Chemici van de Universiteit van Bonn ontwikkelden een rekentool voor de analyse van conformationele entropieën van flexibele moleculen. Hun methode maakt het thermodynamisch onderzoek van gecompliceerde chemische systemen mogelijk door een combinatie van moderne kwantumchemische en klassieke modellen. In een succesvolle poging tot vereenvoudiging, belangrijke bijdragen aan de entropie kunnen worden berekend met minimale tussenkomst van de gebruiker, zelfs op standaard desktopcomputers. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Chemische Wetenschappen en werden gemarkeerd als het artikel "Keuze van de week".

De term "entropie" werd in 1865 geïntroduceerd door de Duitse natuurkundige Rudolf Clausius, die later werkte en rector was aan de Universiteit van Bonn. In 2022 is het de 200e verjaardag van zijn verjaardag en zijn er wetenschappelijke evenementen en vieringen gepland aan de Universiteit Bonn. Entropie is een van de meest fundamentele thermodynamische eigenschappen van materie en wordt vaak geassocieerd met een toestand van wanorde of onzekerheid. In de loop van de tijd heeft het concept ook ingang gevonden in de statistische mechanica, zoals ontwikkeld door de beroemde natuurkundigen Josiah Gibbs en Ludwig Boltzmann, en in de informatietheorie. Vandaag, entropie is een actief onderzoeksgebied op vele wetenschappelijke gebieden, inclusief computationele chemie.

Voor moleculen wordt de entropie belangrijk als onderdeel van de temperatuurafhankelijke beschrijving van de interne, zogenaamde gratis energie, waaruit vele eigenschappen zoals chemische evenwichten of reactiesnelheden worden afgeleid. In de moderne computationele chemie, de entropie van een molecuul wordt verkregen uit energieniveaus van atomaire trillingen binnen een moleculaire structuur. Hier, vanwege de hoge rekenkosten op kwantumchemisch niveau verschillende theoretische vereenvoudigingen, zoals de zogenaamde star-rotor harmonische-oscillator benadering, moeten worden ingevoerd en berekeningen worden meestal alleen voor een enkele constructie uitgevoerd. Voor flexibele moleculen leidt dit tot de verwaarlozing van een belangrijke bijdrage die de conformationele entropie wordt genoemd, die de moleculaire "stoornis" van alle thermisch toegankelijke conformaties beschrijft. Dergelijke flexibele gevallen zijn gebruikelijk en belangrijk voor veel farmaceutische geneesmiddelen.

In een recente poging om nauwkeurige themodynamische beschrijvingen van flexibele moleculen te geven, Prof. Dr. Stefan Grimme en medewerkers van het Mulliken Centrum voor Theoretische Chemie aan de Universiteit van Bonn ontwikkelden een nieuwe rekentool voor de berekening van conformationele entropieën. Hoewel wiskundige formuleringen voor berekeningen van de conformationele entropie al geruime tijd bekend zijn, een groot probleem is het vinden en evalueren van het enorme aantal mogelijke structuren die al miljarden bereiken voor middelgrote moleculen. Vandaar, een kerncomponent van de nieuw geïntroduceerde en vrij beschikbare software is een efficiënt algoritme voor deze taak dat werkt met minimale gebruikersinput, zelfs op standaard desktopcomputers. Om de vereiste efficiëntie te bereiken, semi-emprische kwantumchemische methoden werden toegepast die ook zijn ontwikkeld in de groep van Grimme, samen met standaard kwantummechanische berekeningen. In het artikel werd aangetoond dat de procedure zelfs grote en extreem flexibele systemen kan behandelen met ongekende nauwkeurigheid voor de moleculaire entropie. Het is de hoop van de auteurs dat het nieuwe computationele protocol kan helpen om meer routinematig nauwkeurige thermodynamische gegevens te verkrijgen en dat het een wijdverbreide toepassing zal vinden in de computationele chemie.

De onderzoeksgroep van Stefan Grimme werkt aan actuele onderwerpen in de kwantumchemie met een focus op rekenefficiëntie en grote moleculen. Zijn medewerker Philipp Pracht legt momenteel de laatste hand aan zijn Ph.D. proefschrift en is de hoofdauteur van het programma dat CREST gebruikt voor de conformationele entropieberekeningen. Dit onderzoek is open access gepubliceerd in Chemische Wetenschappen , het door vakgenoten beoordeelde vlaggenschiptijdschrift van de Royal Society of Chemistry.