镎(Ⅳ)、镅(Ⅲ)、锔(Ⅲ)的AMBER力场参数化及评估

刘子义 夏苗仁 柴之芳 王东琪

引用本文: 刘子义, 夏苗仁, 柴之芳, 王东琪. 镎(Ⅳ)、镅(Ⅲ)、锔(Ⅲ)的AMBER力场参数化及评估[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1908035-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201908035 shu
Citation:  Liu Ziyi, Xia Miaoren, Chai Zhifang, Wang Dongqi. Parameterization and Validation of AMBER Force Field for Np4+, Am3+, and Cm3+[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(11): 1908035-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201908035 shu

镎(Ⅳ)、镅(Ⅲ)、锔(Ⅲ)的AMBER力场参数化及评估

    通讯作者: 王东琪, dwang@ihep.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(91026000, 21473206, 91226105)和中国科学院百人计划项目(Y2291810S3)资助

摘要: :锕系元素具有高放射性和毒性,为开展锕系水溶液化学的实验研究带来了困难与挑战。得益于理论计算方法和计算能力的快速发展,运用分子动力学模拟水溶液环境并研究锕系在水溶液当中的化学行为成为一种可替代的方法。本文拟合了Np4+、Am3+、Cm3+三种金属离子的力场参数并进行了评估,进而将其用于溶液配位化学和动力学研究。为了研究的系统性,也开展了Th4+、U4+、Pu4+三种锕系离子的分子模拟研究。基于对上述六种离子的分子动力学研究,系统报道了该六种锕系离子的第一、二溶剂化层结构、性质、立体化学及驻留时间等方面的共性与特性,并从能量方面探究这些内在差异的原因。结果显示,本文报道的参数适用于锕系离子的配位结构和结合自由能的研究,但对于动力学性质的研究,宜谨慎用于相同价态的锕系离子溶液体系的定性理解。本文也探究了六种锕系离子在水溶液中与Cl-、NO3-和CO32-的相互作用,分析了各配合物配位模式、成键规律及结合强弱。综上所述,本项工作发展了三种关键锕系离子的力场参数,有助于开展基于AMBER力场的动力学方法的An3+/4+溶液化学的研究,丰富了对An3+/4+的水溶液中配位化学的认识。

English

    1. [1]

      Pearlman, D. A.; Case, D. A.; Caldwell, J. W.; Ross, W. S.; Cheatham Iii, T. E.; DeBolt, S.; Ferguson, D.; Seibel, G.; Kollman, P. Comput. Phys. Commun. 1995, 91 (1–3), 1. doi: 10.1016/0010-4655(95)00041-D doi: 10.1016/0010-4655(95)00041-D

    2. [2]

      Schmid, N.; Christ, C. D.; Christen, M.; Eichenberger, A. P.; van Gunsteren, W. F. Comput. Phys. Commun. 2012, 183 (4), 890. doi: 10.1016/j.cpc.2011.12.014 doi: 10.1016/j.cpc.2011.12.014

    3. [3]

      Vanommeslaeghe, K.; Hatcher, E.; Acharya, C.; Kundu, S.; Zhong, S.; Shim, J.; Darian, E.; Guvench, O.; Lopes, P.; Vorobyov, I. J. Comput. Chem. 2010, 31 (4), 671. doi: 10.1002/jcc.21367 doi: 10.1002/jcc.21367

    4. [4]

      Buehl, M.; Wipff, G. Chem. Phys. Chem. 2011, 12 (17), 3095. doi: 10.1002/cphc.201100458 doi: 10.1002/cphc.201100458

    5. [5]

      Xia, M. R.; Liu, Z. Y.; Chai, Z. F.; Wang, D. Q. J. Nucl. Radiochem. 2019, 41 (1), 91. doi: 10.7538/hhx.2019.41.01.0091 doi: 10.7538/hhx.2019.41.01.0091

    6. [6]

