Projekty pro Počítačovou chemii

Platí pro akademický rok 2021/22

Zkouška z předmětu Počítačová chemie je založena na písemném testu z teorie a na zpracování a obhajobě projektu.

Jako projekt si můžete vybrat jedno z níže uvedených témat, po domluvě je možno zpracovat i téma vlastní (viz poslední okruh). Úlohu na projekt si zapište pomocí Google Sheets. Zkontrolujte prosím, zda si nezapisujete projekt, který si už někdo vybral.

O projektu napište protokol v rozsahu 2–4 strany, exportujte jej do formátu PDF/A (úloha s chybějícími fonty či jinak nevyhovující standardu nebude přijata) a odevzdejte e-mailem vedoucímu podle oboru.
PDF/A hlavně znamená, že jsou připojeny všechny fonty. LibreOffice i pdflatex tvoří výstup podle normy. Při exportu z (některých verzí) Wordu se tento formát dostane zakliknutím checkboxu "ISO 9005-1 compliant (PDF/A)".
Neměl by chybět stručný úvod, obsahující krátkou literární rešerši k tématu a zavedení základních pojmů, dále by měl protokol obsahovat stručný popis použitých metod, výsledky, diskusi, závěr a nakonec použitou literaturu i software. Protokol je nutno odevzdat nejpozději 24 hodin před začátkem konference, ve výjimečných případech povolených příslušným pedagogem později (známka však bude udělena až po odevzdání protokolu).

Na konferenci se se přihlašujete pomocí SISu jako na zkoušku. Vaše vystoupení včetně diskuse by mělo trvat cca 10 minut. Připravte si prezentaci v elektronické formě a uložte ji na S:\pocitacova_chemie (//pyr.vscht.cz/scratch/pocitacova_chemie).

Nenechávejte práci na projektu na poslední chvíli! Některé simulační úlohy vyžadují několikahodinové běhy, je vhodné simulaci zadat třeba přes noc. Počítejte také s tím, že můžete udělat chybu.

#NázevZadání
1Vlastnosti benzynuBenzyn je důležitým reaktivním meziproduktem v některých organických reakcích. V protokolu z této úlohy popište jeho základní vlastnosti a význam a metodami počítačové chemie vypočítejte strukturu benzynu, hydrogenační entalpii a Gibbsovu energii v plynné fázi při teplotě 300 K a vibrační frekvence. Vibrační frekvence přiřaďte jednotlivých pohybům.
2Sloučeniny vzácných plynůVypočítejte vlastnosti molekuly KrF2 a její isoelektronické struktury KrO22−.
3Pravá a nepravá vodíková vazbaVypočítejte strukturu, vibrační frekvence a vazebnou energii dimeru flurovodíku a dimeru difluormethanu. Jak se mění frekvence X-H vazeb v komplexu v porovnání s monomerem? Jak se mění geometrie monomeru v komplexu? Porovnejte vazebné energie vodíkové vazby s typickou vazebnou energií kovalentní vazby. Do protokolu přidejte kratší pojednání o významu van der Waalsovských interakcí v přírodních vědách. Literatura: Chem. Listy 102 (2008) 884.
4Klastry vodyVypočítejte strukturu a interakční energii pro dimer, trimer a tetramer vody. Srovnejte bázi 6-31g* s bází 6-31+g*, která obsahuje difúzní funkce. Vypočítejte rovnovážnou konstantu dimerizace vody. Do protokolu přidejte kratší pojednání o významu van der Waalsovských interakcí v přírodních vědách. Literatura: Proc. Nat. Acad. Sci. 98 (2001) 10533, The Cambridge Energy Landscape Database.
5Izomerace glyoxaluVypočítejte strukturu a energie cis a trans glyoxalu. Vypočítejte aktivační energii pro izomeraci, případně také reakční profil. Jaká je rovnovážná konstanta izomerace? Dokázali byste odhadnout rychlostní konstantu izomerace na základě teorie transitního stavu? V úvodu stručně popište teoretické metody výpočtu rychlostních konstant.
