Fast Methods of Charge Calculation

Mgr. Zuzana Novotná Jiroušková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Jednou z metod určených pro rychlé výpočty atomových bodových nábojů je ekvalizační metoda EEM. Jejímu použití předchází náročný proces parametrizace, který byl v rámci této práce uskutečněn s využitím atomových bodových nábojů získaných pomocí ab initio a DFT metod s využitím Hartree- Fockovy metody a funkcionálů BP86, PW91, BLYP, PBE, B3LYP a M06-2X. Pro parametrizaci byly použity testovací sady molekul z databází experimentálních a počítačově určených struktur. Samotná parametrizace byla provedena s využitím několika schémat pro výpočet nábojů, jako jsou Mullikenova populační analýza (MPA) a přirozená populační analýza (NPA) a také nábojů získaných z elektrostatického potenciálu s využitím Merz-Kollmanova a ChelpG schématu. Takto získané EEM náboje byly testovány a ukázalo se, že dosahují lepších výsledků než dosud publikované parametry. Součástí práce bylo též testování nového přístupu k parametrizaci, kdy jsou parametry získávány přímo z elektrostatického potenciálu. Tato nově vyvinutá metoda parametrizace byla posléze využita k výpočtu atomových bodových nábojů, které byly dále použity pro výpočty solvatačních energií s využitím implicitního solventu. Kvalita takto získaných solvatačních energií byla srovnána s experimentálně získanými rozdělovacími koeficienty n-oktanol/voda.

Abstract:

The Electronegativity Equalization Method (EEM) is fast approach for charge calculation. Challenging part of the EEM is the parameterization process, which was performed on atomic point charges calculated by ab initio and DFT methods, specifically Hartree-Fock method and BP86, PW91, BLYP, PBE, B3LYP and M06-2X functionals. For the parameterization, training sets including organic, organohalogen and organometal molecules were retrieved from the databases of experimentally and computationally determined structures. The EEM parameterization was performed for a variety of charge sources which includes Mulliken Population Analysis (MPA) and Natural Population Analysis (NPA) charges and charges derived from electrostatic potential employing Merz- Kollman and ChelpG schemes. Retrieved EEM charges were carefully verified and it was proved that they perform better than the previously published ones. Also, a new EEM parameterization method was introduced which is able to obtain parameters directly from the electrostatic potential. Finally, the newly developed EEM parameterization method was used to calculate atomic point charges which were applied in solvation energy calculations employing implicit solvent models. The quality of solvation energies were validated on experimentally measured n-octanol/water partition coefficients.

Keywords

electronegativity equalization method, charge calculation, molecular mechanics, quantum mechanics, solvation energy, n-octanol/water partition coefficient

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 12. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 16. 1. 2014
• Supervisor: prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Michal Čajan, Ph.D., Mgr. Michal Kutý, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry