Joyce
Uno strumento integrato e di facile utilizzo per la parametrizzazione dei campi di forza intramolecolari da dati di meccanica quantistica
L’energia e le sue derivate prima e seconda, ottenute dai calcoli quanto-meccanici (QM) per una serie di conformazioni di singola molecola (nei suoi stati fondamentale o eccitato) vengono utilizzate per parametrizzare campi di forza intra-molecolari, adatti per simulazioni al computer basate sulla meccanica classica (MD e MC).
Un campo di forza (FF) classico è costituito essenzialmente da tre ingredienti, vale a dire:
- Un insieme selezionato di coordinate interne generalizzate (o ridondanti, RIC) selezionate, come ad esempio lunghezze di legame, angoli, diedri o distanze non legate, che definiscono completamente la geometria molecolare;
- Un insieme di potenziali funzioni modello associate a ciascuna RIC;
- Un insieme di parametri (costanti di forza e valori di equilibrio di RIC) che completano la definizione delle funzioni del modello, assestando la specificità chimica molecolare sul funzionale FF.
Considerando i primi due punti, Joyce, un programma FORTRAN77, legge un file FF di prova in cui sono specificati sia tutte le RIC selezionate sia le funzioni del modello associate, che definiscono il potenziale intramolecolare. Questo file può essere generato automaticamente dal programma Joyce, creato dall’utente o costruito dal software MD standard.
I formati attualmente supportati per i file FF di input sono attualmente i file di topologia MOSCITO e GROMACS.
I valori di equilibrio delle coordinate interne selezionate vengono letti dal programma Joyce da un file di checkpoint formattato (.fchk) prodotto dal pacchetto GAUSSIAN09. Infine, le costanti di forza sono calcolate dalla procedura Joyce [1-3] dalla prima e seconda derivata lette nuovamente dal file .fchk.
Il programma Joyce è stato scritto da Ivo Cacelli, Giacomo Prampolini, Nicola De Mitri e Javier Cerezo
Questo programma è software libero: puoi ridistribuirlo e/o modificarlo secondo i termini della GNU General Public License come pubblicata dalla Free Software Foundation (versione3).
Per ulteriori informazioni contattare Giacomo Prampolini.
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Elenco dei riferimenti che dovrebbero essere citati in qualsiasi articolo i cui risultati sono ottenuti, anche parzialmente, utilizzando JOYCE:
Sviluppo metodi:
[1] I. Cacelli and G. Prampolini, “Parametrization and Validation of of Intramolecular Force Fields Derived from DFT Calculations” J. Chem. Theory Comput., 3, 1803 (2007).
[2] V. Barone, I. Cacelli, N. De Mitri, D. Licari, S. Monti and G. Prampolini “JOYCE and ULYSSES: integrated and user-friendly tools for the parameterization of intra-molecular force fields from quantum mechanical data” Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 3736 (2013).
[3] Cerezo, J., Prampolini, G. and Cacelli, I. Developing accurate intramolecular force fields for conjugated systems through explicit coupling terms. Theoretical Chemistry Accounts, 137, 80 (2018).
Alcune applicazioni selezionate eseguite dagli autori.
Coloranti organici in soluzione – predizione non fenomenologia di forme spettrali in assorbimento
Cerezo, J., Garcìa-Iriepa, C., Santoro, F., Navizet, I., Prampolini, G. “Unraveling the contributions to the spectral shape of flexible dyes in solution: insights on the absorption spectrum of an oxyluciferin analogue.”, Phys. Chem. Chem. Phys., 23, 5007 (2023).
Topologie QMD-FF & files in format Gromacs
https://doi.org/10.1039/D2CP05701H
Legame idrogeno intra-molecolare: effetto del solvente sull’affinità di legame del catecolo
Ferretti, A., Campetella, M., Prampolini, G. “Solvent effects on catechol’s binding affinity: investigating the role of the intra-molecular hydrogen bond through a computational multi-level approach.”, Phys. Chem. Chem. Phys., 25, 2523 (2023).