6Dimer heliaStudujte vliv velikosti báze a stupeň zahrnutí korelačních efektů na vazebnou energii dimeru helia. Studujte báze cc-pVDZ, aug-cc-pVDZ, aug-cc-pVTZ, aug-cc-pVQZ a metody HF, MP2 a CCSD(T). Porovnejte interakční energii s typickou hodnotou termální energie. V úvodu diskutujte význam disperzní energie v chemii a biologii.
7Ab initio studium SN2 reakceVypočítejte energii reaktantů, produktů a tranzitního stavu pro modelovou reakci fluoridového aniontu s methylfluoridem mechanismem SN2. Ověřte geometrii tranzitního stavu výpočtem frekvencí. Jaká je výška bariéry ve vodě a jaká v chloroformu? Rozpouštědlo modelujte jako kontinuální dielektrikum. V úvodu diskutujte oba mechanismy nukleofilní substituce, vliv rozpouštědla a substituentů. Literatura: E. V. Anslyn, D. A. Dougherty: Modern Physical Organic Chemistry. University Science Books, Sausalito, 2006.
8Solvatace a tautomerní rovnováhaStudujte vliv vody na rovnováhu mezi 2-hydroxypyridinem a 2-pyridonem. Pro zahrnutí vlivu solvatace použijte metodu kontinuálního dielektrika. V protokolu stručně diskutujte význam tautomerních rovnováhy v biomolekulárních vědách.
9Rozklad ozónuMetodami teoretické chemie vypočítejte reakční energii pro reakci chlórového radikálu s ozónem. Dokázali byste vypočítat aktivační energii této reakce a odhad rychlostní konstanty na základě srážkové teorie a teorie tranzitního stavu? V protokolu diskutuje význam této reakce pro chemii atmosféry.
11Azulen a naftalenVypočítejte excitační energie a dipólové momenty azulenu a naftalenu pomocí se- miempirické metody ZINDO. Jakou barvu by měly mít tyto dvě sloučeniny? Jaká je izomerizační energie pro tyto sloučeniny? V úvodu diskutujte Jablonského diagram, včetně Kashových–Vavilovových pravidel (které azulen narušuje).
12Konjugované polyenyMetodou ZINDO vypočítejte, jak se mění poloha prvního absorpčního pásu pro konjugované polyeny, počínaje ethenem a konče 1,3,5,7,9-dekapentaenem. V úvodu pojednejte o významu fotochemie dvojné vazby, o fotochemii spojené se zrakovým vjemem a o úloze mrkve ve výživě obyvatelstva.
13Dielsova-Alderova reakce Butadien může reagovat s ethylenem za uzavření cyklu (Dielsova-Alderova reakce). Reakce probíhá synchronním mechanismem a tudíž musí být butadien orientován v poloze „cis“. Najděte substituent R, pro který bude cis forma butadienu stabilnější. Hledejte mezi alkylovými, alkoxy a halogen substituenty. V úvodu pojednejte o syntetických aplikacích Dielsovy-Alderovy reakce. (Obrázek převzat z Wikipedie)
14Konstanty kyselosti methylaminůVypočítejte pKa v plynné fázi a ve vodě pro primární a sekundární methylaminy. Rozpouštědlo modelujte coby kontinuální dielektrikum. V úvodu diskutujte pojmy „kyseliny slabé a silné“, superkyseliny a fotokyseliny.
15Adenin a thyminVypočítejte geometrii adeninu a thyminu v kanonické formě a geometrii vodíkově vázaného komplexu mezi těmito bázemi. Vypočítejte energii vodíkové vazby páru A-T. V úvodu diskutujte význam vodíkové vazby v biologii.
