Chem.A. 1998, V.102, P.5997-6003.

179. Long X.P., Nickolas J.B., Guest M.F., Ornstein R.L., A combined density functional theory/molecular mechanics formalism and its application to small water clusters //J.Mol.Struct. 1997, V.412, P.121-133.

180. Wales D.J., Hodges M.P., Global minima of water clusters (H20)„, «<21, described by an empirical potential //Chem.Phys.Lett. 1998, V.286, P.65-72.

181. Hodges M.P., Stone A.J., Xantheas S.S., Contribution of Many-Body Terms to the Energy for Small Water Clusters: A Comparison of ab Initio Calculations and Accurate Model Potentials //J.Phys.Chem.A. 1997, V.101, P.9163-9168.

182. Klopper W., Schiitz M., Liithi H.P., Leutwyler S., An ab initio derived torsional potential energy surface for (Н20)з. II. Benchmark studies and interaction energies //J.Chem.Phys. 1995, V.l03, P. 10851098.

183. Nielsen I.M.B., Seidl E.T., Janssen C.L., Accurate structures and binding energies for small water clusters: The water trimer

184. J.Chem.Phys. 1999, V.l 10, P.9435-9442.

185. Pedulla J.M., Kim K., Jordan K.D., Theoretical study of the «-body interaction energies of the ring, cage and prism forms of (Н20)б //Chem.Phys.Lett. 1998, V.291, P.78-84.

186. Kim J., Kim K.S. Structures, binding energies, and spectra of isoenergetic water hexamer clusters: Extensive ab initio studies

187. J.Chem.Phys. 1998, V.109, P.5886-5895.

188. Варшалович Д.А., Москалев A.H., Херсонский B.K., Квантовая теория углового момента, Д., «Наука», 1975.

189. Quack М., Suhm М.А., in Conceptual Perspectives in Quantum Chemistry, edited by J.-L.Calais and E.S.Kryachko, (Kluwer Publishing Co., Dordrecht, 1997), Vol.III, pp. 417-465.

190. Wales D.J., Doye J.P.K., Global Optimization by Basin-Hopping and the Lowest Energy Structures of Lennard-Jones Clusters Containing up to 110 Atoms//J.Phys.Chem.A 1997, V.101, P.5111-5116.

191. Hodges M.P., Stone A.J., Lago E.C., Analytical Potentials for HF Dimer and Larger HF Clusters from ab Initio Calculations //J.Phys.Chem.A 1998, V.102, P.2455-2465.

192. Clusters of Atoms and Molecules, edited by H.Haberland (Springer Series in Chemical Physics, Springer, Berlin, 1995)

193. Lee C., Sosa C., Plans M., Novoa J.J., A theoretical study of the ionic dissociation of HF, HC1, and H2S in water clusters //J.Chem.Phys. 1996, V.104, P.7081-7085.

194. Smith A., Vincent M.A., Hillier I.H., Mechanism of Acid Dissociation in Water Clusters: Electronic Structure Studies of (H20)„HX {n = 4, 7; X = OH, F, HS, HS03, 00S02H, 00H-S02) //J.Phys.Chem.A 1999, V.103, P.1132-1139.

195. Xu S.C., Zhao X.S., Theoretical Investigation of the Reaction of C10N02 with H20 on Water Clusters //J.Phys.Chem.A 1999, V.103, P.2100-2106.

196. Cramer C.J., Truhlar D.G., Molecular orbital theory calculations of aqueous solvation effects on chemical equilibria //J.Amer.Chem.Soc. 1991, V.l 13, P.8552-8554.

197. Ford G.P., Wang В., Incorporation of hydration effects within the semiempirical molecular orbital framework. AMI and MNDO results for neutral molecules, cations, anions, and reacting systems //J.Amer.Chem.Soc. 1992, V.l 14, P.10563-10569.

