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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2018.tde-19102018-165856
Documento
Autor
Nome completo
Henrique Musseli Cezar
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Coutinho, Kaline Rabelo (Presidente)
Braga, Ataualpa Albert Carmo
Dardenne, Laurent Emmanuel
Oliveira, Mario Jose de
Rocha, Willian Ricardo
Título em português
Implementação e desenvolvimento de algoritmo eficiente para deformação intramolecular com o método Monte Carlo
Palavras-chave em português
Configurational Bias Monte Carlo
Flexibilidade molecular.
Mecânica molecular
Soluto-solvente
Resumo em português
Com o avanço do poder computacional nas últimas décadas, a modelagem molecular de problemas em diversas áreas se tornou mais acessível, sendo hoje uma ferramenta fundamental para o entendimento de diversos processos. Em especial, simulações moleculares com campos de força clássicos vem sendo importante para a amostragem de propriedades termodinâmicas, para a determinação de estruturas e população de confôrmeros, e seleção de configurações para utilização com métodos que combinam mecânica quântica com mecânica molecular. Os principais métodos de simulação atualmente utilizados são a dinâmica molecular (MD, do inglês molecular dynamics) e o Monte Carlo (MC). Ambos os métodos são a princípio equivalentes quando o objetivo é a amostragem configuracional, tendo a MD a vantagem de permitir a análise da dinâmica e evolução temporal, e o MC a vantagem de poder gerar configurações de forma probabilística, sem a necessidade de seguir um caminho sobre a superfície de energia potencial, o que pode resultar em uma amostragem mais eficiente. Contudo, não há ainda uma metodologia de MC que possa ser considerada eficiente e bem estabelecida para a amostragem dos graus de liberdade internos de moléculas com complexidade arbitrária. Visando avançar no desenvolvimento de métodos que trabalham nesse sentido, neste trabalho o método apresentado por Shah e Maginn [1] foi implementado e aprimorado. No método, a molécula é fragmentada em partes menores, formadas de graus de liberdade rígidos, que não variam drasticamente durante a simulação. Esses fragmentos por sua vez são conectadas por graus de liberdade maleáveis, os diedros e termos não ligados da energia. Durante a simulação a molécula tem fragmentos apagados, e então é reconstruída utilizando um esquema de Configurational Bias Monte Carlo (CBMC). A contribuição deste trabalho para a metodologia consiste em generalizar os tipos de fragmentos possíveis dentro do método, a simplificação do critério de aceitação e extensões com vieses adicionais, como é o caso do viés no potencial eletrostático e no critério de aceitação da amostragem preferencial com o CBMC. A validade da implementação do método foi avaliada através de simulações em dois sistemas simples: o octano e o 1,2-dicloroetano. Comparando a amostragem e os resultados obtidos para as populações de confôrmeros com resultados de MD e experimentais ou obtidos com outros métodos de MC da literatura foi possível verificar que a implementação reproduz os resultados esperados. Além disso, o equilíbrio conformacional da molécula de óxido mesityl (MOx) que possui duas conformações: syn e anti, foi estudado. Graças a barreira de potencial entre as duas conformações de cerca de 10 kcal/mol, a MD não é capaz de realizar uma amostragem ergódica, enquanto o CBMC realiza a amostragem sem problemas. Na simulação CBMC, a inversão da população dominante em fase gasosa e em água foi observada. Simulações do MOx em acetonitrila e metanol mostraram que a população de confôrmeros anti de fato aumenta conforme a polaridade do solvente. Entretanto, devido ao estiramento da ligação C = O do MOx em metanol devido as ligações de hidrogênio, a contribuição conformacional à posição do máximo da banda de absorção não segue a tendência da polaridade, tendo um deslocamento para o azul maior na acetonitrila do que em metanol. O estiramento da ligação C = O só pode ser observado graças a introdução da amostragem de fragmentos com deslocamentos Cartesianos e algoritmo de Metropolis ao método CBMC original. Esse efeito devido ao estiramento é compensado pelo efeito solvente, de modo que a contribuição total à energia de transição segue a polaridade do solvente. De uma maneira geral, concluímos que o desempenho do método CBMC utilizado é excelente para os casos estudados, e é inclusive superior ao da MD em alguns casos. A implementação no software DICE deixa um legado importante para diversos grupos de pesquisa, não somente por introduzir o CBMC, mas também por melhorias gerais como paralelização, lista de vizinhos e modernização do código, que foram introduzidas ao decorrer do projeto.