16Optická aktivitaPomocí semiempirické metody PM3 vypočítejte strukturu pentahelicenu. Pro tuto strukturu vypočítejte optickou otáčivost (pozn. výpočet je náročnější, proto váš vstupní soubor zašlete Petrovi Slavíčkovi, který jej spustí na počítačovém klastru Ústavu fyzikální chemie). Hodnotu optické otáčivosti porovnejte s hodnotou pro kyselinu mléčnou. V úvodu pojednejte o významu chirality v chemii a o chemii helicénů.
17Disociace NaClNa jaké fragmenty bude disociovat NaCl v plynné fázi a na jaké ve vodě? Rozpouštědlo modelujte jako kontinuální dielektrikum. Kolik molekul je třeba, aby došlo k disociaci molekuly NaCl? Jakou barvu by měla molekula NaCl v plynné fázi? Literatura: J. Phys. Chem. A 104 (2000) 145.
18Formy síry a fosforuVypočítejte energetiku procesů, kdy z atomů síry a fosforu vznikají jejich molekuly. Uvažujte velikost 1-8. Jaká je struktura těchto agregátů? V úvodu diskutuje různé formy síry a fosforu v pevné i v plynné fázi.
19Vlastnosti kyseliny octovéOdhadněte energii spojenou s dimerizací kyseliny octové. Vypočítejte rovnovážnou konstantu dimerizace. Vaše výsledky konfrontujte s experimentem, víte-li, že závislost dimerizační rovnovážné konstanty na teplotě lze vyjádřit vztahem
      ln K = 7425,84/T − 29,2438
Jaká část molekul kyseliny octové se bude nacházet ve formě dimeru při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku? Vypočítejte dále vibrační frekvenci OH vazby v izolované kyselině octové a v jejím dimeru. Dokázali byste sestrojit stavovou rovnici pro asociující plyn jako kyselina octová? Ze struktury dimeru odhadněte, zdali se budou ve významné míře vytvářet také trimery.
20Struktura aminokyselinVypočítejte energii glycinu jako neutrální částice a ve formě zwitteriontu v plynné fázi a v roztoku. Rozpouštědlo popište jako kontinuální dielektrikum. V případě dielektrika vypočítejte obě pKa. V úvodu diskutujte acidobazické vlastnosti aminokyselin.
101Bod varu NaClStanovte bod varu NaCl za zvýšeného tlaku přímou metodou – kapalina a pára v rovnováze. Použijte silové pole ze cvičení. Systém musí být větší (aspoň Na256Cl256). Zjistěte alespoň kvalitativně, zda v parách NaCl jsou volné ionty, molekuly NaCl nebo větší klastry a pokuste se strukturu par vysvětlit. (Těžší úloha)
102Clapeyronova rovniceVypočtěte entalpii tání modelu NaCl a bod tání pro (alespoň) dva různé tlaky a porovnejte s predikcí pomocí Clapeyronovy rovnice.
103Rovnovážný tvar krystaluStanovte metodou simulated annealing (velmi pomalé chlazení) rovnovážný tvar krystalku Na32Cl32 za volných (vakuových) okrajových podmínek. Vznikne pravidelný krystal 4×4×4? Přidejte pojednání o závislosti rovnovážného tvaru krystalu na mezifázovém napětí (Wulffova konstrukce).
104Rayleighova nestabilitaPadající čúrek vody se rozpadá na kapky. Nejprve si najděte v literatuře teorii tohoto jevu. Simulujte tento jev pomocí dlouhého válce kapalného argonu případně vody (silové pole a detaily dostanete na požádání). Vzniknou kapky o teoreticky předpovězené velikosti? Češi: je správně čůrek nebo čúrek? Cizinci: jak se řekne čúrek ve vašem rodném jazyce?
105Konstrukce silového poleNastavte parametry modelu iontů Na+ a Cl tak, aby popisovaly dobře jak krystal NaCl tak taveninu. Velikost iontů (σ nebo RvdW) nastavíte podle nalezené experimentální hustoty, hloubku potenciálové jámy (nebo Emin) podle výparné entalpie, poměr velikostí obou iontů ovlivňuje stabilitu krystalu (bod tání). (Těžší úloha.)