      Guilbaud, P.; Wipff, G. J. Phys. Chem. 1993, 97 (21), 5685. doi: 10.1021/j100123a037 doi: 10.1021/j100123a037

    7. [7]

      Guilbaud, P.; Wipff, G. J. Mol. Struct. (Theochem) 1996, 366 (1–2), 55. doi: 10.1016/0166-1280(96)04496-X doi: 10.1016/0166-1280(96)04496-X

    8. [8]

      Pomogaev, V.; Tiwari, S. P.; Rai, N.; Goff, G. S.; Runde, W.; Schneider, W. F.; Maginn, E. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15 (38), 15954. doi: 10.1039/c3cp52444b doi: 10.1039/c3cp52444b

    9. [9]

      Li, P.; Roberts, B. P.; Chakravorty, D. K.; Merz, K. M., Jr. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9 (6), 2733. doi: 10.1021/ct400146w doi: 10.1021/ct400146w

    10. [10]

      Li, P.; Song, L. F.; Merz, K. M., Jr. J. Phy. Chem. B. 2014, 119 (3), 883. doi: 10.1021/jp505875v doi: 10.1021/jp505875v

    11. [11]

      Hagberg, D.; Bednarz, E.; Edelstein, N. M.; Gagliardi, L. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129 (46), 14136. doi: 10.1021/ja075489b doi: 10.1021/ja075489b

    12. [12]

      Duvail, M.; Martelli, F.; Vitorge, P.; Spezia, R. J. Chem. Phys. 2011, 135 (4), 044503. doi: 10.1063/1.3613699 doi: 10.1063/1.3613699

    13. [13]

      Li, P.; Merz, K. M., Jr. Chem. Rev. 2017, 117 (3), 1564. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00440 doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00440

    14. [14]

      Jones, J. E. Proc. Royal Soc. A 1924, 106 (738), 463. doi: 10.1098/rspa.1924.0082 doi: 10.1098/rspa.1924.0082

    15. [15]

      Stokes, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86 (6), 979. doi: 10.1021/ja01060a002 doi: 10.1021/ja01060a002

    16. [16]

      Lemire, R. J. Chemical Thermodynamics of Neptunium and Plutonium; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2001; Vol. 4, pp. 85–293.

    17. [17]

      Aoyagi, H.; Kitatsuji, Y.; Yoshida, Z.; Kihara, S. Anal. Chim. Acta 2005, 538 (1–2), 283. doi: 10.1016/j.aca.2005.02.035 doi: 10.1016/j.aca.2005.02.035

    18. [18]

      Denning, R. G.; Norris, J. O. W.; Brown, D. Mol. Phys. 1982, 46 (2), 287. doi: 10.1080/00268978200101261 doi: 10.1080/00268978200101261

    19. [19]

      Skanthakumar, S.; Antonio, M. R.; Soderholm, L. Inorg. Chem. 2008, 47 (11), 4591. doi: 10.1021/ic702478w doi: 10.1021/ic702478w

    20. [20]

      Allen, P. G.; Bucher, J. J.; Shuh, D. K.; Edelstein, N. M.; Reich, T. Inorg. Chem. 1997, 36 (21), 4576. doi: 10.1021/ic970502m doi: 10.1021/ic970502m

    21. [21]

      Ikeda-Ohno, A.; Hennig, C.; Rossberg, A.; Funke, H.; Scheinost, A. C.; Bernhard, G.; Yaita, T. Inorg. Chem. 2008, 47 (18), 8294. doi: 10.1021/ic8009095 doi: 10.1021/ic8009095

    22. [22]

      Hennig, C.; Ikeda-Ohno, A.; Tsushima, S.; Scheinost, A. C. Inorg. Chem. 2009,48 (12), 5350. doi: 10.1021/ic9003005 doi: 10.1021/ic9003005

    23. [23]

      Stumpf, T.; Hennig, C.; Bauer, A.; Denecke, M. A.; Fanghänel, T. Radiochim. Acta 2004, 92 (3), 133. doi: 10.1524/ract.92.3.133.30487 doi: 10.1524/ract.92.3.133.30487

    24. [24]

      Allen, P.; Bucher, J.; Shuh, D.; Edelstein, N.; Craig, I. Inorg. Chem. 2000, 39 (3), 595. doi: 10.1021/ic9905953 doi: 10.1021/ic9905953

    25. [25]

      Lindqvist-Reis, P.; Klenze, R.; Schubert, G.; Fanghänel, T. J. Phys. Chem. B 2005,109 (7), 3077. doi: 10.1021/jp045516+ doi: 10.1021/jp045516+

    26. [26]

      Skanthakumar, S.; Antonio, M. R.; Wilson, R. E.; Soderholm, L. Inorg. Chem. 2007, 46 (9), 3485. doi: 10.1021/ic061798b doi: 10.1021/ic061798b

    27. [27]

      Salomon-Ferrer, R.; Case, D. A.; Walker, R. C. Comput. Mol. Sci. 2013, 3 (2), 198. doi: 10.1002/wcms.1121 doi: 10.1002/wcms.1121

    28. [28]

      Berendsen, H. J. C.; Grigera, J. R.; Straatsma, T. P. J. Phys. Chem. 1987, 91 (24), 6269. doi: 10.1021/j100308a038 doi: 10.1021/j100308a038

    29. [29]

      Li, P.; Song, L. F.; Merz, K. M., Jr. J. Chem. Theory Comput. 2015, 11 (4), 1645. doi: 10.1021/ct500918t doi: 10.1021/ct500918t

    30. [30]

      Wang, J.; Wang, W.; Kollman, P. A.; Case, D. A. J. Am. Chem. Soc. 2001, 222, U403.

    31. [31]

      Jakalian, A.; Bush, B. L.; Jack, D. B.; Bayly, C. I. J. Comput. Chem. 2000, 21 (2), 132. doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2 < 132::AID-JCC5 > 3.0.CO; 2-P doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2<132::AID-JCC5>3.0.CO;2-P

    32. [32]

      Jakalian, A.; Jack, D. B.; Bayly, C. I. J. Comput. Chem. 2002, 23 (16), 1623. doi: 10.1002/jcc.10128 doi: 10.1002/jcc.10128

    33. [33]

      Essmann, U.; Perera, L.; Berkowitz, M. L.; Darden, T.; Lee, H.; Pedersen, L. G. J. Chem. Phys. 1995, 103 (19), 8577. doi: 10.1063/1.470117 doi: 10.1063/1.470117

    34. [34]

      Hess, B.; Bekker, H.; Berendsen, H. J. C.; Fraaije, J. G. E. M. J. Comput. Chem. 1997, 18 (12), 1463. doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(199709)18:12 < 1463::AID-JCC4 > 3.0.CO; 2-H doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(199709)18:12<1463::AID-JCC4>3.0.CO;2-H

    35. [35]

      Berendsen, H. J. C.; Postma, J. P. M.; van Gunsteren, W. F.; DiNola, A.; Haak, J. R. J. Chem. Phys. 1984, 81 (8), 3684. doi: 10.1063/1.448118 doi: 10.1063/1.448118

    36. [36]

      Hahn, A. M.; Then, H. Phys. Rev. E 2009, 80 (3), 031111. doi: 10.1103/PhysRevE.80.031111 doi: 10.1103/PhysRevE.80.031111

    37. [37]

      Impey, R. W.; Madden, P. A.; McDonald, I. R. J. Phys. Chem. 1983, 87 (25), 5071. doi: 10.1021/j150643a008 doi: 10.1021/j150643a008

    38. [38]

      Eyring, H. J. Chem. Phys. 1935, 3 (2), 107. doi: 10.1063/1.1749604 doi: 10.1063/1.1749604

    39. [39]

