Atomistic simulations of cosolvent-water mixtures [Elektronische Ressource] : force field development and application to cosolvent effects on nonpolar solubility and hydrophobic interactions / Maeng Eun Lee

Informations

• Publié par: johannes_gutenberg-universitat_mainz
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

Atomistic simulations of cosolvent/water mixtures:

Force field development and application to cosolvent effects on nonpolar solubility and
hydrophobic interactions




Dissertation
Zur Erlangung des Grades


“Doktor der Naturwissenschaften”


am Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität
in Mainz





Maeng Eun Lee
geboren in Jeonju, Südkorea


Mainz 2006




Zusammenfassung

In dieser Arbeit werden hydrophobes Lösungsverhalten und hydrophobe
Wechselwirkungen in binären Lösungsmittel-Wasser-Mischungen mit Hilfe atomistischer
Simulationen untersucht. Viele dieser Mischungen zeigen nicht-ideales Verhalten; die
Lösungsmittelmoleküle aggregieren, obwohl sich auf makroskopischer Ebene stabile und
homogene Mischungen ausbilden. Auf Kraftfeldern basierende atomistische Simulationen
eröffnen eine Möglichkeit, atomare Strukturen und Wechselwirkungen mit den
thermodynamischen Eigenschaften des Lösungsmittels in Verbindung zu bringen. Die
erwarteten Eigenschaften hängen sehr stark von den Werten der Parameter ab, mit denen
die molekularen Wechselwirkungen beschrieben werden.
Im ersten Teil der Arbeit wird als binäre Mischung t-Butanol (TBA) und Wasser verwendet.
Ausgehend von der Kirkwood-Buff-Theorie für Lösungen wird ein neues Kraftfeld
entwickelt, das es ermöglicht, die Ausbildung von Alkohol-Alkohol-, Wasser-Wasser- und
Alkohol-Wasser-Aggregaten in der Mischung zu beschreiben. Weiterhin können die
Ableitungen der chemischen Potentiale der an der Mischung beteiligten Stoffe in
Übereinstimmung mit experimentellen Daten bestimmt werden.
Mit dem erstellten Kraftfeld ist das bevorzugte Lösungsverhalten und die Thermodynamik
einer hydrophoben Verbindung in TBA-Wasser-Mischungen am Beispiel von Methan
studiert worden. Dazu wurden Freie Energie-, Enthalpie- und Entropieänderungen des
Lösungsvorgangs für verschieden konzentrierte TBA-Wasser-Mischungen berechnet und
mit experimentellen Werten verglichen. Im Gegensatz zur Freien Energie verändern sich
Enthalpie und Entropie nicht-monoton bei Änderung des Mischungsverhältnisses. Dies lässt
sich auf die strukturelle Umverteilung des Lösungsmittels zurückführen, welche keinen
Einfluss auf die Freie Energie ausübt, da sich di Beiträge von Enthalpie und Entropie
nahezu kompensieren. Daher kann aus dem Verhalten von Lösungsenthalpie und -entropie
ein genaueres Bild über die Anordnung der Lösungsmittelmoleküle um die gelöste Substanz
gewonnen werden.
Im zweiten Teil werden hydrophobe Wechselwirkungen in Harnstoff-Wasser-Mischungen
i

untersucht. Diese sind von großer Bedeutung in der Biologie (z.B. für das Falten bzw.
Entfalten von Proteinen). Dennoch sind die Änderungen der Wechselwirkungen, die durch
Erhöhen des Harnstoffanteils verursacht werden, noch nicht vollständig aufgeklärt. Dieses
Problem wird anhand der Änderungen der Freien Energie (potential of mean force), der
Enthalpie und der Entropie als Funktion des Abstandes zweier unpolarer Moleküle in
Wasser und in einer wässrigen Harnstoff-Lösung (6.9 M) diskutiert. Dazu werden in
Kapitel 5 die Enthalpie- und der Entropiebeiträge zum "potential of mean force" untersucht,
die von Umstrukturierungen im Lösungsmittel abhängen. Dabei stellt man fest, dass der
Zusammenschluss unpolarer Moleküle in einer wässrigen Harnstoff-Lösung genau wie in
reinem Wasser thermodynamisch bevorzugt wird. Dies steht im Widerspruch zur bisherigen
Meinung, dass sich Cluster unpolarer Moleküle vollständig in wässrigen Harnstoff
Lösungen auflösen. Die Konsequenzen dieser Beobachtung für die Stabilität von Proteinen
in konzentrierten Harnstofflösungen wird eingehend in Kapitel 6 diskutiert.



















