Quantitative studies on molecular recognition : free energy perturbation simulations on M₊⊂222 cryptates in water and in methanol

Faculté de Chimie, 4, rue Blaise Pascal, 67000 Strasbourg, France.

Abstract

Les différences d’énergie libre de complexation de Na⁺, K⁺ et Rb⁺ par le cryptand 222 ont été calculées dans l’eau et le méthanol, ainsi que les énergies libres relatives de transfert des ions libres et complexés entre ces deux solvants. Le 222 préfère intrinsèquement Na⁺ en phase gazeuse et en solution, mais la prise en compte des différences d’énergie libre de solvatation des ions conduit à un pic de sélectivité pour K⁺ dans les deux solvants, en accord avec l’expérience. Des calculs préliminaires mettent en évidence l’importance de la conformation initiale du cryptate au cours de ces différentes mutations.

Résumé

Relative free energies of complexation of Na⁺, K⁺ and Rb⁺ cations by the 222 cryptand have been calculated in water and in methanol. This was achieved by "slow growth MD mutations" using the perturbation thermodynamic cycle. Starting with the experimental structure of the K⁺⊂222 cryptate we calculate that, in gas phase and in solution, 222 prefers intrinsically Na⁺. In solution, taking into account the relative solvation free energies, we find a peak of binding selectivity for K⁺, in qualitative agreement with experiment. Calculated relative free energies of transfer from water to methanol of the free cations and of their cryptates compare also reasonably well with experiment. However, calculations starting from another cryptate type structure give rather different energies, which questions the predictive power of FEP calculations when restricted to small simulation times, and when the experimental structures are not available !