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溶媒和自由エネルギーの計算

【溶媒和自由エネルギーの定義と求め方】

溶媒和自由エネルギー（ΔGsol）とは、ある分子の気相中と溶媒中での自由エネルギー差を表します。したがってこれを計算で求めるには、気相中と溶媒中両方での振動解析計算に基づいた自由エネルギー計算が必要になります。

Solv. Eq.1

一方で、気相中と溶媒中での振動による自由エネルギーへの寄与が等しいと仮定すると、溶媒和自由エネルギーはそれぞれの条件で構造最適化して得られた全エネルギーの差となります。

Solv. Eq.2

さらに、気相中と溶媒中での最適化構造が等しいと仮定すると、溶媒和自由エネルギーは

Solv. Eq.3

とすることが出来ます。
CONFLEXでは、溶媒効果をGB/SAモデルにより考慮しています。GB/SAモデルに関する説明は【溶媒効果を取り入れた計算】をご覧ください。

【計算例：Neutral型のグリシン３量体】

溶媒和自由エネルギー計算方法について、Neutral型のグリシン３量体を例に説明します。

グリシン３量体のneutral型

Glycine Trimer

Neutral型グリシン3量体の座標データ（gly3.mol）

gly3.mol


 24 23  0  0  0  0  0  0  0  0  0    0
   -2.5597   -2.2710    0.0000 C   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.5552   -1.1275    0.0000 C   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -3.1846   -2.1941   -0.8898 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -3.1846   -2.1941    0.8898 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.8628   -3.5653    0.0000 N   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -0.3212   -1.3741    0.0000 O   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -2.0265    0.2649    0.0000 N   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.2897   -3.6354   -0.8165 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.2897   -3.6353    0.8164 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -3.0071    0.4608   -0.0002 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.0702    1.3535    0.0002 C   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.7917    2.6935    0.0002 C   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -0.4442    1.2877    0.8902 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -0.4439    1.2878   -0.8895 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -3.0496    2.7309   -0.0000 O   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.0193    3.9442    0.0004 N   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -0.0197    3.9147    0.0006 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.7064    5.2200    0.0003 C   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -0.7020    6.3635    0.0005 C   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -2.3310    5.2967   -0.8896 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -2.3314    5.2967    0.8900 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
    0.5321    6.1170    0.0007 O   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -1.1606    7.7180    0.0005 O   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
   -0.4062    8.3117    0.0007 H   0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
  1  2  1  0  0  0  0
  1  3  1  0  0  0  0
  1  4  1  0  0  0  0
  1  5  1  0  0  0  0
  2  6  2  0  0  0  0
  2  7  1  0  0  0  0
  5  8  1  0  0  0  0
  5  9  1  0  0  0  0
  7 10  1  0  0  0  0
  7 11  1  0  0  0  0
 11 12  1  0  0  0  0
 11 13  1  0  0  0  0
 11 14  1  0  0  0  0
 12 15  2  0  0  0  0
 12 16  1  0  0  0  0
 16 17  1  0  0  0  0
 16 18  1  0  0  0  0
 18 19  1  0  0  0  0
 18 20  1  0  0  0  0
 18 21  1  0  0  0  0
 19 22  2  0  0  0  0
 19 23  1  0  0  0  0
 23 24  1  0  0  0  0
M  END

[Interfaceから実行する場合]

gly3.molファイルをCONFLEX Interfaceを用いて開きます。

Interface Gly3

Calculationメニューから「CONFLEX」を選択し、開いた計算設定ダイアログの「Detail Settings」をクリックします。詳細設定ダイアログが開きます。

Basic Settings

次に、詳細設定ダイアログの「Force Field」ダイアログにある「Solvent Effect」 のプルダウンメニューから「GB/SA」を選択します。また、「Solvation Energy:」のチェックボックスをチェックし、プルダウンメニューから「Free Energy」を選択してください。

Solvation Free Energy

「Solvation Energy:」のプルダウンメニュー「Free Energy」、「Optimization」、「Single Point」は、上述した3つの近似レベルに基づいた溶媒和自由エネルギー計算を行うことと対応しています。

設定が終わりましたら、詳細設定ダイアログのSubmitをクリックします。溶媒和自由エネルギー計算が行われます。

[コマンドラインから実行する場合]

計算設定は、gly3.iniファイルにキーワードを記述することで行います。

gly3.iniファイル

MMFF94s GBSA_ANALYZER=FREE

「GBSA_ANALYZER=FREE」は、気相中と溶媒中両方での振動解析計算に基づいた自由エネルギー計算を行うことを意味します。「GBSA_ANALYZER=」キーワードのオプション「FREE」、「OPTIMZ」、「SINGLE」は、上述した3つの近似レベルに基づいた溶媒和自由エネルギー計算を行うことと対応しています。
「MMFF94S」は、MMFF94s力場を用いて計算を行うことを意味します。

gly3.molとgly3.iniをフォルダに格納し、下記コマンドを実行してください。計算が始まります。

C:\CONFLEX\bin\flex9a_win_x64.exe   -par   C:\CONFLEX\par   gly3enter

上記は、Windowsの場合です。他のOSにおける実行コマンドについては、本書の「実行方法」を参照してください。

計算結果

グリシン3量体の溶媒和自由エネルギー計算を行った際の、.bsoファイルの末尾に出力されるエネルギー値を以下に示します。
上の行が振動の寄与を含まない全エネルギーの差を溶媒和自由エネルギーとしたときの値で、
下の行が自由エネルギーの差を溶媒和自由エネルギーとしたときの値です。

グリシン３量体の溶媒和自由エネルギー値(gly3.bso)

SOLVATION ENERGY (DIFF. OF TOTAL ENERGY) = -28.29699 (KCAL/MOL)

SOLVATION ENERGY (DIFF. OF  FREE ENERGY) = -32.37740 (KCAL/MOL)