1. Argumentace
Následující publikace je upravenou verzí dokumentu, který posloužil k ohodnocení mé
průběžné práce a projektů během mého bakalářského a magisterského studia v předmětu
C8855 Počítačová chemie a molekulové modelování II. Název publikace napovídá, že hl.
objektem studia je molekula Bambus[6]uril a jaké metodiky byly při studiu této molekuly
použity.
Anotace
Tato práce předkládá studii nově syntetizované supramolekulární sloučeniny nazvané
bambus[6]uril pomocí metod výpočetní chemie. Sloučenina je derivátem glykolurilu a svými
vlastnostmi spojuje chemické chování cucurbit[n]urilů a hemicucurbit[n]urilů. Práce
podrobně popisuje stavební strukturu a z ní vyplývající vlastnosti především afinitu aniontů
k makrocyklu.
Bambus[6]uril byl studován metodami molekulové dynamiky (MD) a kvantově
mechanickým přístupem(QM). Pomocí QM je vypočítána vazebná energie odlišných druhů
aniontů do bambus[6]urilu. Získané energie byly uspořádány dle velikosti a porovnány
s výsledky experimentu.
Klíčová slova
Bambus[6]uril, glykoluril, výpočetní chemie, počítačové modelování, supramolekulární
chemie
Studium nové makromolekuly Bambus[6]urilu pomocí
výpočetní chemie a modelování
1. Úvod
Tato práce se soustřeďuje na nedávno nově syntetizovanou makromolekulární
sloučeninou nazvanou Bambus[6]uril [BU6] (viz Obrázek 1.). Na jejím vývoji se především
podílel Jan Švec pod odborným vedením Vladimíra Šindeláře na organické sekci Masarykovy
univerzity. Tato sloučenina svým prostorovým uspořádáním připomíná skupinu molekul typu
cucurbiturilů složených z glykolurilových strukturních jednotek. BU6 se skládá z 6 jednotek
glykolurilu propojených methylovými skupinami, které svou kompozicí lze připodobnit
k dutému válci bez spodní a horní podstavy (jeden článek bambusu). Molekula BU6 je
schopná interakce s různými typy aniontů vyplývající z atomové konstituce a rozložení
1
Mgr. Jan Slavík – publikace pro předmět Kurz práce s informacemi vyučovaný na Masarykově univerzitě v Brně dne 1.6.2013

2. parciálních nábojů. Utvářejí se tak komplexy BU6/Xz-, kde X je interagující anion např.
halogenidy, NO3 -, NO2-, PF6- a další a z je odpovídající náboj aniontu. S přihlédnutím
k velikosti aniontu lze říci, že anionty jsou v komplexu s BU6 lokalizovány v dutině BU6.
Jako vhodným rozpouštědlem pro BU6 se ukázala být ekvimolární směs ethanolu a
chloroformu.1
Obrázek 1. Bambus[6]uril – pohled z boku (vlevo) a shora (vpravo)
Především je tato práce částečným shrnutím mé bakalářské práce2. Podává přehled
metod, které byly použity pro vytvoření modelu BU6 a při chemických výpočtech. Na časové
ose lze najít, jak bylo postupováno při tvorbě mé bakalářské práce (Obrázek 2.)
Obrázek 2. Posloupnost progresu bakalářské práce
2
Mgr. Jan Slavík – publikace pro předmět Kurz práce s informacemi vyučovaný na Masarykově univerzitě v Brně dne 1.6.2013

3. 2. Metody
2.1 Příprava systému
Struktura studovaného bambus[6]urilu byla uměle vytvořena pomocí softwaru
Spartan ’023 a geometrie byla porovnána s dostupnou krystalovou strukturou. Následná
optimalizace struktury byla provedena za použití Hartree-Fockovi metody a báze 6-31G*
v programu Gaussian 034. Atomové náboje byly získány standardní RESP postupem na
úrovni HF/6-31*.
