Fluorinated solvents models for MD simulations

Experimental studies on peptides and proteins stability and folding in solution are usually made in the presence of membrane mimic nonaqueous solvents. These conditions facilitate the study of hydrophobic stabilization effects. Fluorinated solvents are particularly useful for this purpose given their peculiar properties. However, the molecular basis of these stabilization effects is not well understood. For this reason, we have optimized new accurate models for fluorinated solvents 2,2,2-trifluoroethanol (TFE)[1] and 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-ol (HFIP)[2] for simulation peptide and proteins simulations. The models are optimized to reproduce physicochemical properties of the pure liquid as well as of their mixture with water at room temperature.

The topology file of the TFE is the following

; 
;       F(2)
;       | 
; (3)F--C(1)--F(4) 
;       | 
;       CH2 (5)
;       |
;       O (6)
;       |
;       H (7)
;
; If you use this model please cite:
;Fioroni, K. Bruger, A. E. Mark, D. Roccatano. A new 2,2,2-trifluoro; ethanol model for molecular dynamics simulations. J. Phys. Chem. B,
; 104, 12347-12354 (2000).

[ moleculetype ]
; name  nrexclTFE      2
TFE      2

[ atoms ]
;nr    type   resnr  residu    atom cgnr  charge  mass
1       C       1     TFE       C       1  0.452       12.011  
2       F       1     TFE       F       1 -0.170       18.9984 
3       F       1     TFE       F       1 -0.170       18.9984 
4       F       1     TFE       F       1 -0.170       18.9984 
5     CH2       1     TFE     CH2       1  0.273       14.027   
6      OA       1     TFE      OA       1 -0.625       15.998 
7       H       1     TFE       H       1  0.410        1.008   

[ bonds ]
;  ai    aj funct           c0           c1
    6     7     1 1.000000e-01 3.138000e+05 
    1     2     1 1.360000e-01 4.184000e+05 
    1     3     1 1.360000e-01 4.184000e+05 
    1     4     1 1.360000e-01 4.184000e+05 
    1     5     1 1.530000e-01 3.347200e+05 
    5     6     1 1.430000e-01 3.347200e+05 

[ angles ]
;  ai    aj    ak funct           c0           c1
    5     6     7     1 1.095000e+02 3.974800e+02 
    2     1     3     1 1.076000e+02 4.602400e+02 
    2     1     4     1 1.076000e+02 4.602400e+02 
    3     1     4     1 1.076000e+02 4.602400e+02 
    2     1     5     1 1.114000e+02 4.602400e+02 
    3     1     5     1 1.114000e+02 4.602400e+02 
    4     1     5     1 1.114000e+02 4.602400e+02 
    1     5     6     1 1.109000e+02 4.602400e+02 

[ dihedrals ]
;  ai    aj    ak    al funct           c0           c1           c2
   1     5     6     7     1 0.000000e+00 1.300000e+00 3.000000e+00
   2     1     5     6     1 0.000000e+00 0.000000e+00 0.000000e+00 

[ exclusions ]
;    i    excluded from i
     1    2    3    4    5    6      
     2    1    3    4    5     
     3    1    2    4    5     
     4    1    2    3    5     
     5    1    2    3    4    6    7 
     6    1    5    7
     7    5    6

The topology file of the HFIP is the following

;
; F(2)
; |
; F(3)--C(1)--F(4)
; |
; H(8)--C(5)--O(6)--H(7)
; |
; F(11)--C(9)--F(10)
; |
; F(12)
;
; If you use this model please cite:
; Fioroni, K. Burger, A. E. Mark, D. Roccatano. Model of 1,1,1,3,3,
; 3-hexafluoro-propan-2-ol for molecular dynamics simulations. 
; J. Phys. Chem. B, 105, 10967-10975 (2001).
;