      Yang, T.; Bursten, B. E. Inorg. Chem. 2006, 45 (14), 5291. doi: 10.1021/ic0513787 doi: 10.1021/ic0513787

    40. [40]

      Frick, R. J.; Pribil, A. B.; Hofer, T. S.; Randolf, B. R.; Bhattacharjee, A.; Rode, B. M. Inorg. Chem. 2009, 48 (9), 3993. doi: 10.1021/ic801554p doi: 10.1021/ic801554p

    41. [41]

      Moll, H.; Denecke, M.; Jalilehvand, F.; Sandström, M.; Grenthe, I. Inorg. Chem. 1999, 38 (8), 1795. doi: 10.1021/ic981362z doi: 10.1021/ic981362z

    42. [42]

      Odoh, S. O.; Bylaska, E. J.; De Jong, W. A. J. Phy. Chem. A 2013, 117 (47), 12256. doi: 10.1021/jp4096248 doi: 10.1021/jp4096248

    43. [43]

      Ankudinov, A.; Conradson, S.; de Leon, J. M.; Rehr, J. Phys. Rev. B 1998, 57 (13), 7518. doi: doi.org/10.1103/PhysRevB.57.7518 doi: 10.1103/PhysRevB.57.7518

    44. [44]

      Amador, D. H. T.; Sambrano, J. R.; Gargano, R.; de Macedo, L. G. M. J. Mol. Model. 2017, 23 (3), 69. doi: 10.1007/s00894-017-3252-9 doi: 10.1007/s00894-017-3252-9

    45. [45]

      Wilson, R. E.; Skanthakumar, S.; Burns, P. C.; Soderholm, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46 (42), 8043. doi: 10.1002/anie.200702872 doi: 10.1002/anie.200702872

    46. [46]

      Yang, T.; Tsushima, S.; Suzuki, A. J. Phys. Chem. A 2001, 105 (45), 10439. doi: 10.1021/jp012387d doi: 10.1021/jp012387d

    47. [47]

      Atta-Fynn, R.; Bylaska, E. J.; Schenter, G. K.; De Jong, W. A. J. Phy. Chem. A 2011, 115 (18), 4665. doi: 10.1021/jp201043f doi: 10.1021/jp201043f

    48. [48]

      Torapava, N.; Persson, I.; Eriksson, L.; Lundberg, D. Inorg. Chem. 2009, 48 (24), 11712. doi: 10.1021/ic901763s doi: 10.1021/ic901763s

    49. [49]

      Smirnov, P. R.; Trostin, V. N. Russ. J. Gen. Chem. 2012, 82 (7), 1204. doi: 10.1134/S1070363212070031 doi: 10.1134/S1070363212070031

    50. [50]

      Spezia, R.; Jeanvoine, Y.; Vuilleumier, R. J. Mol. Model. 2014, 20 (8), doi: 10.1007/s00894-014-2398-y doi: 10.1007/s00894-014-2398-y

    51. [51]

      Fourest, B.; Duplessis, J.; David, F. J. Less Common. Met. 1983, 92 (1), 17. doi: 10.1016/0022-5088(83)90220-5 doi: 10.1016/0022-5088(83)90220-5

    52. [52]

      Farkas, I.; Grenthe, I.; Bányai, I. J. Phys. Chem. A 2000, 104 (6), 1201. doi: 10.1021/jp992934j doi: 10.1021/jp992934j

    53. [53]

      Ruiz-Martínez, A.; Casanova, D.; Alvarez, S. Chem. Eur. J. 2008, 14 (4), 1291. doi: 10.1002/chem.200701137 doi: 10.1002/chem.200701137

    54. [54]

      Neu, M. P.; Sonnenberg, J. L.; Bursten, B. E. Actinide Research Quarterly 2004, 1, (available online: https://www.lanl.gov/orgs/nmt/nmtdo/AQarchive/04spring/classic.html).

