Nitrile- and thiocyanate-derivatized amino acids have been found to be useful IR probes for investigating their local electrostatic environments in proteins. To shed light on the CN stretch frequency shift and spectral lineshape change induced by interactions with hydrogen-bonding solvent molecules, we carried out both classical and quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) molecular dynamics (MD) simulations for MeCN and MeSCN in water. These QM/MM and conventional force field MD simulation results were found to be inconsistent with the experimental results as well as with the high-level ab initio calculation results of MeCN-water and MeSCN-water potential energies. Thus, a new set of atomic partial charges of MeCN and MeSCN is obtained. By using the MD simulation trajectories and the electrostatic potential model recently developed, the CN and SCN stretching mode frequency trajectories were obtained and used to simulate the IR spectra. The CN frequency blueshifts of MeCN and MeSCN in water are estimated to be 9.0 and 1.9cm1, respectively, in comparison with those of gas phase values. These values are found to be in reasonable agreement with the experimentally measured IR spectra of MeCN, MeSCN, β-cyano-L-alanine, and cyanylated cysteine in water and other polar solvents.

1.
Z.
Getahun
,
C.-Y.
Huang
,
T.
Wang
,
B.
De Leon
,
W. F.
DeGrado
, and
F.
Gai
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
405
(
2003
).
2.
I. T.
Suydam
and
S. G.
Boxer
,
Biochemistry
42
,
12050
(
2003
).
3.
I. T.
Suydam
,
C. D.
Snow
,
V. S.
Pande
, and
S. G.
Boxer
,
Science
313
,
200
(
2006
).
4.
A. T.
Fafarman
,
L. J.
Webb
,
J. I.
Chuang
, and
S. G.
Boxer
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
13356
(
2006
).
5.
L. N.
Silverman
,
M. E.
Pitzer
,
P. O.
Ankomah
,
S. G.
Boxer
, and
E. E.
Fenlon
,
J. Phys. Chem. B
111
,
11611
(
2007
).
6.
P. A.
Sigala
,
A. T.
Fafarman
,
P. E.
Bogard
,
S. G.
Boxer
, and
D.
Herschlag
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
12104
(
2007
).
7.
S. S.
Andrews
and
S. G.
Boxer
,
J. Phys. Chem. A
104
,
11853
(
2000
).
8.
A.
Chattopadhyay
and
S. G.
Boxer
,
J. Am. Chem. Soc.
117
,
1449
(
1995
).
9.
S. S.
Andrews
and
S. G.
Boxer
,
J. Phys. Chem. A
106
,
469
(
2002
).
10.
J. R.
Reimers
and
L. E.
Hall
,
J. Am. Chem. Soc.
121
,
3730
(
1999
).
11.
C.-Y.
Huang
,
T.
Wang
, and
F.
Gai
,
Chem. Phys. Lett.
371
,
731
(
2003
).
12.
M. J.
Tucker
,
Z.
Getahun
,
V.
Nanda
,
W. F.
DeGrado
, and
F.
Gai
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
5078
(
2004
).
13.
K. C.
Schultz
,
L.
Supekova
,
Y.
Ryu
,
J.
Xie
,
R.
Perera
, and
P. G.
Schultz
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
13984
(
2006
).
14.
S.
Yoshikawa
,
D. H.
O’Keeffe
, and
W. S.
Caughey
,
J. Biol. Chem.
260
,
3518
(
1985
).
15.
J. R.
Reimers
,
J.
Zeng
, and
N. S.
Hush
,
J. Phys. Chem.
100
,
1498
(
1996
).
16.
E. L.
Pace
and
L. J.
Noe
,
J. Chem. Phys.
49
,
5317
(
1968
).
17.
W. R.
Fawcett
,
G.
Liu
, and
T. E.
Kessler
,
J. Phys. Chem.
97
,
9293
(
1993
).
18.
R. A.
Nyquist
,
Appl. Spectrosc.
44
,
1405
(
1990
).
19.
G.
Eaton
,
A. S.
Pena-Nunez
, and
M. C. R.
Symons
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1
84
,
2181
(
1988
).
20.
D.
Jamroz
,
J.
Stangret
, and
J.
Lindgren
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
6165
(
1993
).
21.
G. M.
Chaban
,
J. Phys. Chem. A
108
,
4551
(
2004
).
22.
J. E.
Bertie
and
Z.
Lan
,
J. Phys. Chem. B
101
,
4111
(
1997
).
23.
