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Campo de fuerza (química)

Parte del campo de fuerza del etano para el enlace de estiramiento CC.

En el contexto de la química , la física molecular , la química física y el modelado molecular , un campo de fuerzas es un modelo computacional que se utiliza para describir las fuerzas entre átomos (o conjuntos de átomos) dentro de moléculas o entre moléculas, así como en cristales. Los campos de fuerza son una variedad de potenciales interatómicos . Más precisamente, el campo de fuerza se refiere a la forma funcional y al conjunto de parámetros utilizados para calcular la energía potencial de un sistema de nivel atomístico. Los campos de fuerza se utilizan habitualmente en dinámica molecular o simulaciones de Monte Carlo . Los parámetros para una función de energía elegida pueden derivarse de datos de experimentos de laboratorio clásicos, cálculos en mecánica cuántica o ambos. Los campos de fuerza utilizan el mismo concepto que los campos de fuerza en la física clásica , con la principal diferencia de que los parámetros del campo de fuerza en química describen el panorama energético a nivel atomístico. A partir de un campo de fuerzas, las fuerzas que actúan sobre cada partícula se derivan como un gradiente de energía potencial con respecto a las coordenadas de la partícula. [1]

Hoy en día existe una gran cantidad de tipos diferentes de campos de fuerza, por ejemplo, para moléculas orgánicas , iones , polímeros , minerales y metales . Dependiendo del material, normalmente se eligen diferentes formas funcionales para los campos de fuerza, ya que en el comportamiento del material predominan diferentes tipos de interacciones atomísticas.

Existen varios criterios que se pueden utilizar para categorizar las estrategias de parametrización de campos de fuerza. Una diferenciación importante es "específica de componente" y "transferible". En una parametrización específica de un componente, el campo de fuerza considerado se desarrolla únicamente para describir una sustancia concreta, p. ej. agua. [2] Para un campo de fuerza transferible, todos o algunos parámetros se diseñan como componentes básicos y se vuelven transferibles/aplicables para diferentes sustancias, por ejemplo, grupos metilo en campos de fuerza transferibles de alcanos. [3] Una diferenciación importante diferente aborda la estructura física de los modelos: los campos de fuerza de todos los átomos proporcionan parámetros para cada tipo de átomo en un sistema, incluido el hidrógeno , mientras que los potenciales interatómicos de los átomos unidos tratan los átomos de hidrógeno y carbono en los grupos metilo. y puentes de metileno como centro de interacción. [4] [5] Los potenciales de grano grueso , que a menudo se utilizan en simulaciones de larga duración de macromoléculas como proteínas , ácidos nucleicos y complejos multicomponentes, sacrifican detalles químicos para una mayor eficiencia informática. [6]

Campos de fuerza para sistemas moleculares.

Función de energía potencial de la mecánica molecular con disolvente continuo.

La forma funcional básica de la energía potencial para modelar sistemas moleculares incluye términos de interacción intramolecular para interacciones de átomos que están unidos por enlaces covalentes y términos intermoleculares (es decir, no unidos, también denominados no covalentes ) que describen las fuerzas electrostáticas de largo alcance y de van der Waals . La descomposición específica de los términos depende del campo de fuerza, pero una forma general para la energía total en un campo de fuerza aditivo se puede escribir como

Los términos de enlace y ángulo generalmente se modelan mediante funciones de energía cuadráticas que no permiten la ruptura del enlace. Una descripción más realista de un enlace covalente con mayor estiramiento la proporciona el potencial Morse, más caro . La forma funcional de la energía diédrica varía de un campo de fuerza a otro. Se pueden agregar términos adicionales de "torsión inadecuada" para reforzar la planaridad de los anillos aromáticos y otros sistemas conjugados , y "términos cruzados" que describen el acoplamiento de diferentes variables internas, como ángulos y longitudes de enlaces. Algunos campos de fuerza también incluyen términos explícitos para los enlaces de hidrógeno .

Los términos no vinculados son computacionalmente más intensivos. Una opción popular es limitar las interacciones a energías por pares. El término de van der Waals suele calcularse con un potencial de Lennard-Jones [7] o el potencial de Mie [8] y el término electrostático con la ley de Coulomb . Sin embargo, ambos se pueden amortiguar o escalar mediante un factor constante para tener en cuenta la polarizabilidad electrónica . En las últimas décadas se ha propuesto una gran cantidad de campos de fuerza basados ​​en esta o expresiones de energía similares para modelar diferentes tipos de materiales como sustancias moleculares, metales, vidrios, etc.; consulte a continuación una lista completa de campos de fuerza.