198. Tomasi J., Persico M., Molecular Interactions in Solution: An Overview of Methods Based on Continuous Distributions of the Solvent //Chem.Rev. 1994, V.94, P.2027-2094.

199. Nakano H., Quasidegenerate perturbation theory with multiconfigurational self-consistent-field reference functions //J.Chem.Phys. 1993, V.99, P.7983-7992.

200. GranovskyA.A. URL http://lcc.chem.msu.ru/gran/gamess/index.html

201. Warshel A., Levitt M., Theoretical Studies of Enzymatic Reactions: Dielectric Electrostatic and Steric Stabilization of the Carbonium Ion in the Reaction of Lysozyme //J.Mol.Biol. 1976, V.103, P.227-234.

202. Gordon M.S., Freitag M.A., Bandyopadhyay P., Jensen J.H., Kairys V., Stevens W., The effective Fragment Potential Method. A QM-based MM Approach to Modeling Environmental Effects in Chemistry //J.Phys.Chem. A 2001, V.105, P.293-307

203. Field M.J., Bash P.A., Karplus M., A Combined Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Potential for Molecular Dynamics Simulations //J.Comp.Chem. 1990, V.l 1, P.700-733.

204. Gao J.L., Xia X.F., A Priori Evaluation of Aqueous Polarization Effects Through Monte Carlo QM/MM Simulations //Science 1992, V.258, P.631-635.

205. Stanton R.V., Hartsough D.S., Merz K.M., An Examination of a Density Functional /Molecular Mechanical Coupled Potential //J.Comp.Chem. 1995, V.16, P.l 13-128.

206. Assfeld X., Rivail J.-L., Quantum chemical computations on parts of large molecules: the ab initio local self consistent field method //Chem.Phys.Lett. 1996, V.263, P.100-106.

207. Harrison M.J., Burton N.A., Hillier I.H., Catalytic Mechanism of the Enzyme Papain: Predictions with a Hybrid Quantum Mechanical/Molecular Mechanical Potential //J.Am.Chem.Soc. 1997, V.119, P.12285-12291

208. Woo Т.К., Margl P.M., Blochl P.E., Ziegler Т., A Combined Car-Parrinello QM/MM Implementation for ab Initio Molecular Dynamics Simulations of Extended Systems: Application to Transition Metal Catalysis //J.Phys.Chem.B. 1997, V.101, P.7877-7880

209. Gao J., Amara P., Alhambra C., Field M.J., A Generalized Hybrid Orbital (GHO) Method for the Treatment of Boundary Atoms in Combined QM/MM Calculations //J.Phys.Chem.A. 1998, V.102, P.4714-4721

210. Lyne P.D., Hodoscek M., Karplus M., A Hybrid QM-MM Potential Employing Hartree-Fock or Density Functional Methods in the Quantum Region //J.Phys.Chem.A. 1999, V.103, P.3462-3471.

211. Shoemaker J.R., Burggraf L.W., Gordon M.S., SIMOMM: An Integrated Molecular Orbital/Molecular Mechanics Optimization Scheme for Surfaces //J.Phys.Chem.A, 1999, V.103, P.3245-3252.

212. Eichinger M., Tavan P., Hutter J., Parrinello M., A hybrid method for solutes in complex solvents: Density functional theory combined with empirical force fields //J.Chem.Phys., 1999, V.l 10, P. 10452-10467.

213. Bryce R.A., Vincent M.A., Hillier I.H., Binding Energy of F(H20)" and the Simulation of Fluoride Water Clusters Using a Hybrid QM/MM (Fluctuating Charge) Potential //J.Phys.Chem.A, 1999, V.l03, P.4094-4100.

214. Philipp D.M., Friesner R.A., Mixed ab initio QM/MM modeling using frozen orbitals and tests with alanine dipeptide and tetrapeptide //J.Comput.Chem., 1999, V.20, P.1468-1494.