Topologie QMD-FF & files formato Gromacs
https://doi.org/10.1039/D2CP04500A
Poly-pyrene – sollevamento meccanico di singola molecola
Pawlak, R., et al. “Sequential Bending and Twisting around C–C Single Bonds by Mechanical Lifting of a Pre-Adsorbed Polymer.” Nano Lett., 20, 652 (2020).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b04418
Z907 – composto metallo-organico eteroplettico per DSSC: effetti dinamici e ambientali
Prampolini, G., Ingrosso, F., Cerezo, J., Iagatti, A., Foggi, P and Pastore, M. “Short- and Long-Range Solvation Effects on the Transient UV–Vis Absorption Spectra of a Ru(II)–Polypyridine Complex Disentangled by Nonequilibrium Molecular Dynamics.” Phys. Chem. Lett., 10, 2885 (2019).
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b00944
Prampolini, G., Ingrosso, F., Segalina, A., Caramori, S., Foggi, P. and Pastore, M. “Dynamical and Environmental Effects on the Optical Properties of an Heteroleptic Ru(II)–Polypyridine Complex: A Multilevel Approach Combining Accurate Ground and Excited State QM-Derived Force Fields, MD and TD-DFT.” Chem. Theor. and Comput., 15, 529 (2019).
https://doi.org/10.1021/acs.jctc.8b01031
Antocianidine – proprietà spettroscopiche e solvatocromismo
Cacelli, I., Ferretti, A., and Prampolini, G.. “Predicting light absorption properties of anthocyanidins in solution: a multi-level computational approach.” Theor. Chem. Acc., 135, 156 (2016).
https://doi.org/10.1007/s00214-016-1911-z
Ioni Fe-cianuri – Spettroscopia 2D-IR per ioni in soluzione
G. Prampolini, P. Yu, S. Pizzanelli, I. Cacelli, F. Yang, J. Zhao, and J. Wang “Structure and Dynamics of Ferrocyanide and Ferricyanide Anions in Water and Heavy Water: An Insight by MD Simulations and 2D IR Spectroscopy” J. Phys. Chem. B, 118 14899 (2014).
http://dx.doi.org/10.1021/jp511391b
Nfo-TEMPO – colorante organico, solvatato e innestato su matrici polimeriche
N. De Mitri, S. Monti, G. Prampolini and V. Barone “Absorption and Emission Spectra of a Flexible Dye in Solution: a Computational Time-Dependent Approach” Chem. Theory and Comput., 9, 4507 (2013).
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ct4005799
G. Prampolini, S. Monti, N. De Mitri and V. Barone “Evidences of long lived cages in functionalized polymers: Effects on chromophore dynamic and spectroscopic properties” Chem. Phys. Lett., 601, 134 (2014).
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009261414002632
N. De Mitri, G. Prampolini, S. Monti and V. Barone “Structural, dynamic and photophysical properties of a fluorescent dye incorporated in an amorphous hydrophobic polymer bundle” Phys.Chem.Chem.Phys., 16, 16573 (2014).
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cp/c4cp01828a
Tritc – colorante organico, solvatato e incorporato in nanoparticelle di silice
V. Barone, J. Bloino, S. Monti, A. Pedone and G. Prampolini “Theoretical Multilevel Approach for studying the Photophysical Properties of Organic Dyes in solution” Phys. Chem. Chem. Phys., 12, 10550 (2010).
http://xlink.rsc.org/?DOI=c002722g
V. Barone, J. Bloino, S. Monti, A. Pedone and G. Prampolini “Fluorescence Spectra of Organic Dyes in Solution: A Time Dependent Multilevel Approach” Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 2160 (2011)
http://xlink.rsc.org/?DOI=C0CP01320J
A. Pedone, G. Prampolini, S. Monti, and V. Barone “Realistic modeling of fluorescent dye-doped silica nanoparticles: A step toward the understanding of their enhanced photophysical properties” Chem. Mater., 23, 5016 (2011)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm202436b