Estiramiento de enlaces

Como es raro que los bonos se desvíen significativamente de sus valores de equilibrio, los enfoques más simplistas utilizan la fórmula de la ley de Hooke :

La constante de estiramiento del enlace se puede determinar a partir del espectro infrarrojo experimental , el espectro Raman o cálculos de mecánica cuántica de alto nivel . [4] La constante determina las frecuencias vibratorias en simulaciones de dinámica molecular . Cuanto más fuerte es el enlace entre los átomos, mayor es el valor de la constante de fuerza y ​​mayor es el número de onda (energía) en el espectro IR/Raman.

Aunque la fórmula de la ley de Hooke proporciona un nivel razonable de precisión en longitudes de enlace cercanas a la distancia de equilibrio, es menos precisa a medida que uno se aleja. Para modelar mejor la curva Morse se podrían emplear potencias cúbicas y superiores. [4] [9] Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones prácticas estas diferencias son insignificantes y las imprecisiones en las predicciones de las longitudes de los enlaces son del orden de la milésima de angstrom, que también es el límite de confiabilidad para campos de fuerza comunes. En su lugar, se puede emplear un potencial Morse para permitir la ruptura de enlaces y una mayor precisión, aunque su cálculo sea menos eficiente. Para campos de fuerza reactivos, se consideran adicionalmente la ruptura de enlaces y las órdenes de enlace.

Interacciones electrostáticas

Las interacciones electrostáticas están representadas por una energía de Coulomb, que utiliza cargas atómicas para representar enlaces químicos que van desde covalentes hasta covalentes polares y enlaces iónicos . La fórmula típica es la ley de Coulomb :

[10] [11] [12]

Las cargas atómicas pueden hacer contribuciones dominantes a la energía potencial, especialmente para moléculas polares y compuestos iónicos, y son fundamentales para simular la geometría, la energía de interacción y la reactividad. La asignación de cargos suele utilizar algún enfoque heurístico, con diferentes soluciones posibles.

Campos de fuerza para sistemas cristalinos.

Las interacciones atomísticas en los sistemas cristalinos difieren significativamente de las que ocurren en los sistemas moleculares, [13] por ejemplo, de moléculas orgánicas. Para los sistemas cristalinos, en particular las interacciones entre múltiples cuerpos son importantes y no pueden descuidarse si el objetivo es una alta precisión del campo de fuerza. Para sistemas cristalinos con enlaces covalentes se suelen utilizar potenciales de orden de enlace , p. ej. potenciales de Tersoff. [14] Para sistemas metálicos, normalmente se utilizan potenciales atómicos integrados [15] [16] . Para los metales también se han desarrollado los llamados modelos de potenciales Drude [17] , que describen una forma de unión de los electrones al núcleo. [18] [19]

Parametrización

Además de la forma funcional de los potenciales, un campo de fuerza consta de los parámetros de estas funciones. Juntos, especifican las interacciones a nivel atomístico. La parametrización, es decir, la determinación de los valores de los parámetros, es decisiva para la precisión y fiabilidad del campo de fuerza. Se han desarrollado diferentes procedimientos de parametrización para la parametrización de diferentes sustancias, por ejemplo metales, iones y moléculas. Para diferentes tipos de materiales, normalmente se utilizan diferentes estrategias de parametrización. En general, se pueden distinguir dos tipos principales para la parametrización, ya sea usando datos/información del nivel atomístico, por ejemplo, de cálculos de mecánica cuántica o datos espectroscópicos, o usando datos de propiedades macroscópicas, por ejemplo, la dureza o compresibilidad de un material dado. A menudo se utiliza una combinación de estas rutas. Por lo tanto, de una forma u otra, los parámetros del campo de fuerzas siempre se determinan de forma empírica. Sin embargo, el término "empírico" se utiliza a menudo en el contexto de los parámetros del campo de fuerza cuando se utilizan datos macroscópicos de propiedades del material para el ajuste. Los datos experimentales (microscópicos y macroscópicos) incluyeron para el ajuste, por ejemplo, la entalpía de vaporización , la entalpía de sublimación , los momentos dipolares y diversas propiedades espectroscópicas, como las frecuencias de vibración. [20] [9] [21] A menudo, para sistemas moleculares, los cálculos de la mecánica cuántica en la fase gaseosa se utilizan para parametrizar interacciones intramoleculares y parametrizar interacciones dispersivas intermoleculares mediante el uso de propiedades macroscópicas como las densidades de los líquidos. [3] [22] [23] La asignación de cargas atómicas a menudo sigue protocolos de mecánica cuántica con algunas heurísticas, lo que puede conducir a una desviación significativa en la representación de propiedades específicas. [24] [25] [26]