E. S.
Kryachko
and
M. T.
Nguyen
,
J. Phys. Chem. A
106
,
4267
(
2002
).
24.
S. D.
Dalosto
,
J. M.
Vanderkooi
, and
K. A.
Sharp
,
J. Phys. Chem. B
108
,
6450
(
2004
).
25.
S. H.
Brewer
and
S.
Franzen
,
J. Chem. Phys.
119
,
851
(
2003
).
26.
H.
Kovacs
and
A.
Laaksonen
,
J. Am. Chem. Soc.
113
,
5596
(
1991
).
27.
T.
Takamuku
,
M.
Tabata
,
A.
Yamaguchi
,
J.
Nishimoto
,
M.
Kumamoto
,
H.
Wakita
, and
T.
Yamaguchi
,
J. Phys. Chem. B
102
,
8880
(
1998
).
28.
D.
Ben-Amotz
,
M.-R.
Lee
,
S. Y.
Cho
, and
D. J.
List
,
J. Chem. Phys.
96
,
8781
(
1992
).
29.
S.
Mukherjee
,
P.
Chowdhury
,
W. F.
DeGrado
, and
F.
Gai
,
Langmuir
23
,
11174
(
2007
).
30.
A. T.
Krummel
and
M. T.
Zanni
,
J. Phys. Chem. B
112
,
1336
(
2008
).
31.
C.
Fang
,
J. D.
Bauman
,
K.
Das
,
A.
Remorino
,
E.
Arnold
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
,
1472
(
2008
).
32.
Y. S.
Kim
and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
11185
(
2005
).
33.
M. G.
Maienschein-Cline
and
C. H.
Londergan
,
J. Phys. Chem. A
111
,
10020
(
2007
).
34.
J.-H.
Choi
,
K.-I.
Oh
,
H.
Lee
,
C.
Lee
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
128
,
134506
(
2008
).
35.
P.
Bour
and
T. A.
Keiderling
,
J. Chem. Phys.
119
,
11253
(
2003
).
36.
J. R.
Schmidt
,
S. A.
Corcelli
, and
J. L.
Skinner
,
J. Chem. Phys.
121
,
8887
(
2004
).
37.
T.
Hayashi
and
S.
Mukamel
,
J. Chem. Phys.
125
,
194510
(
2006
).
38.
T. C.
Jansen
and
J.
Knoester
,
J. Chem. Phys.
124
,
044502
(
2006
).
39.
S.
Ham
and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
118
,
6915
(
2003
).
40.
S.
Ham
,
J.-H.
Kim
,
H.
Lee
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
118
,
3491
(
2003
).
41.
K.
Kwac
and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
119
,
2247
(
2003
).
42.
J.-H.
Choi
,
S.
Hahn
, and
M.
Cho
,
Biopolymers
83
,
519
(
2006
).
43.
J.-H.
Choi
,
S.
Hahn
, and
M.
Cho
,
Int. J. Quantum Chem.
104
,
616
(
2005
).
44.
J.-H.
Choi
,
H.
Lee
,
K.-K.
Lee
,
S.
Hahn
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
126
,
045102
(
2007
).
45.
S.
Hahn
,
S.
Ham
, and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. B
109
,
11789
(
2005
).
46.
S.
Ham
,
S.
Hahn
,
C.
Lee
,
T. K.
Kim
,
K.
Kwak
, and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. B
108
,
9333
(
2004
).
47.
P.
Bour
,
J. Chem. Phys.
121
,
7545
(
2004
).
48.
T.
Hayashi
,
W.
Zhuang
, and
S.
Mukamel
,
J. Phys. Chem. A
109
,
9747
(
2005
).
49.
T. L.
Jansen
,
A. G.
Dijkstra
,
T. M.
Watson
,
J. D.
Hirst
, and
J.
Knoester
,
J. Chem. Phys.
125
,
044312
(
2006
).
50.
M. F.
DeCamp
,
L.
DeFlores
,
J. M.
McCracken
,
A.
Tokmakoff
,
K.
Kwac
, and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. B
109
,
11016
(
2005
).
51.
K.
Kwac
and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
119
,
2256
(
2003
).
52.
K.
Kwac
and
M.
Cho
,
J. Raman Spectrosc.
36
,
326
(
2005
).
53.
K.
Kwac
,
H.
Lee
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
120
,
1477
(
2004
).
54.
S.
Yang
and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
123
,
134503
(
2005
).
55.
D. A.
Case
,
T. E.
Cheatham
 III
,
T.
