پایان نامه محاسبات انرژی آزاد گیبس برای تعویض مهمان در هیدرات گازی sI با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

فهرست:

فصل اول:هیدرات گازی

1-1- هیدرات گازی.. 2

1-2- هیدرات‌های گازی در گذر زمان.. 3

1-3- ساختار هیدرات‌های گازی.. 4

1-3-1- ساختار sI 5

1-3-2- ساختار sII 6

1-3-3- ساختار sH.. 6

1-3-4- نکاتی مربوط به ساختار‌های هیدرات.. 7

1-4- مشخصات مولکول مهمان.. 8

1-5- هیدرات­های گازی در طبیعت... 8

1-6- اهمیت هیدرات‌های گازی.. 10

1-6-1- مزایای هیدرات گازی.. 11

1-6-1-1- انتقال گاز طبیعی.. 11

1-6-1-2- منبع انرژی.. 12

1-6-1-3- جداسازی دی­اکسیدکربن.. 12

1-6-1-4- هیدرات‌های گازی در صنعت غذایی.. 13

1-6-1-4-1- تغلیظ آب میوه­ها 13

1-6-1-4-2- شیرین­سازی آب دریا 13

1-6-1-4-3- جداسازی آنزیم­ها 14

1-6-2- مضرات هیدرات گازی.. 14

1-7- بازدارنده­ها 15

1-7-1- بازدارنده‌های ترمودینامیکی.. 15

1-7-2- بازدارنده‌های غیرترمودینامیکی.. 16

1-7-3- معیار‌های بازدارنده. 16

1-8- جذب.. 17

فصل دوم:شبیه سازی دینامیک مولکولی

2-1- تاریخچه­ی شبیه­سازی.. 20

2-2- شبیه سازی دینامیک مولکولی.. 21

2-3- سامانه های مدل و پتانسیل های برهمکنش.... 21

2-4- معرفی مدل پتانسیل برای برهمکنش بین مولکول های سازندهی سامانه. 23

2-5- معرفی مدل پتانسیل برای برهمکنش بین سیستم و محیط.. 23

2-5-1- شرایط مرزی دوره­ای.. 24

2-5-2- قطع پتانسیل و قرارداد نزدیکترین تصویر. 25

2-6- الگوریتم انتگرال­گیری زمانی.. 25

2-6-1- الگوریتم ورله. 26

2-6-2- الگوریتم جهشی ورله. 27

2-6-3- الگوریتم ورله سرعتی.. 28

2-7- اولین گام در شبیه سازی دینامیک مولکولی.. 29

2-7-1- تعیین مکان­های اولیه ی ذرات.. 29

2-7-2- تعیین سرعت­های اولیه ی ذرات.. 30

2-8- دومین گام در شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 30

2-9- سومین گام در شبیه­سازی دینامیک مولکولی اندازه گیری خواص ترمودینامیکی.. 31

2-10- چهارمین گام در شبیه­سازی دینامیک مولکولی: تحلیل نتایج.. 32

2-11- انواع مجموعه ها در شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 32

2-12- انواع خطاها در شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 33

2-12-1- خطاهای آماری.. 33

2-12-2- خطاهای سیستماتیک... 33

2-13- محدودیت­های شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 34

2-13-1- اثرات کوانتومی.. 34

2-13-2- تعیین پتانسیل­های برهمکنش.... 34

فصل سوم: محاسبات انرژی آزاد گیبس

3-1- انواع خواص ترمودینامیکی.. 36

3-1-1- توابع ترمودینامیکی ساده. 36

3-1-1-1- انرژی داخلی.. 36

3-1-1-2- فشار. 37

3-1-1-3- میانگین مجذور نیرو. 37

3-1-2- توابع ترمودینامیکی پاسخ.. 38

3-1-3- خواص وابسته به انتروپی.. 39

3-1-3-1- انتگرال گیری ترمودینامیکی.. 40

3-1-3-2- روش ذره­ی آزمایشی.. 40

3-1-4- انرژی آزاد. 41

3-2- انواع روش­ها برای محاسبه ی اختلاف انرژی آزاد. 43

3-2-1- اختلال ترمودینامیکی.. 43

3-2-1-1- محاسبه­ی اختلاف انرژی آزاد حلال پوشی بازهای نیتروژن­دار با روش اختلال ترمودینامیکی   44

3-2-1-2- محاسبه­ی اختلاف انرژی آزاد هشت لیگاند مربوط به پروتئین پیوندی FK506 با FKBP12 به روش اختلال ترمودینامیکی.. 46