Título em inglês
Implementation and development of efficient Monte Carlo algorithm for intramolecular deformation
Palavras-chave em inglês
Configurational Bias Monte Carlo
Molecular flexiblity
Molecular mechanics
Solute-solvent
Resumo em inglês
With the increase of computational power in the last decades, the molecular modeling of problems in several areas has become more accessible, being today a fundamental tool used to understand several processes. In particular, molecular simulations with classical force fields have been important for the sampling of thermodynamic properties, for the determination of structures and population of conformers, and for the selection of configurations to be used with methods that combine quantum mechanics with molecular mechanics. The most common simulation methods used nowadays are molecular dynamics (MD) and Monte Carlo (MC). Both methods are in principle equivalent when the goal is configurational sampling, with MD having the advantage of allowing the analysis of the dynamics and temporal evolution, while MC has the advantage of generating the configurations in a probabilistic manner, not necessarily following a path in the potential energy surface, possibly resulting in a more efficient sampling. However, there is no MC methodology that can be considered efficient and established to sample the internal degrees of freedom of molecules with arbitrary complexity. In order to advance in the development of methods that want to achieve this goal, in this work the method presented by Shah e Maginn [1] has been implemented and improved. In the method, the molecule is fragmented into smaller parts, each one composed by the hard degrees of freedom, which do not vary dramatically during the simulation. Those fragments are then connected by soft degrees of freedom, the dihedral and non-bonded terms of the energy. During the simulation the molecule has some of its fragments deleted, and is reconstructed using a Configurational Bias Monte Carlo (CBMC) approach. The contribution of this work to the methodology is generalizing the fragment types within the method, the simplification of the acceptance criteria and some extensions with additional biases, such as electrostatic potential bias and the acceptance criterion of the preferential sampling with the CBMC. The implementation was evaluated through simulations in two simple systems: octane and 1,2-dichloroethane. Comparing the sampling and results obtained for the populations of conformers with MD results, experimental data or values obtained with different MC methods present in the literature, we verified that the implementation reproduces the expected results. Beyond that, the conformational equilibrium of the mesityl oxide (MOx) molecule which has two conformers: syn and anti, was investigated. Due to the potential energy barrier between the two conformers of about 10 kcal/mol, the MD does not perform an ergodic simulation, while the CBMC does the same sampling accordingly. In the CBMC simulation, the inversion of the dominant conformer in gas phase and water was observed. The MOx simulation in acetonitrile and methanol showed that the frequency of the anti conformer indeed increases with the solvent polarity. Nonetheless, due to the stretch of the C = O bond of MOx in methanol, attributed to the hydrogen bonds formed with the solvent, the conformational contribution to the maximum of the absorption band does not follow the polarity tendency, having a larger blue shift in acetonitrile than in methanol. The C = O bond stretch can only be seen because the Cartesian displacement sampling with the Metropolis method was introduced to the original CBMC method. This effect attributed to the stretch is compensated by the solvent, in a way that the total contribution to the transition energy follows the solvent polarity. In general, we conclude that the performance of the developed CBMC method is excellent to the studied cases, being even superior to MD in some cases. The implementation in DICE leaves an important legacy to several research groups, not only for introducing the CBMC method, but also due to general improvements such as parallelization, neighbor list and code modernization, which were introduced during the project.
 
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tese.pdf (4.71 Mbytes)
Data de Publicação
2018-10-22
 
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