106Bod tání ledůStanovte bod tání hexagonálního (Ih) nebo kubického (Ic) ledu přímou metodou. Použijte model vody TIP4P/2005 (soubor se silovým polem dostanete na požádání). K dispozici budete mít i krystal ledu s náhodnou orientací protonů. Přidejte stručné pojednání o polymorfismu ledu.
107Sbalování proteinůNalezněte v literatuře, která aminokyselina nejsnáze tvoří α-helix, vytvořte oligomer ve vhodném silovém poli a zkuste, zda dostanete α-helix spontánním složením ve vakuu či ve vodném prostředí. Blízkost struktury k α-helixu posuďte podle Ramachandranova diagramu. Vhodné pro jedince se zkušenostmi se simulacemi biomolekul.
108Rozbalování proteinůStáhněte z PDB databáze vhodný menší protein bez disulfidických vazeb, nastavte nábojové stavy aminokyselin podle zvoleného pH nebo doplňte protionty, simulujte ve vodném prostředí a stanovte, zda struktura denaturuje za teploty těla a za teploty 100 °C. Vhodné pro jedince se zkušenostmi se simulacemi biomolekul.
109Kulová hvězdokupaKulová hvězdokupa s dostatečným množstvím hvězd je metastabilní útvar pomalu se „vypařující“ do mezigalaktického prostoru. Simulujte hvězdokupu složenou z cca 300–500 hvězd o hmotnosti rovné hmotnosti Slunce v oblasti o velikosti řádově jednotky parseků. Verzi MD programu s opačným znaménkem interakce nábojů dostanete na požádání, můžete si ho také sami napsat. Dokážete získat útvar dostatečně stabilní po dobu alespoň miliardy let? Přidejte výklad o aplikaci věty o viriálu na rovnováhu klastru. Literatura: V. Vanýsek: Základy astronomie a astrofyziky, Academia, Praha (1980).
110Chladniho obrazceStudujte vibrace plátků grafenu. Vizualizujte tak, aby byly vidět uzlové křivky. Přišroubujte na podstavec rezonanční desku tvaru šestiúhelníku a za pomoci smyčce a prášku nám předveďte Chladniho obrazce; pokud se Vám reálný experiment nepovede, spokojíme se i s nějakým pěkným videem z YouTube. Vysvětlete souvislosti. Na závěr přidejte několik zajímavostí o grafenu.
111ElektroforézaRoztok NaCl ve vodě je vodivý, protože ionty se vlivem elektrického pole pohybují; roztok neutrální látky (např. ethanolu) vodivý není, protože na neutrální molekulu v elektrickém poli síla nepůsobí. Může se však pohybovat neutrální molekula v roztoku NaCl? Ověřte pseudoexperimentem a pozorování vysvětlete. Může se v takovém případě pohybovat i neutrální a nepolární molekula (atom argonu)? (Těžší úloha.)
112Struktura povrchového filmuSimulujte povrchově aktivní látku (oktanol) na povrchu vody ve slab geometrii. Vhodné silové pole (TraPPE-UA pro alkohol a SPC pro vodu) dostanete na požádání. Měňte pokrytí resp. velikost plochy a všímejte si struktury povrchového filmu (2D plyn, kapalina, krystal). Srovnejte s experimentem.
113Rovnováha kapalina–páraStanovte rovnovážný diagram (modelů) ethanolu (TraPPE-UA) a vody (SPC) za teploty 450 K pomocí simulace vrstvy kapaliny a páry nad kapalinou. Modely a podrobnější instrukce dostanete na požádání.
114Klastry zlataVytvořte krystalky zlata ve tvaru dvacetistěnu. Použijte potenciál typu tight-binding (implementaci dostanete na požádání). Studujte hustotu ve středu krystalku za nulové teploty v závislosti na počtu atomů. Opakujte podobný pseudoexperiment s argonem; rozdíly vysvětlete. Zkuste krystalek roztavit a pomalu zchladit – zkrystalizuje opět? Literatura: J. Chem. Phys. 122, 214722 (2005); Phys. Rev. B 49, 22 (1993).