En las últimas décadas se han empleado una gran cantidad de flujos de trabajo y procedimientos de parametrización utilizando diferentes datos y estrategias de optimización para determinar los parámetros del campo de fuerza. Se diferencian significativamente, lo que también se debe a diferentes enfoques de diferentes desarrollos. Los parámetros para las simulaciones moleculares de macromoléculas biológicas como proteínas , ADN y ARN a menudo se derivaban/transferían de observaciones de pequeñas moléculas orgánicas , que son más accesibles para estudios experimentales y cálculos cuánticos.

Los tipos de átomos se definen para diferentes elementos, así como para los mismos elementos en entornos químicos suficientemente diferentes. Por ejemplo, los átomos de oxígeno en el agua y los átomos de oxígeno en un grupo funcional carbonilo se clasifican como diferentes tipos de campos de fuerza. [21] Los conjuntos de parámetros típicos del campo de fuerza molecular incluyen valores de masa atómica , carga atómica , parámetros de Lennard-Jones para cada tipo de átomo, así como valores de equilibrio de longitudes de enlace , ángulos de enlace y ángulos diédricos . [27] Los términos enlazados se refieren a pares, tripletes y cuatrillizos de átomos enlazados e incluyen valores para la constante de resorte efectiva para cada potencial.

Los procedimientos heurísticos de parametrización de campos de fuerza han funcionado con mucho éxito durante muchos años, pero recientemente han sido criticados. [28] [29] ya que generalmente no están completamente automatizados y por lo tanto sujetos a cierta subjetividad de los desarrolladores, lo que también trae problemas en cuanto a la reproducibilidad del procedimiento de parametrización.

Los esfuerzos para proporcionar códigos y métodos de fuente abiertos incluyen openMM y openMD. Es probable que el uso de semiautomatización o automatización total, sin conocimientos químicos, aumente las inconsistencias en el nivel de cargas atómicas, para la asignación de los parámetros restantes, y probablemente diluya la interpretabilidad y el rendimiento de los parámetros.

Bases de datos de campos de fuerza

En las últimas décadas se ha publicado un gran número de campos de fuerza, principalmente en publicaciones científicas. En los últimos años, algunas bases de datos han intentado recopilar, categorizar y hacer que los campos de fuerza estén disponibles digitalmente. Allí, diferentes bases de datos se centran en diferentes tipos de campos de fuerza. Por ejemplo, la base de datos openKim se centra en funciones interatómicas que describen las interacciones individuales entre elementos específicos. [30] La base de datos TraPPE se centra en campos de fuerza transferibles de moléculas orgánicas (desarrollada por el grupo Siepmann). [31] La base de datos MolMod se centra en campos de fuerza moleculares e iónicos (tanto específicos de componentes como transferibles). [5] [32]

Transferibilidad y tipos de funciones de mezcla.

Los desarrolladores de potenciales interatómicos han definido formas funcionales y conjuntos de parámetros y presentan grados variables de autoconsistencia y transferibilidad. Cuando las formas funcionales de los términos potenciales varían o se mezclan, los parámetros de una función potencial interatómica normalmente no se pueden usar junto con otra función potencial interatómica. [33] En algunos casos, se pueden realizar modificaciones con un esfuerzo menor, por ejemplo, entre 9-6 potenciales de Lennard-Jones y 12-6 potenciales de Lennard-Jones. [12] Las transferencias de potenciales de Buckingham a potenciales armónicos, o de modelos atómicos integrados a potenciales armónicos, por el contrario, requerirían muchas suposiciones adicionales y pueden no ser posibles.

En muchos casos, los campos de fuerza se pueden combinar fácilmente. Sin embargo, a menudo se requieren especificaciones y suposiciones adicionales.