2.2 Molekulární dynamika (MD)
Vstupní struktura pro MD simulace byla vygenerována v programu Leap
z softwarového balíku Amber 105, za použití silového pole GAFF6. Provedené simulace
vedly nejen k získání dynamického chování studovaného systému, ale také k vysvětlení
důležitých trendů – jako rozpustnost a stabilita BU6. Pro spuštěné simulace bylo
navrženo pět různých prostředí (vakuum, voda, metanol, chloroform a ekvimolární směs
methanolu a chloroformu). Systém v rozpouštědle vody byl připraven za využití
programu Solvate s TIP3P modelem pro molekuly vody a tvar boxu odpovídal truncated
octahedral s nastaveným poloměrem na 22Å. Parametry pro organická rozpouštědla byly
získány dodatečně a systémy byly solvatovány programem Leap. Velikost jednotlivých
boxů byla ovlivněna rozměry použitých molekul rozpouštědel, aby simulace probíhaly
v přítomnosti podobného počtu atomů. Proto velikost boxu pro menší molekuly metanolu
byla 21Å a pro chloroform 31Å. Veškeré simulace byly provedeny pro dva stavy, zaprvé
pro samotný BU6 a zadruhé za přítomnosti chloridového aniontu v jeho dutině.
V potřebných případech byly k zajištění elektroneutrality přidány sodné kationty. Sodné a
chloridové ionty byly popsány silovým polem parm99SB.
Vytvořené systémy byly první optimalizovány a pak pomalu zahřívány z 1 na 300K
během 100ps dlouhé simulace za konstantního obejmu systému. Počáteční rychlosti při
teplotě 1K byly generovány pro odpovídající Maxwell-Boltzmanově distribuci.
Integrační krok byl nastaven na 1fs a pro zafixování délky vazeb obsahujících vodíkový
atom bylo použito SHAKE algoritmu. Teplota byla regulována Langevinovým
termostatem. Následná relaxace systému proběhla při 300K a konstantního tlaku 1 bar
3
Mgr. Jan Slavík – publikace pro předmět Kurz práce s informacemi vyučovaný na Masarykově univerzitě v Brně dne 1.6.2013

4. v délce trvání 200ps. Daleko-dosahové interakce byly popsaný metodou Particle Mesh
Ewald s nastaveným cut-off na 9.0Å.
Postup popsaný výše byl aplikován pro všechny prostředí a jak pro samotný BU6,
tak pro komplex s chloridovým aniontem v dutině. Jednotlivé simulace trvaly shodně
10ns a provedeny byly za konstantního tlaku.
2.3 Kvantová mechanika (QM)
Z hlediska experimentálního pozorování vyplývá, že Bambus[6]uril vykazuje
vysokou afinitu k aniontům, které je schopen vázat. Pro hodnocení trendů a výpočet
komplexačních energií pro různé druhy aniontů bylo využito kvantově chemických
metod. Získané výsledky byly porovnány (pokud bylo možno) s experimentem. Hlavní
zájem výpočtů byl kladen na skupinu halogenidových aniontů a díky zvláštním
vlastnostem také atomu xenonu.
Vstupní geometrie pro všechny zkoumané komplexy byly připraveny podobně jako
pro samotnou molekulu bambus[6]urilu. Střed hmoty aniontů byl uměle umístěn
do dutiny, tedy do těžiště BU6. Jednotlivé komplexy byly nejprve optimalizovány
v Gaussianu 03, HF/6-31G*. Takto optimalizované souřadnice sloužily jako vstup pro
následnou sofistikovanější BP DFT optimalizaci, zahrnující RI korekci (resolution of
identity). S ohledem na požadovanou přesnost výsledků byla vybrána def2-TZVVP báze.
Výpočty proběhly v balíku Turbomole verze 6.3. Veškeré komplexační energie aniontů
byly počítány v prostředí vakuu a při zahrnutí implicitního solventu COSMO. Jelikož
experimenty byly vedeny v kapalné ekvimolární směsi metanolu a chloroformu, byla
nastavena pro COSMO relativní permitivita 19. Odpovídá průměrné hodnotě obou
permitivit pro metanol a chloroform. Všechny výpočty také zahrnovaly korekce na Basis
Set Superposition Error (BSSE) a na disperzi použitím metody DFT-D3.