[ moleculetype ]
; name  nrexcl
IFP      2

[ atoms ]
;nr    type   resnr  residu    atom cgnr  charge  mass
 1       C       1     IFP       C1        1 0.60        12.011 
 2       F       1     IFP       F2        1 -0.20       18.9984 
 3       F       1     IFP       F3        1 -0.20       18.9984
 4       F       1     IFP       F4        1 -0.20       18.9984
 5       C       1     IFP       C5        1 -0.07       12.011
 6      OA       1     IFP      OA6        1 -0.595      15.998
 7       H       1     IFP       H7        1 0.495       1.008
 8       HC      1     IFP      HC8        1 0.170       1.008
 9       C       1     IFP       C9        1  0.60       12.011
10       F       1     IFP       F10       1 -0.20       18.9984 
11       F       1     IFP       F11       1 -0.20       18.9984 
12       F       1     IFP       F12       1 -0.20       18.9984

[ bonds ]
;  ai    aj funct           c0           c1
    1     2   1       1.360000e-01 4.184000e+05                      
    1     3   1       1.360000e-01 4.184000e+05                      
    1     4   1       1.360000e-01 4.184000e+05                      
    1     5   1       1.530000e-01 3.347200e+05                      
    5     6   1       1.360000e-01 3.765600e+05                      
    5     8   1       1.090000e-01 2.460000e+05
    5     9   1       1.530000e-01 3.347200e+05                      
    6     7   1       1.000000e-01 3.138000e+05                      
    9    10   1       1.360000e-01 4.184000e+05                      
    9    11   1       1.360000e-01 4.184000e+05                      
    9    12   1       1.360000e-01 4.184000e+05                                 
[ angles ]
;  ai    aj    ak funct           c0           c1
    1     5     6   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    1     5     8   1     1.095000e+02 4.602400e+02                  
    1     5     9   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    2     1     3   1     1.076000e+02 4.602000e+02                  
    2     1     4   1     1.076000e+02 4.602000e+02                  
    2     1     5   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    3     1     4   1     1.076000e+02 4.602000e+02                  
    3     1     5   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    4     1     5   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    5     6     7   1     1.095000e+02 3.974800e+02                  
    5     9    10   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    5     9    11   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    5     9    12   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    6     5     8   1     1.095000e+02 3.974800e+02                  
    6     5     9   1     1.110000e+02 4.602400e+02                  
    8     5     9   1     1.095000e+02 4.602400e+02                  
    10    9    12   1     1.076000e+02 4.602000e+02                  
    10    9    11   1     1.076000e+02 4.602000e+02                  
    11    9    12   1     1.076000e+02 4.602000e+02                  

[ dihedrals ]
;  ai    aj    ak    al funct           c0           c1           c2
    1     5     6     7    1             0            0            2 
    1     5     9    10    1             0            0            4 
    1     5     9    11    1             0            0            4 
    1     5     9    12    1             0            0            4 
    2     1     5     6    1             0            0            3
    2     1     5     8    1             0            0            1 
    2     1     5     9    1             0            0            4 
    3     1     5     6    1             0            0            3 
    3     1     5     8    1             0            0            1 
    3     1     5     9    1             0            0            4 
    4     1     5     6    1             0            0            3
    4     1     5     8    1             0            0            1 
    4     1     5     9    1             0            0            4 
    6     5     9    10    1             0            0            3
    6     5     9    11    1             0            0            3
    6     5     9    12    1             0            0            3
    7     6     5     8    1             0            0            5 
    7     6     5     9    1             0            0            2 
    8     5     9    10    1             0            0            1 
    8     5     9    11    1             0            0            1 
    8     5     9    12    1             0            0            1 

[ exclusions ]
;    i    excluded from i
     1    2    3    4    5    6    8    9
     2    1    3    4    5
     3    1    2    4    5
     4    1    2    3    5
     5    1    2    3    4    6    7    8    9    10    11    12
     6    1    5    7    8    9
     7    5    6
     8    1    5    9    6
     9    1    5    6    8    10   11   12
    10    5    9    11   12
    11    5    9    10   12
    12    5    9    10   11

[ Pairs ]
; a1    a2
2        6
3        6
4        6
6       10
6       11
6       12
2       10
2       11
2       12      
3       10
3       11
3       12
4       10
4       11
4       12

Table I. Thermodynamic properties of HFIP/water mixtures at 298 K. The standard deviation for the calculated density and pressure values are {0.01} kg m{^{-3}} and 300 atm respectively. The errors for the calculated mixing enthalpies are reported directly in the Table.