Darden
,
H.
Gohlke
,
R.
Luo
,
K. M.
Merz
, Jr.
,
A.
Onufriev
,
C.
Simmerling
,
B.
Wang
, and
R. J.
Woods
,
J. Comput. Chem.
26
,
1668
(
2005
).
56.
M. J. S.
Dewar
,
E. G.
Zoebisch
,
E. F.
Healy
, and
J. J. P.
Stewart
,
J. Am. Chem. Soc.
107
,
3902
(
1985
).
57.
M.
Elstner
,
D.
Porezag
,
G.
Jungnickel
,
J.
Elsner
,
M.
Haugk
,
T.
Frauenheim
,
S.
Suhai
, and
G.
Seifert
,
Phys. Rev. B
58
,
7260
(
1998
).
58.
G. D.
Pipes
,
A. A.
Kosky
,
Y.
Zhang
,
M. J.
Treuheit
, and
G. R.
Kleemann
,
Pharm. Res.
22
,
1059
(
2005
).
59.
J.
Tomasi
and
M.
Persico
,
Chem. Rev.
94
,
2027
(
1994
).
60.
J.
Tomasi
,
B.
Mennucci
, and
R.
Cammi
,
Chem. Rev.
105
,
2999
(
2005
).
61.
S.
Mierts
,
E.
Scrocco
, and
J.
Tomasi
,
Chem. Phys.
55
,
117
(
1981
).
62.
S.
Mierts
and
J.
Tomasi
,
Chem. Phys.
65
,
239
(
1982
).
63.
A. P.
Scott
and
L.
Radom
,
J. Phys. Chem.
100
,
16502
(
1996
).
64.
D. A.
Case
,
T. A.
Darden
,
T. E.
Cheatham
 III
,
C. L.
Simmerling
,
J.
Wang
,
R. E.
Duke
,
R.
Luo
,
K. M.
Merz
, Jr.
,
B.
Wang
,
D. A.
Pearlman
,
M.
Crowley
,
S.
Brozell
,
V.
Tsui
,
H.
Gohlke
,
J.
Mongan
,
V.
Hornak
,
G.
Cui
,
P.
Beroza
,
C.
Schafmeister
,
J. W.
Caldwell
,
W. S.
Ross
, and
P. A.
Kollman
, AMBER 8,
University of California
, San Francisco,
2004
.
65.
D. A.
Case
,
T. A.
Darden
,
T. E.
Cheatham
 III
,
C. L.
Simmerling
,
J.
Wang
,
R. E.
Duke
,
R.
Luo
,
K. M.
Merz
, Jr.
,
D. A.
Pearlman
,
M.
Crowley
,
R. C.
Walker
,
W.
Zhang
,
B.
Wang
,
S.
Hayik
,
A.
Roitberg
,
G.
Seabra
,
K. F.
Wong
,
F.
Paesani
,
X.
Wu
,
S.
Brozell
,
V.
Tsui
,
H.
Gohlke
,
L.
Yang
,
C.
Tan
,
J.
Mongan
,
V.
Hornak
,
G.
Cui
,
P.
Beroza
,
D. H.
Mathews
,
C.
Schafmeister
,
W. S.
Ross
, and
P. A.
Kollman
, AMBER 9,
University of California
, San Francisco,
2006
.
66.
X.
Grabuleda
,
C.
Jaime
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
21
,
901
(
2000
).
67.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
 et al., GAUSSIAN 07, Inc., Wallingford, CT,
2004
.
68.
T.
Darden
,
D.
York
, and
L.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
98
,
10089
(
1993
).
69.
M.
Maroncelli
and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
86
,
6221
(
1987
).
70.
S.
Mukamel
,
Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
1995
).
71.
D. A.
McQuarrie
,
Statistical Mechanics
(
Harper & Row
,
New York
,
1976
).
72.
X.
Qu
,
E.
Lee
,
G.-S.
Yu
,
T. B.
Freedman
, and
L. A.
Nafie
,
Appl. Spectrosc.
50
,
649
(
1996
).
73.
W. D.
Cornell
,
P.
Cieplak
,
C. I.
Bayly
,
I. R.
Gould
,
K. M.
Merz
,
D. M.
Ferguson
,
D. C.
Spellmeyer
,
T.
Fox
,
J. W.
Caldwell
, and
P. A.
Kollman
,
J. Am. Chem. Soc.
117
,
5179
(
1995
).
You do not currently have access to this content.