    55. [55]

      Abbasi, A. Structural and Spectroscopic Studies of Solvated Metal Ions. Ph. D. Dissertation, Stockholm University, Stockholm, Sweden, 2005; pp. 54–68.

    56. [56]

      Goldman, S.; Morss, L. R. Can. J. Chem. 1975, 53 (18), 2695. doi: 10.1139/v75-382 doi: 10.1139/v75-382

    57. [57]

      David, F. H. Radiochim. Acta 2008, 96 (3), 135. doi: 10.1524/ract.2008.1470 doi: 10.1524/ract.2008.1470

    58. [58]

      David, F. H.; Vokhmin, V. New J. Chem. 2003, 27 (11), 1627. doi: 10.1039/B301272G doi: 10.1039/B301272G

    59. [59]

      Marcus, Y. Chem. Soc. Faraday Trans. 1991, 87 (18), 2995. doi: 10.1039/FT9918702995 doi: 10.1039/FT9918702995

    60. [60]

      Kumar, N.; Seminario, J. M. J. Phys. Chem. A 2015, 119 (4), 689. doi: 10.1021/jp507613a doi: 10.1021/jp507613a

    61. [61]

      Li, B.; Dai, S., Jiang, D. -E. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2122. doi: 10.1021/acsaem.8b02157 doi: 10.1021/acsaem.8b02157

    62. [62]

      Duvail, M.; Ruas, A.; Venault, L.; Moisy, P.; Guilbaud, P. Inorg. Chem. 2009, 49 (2), 519. doi: 10.1021/ic9017085 doi: 10.1021/ic9017085

    63. [63]

      Ali, S. M.; Pahan, S.; Bhattacharyya, A.; Mohapatra, P. K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18 (14), 9816. doi: 10.1039/C6CP00825A doi: 10.1039/C6CP00825A

    64. [64]

      Rammo, N. N.; Hamid, K. R.; Khaleel, B. A. J. Less Common Met. 1990, 162 (1), doi: 10.1016/0022-5088(90)90453-Q doi: 10.1016/0022-5088(90)90453-Q

    65. [65]

      Takao, K.; Kazama, H.; Ikeda, Y.; Tsushima, S. Angew. Chem. 2019, 131 (1), 246. doi: 10.1002/ange.201811731 doi: 10.1002/ange.201811731

    66. [66]

      Grigor'ev, M. S.; Budantseva, N. A.; Fedoseev, A. M. Russ. J. Coord. Chem. 2013, 39 (1), 87. doi: 10.1134/S1070328412090023 doi: 10.1134/S1070328412090023

    67. [67]

      Felmy, A. R.; Rai, D.; Sterner, S. M.; Mason, M. J.; Hess, N. J.; Conradson, S. D. J. Solut. Chem. 1997, 26 (3), 233. doi: 10.1007/BF02767996 doi: 10.1007/BF02767996

    68. [68]

      Hennig, C.; Ikeda-Ohno, A.; Emmerling, F.; Kraus, W.; Bernhard, G. Dalton Trans. 2010, 39 (15), 3744. doi: 10.1039/B922624A doi: 10.1039/B922624A

    69. [69]

      Clark, D. L.; Conradson, S. D.; Keogh, D. W.; Palmer, P. D.; Scott, B. L.; Tait, C. D. Inorg. Chem. 1998, 37 (12), 2893. doi: 10.1021/ic971190q doi: 10.1021/ic971190q

    70. [70]

      Ekimoto, T.; Matubayasi, N.; Ikeguchi, M. J. Chem. Theory Comput. 2014, 11 (1), 215. doi: 10.1021/ct5008394 doi: 10.1021/ct5008394

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  88
  • HTML全文浏览量:  9
文章相关
  • 发布日期:  2020-11-15
  • 收稿日期:  2019-08-29
  • 接受日期:  2019-09-24
  • 修回日期:  2019-09-24
  • 网络出版日期:  2019-09-29
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章