Conc.

HFIP

Sim. time (ns) Nr of HFIP Nr of H_2 O Conc.

(v/v)

ρ

 P/bar \Delta H^{calc}_{mix} \Delta H^{exp}_{mix}
 0.000 2 0 1074 0 0.99 1.0  0.00  0.00
0.020 2 30 1435 10 1.11 1.1 { 0.10 \pm 0.16} -0.20
0.082 2 100 1117 34 1.18 1.0 { 0.33 \pm 0.16} -0.38
0.133 2 150 979 47 1.25 0.9 { 0.41 \pm 0.19} -0.41
0.222 2 200 700 62 1.32 0.6 { 0.69 \pm 0.21}  -0.50
0.359 2 250 445 76 1.40 0.7 { 0.19 \pm 0.27} -0.52
0.409 2 300 432 80 1.43 0.9  { 0.09 \pm 0.25} -0.60
0.552 2 300 243 87 1.47 1.0 {-0.49 \pm 0.37} -0.48
0.662 2 350 178 92 1.51 0.7 {-1.05 \pm 0.38} -0.46
0.795 2 350 90 96 1.55 1.2 {-0.90 \pm 0.43} -0.40
0.897 2 350 40 98 1.57 1.0 {-0.29 \pm 0.47} -0.28
1.000 2 400 0 100 1.60 1.0  0.00 0.00

(kg m^{-3}) \times 10 ^{-3}, kJ mol^{-1}

Table II. Experimental (exp) and calculated (calc) dielectric constants of HFIP/water mixtures at 293 K. Diffusion coefficients are calculated at 298 K.

x_{HFIP} v/v \epsilon_{exp}  \epsilon_{calc}  D_{HFIP}* D {_{SPC}^{a}}
 0.000 0 80.1 63.5  —- { 4.1 \pm 0.2}
0.020 10 71.3 60.5 { 3.2 \pm 0.2} { 3.4 \pm 0.2}
0.082 34 56.9 41.1 { 2.2 \pm 0.2} { 2.5 \pm 0.2}
0.133 47 51.0 32.5 { 1.3 \pm 0.3} { 2.1 \pm 0.2}
0.409 80 30.3 23.0 { 0.6 \pm 0.2} { 0.9 \pm 0.2}
0.662 92 24.0 15.0 { 0.2 \pm 0.3} { 0.2 \pm 0.2}
1.000 100 17.8 8.5 { 0.06 \pm 0.01}  —-

* 10^{-5} cm^{2} s^{-1}

Furthermore, we also developed a new model of the chiral solvent 1,1,1-trifluoropropan-2-ol (TFIP). The model was used to study its thermodynamics properties in solution with water [3] and the effect of its chirality on the structural properties of the pure liquids [4].

;
;        F(2)
;        |
;  F(3)--C(1)--F(4)
;        |
;  H(6)--C(5)--O(8)--H(9)
;        |
;        CH3 (7)
;
; If you use this model please cite:
;Fioroni, K. Burger, A. E. Mark, D. Roccatano. The influence of 
; trifluoromethyl groups on the miscibility of fluorinated alcohols 
; with water: a molecular dynamics simulation study of 
; 1,1,1-trifluoro-propan-2-ol and its aqueous solution. 
; J. Phys. Chem. B, 107, 4855-4861 (2003).
;

[ moleculetype ]
; name  nrexcl

TFIP      2
[ atoms ]

;   nr    type   resnr  residu    atom    cgnr   charge   mass
 1       C       1    TFIP       C        1 0.600         12.011
 2       F       1    TFIP       F        1 -0.200        18.9984
 3       F       1    TFIP       F        1 -0.200        18.9984
 4       F       1    TFIP       F        1 -0.200        18.9984
 5       C       1    TFIP       C        1 -0.150        12.011
 6      HC       1    TFIP      HC        1  0.160         1.008
 7      CH3      1    TFIP      CH3       1  0.070        15.035
 8      OA       1    TFIP      OA        1 -0.410        15.998  
 9       H       1    TFIP       H        1  0.330         1.008          