3-2-2- روش تدریجی.. 50

3-2-3- خط سیر چند مرحله ای.. 50

3-2-4- انتگرال­گیری ترمودینامیکی.. 53

3-3- کاربرد روش­های محاسبه ی اختلاف انرژی آزاد. 53

3-3-1- چرخه­های ترمودینامیکی.. 53

3-3-2- محاسبه­ی انرژی آزاد مطلق.. 55

فصل چهارم:محاسبات انرژی آزاد گیبس برای تعویض مهمان  در هیدرات گازی  sI با استفاده از شبیه­سازی دینامیک مولکولی

4-1- روش انتگرال­گیری ترمودینامیکی.. 58

4-2- سابقه تحقیق.. 59

4-3- مشخصات مولکول هیدروژن سولفید. 67

4-4- نرم افزارشبیه سازی و فایل­های ورودی در این تحقیق.. 68

4-4-1- فایل­های ورودی نرم­افزار. 68

4-4-1-1- فایل ساختار اولیه ذرات (CONFIG) 69

4-4-1-2- فایل تعیین پارامترهای کنترل شبیه­سازی (CONTROL) 71

4-4-1-3- تهیه­ی فایل ورودی (FIELD) 72

4-4-2- فایل­های خروجی نرم افزار. 73

4-4-2-1- فایل ساختار نهایی ذرات (REVCON) 74

4-4-2-2- فایل خروجی اصلی شبیه­سازی (OUTPUT) 74

4-4-2-3- فایل اطلاعات روند شبیه­سازی به زبان ماشین (REVIVE) 74

4-5- محاسبه ی انرژی آزاد جانشینی های مختلف هیدروژن سولفید به جای متان در هیدرات­های گازی sI 75

4-6- محاسبه­ی خواص ساختاری و ترمودینامیکی.. 83

4-6-1- تابع توزیع شعاعی.. 84

4-6-2- بررسی وابستگی حجم سلول واحد به دما 92

4-6-3- بررسی ضریب انبساط گرمایی خطی.. 97

4-6-4- بررسی ضریب تراکم­پذیری هم دما 105

مراجع.. 109

منبع:

[1] Demirbas, A.;.J.Energy  Conversion  and  Management. 2012, 51, 1562.

[2] Solan, E. D.; Introductory overview : hydrate  knowledge  development, Am. Mineral. 2004, 89, 1155.

[3] Solan, E. D.; and  Koh, C. A.; Clathrate  Hydrates of  Natural Gases, 3rd . Edition, CRC Press, 2008.

[4] Van der Waals, J. H.; and  Platteeuw, J. C.; Clathrate  Solution,  Adv, Chem. Phy . 1959, 2, 1.

[5] Redger .P. M. Mechanims for Stabilising  Water  Clathrates, 1990, 5, 315.                      

[6] Stakelberg, V. M.; J. Naturwiss. 1949, 36, 359.

[7]  Jeffry ,G.; A. Mcmullan, R.; K. J. Prog. Inorg. Chem. 1967, 8, 43.

[8] Jeffry, G.; A. Inclusion Compounds, Academic  Press. 1984.135.

[9] Yakushev ,V. International  Conference on Gas  Hydrate, 4th  Ed. Yokohama,  2002 .

[10] Gudmun dsson , J. S.;  Parlaktuna , M.;  Khokhare, A. A. J. SPE  Production & Facilities. 1994 , 69.

[11] Chatti , I.; Delahaye, A.; Fournaison. L .; Petitet, J . P. J. Energy  Conversion  and  Management.  2005 , 46, 1333.

[12]  Javanmardi , J.; Moshfeghian , M . J. Energy Fuels. 1998 , 12 , 219.

[13] Nagahama , N . J. Food  Phase Equilibria. 1996 , 116 , 126 .

[14]  Solan , E. D. Clathrate  Hydrates  of  Natural  Gases. Marcel  Decker, Inc. New York. 1998 , 59 .

[15] Chanyu, S.;  Wenzhi , L.; Xin, Y.; Fengguangl ; Qing , Y.; Liang , M.; Jun, C.; Bie ,L .; Guangjin , G . J. Chemical  Engineering . 2011, 19,151.

[16]  keith , A. Kvenvolden  U.S. Geological  Survery  Menlo  Park, Gas  Hydrates  Geological  Perspective  and  Global  Change. 1993, 173.

[17] جلیلی، س ، شبیه­سازی دینامیک مولکولی ، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، 1385.