215. Murphy R.B., Philipp D.M., Friesner R.A., A mixed quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) method for large-scale modeling of chemistry in protein environments //J.Comput.Chem. 2000, V.21, P.1442-1457.

216. Zhang Y., Lee T.-S., Yang W., A pseudobond approach to combining quantum mechanical and molecular mechanical methods //J.Chem.Phys. ,1999, V.l 10, P.46-54.

217. Zhang Y., Liu H., Yang, W., Free energy calculation on enzyme reactions with an efficient iterative procedure to determine minimum energy paths on a combined ab initio QM/MM potential energy surface //J.Chem.Phys., 2000, V.l 12, P.3483-3492.

218. Sauer J., Siekka M., Combining quantum mechanics and interatomic potential functions in ab initio studies of extended systems //J.Comput.Chem., 2000, V.21, P. 1470-1493.

219. Reuter N., Dejaegere A., Maigret В., Karplus M., Frontier Bonds in QM/MM Methods: A Comparison of Different Approaches //J.Phys.Chem.A., 2000, V.104, P.1720-1735.

220. Cui Q., Karplus M., Molecular properties from combined QM/MM methods. I. Analytical second derivative and vibrational calculations //J.Chem.Phys., 2000, V.l 12, P. 1133-1149.

221. Hayashi S., Ohmine I., Proton Transfer in Bacteriorhodopsin: Structure, Excitation, IR Spectra, and Potential Energy Surface Analyses by an ab Initio QM/MM Method //J.Phys.Chem.B., 2000, V.104, P.10678-10691.

222. Houjou H., Inoue, Y., Sakurai M., Study of the Opsin Shift of Bacteriorhodopsin: Insight from QM/MM Calculations with Electronic Polarization Effects of the Protein Environment //J.Phys.Chem.B., 2001, V.105, P.867-879.

223. Cui Q., Elstner M., Kaxiras E., Frauenheim,T., Karplus M., A QM/MM Implementation of the Self-Consistent Charge Density Functional Tight Binding (SCC-DFTB) Method //J.Phys.Chem.B., 2001, V.105, P.569-585.

224. Laio A., Vondele J.V., Rothlisberger U., A Hamiltonian electrostatic coupling scheme for hybrid Car-Parrinello molecular dynamics simulations //J.Chem.Phys., 2002, V.l 16, P.6941-6947.

225. Schoneboom J.C, Thiel W., The resting state of P450cam: A QM/MM study //J.Phys.Chem.B, 2004, V.l08, P.7468-7478.

226. Wardman P., Thiyl Radicals in Biology: Their Role as a "Molecular Switch" Central to Cellular Oxidative Stress, in S-Centered Radicals, Zeev B.Alfassi, Ed., 1999, John Wiley & Sons Ltd., England.

227. Rauk A., Armstrong D.A., Berges J., Glutathione radical: Intramolecular H abstraction by the thiyl radical //Can.J.Chem. ,2001. V.79. P.405-417.

228. Jensen J.H., Day P.N., Gordon M.S., Basch H., Cohen D., Garmer D., Krauss M., Stevens W.J., in Modeling the Hydrogen Bond, Smith D.A., Ed. ACS Symposium Series 569, American Chemical Society, Washington, D.C., 1994.

229. Day P.N., Jensen J.H., Gordon M.S., Webb S.P., Stevens W.J., Krauss M., Garmer D., Basch H., Cohen D., An effective fragment method for modeling solvent effects in quantum mechanical calculations //J.Chem.Phys., 1996, V.105, P.1968-1986.

230. Chen W., Gordon M.S., The effective fragment model for solvation: Internal rotation in formamide //J.Chem.Phys., 1996, V.105, P.11081-11090.

231. Day P.N., Pachter R., Gordon M.S., Merrill G.N., A study of water clusters using the effective fragment potential and Monte Carlo simulated annealing //J.Chem.Phys., 2000, V.l 12, P.2063-2073.