Limitaciones

Todos los potenciales interatómicos se basan en aproximaciones y datos experimentales, por lo que a menudo se denominan empíricos . El rendimiento varía desde una mayor precisión que los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), con acceso a sistemas y escalas de tiempo millones de veces más grandes, hasta conjeturas aleatorias que dependen del campo de fuerza. [34] El uso de representaciones precisas de enlaces químicos, combinados con validaciones y datos experimentales reproducibles, puede conducir a potenciales interatómicos duraderos de alta calidad con muchos menos parámetros y suposiciones en comparación con los métodos cuánticos de nivel DFT. [35] [36]

Las posibles limitaciones incluyen cargas atómicas, también llamadas cargas puntuales. La mayoría de los campos de fuerza dependen de cargas puntuales para reproducir el potencial electrostático alrededor de las moléculas, lo que funciona menos bien para distribuciones de carga anisotrópicas . [37] El remedio es que las cargas puntuales tengan una interpretación clara [26] y se puedan agregar electrones virtuales para capturar características esenciales de la estructura electrónica, como polarizabilidad adicional en sistemas metálicos para describir el potencial de la imagen, momentos multipolares internos en conjugados π. sistemas y pares solitarios en el agua. [38] [39] [40] La polarización electrónica del medio ambiente se puede incluir mejor mediante el uso de campos de fuerza polarizables [41] [42] o el uso de una constante dieléctrica macroscópica . Sin embargo, la aplicación de un valor de constante dieléctrica es una aproximación burda en entornos altamente heterogéneos de proteínas, membranas biológicas, minerales o electrolitos. [43]

Todos los tipos de fuerzas de van der Waals también dependen fuertemente del entorno porque estas fuerzas se originan a partir de interacciones de dipolos inducidos e "instantáneos" (ver Fuerza intermolecular ). La teoría original de Fritz London sobre estas fuerzas se aplica sólo en el vacío. AD McLachlan desarrolló una teoría más general de las fuerzas de van der Waals en medios condensados ​​en 1963 e incluía el enfoque original de Londres como un caso especial. [44] La teoría de McLachlan predice que las atracciones de Van der Waals en los medios son más débiles que en el vacío y siguen la regla de lo similar se disuelve , lo que significa que diferentes tipos de átomos interactúan más débilmente que tipos idénticos de átomos. [45] Esto contrasta con las reglas combinatorias o la ecuación de Slater-Kirkwood aplicada para el desarrollo de los campos de fuerza clásicos. Las reglas combinatorias establecen que la energía de interacción de dos átomos diferentes (por ejemplo, C...N) es un promedio de las energías de interacción de pares de átomos idénticos correspondientes (es decir, C...C y N...N). Según la teoría de McLachlan, las interacciones de las partículas en los medios pueden incluso ser totalmente repulsivas, como se observa en el caso del helio líquido , [44] sin embargo, la falta de vaporización y la presencia de un punto de congelación contradice una teoría de interacciones puramente repulsivas. Las medidas de fuerzas de atracción entre diferentes materiales ( constante de Hamaker ) han sido explicadas por Jacob Israelachvili . [44] Por ejemplo, " la interacción entre los hidrocarburos a través del agua es aproximadamente el 10% de la que ocurre a través del vacío ". [44] Dichos efectos se representan en la dinámica molecular a través de interacciones por pares que son espacialmente más densas en la fase condensada en relación con la fase gaseosa y se reproducen una vez que los parámetros de todas las fases se validan para reproducir el enlace químico, la densidad y la energía cohesiva/superficial.

