Entropie semplici per molecole complicate

 I chimici dell'Università di Bonn hanno sviluppato uno strumento di calcolo per l'analisi delle entropie conformazionali di molecole flessibili. Il loro metodo consente l'indagine termodinamica di sistemi chimici complicati mediante la combinazione della chimica quantistica moderna e dei modelli classici. In un riuscito tentativo di semplificazione, importanti contributi all'entropia possono essere calcolati con un intervento minimo da parte dell'utente, anche su computer desktop standard. I risultati sono pubblicati sulla rivista Chemical Science e sono stati evidenziati come l'articolo "Pick of the Week".

Il termine " entropia " fu introdotto nel 1865 dal fisico tedesco Rudolf Clausius, che in seguito lavorò e fu rettore presso l'Università di Bonn. Il 2022 sarà il 200 ° anniversario del suo compleanno e all'Università di Bonn sono previsti eventi e celebrazioni scientifiche. L'entropia è una delle proprietà termodinamiche più fondamentali della materia ed è comunemente associata a uno stato di disordine o incertezza. Nel tempo il concetto ha preso piede anche nella meccanica statistica, sperimentata dai famosi fisici Josiah Gibbs e Ludwig Boltzmann, e nella teoria dell'informazione. Oggi, l'entropia è un'area di ricerca attiva in molti campi scientifici, inclusa la chimica computazionale.

Per le molecole l'entropia diventa importante come parte della descrizione dipendente dalla temperatura della cosiddetta energia libera interna , da cui molte proprietà come quelle chimichevengono derivati ​​equilibri o velocità di reazione. Nella moderna chimica computazionale, l'entropia di una molecola è ottenuta dai livelli energetici delle vibrazioni atomiche all'interno di una struttura molecolare. Qui, a causa degli elevati costi computazionali a livello della chimica quantistica, devono essere introdotte diverse semplificazioni teoriche, come la cosiddetta approssimazione dell'oscillatore armonico a rotore rigido, ei calcoli sono per lo più condotti solo per una singola struttura. Per le molecole flessibili questo porta a trascurare un importante contributo chiamato entropia conformazionale, che descrive il "disordine" molecolare da tutte le conformazioni termicamente accessibili. Tali casi flessibili sono comuni e importanti per molti farmaci.

In un recente tentativo di fornire descrizioni temodinamiche accurate di molecole flessibili, il Prof.Dr.Stefan Grimme e colleghi del Mulliken Center for Theoretical Chemistry presso l'Università di Bonn hanno sviluppato un nuovo strumento computazionaleper il calcolo delle entropie conformazionali. Mentre le formulazioni matematiche per i calcoli dell'entropia conformazionale sono note da un po 'di tempo, un problema principale è trovare e valutare l'enorme numero di strutture possibili che raggiungono già miliardi per molecole di medie dimensioni. Quindi, un componente fondamentale del software appena introdotto e disponibile gratuitamente è un algoritmo efficiente per questo compito che funziona con un input minimo da parte dell'utente, anche su computer desktop standard. Per ottenere l'efficienza richiesta, sono stati applicati metodi chimici quantistici semiemprici sviluppati anche nel gruppo di Grimme, insieme a calcoli di meccanica quantistica standard. Nell'articolo è stato dimostrato che la procedura è in grado di trattare sistemi anche di grandi dimensioni ed estremamente flessibili con una precisione senza precedenti per l'entropia molecolare. E 'chimica computazionale .

Il gruppo di ricerca di Stefan Grimme lavora su argomenti di attualità in chimica quantistica con particolare attenzione all'efficienza computazionale e alle grandi molecole. Il suo collega Philipp Pracht sta attualmente finalizzando il suo dottorato di ricerca. tesi ed è l'autore principale del programma CREST impiegato per i calcoli dell'entropia conformazionale. Questa ricerca è pubblicata ad accesso aperto su Chemical Science , la rivista di punta della Royal Society of Chemistry.