115Simulovaná ničičkaPřipravte krystalek ledu v modelu TIP4P/2005 za nízké teploty. Odhadněte rychlost, při které je kinetická energie rovna energii potřebné k roztavení ledíku. Dva ledíky nechte danou rychlostí srazit. Vyzkoušejte nižší i vyšší rychlosti. Při jaké rychlosti začnou odletovat fragmenty resp. jednotlivé molekuly? Jako bonus se můžete zmínit o vaší oblíbené filmové ničičce.
116Koalescence kapekPokud splynou dvě makroskopické kapky vody, teplota se prakticky nezmění. U velmi malých kapek to však neplatí. Vypočtěte změnu teploty po splynutí dvou kapek vody po 250 molekulách. Simulujte ten samý jev s modelem SPC/E.
117Rozdíl tepelných kapacitSimulujte vodu (např. model SPC/E) za běžných podmínek za konstantního tlaku a objemu a stanovte rozdíl tepelných kapacit Cpm−CVm jednak přímo (ze simulace při aspoň dvou teplotách v příslušném souboru), jednak ze stavové rovnice (vyberte vhodnou verzi a opět stanovte derivace numericky z několika simulací). Porovnejte s reálným experimentem. Která metoda je přesnější?
118Kapka v elektrickém poliSimulujte kapku SPC/E vody v silném elektrickém poli. Jak se změní tvar kapky? (Viz též DOI:10.1021/ie404268f a úloha 122.)
119Je 'Oumuamua mimozemský kosmický koráb?Simulujte rotaci podlouhlého tuhého tělesa (kousek diamantu) ve vakuu a stanovte závislost plochy pozorované z jednoho směru na čase. Vyzkoušejte různé počáteční podmínky. Dostanete křivky podobné naměřeným křivkám jasu 'Oumuamuy na čase?
120Var modelu vodySimulujte metodou MD ve slab geometrii vodu TIP4P/2005 (model dodám) s párou za teploty 200 °C a stanovte rovnovážné hustoty a tlak.
121Solanka a Debyeova‑Hückeova teorieSimulujte metodou MD zředěný roztok NaCl ve vodě. Zobrazte radiální distribuční funkce Na-Na, Na-Cl a Cl-Cl a diskutujte výsledky. Z koordinačních čísel (vč. H a O) vypočtěte průměrný náboj v kouli o poloměru r okolo iontu a srovnejte s predikcí podle Debyeovy-Hückeovy teorie. Modely vody (SPC/E) a iontů dodám.
122ElektrospinningSimulujte vrstvu SPC/E vody v silném elektrickém poli a pozorujte vznik Taylorova kužele a vlákna (DOI:10.1021/ie404268f, viz též úloha 118).
123NEW Kontaktní úhelStanovte pro 2D kapalinu implementovanou v SIMOLANTu kontaktní úhel na přitažlivé stěně v závislosti na (rovnoměrné) hustotě materiálu stěny (rho). Stanovte hustotu, kdy dojde k rozestírání, a porovnejte s rovnovážnou hustotou kapaliny. Konzultace (Jiří Kolafa) nutná!
124NEW 2D kapalina ve štěrbiněStanovte pro 2D kapalinu implementovanou v SIMOLANTu povrchové napětí a mezifázové napětí kapalina–zeď (vyzkoušejte přitažlivou i odpudivou zeď). Zobrazte a okomentujte hustotní profily. Konzultace (Jiří Kolafa) nutná!
125NEW Kelvinova rovnice ve 2DStanovte pro 2D kapalinu implementovanou v SIMOLANTu povrchové napětí a tlak nasycených par jak nad rovinným rozhraním, tak nad kapkou i v kavitě („bublině“). Ověřte platnost 2D verze Kelvinovy rovnice. Zobrazte a okomenujte radiální hustotní profil kapky/kavity. Konzultace (Jiří Kolafa) nutná!
