Molecular dynamics (MD) simulations have become increasingly popular in studying the motions and functions of biomolecules. The accuracy of the simulation, however, is highly determined by the molecular mechanics (MM) force field (FF), a set of functions with adjustable parameters to compute the potential energies from atomic positions. However, the overall quality of the FF, such as our previously published ff99SB and ff14SB, can be limited by assumptions that were made years ago. In the updated model presented here (ff19SB), we have significantly improved the backbone profiles for all 20 amino acids. We fit coupled φ/ψ parameters using 2D φ/ψ conformational scans for multiple amino acids, using as reference data the entire 2D quantum mechanics (QM) energy surface. We address the polarization inconsistency during dihedral parameter fitting by using both QM and MM in aqueous solution. Finally, we examine possible dependency of the backbone fitting on side chain rotamer. To extensively validate ff19SB parameters, and to compare to results using other Amber models, we have performed a total of ∼5 ms MD simulations in explicit solvent. Our results show that after amino-acid-specific training against QM data with solvent polarization, ff19SB not only reproduces the differences in amino-acid-specific Protein Data Bank (PDB) Ramachandran maps better but also shows significantly improved capability to differentiate amino-acid-dependent properties such as helical propensities. We also conclude that an inherent underestimation of helicity is present in ff14SB, which is (inexactly) compensated for by an increase in helical content driven by the TIP3P bias toward overly compact structures. In summary, ff19SB, when combined with a more accurate water model such as OPC, should have better predictive power for modeling sequence-specific behavior, protein mutations, and also rational protein design. Of the explicit water models tested here, we recommend use of OPC with ff19SB.

An empirical method has been designed to account for the van der Waals interactions in practical molecular calculations with density functional theory. For each atom pair separated at a distance R, the method adds to the density functional electronic structure calculations an additional attraction energy EvdW=−fd(R)C6R−6, where fd(R) is the damping function which equals to one at large value of R and zero at small value of R. The coefficients C6 for pair interactions between hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen atoms have been developed in this work by a least-square fitting to the molecular C6 coefficients obtained from the dipole oscillator strength distribution method by Meath and co-workers. Two forms of the damping functions have been studied, with one dropping to zero at short distances much faster than the other. Four density functionals have been examined: Becke’s three parameter hybrid functional with the Lee-Yang-Parr correlation functional, Becke’s 1988 exchange functional with the LYP correlation functional, Becke’s 1988 exchange functional with Perdew and Wang’s 1991 (PW91) correlation functional, and PW91 exchange and correlation functional. The method has been applied to three systems where the van der Waals attractions are known to be important: rare-gas diatomic molecules, stacking of base pairs and polyalanines’ conformation stabilities. The results show that this empirical method, with the damping function dropping to zero smoothly, provides a significant correction to both of the Becke’s hybrid functional and the PW91 exchange and correlation functional. Results are comparable to the corresponding second-order Møller-Plesset calculations in many cases.

Consider a system with an arbitrary constraint on its electron density (e.g., that there are $N$ charges on a certain group of atoms). We show that in Kohn-Sham density functional theory, the minimum energy state consistent with the constraint is actually a maximum with respect to the constraint potential, and that this solution is unique. This leads us to an efficient algorithm for calculations on constrained systems. Illustrative studies are shown for charge transfer in the zincbacteriochlorin-bacteriochlorin complex, polyene and alkane chains.

Abstract Electrochemical reduction of CO 2 provides an opportunity to reach a carbon‐neutral energy recycling regime, in which CO 2 emissions from fuel use are collected and converted back to fuels. The reduction of CO 2 to CO is the first step toward the synthesis of more complex carbon‐based fuels and chemicals. Therefore, understanding this step is crucial for the development of high‐performance electrocatalyst for CO 2 conversion to higher order products such as hydrocarbons. Here, atomic iron dispersed on nitrogen‐doped graphene (Fe/NG) is synthesized as an efficient electrocatalyst for CO 2 reduction to CO. Fe/NG has a low reduction overpotential with high Faradic efficiency up to 80%. The existence of nitrogen‐confined atomic Fe moieties on the nitrogen‐doped graphene layer is confirmed by aberration‐corrected high‐angle annular dark‐field scanning transmission electron microscopy and X‐ray absorption fine structure analysis. The Fe/NG catalysts provide an ideal platform for comparative studies of the effect of the catalytic center on the electrocatalytic performance. The CO 2 reduction reaction mechanism on atomic Fe surrounded by four N atoms (Fe–N 4 ) embedded in nitrogen‐doped graphene is further investigated through density functional theory calculations, revealing a possible promotional effect of nitrogen doping on graphene.