ii





Summary

In this thesis, atomistic simulations are performed to investigate hydrophobic solvation and
hydrophobic interactions in cosolvent/water binary mixtures. Many cosolvent/water binary
mixtures exhibit non-ideal behavior caused by aggregation at the molecular scale level
although they are stable and homogenous at the macroscopic scale. Force-field based
atomistic simulations provide routes to relate atomistic-scale structure and interactions to
thermodynamic solution properties. The predicted solution properties are however sensitive
to the parameters used to describe the molecular interactions.
In this thesis, a force field for tertiary butanol (TBA) and water mixtures is parameterized
by making use of the Kirkwood-Buff theory of solution. The new force field is capable of
describing the alcohol-alcohol, water-water and alcohol-water clustering in the solution as
well as the solution components’ chemical potential derivatives in agreement with
experimental data. With the new force field, the preferential solvation and the solvation
thermodynamics of a hydrophobic solute in TBA/water mixtures have been studied.
First, methane solvation at various TBA/water concentrations is discussed in terms of
solvation free energy-, enthalpy- and entropy- changes, which have been compared to
experimental data. We observed that the methane solvation free energy varies smoothly
with the alcohol/water composition while the solvation enthalpies and entropies vary non-
monotonically. The latter occurs due to structural solvent reorganization contributions
which are not present in the free energy change due to exact enthalpy-entropy
compensation. It is therefore concluded that the enthalpy and entropy of solvation provide
more detailed information on the reorganization of solvent molecules around the inserted
solute.
Hydrophobic interactions in binary urea/water mixtures are next discussed. This system is
particularly relevant in biology (protein folding/unfolding), however, changes in the
hydrophobic interaction induced by urea molecules are not well understood. In this thesis,
this interaction has been studied by calculating the free energy (potential of mean force),
enthalpy and entropy changes as a function of the solute-solute distance in water and in
iii

aqueous urea (6.9 M) solution. In chapter 5, the potential of mean force in both solution
systems is analyzed in terms of its enthalpic and entropic contributions. In particular,
contributions of solvent reorganization in the enthalpy and entropy changes are studied
separately to better understand what are the changes in interactions in the system that
contribute to the free energy of association of the nonpolar solutes. We observe that in
aqueous urea the association between nonpolar solutes remains thermodynamically
favorable (i.e., as it is the case in pure water). This observation contrasts a long-standing
belief that clusters of nonpolar molecules dissolve completely in the presence of urea
molecules. The consequences of our observations for the stability of proteins in
concentrated urea solutions are discussed in the chapter 6 of the thesis.





















iv





Table of Contents

Chapter 1. Introduction......................................................................................................................1

Chapter 2. Computational methods..................................................................................................7

2.1 Introduction......................................................................................................................................7
2.2 Statistical mechanics .......................................................................................................................9
2.2.1 Molecular dynamics .......................................................................................................9
2.2.2 Monte Carlo ..................................................................................................................10
2.2.3 Force fields....................................................................................................................11
2.2.4 Integration of equation of motions ..............................................................................16
2.2.5 Periodic boundary conditions and cutoff distances ....................................................17
2.2.6 Electrostatic interactions ..............................................................................................19
2.2.6.1 Ewald summation.........................................................................................19
2.2.6.2 Particle mesh Ewald.....................................................................................20
2.2.6.3 Coulombic interaction with reaction field..................................................21