232. Krauss M., Webb S.P., Solvation and the excited states of formamide //J.Chem.Phys., 1997, V.107, P.5771-5775.

233. Day P.N., Pachter R., A study of aqueous glutamic acid using the effective fragment potential method //J.Chem.Phys., 1997, V.107, P.2990-2999.

234. Petersen C.P., Gordon M.S., Solvation of Sodium Chloride: An Effective Fragment Study of NaCl(H20)„ //J.Phys.Chem.A., 1999, V.103, P.4162-4166.

235. Wladkowski B.D., Krauss M., Stevens W.J., Transphosphorylation catalyzed by ribonuclease A: computational study using ab initio effective fragment potentials //J.Amer.Chem.Soc., 1995, V.l 17, P. 1053710545.

236. Krauss M., Effective fragment potentials and spectroscopy at enzyme active sites //Comp.Chem., 1995, V.l9, P. 199-204.

237. Worthington S.E., Krauss M., Effective fragment potentials and the enzyme active site //Comp.Chem., 2000, V.24, P.275-285.

238. Roitberg A.E., Worthington S.E., Holden M.J., Mayhew M.P., Krauss M., The Electronic Spectrum of the Prephenate Dianion. An Experimental and Theoretical (MD/QM) Comparison //J.Am.Chem.Soc., 2000, V.l22, P.7312-7316.

239. Worthington S.E., Roitberg A.E., Krauss M., An MD/QM Study of the Chorismate Mutase-Catalyzed Claisen Rearrangement Reaction //J.Phys.Chem.B, 2001, V.105, P.7087-7095.

240. Worthington S.E., Krauss M., The Claisen Rearrangement of an Unusual Substrate in Chorismate Mutase //J.Phys.Chem.B., 2001, V.105, P.7096-7098.

241. Kairys V., Jensen J.H., QM/MM Boundaries Across Covalent Bonds: A Frozen Localized Molecular Orbital-Based Approach for the Effective Fragment Potential Method //J.Phys.Chem.A., 2000, V.104, P.6656-6665.

242. Ponder J.W., URL http://dasher.wustl.edu/tinker

243. Jorgensen W.L., in Encyclopedia of Computational Chemistry, Schleyer, P.v.R., Ed., 1998, Wiley: New York, Vol.3, p.1986.

244. Kaminski G., Friesner R.A., Tirado-Rives J., Jorgensen W.L., Evaluation and Reparametrization of the OPLS-AA Force Field for Proteins via Comparison with Accurate Quantum Chemical Calculations on Peptides //J.Phys.Chem.B., 2001, V.105, P.6474-6487.

245. Roberts B.P., Steel A.J., An extended form of the Evans-Polanyi equation: a simple empirical relationship for the prediction of activation energies for hydrogen-atom transfer reactions //J.Chem.Soc.Perkin Trans. 2., V.1994, P.2155-2162.

246. Roberts B.P., Understanding the rates of hydrogen-atom abstraction reactions: empirical, semi-empirical and ab initio approaches //J.Chem.Soc. Perkin Trans. 2., 1996, P.2719-2725.

247. Reed A.E., Curtiss L.A., Weinhold F., Intermolecular interactions from a natural bond orbital, donor-acceptor viewpoint //Chem.Rev. 1988, V.88, P.899-926.

248. Nemukhin A.V., Weinhold F., Natural bond orbitals in multiconfigurational expansions: Local treatment of electron correlation in molecules //J.Chem.Phys., 1992, V.97, P. 1095-1108.

249. Hedstrom L., Serine Protease Mechanism and Specificity //Chem. Rev., 2002, V.102, P.4501-4524.

250. Bentzien J., Muller R. P., Florian J., Warshel A., Hybrid ab Initio Quantum Mechanics/Molecular Mechanics Calculations of Free Energy Surfaces for Enzymatic Reactions: The Nucleophilic Attack in Subtilisin //J Phys Chem B, 1998, V.102, V.2293-2301.