The development of highly active and durable catalysts for electrochemical reduction of CO2 (ERC) to CH4 in aqueous media is an efficient and environmentally friendly solution to address global problems in energy and sustainability. In this work, an electrocatalyst consisting of single Zn atoms supported on microporous N-doped carbon was designed to enable multielectron transfer for catalyzing ERC to CH4 in 1 M KHCO3 solution. This catalyst exhibits a high Faradaic efficiency (FE) of 85%, a partial current density of -31.8 mA cm-2 at a potential of -1.8 V versus saturated calomel electrode, and remarkable stability, with neither an obvious current drop nor large FE fluctuation observed during 35 h of ERC, indicating a far superior performance than that of dominant Cu-based catalysts for ERC to CH4. Theoretical calculations reveal that single Zn atoms largely block CO generation and instead facilitate the production of CH4.

Metal−oxos are critical intermediates for the management of oxygen and its activation. The reactivity of the metal−oxo is central to the formation of O−O bonds, which is the essential step for oxygen generation. Two basic strategies for the formation of O−O bonds at metal−oxo active sites are presented. The acid–base (AB) strategy involves the attack of a nucleophilic oxygen species (e.g., hydroxide) on an electrophilic metal−oxo. Here, active-site designs must incorporate the assembly of a hydroxide (or water) proximate to a high-valent metal−oxo of even d electron count. For the radical coupling (RC) strategy, two high-valent metal−oxos of an odd d electron count are needed to drive O−O coupling. This Forum Article focuses on the different electronic structures of terminal metal−oxos that support AB and RC strategies and the design of ligand scaffolds that engender these electronic structures.

Diabatic states have a long history in chemistry, beginning with early valence bond pictures of molecular bonding and extending through the construction of model potential energy surfaces to the modern proliferation of methods for computing these elusive states. In this review, we summarize the basic principles that define the diabatic basis and demonstrate how they can be applied in the specific context of constrained density functional theory. Using illustrative examples from electron transfer and chemical reactions, we show how the diabatic picture can be used to extract qualitative insight and quantitative predictions about energy landscapes. The review closes with a brief summary of the challenges and prospects for the further application of diabatic states in chemistry.

Dinitrogen conversion to ammonia via electrochemical reduction with over 10% Faradaic efficiency is demonstrated in this work. Co-doped MoS2-x polycrystalline nanosheets with S vacancies as the catalysts are loaded onto carbon cloth by hydrothermal growth from Mo, Co, and S precursors. A sulfur vacancy on the MoS2-x basal plane mimicking the natural Mo-nitrogenase active site is modified by Co doping and exhibits superior dinitrogen-to-ammonia conversion activity. Density-functional simulation reveals that the free energy barrier, which can be compensated by applied overpotential, is reduced from 1.62 to 0.59 eV after Co doping. Meanwhile, dinitrogen tends to be chemically adsorbed to defective MoS2-x, which effectively activates the dinitrogen molecule for the dissociation of the N≡N triple bond. This process is further accelerated by Co doping, resulting from the modulation of Mo–N bonding configuration.

In this work, we develop a novel Bayesian approach to study the adsorption and desorption of CO onto a Pd(111) surface, a process of great importance in natural sciences. The motivation for this work comes from the recent availability of time-resolved infrared spectroscopy data and the need for model interpretability and uncertainty quantification in chemical processes. The objective is to learn the relevant parameters that characterize the process: coverage with time, rate constants, activation energies, and pre-exponential factors. Our approach consists of three main schemes: (i) a problem design and probabilistic model for the whole system, (ii) a particle Markov chain Monte Carlo sampler to learn the hidden coverages and rate constant parameters, and (iii) two Bayesian formulations to infer the activation energies and pre-exponential factors. The flexibility of the Bayesian framework allows for uncertainty quantification where possible and integration of mathematical constraints in the model to reflect the system physically. We found that our results for the activation energies and pre-exponential factor are in agreement with those reported in the experimental literature, independently, and we provide discussions on the advantages and disadvantages as well as applicability to other systems.