[18] Alder ,B .J.; Wainwright, T.E. J .Chem. Phys. 1957, 27,1208.

[19] Alder ,B .J.; Wainwright, T.E. J .Chem. Phys. 1959 , 31, 459.

[20] Rahman, A. Phys. Rev . 1964 , 136A , 405.

[21] Mccammon, J. A .; Gelin , B. R.; karplus , M. Nature. 1977, 207, 585.

[22] گوهرشادی، ا، موسوی، م، موسوی، ف، مرسلی، ع، مبانی شبیه­سازی دینامیک مولکولی، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، 1385.

[23] Norbert ,A .; Kurrt, B.;  Helmut .G.; Kurt , K . Johnvon Nevmann  Lnstitute for Computing . 2004, 23,1.

[24] Jarsaw, M. Cornell  University , Ithaca , New York , USA  Nicholas  University, Tourn , Poland, 2010.

[25] Jennifer, L.; Miller and  Peter A. Kollman. Solvation  Free Energies of the Nucloeic Acid  Bases. J. Phy.Chem.1996 , 100, 8587.

[26] Lu, N. D.; Kofke ,A. Accuracy of  Free  Energy Perturbation Calculation  in  Molecular Simulation  I. J .Chem. Phys . 2001, 114 , 7303.

[27] Lu, N. D.; Kofke, A. Accuracy of Free Energy Perturbation Calculation in  Molecular Simulation  II. J.Chem. Phys. 2001 ,115, 6866.

[28]  Florian , J.; Goodman . M . F. and Warshel. Free  Energy Perturbation Calculation of  DNA  Destabilization by base  Substiution  the  Effect of  Neutral  Guanine  Thymine, Adenine Cytosine & Adenine difluorotoluene Mismatches.J .Phys.Chem.B. 2000,104, 10092.

[29] Brandsdal , B.O.; and Smalas .O . A . Evaluation  of  Protein Association energies by Free Energy Perturbation. Protein  Eng. 2000, 13 , 239.

[30] Straatama ,T. P.; and  Mccammon .A. Computational  Alchemy Annu. Rev.Phys .Chem. 1992,  43 , 431.

[31] Beveridege, D. Free Energy Via  Molecular  Simulation  Application  to Chemical  and  Biomolecular  System. Annu. Rev. Biophys. Biol. 1989,18, 431.

[32] Price , D. J . and Jorgensen .W. L. Computational  Binding  Studies  of  Human PP60-src SH2  Domain  With  a Series  of  nonpeptide Phsophpphenyle Containing  Ligands. Bioorg. Med. Chem. Left. 2000, 10, 2067.

[33] Wesolowski ,S.S .; Jorgensen .L.W. Estimation  of  Binding  Affinities  for  Celecoxib  Analogues  With COX-2 Via  Monte  Carlo Extended  Linear Response. Bioorg . Med.Chem. Left. 2002 , 12 , 267.

[34]Carlson, H. A.; Masukawa .K.; Rubins .F.; Bushman ,W. L. and McCammon, J. A. Developinge a  dynamic Pharmacophore Model  For HIV-1 Integrase. J.Med.Chem.2000, 43 , 2100.

[35] Kollman , P. Free Energy Calculation Applications to Chemical and Biochemical Phenomena. Chem . Rev. 1993, 93, 2395.

[36] Ajay.A. Murcko.A. M. Computational Methods  to Predict Binding Free Energy in Ligand –Receptor Complexes. J. Med .Chem .1995 , 38 , 4953.

[37] Gilson, M. K.; Bulk, B. L. and McCammon. The Statistical- Thermodynamics Basis For Computation of  Binding  Affinities. A Critical Review. Biophys . J. 1997,72, 1047.

[38] McCammon, J. A. Theory of Bimolecular Recognition. Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, 8, 245.

[39] Simonson ,T; Archontis, G.;  Karplus , M. Free Energy Simulation Com Of Age Protein- Ligand Recognition. Acc.Chem.Res. 2002, 35, 430.

[40] Lazaridis,T.; Masunov, A. Gandolfo. Contributions to the Binding  Free Energy Of Ligands To  Avidin  and  Streptavidin. Proteins. 2002, 47, 194.

[41] Boresch , S.; Tettinger,F.; Karplus, M. Absolute Binding Free Energys: A  Quantitative  Approach  For Their Calculation .J. Phys. Chem. B. 2003 , 107, 9535.