[ bonds ]
;  ai    aj funct           c0           c1
     1     2     1 1.360000e-01 4.184000e+05  
     1     3     1 1.360000e-01 4.184000e+05  
     1     4     1 1.360000e-01 4.184000e+05  
     1     5     1 1.530000e-01 3.347200e+05  
     5     6     1 1.090000e-01 2.460000e+05  
     5     7     1 1.530000e-01 3.347200e+05  
     5     8     1 1.360000e-01 3.765600e+05  
     8     9     1 1.000000e-01 3.138000e+05  

[ angles ]
;  ai    aj    ak funct           c0           c1

    1     5     6    1       1.095000e+02    4.602400e+02 ; C-C-HC
    1     5     7    1       1.110000e+02    4.602400e+02 ; C-C-CH3
    1     5     8    1       1.110000e+02    4.602400e+02 ; C-C-OA
    2     1     3    1       1.076000e+02    4.602400e+02 ; F-C-F
    2     1     4    1       1.076000e+02    4.602400e+02 ; F-C-F
    2     1     5    1       1.114000e+02    4.602400e+02 ; F-C-C
    3     1     4    1       1.076000e+02    4.602400e+02 ; F-C-F
    3     1     5    1       1.114000e+02    4.602400e+02 ; F-C-C
    4     1     5    1       1.114000e+02    4.602400e+02 ; F-C-C
    5     8     9    1       1.095000e+02    3.974800e+02 ; C-OA-H
    6     5     8    1       1.095000e+02    3.974800e+02 ; HC-C-OA
    6     5     7    1       1.095000e+02    4.602400e+02 ; HC-C-CH3
    7     5     8    1       1.114000e+02    4.602400e+02 ; CH3-C-OA

[ dihedrals ]
;  ai    aj    ak    al funct        c0           c1           c2

6     5     8     9     1    180.15        3.5        2 ; HC-C-OA-H
6     5     8     9     1      0           2.4        3 ; HC-C-OA_H
7     5     8     9     1      0             0        0 ; CH3-C-OA-H

   

[ exclusions ]
;    i    excluded from i

     1    2    3    4    5    6    7    8    
     2    1    3    4    5     
     3    1    2    4    5     
     4    1    2    3    5    
     5    1    2    3    4    6    7    8    9   
     6    1    5    7    8
     7    1    5    6    8
     8    1    5    6    7    9
     9    5    8

REFERENCES

  1. Fioroni, K. Bruger, A. E. Mark, D. Roccatano. A new 2,2,2-trifluoroethanol model for molecular dynamics simulations. J. Phys. Chem. B, 104, 12347-12354 (2000).
  2. Fioroni, K. Burger, A. E. Mark, D. Roccatano. Model of 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-propan-2-ol for molecular dynamics simulations. J. Phys. Chem. B, 105, 10967-10975 (2001).
  3. Fioroni, K. Burger, A. E. Mark, D. Roccatano. The influence of trifluoromethyl groups on the miscibility of fluorinated alcohols with water: a molecular dynamics simulation study of 1,1,1-trifluoro-propan-2-ol and its aqueous solution. J. Phys. Chem. B, 107, 4855-4861 (2003).
  4. Fioroni, K. Burger, D. Roccatano. Chiral discrimination in 1,1,1-trifluoro-propan-2-ol: a molecular dynamics study. J. Chem. Phys., 119, 1-8 (2003).

About Danilo Roccatano

I have a Doctorate in chemistry at the University of Roma “La Sapienza”. I led educational and research activities at different universities in Italy, The Netherlands, Germany and now in the UK. I am fascinated by the study of nature with theoretical models and computational. For years, my scientific research is focused on the study of molecular systems of biological interest using the technique of Molecular Dynamics simulation. I have developed a server (the link is in one of my post) for statistical analysis at the amino acid level of the effect of random mutations induced by random mutagenesis methods. I am also very active in the didactic activity in physical chemistry, computational chemistry, and molecular modeling. I have several other interests and hobbies as video/photography, robotics, computer vision, electronics, programming, microscopy, entomology, recreational mathematics and computational linguistics.
This entry was posted in Research. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s