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.

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

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

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

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

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).
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).
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).
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).

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

$latex 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	${ 0.06 \pm 0.01}$	—-

"… I seem […] only like a boy playing on the sea-shore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, whilst the great ocean of truth lay all undiscovered before me". – Isaac Newton.

Fluorinated solvents models for MD simulations

REFERENCES

Leave a Reply Cancel reply

REFERENCES

Share this:

Like this:

Related

Leave a Reply Cancel reply