Free energy simulations of methane solvation : a study of integrand convergence properties using thermodynamic integration

¹ To whom correspondence should be addressed, Convex Computer Corporation, 3000 Waterview Parkway, Richardson, Texas 75083, USA.
² Agouron Pharmaceuticals 11025 North Torrey Pines Road San Diego, California 92037, USA.

Abstract

This report presents the results of free energy simulations using thermodynamic integration (TI) to calculate the absolute free energy of solvation of methane. The dependence of the integrand on the form of the scaling of the Hamiltonian and the extent of the "growth" of the methane was studied. When the methane-water potential is scaled by between 0.002 and 0.15, the integrand became very noisy and the individual values had high statistical uncertainties. This region was responsible for the major contribution to the total integral. A value for the Helmholtz free energy of solvation of 1.23 kcal/mol was obtained, in comparison to the experimental value of 2.005 kcal/mol. It is evident that the calculation has not as yet converged.

Résumé

Cet article présente les résultats de simulations numériques de calcul d’énergie libre par intégration thermodynamique(TI) pour calculer l’énergie libre de dissolution du méthane.

La dépendance du facteur integrand à l’égard de la configuration du facteur normant de l’hamiltonien et de l’étendue de la "croissance" du méthane a été étudiée. Quand l’énergie potentielle du mélange méthane-eau est normée par une valeur comprise entre 0.002 et 0.15, le facteur integrand devient très bruite et les valeurs individuelles présentent de grandes incertitudes statistiques. Cette région contribue majoritairement au calcul de l’intégrale totale. Une valeur de 1,23 kcal/mol a été obtenue pour l’énergie libre de Helmholtz de dissolution. Cette valeur est à rapprocher de la valeur expérimentale de 2,005 kcal/mol. Il apparait donc que le calcul ne converge pas encore.