199EXTRA Pro programátoryUmíte dobře programovat (python, C aj.)? Pak si můžete zvolit i úlohu s číslem 500–599 z tohoto seznamu.
201Transkripce DNAJak se jmenuje enzym, který je zodpovědný za transkripci DNA? Nalezněte X-ray strukturu (rozlišení 3.80 Å) jeho inhibitor komplexu opublikovanou v časopise Nature Structural & Molecular Biology. V protokolu popište základní principy transkripce DNA, uveďte PDB kód této struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie pošlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
202Ukládání železa v těleJak se jmenuje transportní protein, nacházející se především v játrech a ledvinách, do něhož se ukládá většina železa v těle? Jaký je PDB kód X-ray struktury tohoto proteinu izolovaného z lidských mitochondriích? V protokolu popište metabolismus železa v lidském těle, uveďte PDB kód této struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie pošlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
203Degradace proteinůJak se nazývá proteinový komplex, jehož hlavní funkcí je degradace poškozených nebo špatně zfoldovaných proteinů na krátké polypeptidové řetězce? Tento komplex byl (mimo jiné) izolován z kvasinky a jeho X-ray struktura byla uvolněna v roce 1998. V protokolu popište principy degradace proteinů a zapojení tohoto komplexu do procesu degradace. Dále v protokolu uveďte PDB kód nalezené struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie zašlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
204ChromatinDNA je v jádře přítomna v podobě chromatinu, v němž jsou velmi kompaktně sbaleny její dvoušroubovicové řetězce. Jak se nazývá základní jednotka při sbalování DNA? Její struktura v rozlišení 1.9 Å byla opublikována v roce 2002. Jaký je PDB kód této struktury? V protokolu popište principy sbalování DNA v jádře, uveďte PDB kód této struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie zašlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
205Regulace exprese genůJak se nazývají proteiny, které regulují expresi genů na úrovni transkripce? Komplex těchto proteinů byl izolován z kvasinky Saccharomyces cerevisiae a vyřešen v rozlišení 4.3 Å. Jaký je PDB kód této struktury? V protokolu popište principy regulace exprese genů na úrovni transkripce a způsobu zapojení nalezeného proteinu do regulace. Dále uveďte PDB kód této struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie zašlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
206Sbalování proteinůJak se nazývají molekulové stroje, které napomáhají správnému sbalení proteinového řetězce do jeho 3D podoby? Jak se nazývají proteinové jednotky ve struktuře tohoto stroje (obsahující AlF3) opublikované v časopise EMBO Journal? Jaký je PDB kód této struktury? Do protokolu popište principy sbalování proteinů, uveďte PDB kód nalezené struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie zašlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
207Anabolické steroidyJak se jmenuje enzym, který katalyzuje poslední krok tvorby testosteronu z cholesterolu? Jaký je PDB kód jeho struktury z roku 2004? Do protokolu popište tvorbu testosteronu v lidském těle a popište zapojení identifikovaného enzymu do tohoto procesu. Dále uveďte PDB kód nalezené struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie zašlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
208SvětluškyJak se jmenuje enzym odpovědný za chladné nažloutlé světlo světlušek? Záměna jediné jeho aminokyseliny (ze serinu na asparagin) u japonské světlušky způsobí, že tato začne světélkovat červeně. Jaký je PDB kód enzymu emitujícího červené světlo? Do protokolu popište principy bioluminiscence u světlušek, uveďte PDB kód nalezené struktury a její vizualizaci. Na mailovou adresu konzultanta oblasti Počítačová biochemie zašlete tento protokol, PDB soubor obsahující nalezenou strukturu a Pymol skript ve formátu pml (nikoliv pse!), který po spuštění vytvoří patřičnou vizualizaci.
999Vlastní témaMáte-li něco zajímavého, kontaktujte vyučujícího!