251. Topf M., Varnai P., Richards W.G., Quantum mechanical/molecular mechanical study of three stationary points along the deacylation step of the catalytic mechanism of elastase//Theor.Chem.Acc., 2001, V.l06, P.146-151.

252. Topf M., Varnai P., Richards W.G., Ab Initio QM/MM Dynamics Simulation of the Tetrahedral Intermediate of Serine Proteases: Insights into the Active Site Hydrogen-Bonding Network //J.Am.Chem.Soc., 2002, V.l24, P.14780-14788.

253. Stanton R.V., Perakyla M., Bakowies D., Kollman P.A., Combined ab initio and Free Energy Calculations To Study Reactions in Enzymes and Solution: Amide Hydrolysis in Trypsin and Aqueous Solution //J.Am.Chem.Soc., 1998, V.120, P.3448-3457.

254. Perakyla M., Kollman P.A., Why Does Trypsin Cleave BPTI so Slowly? //J.Am.Chem.Soc., 2000, V.122, P.3436-3444.

255. Strajbl M., Florian J., Warshel A., Ab initio/LD studies of chemical reactions in solution: Reference free-energy surfaces for acylation reactions occurring in serine and cysteine proteases // Int.J.Quant.Chem., 2000, V.77, P.44-53

256. Strajbl M., Florian J., Warshel A., Ab Initio Evaluation of the Potential Surface for General Base- Catalyzed Methanolysis of Formamide: A Reference Solution Reaction for Studies of Serine Proteases//J.Am.Chem.Soc., 2000, V.122, P.5354-5366.

257. Daggett V., Schroder S., Kollman P.A., Catalytic pathway of serine proteases: classical and quantum mechanical calculations //J.Am.Chem.Soc., 1991, V.l 13, P.8926-8935.

258. Nemukhin A.V., Topol I.A., Burt S.K. Energy profiles for the rate-limiting stage of the serine protease prototype reaction //Int. J. Quant. Chem., 2002, V.88, P.34-40.

259. De Santis L., Carloni P. Serine proteases: An ab initio molecular dynamics study//Proteins: Struct.Func.and Gen., 1999, V.37, P.611-618.

260. Molina P.A., Sikorski R.S., Jensen J.H., NMR chemical shifts in the low-pH form of a-chymotrypsin. A QM/MM and ONIOM-NMR study //Theor.Chem.Acc., 2003, V.109, P.100-107

261. Molina P. A., Jensen J. H., A Predictive Model of Strong Hydrogen Bonding in Proteins: The N'-H-O1 Hydrogen Bond in Low-pH a-Chymotrypsin and a-Lytic Protease // J.Phys.Chem. B, 2003, V.107, P.6226-6233

262. Marquart M., Walter J., Deisenhofer J., Bode W., Huber R., The geometry of the reactive site and of the peptide groups in trypsin, trypsinogen and its complexes with inhibitors //Acta Crystallogr.B, 1983, V.39, P.480-490.

263. Bourne H.R., Sanders D.A., McCormick F., The GTPase superfamily: conserved structure and molecular mechanism //Nature, 1991, V.349, P.117-127.

264. Sprang S.R. G protein mechanisms: Insights from Structural Analysis //Annu. Rev. Biochem. 1997, V.66, P.639-678.

265. Scheffzek K., Ahmadian M.R., Kabsch W., Wiesmuller L., Lautwein A., Schmitz F., Wittinghofer A. The Ras-RasGAP Complex: Structural Basis for GTPase Activation and Its Loss in Oncogenic Ras Mutants //Science, 1997, V.277, P.333-338.

266. Sprang S.R. GAP into the breach // Science, 1997, V.277, P.329-330.

267. Bourne H.R., G proteins: The arginine finger strikes again //Nature, 1997, 389, 673-674.

268. Vetter I.R., Wittinghofer A., The Guanine Nucleotide-Binding Switch in Three Dimensions //Science, 2001, V.294, P. 1299-1304.