Získané výsledky jsou shrnuty v tabulce 1., která je seřazena dle klesající afinity
aniontu k BU6 a tedy lepší schopnosti tvořit komplex s BU6 (čím zápornější hodnota, tím
stabilnější komplex). Výsledky porovnané s experimentem se shodují v pozorovaném
trendu pro halogenidové anionty. Avšak pořadí v tabulce pro další typy aniontů poskytuje
jisté odchylky a získané výsledky je nutno hodnotit kriticky. Problém a zároveň
vysvětlení, proč nehalogenidové komplexační vypočtené energie neodpovídají trendům
z experimentů, můžeme nalézt v použití implicitního solventu při simulaci, který se
chová jako homogenní kontinuum. Nemusí tak odpovídat reálnému rozmístění molekul
4
Mgr. Jan Slavík – publikace pro předmět Kurz práce s informacemi vyučovaný na Masarykově univerzitě v Brně dne 1.6.2013

5. metanolu a chloroformu okolo a uvnitř. Molekuly jednotlivých rozpouštědel mohou
jistou mírou také přispívat ke stabilizaci komplexu. Tato stabilizace se, však nemůže
v plné míře projevit při využití COSMO modelu. Využitím metod výpočtu volných
energií (FEC) lze zapojit i explicitní molekuly rozpouštědla a tím získat přesnější
hodnoty celkové afinity iontů k BU6. FEC jsou součástí navazující magisterské práce7.
dEtotal
BU6/BF4- -25,12
BU6/PF6- -24,32
-
BU6/CH3COO -22,37
BU6/OCN- -20,84
-
BU6/HCO3 -20,80
-
BU6/HCOO -19,46
-
BU6/I -19,44
-
BU6/NO3 -18,25
-
BU6/Br -16,74
BU6/SCN- -16,08
-
BU6/Cl -13,18
-
BU6/F -10,29
BU6/Xe -6,88
2-
BU6/NO 8,74
Tabulka 1. Asociační energie komplexu BU6 s anionty seřazeny dle
stoupající afinitní energie (žlutě zvýrazněny halogenidové anionty)
3. Reference
(1) Svec, J.; Necas, M.; Sindelar, V. Bambus[6]uril. Angew. Chem. Int. Ed. 2010,
(2) Slavík, J. Bakalářská práce; Masarykova univerzita, 2010.
(3) Spartan ’02; Wavefunction, Inc.: Irvine, CA.
(4) Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J.
A.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.;
Cossi, M.; Scalmani, Y.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda,
R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.;
Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev,
O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador,
P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.;
Rabuck, A. D.; Raghavachari, J.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski,
J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-
Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong,
M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, Revision E.1; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2003.
(5) Case, D. A.; Darden, T. A.; Cheatham, T. E.; Simmerling, C. L.; Wang, J.; Duke, R. E.; Luo, R.; Crowley, M.;
Ross C. Walker; Zhang, W.; Merz, K. M.; Wang, B.; Hayik, S.; Roitberg, A.; Seabra, G.; Kolossváry, I.; Wong,
K. F.; Paesani, F.; Vanicek, J.; Wu, X.; Brozell, S. R.; Steinbrecher, T.; Gohlke, H.; Yang, L.; Tan, C.; Mongan,
J.; Hornak, V.; Cui, G.; Mathews, D. H.; Seetin, M. G.; Sagui, C.; Babin, V.; Kollman, P. A. Amber 10;
University of California, San Francisco, 2008.
(6) Wang, J. M.; Wolf, R. M.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A.; Case, D. A. Development and Testing of a
General Amber Force Field. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1157–1174.
(7) Slavík, J. Diplomová práce; Masarykova univerzita, 2012.
5
Mgr. Jan Slavík – publikace pro předmět Kurz práce s informacemi vyučovaný na Masarykově univerzitě v Brně dne 1.6.2013