Se han sentido fuertemente las limitaciones en el refinamiento de la estructura de las proteínas. El principal desafío subyacente es el enorme espacio de conformación de las moléculas poliméricas, que crece más allá de la viabilidad computacional actual cuando contiene más de ~20 monómeros. [46] Los participantes en la Evaluación Crítica de la Predicción de la Estructura de las Proteínas (CASP) no intentaron refinar sus modelos para evitar " un problema central de la mecánica molecular, a saber, que la minimización de energía o la dinámica molecular generalmente conduce a un modelo que se parece menos a la estructura experimental". ". [47] Los campos de fuerza se han aplicado con éxito para el refinamiento de la estructura de proteínas en diferentes aplicaciones de cristalografía de rayos X y espectroscopia de RMN , especialmente utilizando el programa XPLOR. [48] ​​Sin embargo, el refinamiento está impulsado principalmente por un conjunto de limitaciones experimentales y los potenciales interatómicos sirven principalmente para eliminar obstáculos interatómicos. Los resultados de los cálculos fueron prácticamente los mismos con potenciales de esfera rígida implementados en el programa DYANA [49] (cálculos a partir de datos de RMN), o con programas de refinamiento cristalográfico que no utilizan funciones energéticas en absoluto. Estas deficiencias están relacionadas con los potenciales interatómicos y con la incapacidad de muestrear eficazmente el espacio de conformación de moléculas grandes. [50] Por lo tanto, también el desarrollo de parámetros para abordar problemas de tan gran escala requiere nuevos enfoques. Un área problemática específica es el modelado por homología de proteínas. [51] Mientras tanto, se han desarrollado funciones de puntuación empíricas alternativas para el acoplamiento de ligandos , [52] plegamiento de proteínas , [53] [54] [55] refinamiento del modelo de homología, [56] diseño computacional de proteínas , [57] [58] [59 ] y modelado de proteínas en membranas. [60]

También se argumentó que algunos campos de fuerza de proteínas operan con energías que son irrelevantes para el plegamiento de proteínas o la unión de ligandos. [41] Los parámetros de los campos de fuerza de las proteínas reproducen la entalpía de sublimación , es decir, la energía de evaporación de los cristales moleculares. Sin embargo, el plegamiento de proteínas y la unión de ligandos están termodinámicamente más cerca de la cristalización o transiciones líquido-sólido, ya que estos procesos representan la congelación de moléculas móviles en medios condensados. [61] [62] [63] Por lo tanto, se espera que los cambios de energía libre durante el plegamiento de proteínas o la unión de ligandos representen una combinación de una energía similar al calor de fusión (energía absorbida durante la fusión de cristales moleculares), una contribución de entropía conformacional y energía libre de solvatación . El calor de fusión es significativamente menor que la entalpía de sublimación. [44] Por lo tanto, los potenciales que describen el plegamiento de proteínas o la unión de ligandos necesitan protocolos de parametrización más consistentes, por ejemplo, como se describe para IFF. De hecho, las energías de los enlaces de H en las proteínas son ~ -1,5 kcal/mol cuando se estiman a partir de datos de ingeniería de proteínas o de transición de hélice alfa a bobina , [64] [65] pero las mismas energías estimadas a partir de la entalpía de sublimación de cristales moleculares fueron -4 a -6 kcal/mol, [66] lo que está relacionado con volver a formar enlaces de hidrógeno existentes y no formar enlaces de hidrógeno desde cero. Las profundidades de los potenciales modificados de Lennard-Jones derivados de datos de ingeniería de proteínas también fueron más pequeñas que en los parámetros potenciales típicos y siguieron la regla de lo mismo se disuelve , como lo predice la teoría de McLachlan. [41]

Campos de fuerza disponibles en la literatura.

Los diferentes campos de fuerza están diseñados para diferentes propósitos:

Clásico

Polarizable

Varios campos de fuerza capturan explícitamente la polarizabilidad , donde la carga efectiva de una partícula puede verse influenciada por interacciones electrostáticas con sus vecinas. Son comunes los modelos núcleo-capa, que consisten en una partícula central cargada positivamente, que representa el átomo polarizable, y una partícula cargada negativamente unida al átomo central a través de un potencial oscilador armónico similar a un resorte . [86] [87] [88] Los ejemplos recientes incluyen modelos polarizables con electrones virtuales que reproducen cargas de imágenes en metales [76] y campos de fuerza biomoleculares polarizables. [89]

Reactivo

De grano grueso

Aprendizaje automático

Agua

El conjunto de parámetros utilizados para modelar el agua o soluciones acuosas (básicamente un campo de fuerzas para el agua) se denomina modelo de agua . Se han propuesto muchos modelos de agua; [5] algunos ejemplos son TIP3P, TIP4P, [2] SPC, modelo de agua de carga puntual simple flexible (SPC flexible), ST2 y mW. [128] Otros disolventes y métodos de representación de disolventes también se aplican en la química y la física computacionales; estos se denominan modelos solventes .

Aminoácidos modificados

Otro

Ver también

Referencias

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