[42] Woo, H.; Roux, B.  Chemical Theory and Computation Special  Feature: Calculation  Of  Absolute Protein – Ligand  Binding  Free Energy  from Computer Simulation .Proc. Natl. Acad.Sci.USA. 2005, 102 , 6825.

[43] Sagui, C.; Darden,T.A. Molecular Dynamics Simulations Of  Bimolecules: Long-Rang Electrostatic  Effects. Annu. Rev. Biphys. Biomol. Struct. 1999, 28, 155.

[44] Brooks ,C. L.; Karplus, M. Deformable  Stochastic Boundaries in Molecular Dynamics. J. Chem. Phys. 1983, 79, 6312.

[45] Essex ,J .W.; Jorgensen, L. W. An  Empricial  Boundary Pontential For  Water  Droplet  Simulations. J. Comput. Chem. 2009, 16, 951.

[46]  Warshel, A.; King, G. Polarization Constraints  in Molecular Dynamics Simulation  of Aqueous Solutions : The Surface  Constraint  all  Atom  Solvent Model. Chem. Phys. Left. 2010, 121.

[47] King. G., Warshel. A. A Surface  Constraints  All- Atom Solvent  Moldel For Effective Simulations  of  Polar Solutions.  J. Chem. Phys. 2008, 121, 124.

[48] Rullmann, J.; Duijnen .P. T. Analysis of  Discrete and  Continuum Dielectric. Application  to the Calculation of Protonation Energies in Solution . Mol. Phys. 2005, 61, 293.

[49] Deng ,Y.; Roux, B. Hydration  of  Amino Acid Side Chains: Nonpolar and Electrostatic Contributions Calculated  from   Staged  Molecular  Dynamics   Free Energy Simulations With  Explicit  Water Molecules. J. Phys. Chem. B. 2004, 108.

[50] Holt, D.A.; Luengo, D.S.; Rozamus,L.W.; Stout, J.T.; Clardy, J. Design, Synthesis, and  Kinetic Evalution of  High- Affinity FKBP Ligands and the x-ray Crystal Structures of their Complexes with FKBP12. J. Am .Chem .Soc. 2007, 115, 511.

[51] Fujitani, H.; Shirts,M.R.;  Sorin,E. J.;  Pand. V. S. Direct Calculation of the Binding Free Energy  of  FKBP Ligand. J. Chem. Phys. 2005,123.

[52] Schreber,  S.L. Chemistry and  Biology of the Immunophilins and  their  Immunosuppressive Ligands. Science. 1999, 251, 283.

[53] Levy,R. M.; Zhang, L. Y.; and Felts, A. K. On the Nonpolar Hydration Free  Energy of Proteins: Surface Area and Continum Solvent Models For the Solute- Solvent  Interaction Energy. J.Am.Chem. Soc. 2003, 125, 9523.

[54]  Echevrria, I.; and Amzel ,M.L. Helix Propensities  Calculations  for Amino Acids in Alanine Based Peptides  using  Jarzynski Equality. Proteins. 2010,78 1302.

[55] Meynier ,C.; Roche.P. NMR and MD Investigations of Human  Galectin-1/Oligosaccharide Complexes. Biophys. J. 2009, 97,3168.

[56] Nohra, M.; Woo, T. K.; Alavi, S.; Ripmeester, J. Molecular Dynamics Gibbs Free Energy Calculations for CO2 Capture And Stronge In Structure I Clathrate Hydrates In The Presence Of SO2,CH4,N2 And H2S impurities, thermo.  Chem. 2012, 44, 5-12.

[57] Yamto, O.; Yasouka, K. Free  Energy Calculation of Structure-H  Hydrates. J. Chem. Phys. 2006, 124.

[58] Yezdimer, M.; Cummings,T.; Chialvo, A. Determination of the Gibbs Free Energy of Gas Replacement in sI Clathrate Hydrates by Molecular Simulation. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 7982.

 [59] Dartois, E.; Duret ,U.; Marboeuf ,B. Hydrogen sulfide clathrate hydrate FTIR spectroscopy: A help gas for clathrate  formation  in  the Solar  System?. Icarus. 2012, 220, 427.

[60] Udachin, K.A.; Ratcliffe, C.I.; Ripmeester , J. A . J. Supramol. Chem. 2002, 2, 405.

[61] Hester, K. C.; Huo, Z.; Ballard , A. L.; Koh, C. A.; Miller , K. T.; Sloan, E.D. J. Phys. Chem. B. 2007. 34, 465.

[62] Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar , J.; Mabura, J. B.; Impey, Y.W.; Kiln. M. L. J. Chem. Physics. 1983, 97, 926.