269. Kosloff M., Selinger Z., Substrate assisted catalysis application to G proteins // Trends Biochem. Sci., 2001, V.26, P. 161-166.

270. Der C.G., Finkel Т., Cooper G.M., Biological and biochemical properties of human rasH genes mutated at codon 61. //Cell, 1986, V.44, P. 167-176.

271. Langen R., Schweins Т., Warshel A., On the mechanism of guanosine triphosphate hydrolysis in ras p21 proteins //Biochemistry, 1992, V.31, P.8691-8696.

272. Schweins Т., Warshel A., Mechanistic Analysis of the Observed Linear Free Energy Relationships in p21ras and Related Systems //Biochemistry, 1996, V.35, P. 14232-14243.

273. Florian J., Warshel A., Phosphate Ester Hydrolysis in Aqueous Solution: Associative versus Dissociative Mechanisms //J. Phys. Chem. B, 1998, V. 102, P.719-734.

274. Glennon Т. M., Villa J., Warshel A., How Does GAP Catalyze the GTPase Reaction of Ras?: A Computer Simulation Study //Biochemistry, 2000, V.39, P.9641-9651.

275. Shurki A., Warshel A., Why does the Ras switch "break" by oncogenic mutations? // Proteins, 2004, V.55, P.l-10.

276. Maegley K.A., Admiraal S.J., Herschlag D. Ras-catalyzed hydrolysis of GTP: A new perspective from model studies //Proc. Natl. Acad. Sci., USA 1996, V.93, P.8160-8166.

277. Futatsugi N., Hata M., Hoshino T.,Tsuda, M. Ab Initio Study of the Role of Lysine 16 for the Molecular Switching Mechanism of Ras Protein p21 //Biophys. J., 1999, V.77, P.3287-3292.

278. Katagiri D., Hata M., Itoh Т., Neya S., Hoshino Т., Atomic-Scale Mechanism of the GTP —> GDP Hydrolysis Reaction by the Gial Protein //J. Phys. Chem. B, 2003, V.107, P.3278-3283.

279. Resat H., Straatsma Т. P., Dixon D.A., Miller J. H., The arginine finger of RasGAP helps Gln-61 align the nucleophilic water in GAP-stimulated hydrolysis of GTP //Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2001, V.98, P.6033-6038.

280. Cavalli A., Carloni P., Enzymatic GTP Hydrolysis: Insights from an ab initio Molecular Dynamics Study //J. Am. Chem. Soc., 2002, V.l24, P.3763-3768.

281. Du X., Black G. E., Lecchi P., Abramson F. P., Sprang S. R., Kinetic isotope effects in Ras-catalyzed GTP hydrolysis: Evidence for a loose transition state //Proc.Natl.Acad. Sci. USA, 2004, V.l01, P.8858-8863.

282. Feuerstein J., Goody R.S., Webb M.R., The mechanism of guanosine nucleotide hydrolysis by p21 c-Ha-ras. The stereochemical course of the GTPase reaction //J. Biol. Chem., 1989, V.264, P.6188-6190.

283. LANL2DZdp URL http://www.emsl.pnl.gov/forms/basisform.html

284. Fu A., Li H., Du D., Zhou Z., Theoretical study on the reaction mechanism of proton transfer in formamide //Chem.Phys.Lett., 2003, V.382, P.332-337.

285. Markova N., Enchev V.,Water-assisted proton transfer in formamide, thioformamide and selenoformamide //J.Molec.Struct. (Theochem), 2004, V.679, P.195-205.

286. Sondek J., Lambright D.G., Noel J.P., Hamm H.E., Sigler P.B. GTPase mechanism of Gproteins from the 1.7-A crystal structure of transducin л- GDP AIF'4 //Nature 1994, V.372, P.276-279.