I chimici dell'Università di Bonn hanno sviluppato uno strumento computazionale per l'analisi delle entropie conformazionali di molecole flessibili. Il loro metodo consente l'indagine termodinamica di sistemi chimici complessi mediante la combinazione di moderni modelli di chimica quantistica e classici. In un riuscito tentativo di semplificazione, importanti contributi all'entropia possono essere calcolati con il minimo intervento dell'utente, anche su computer desktop standard. I risultati sono pubblicati sulla rivista Scienze chimiche 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 ha lavorato ed è stato 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 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, come sperimentato 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, compresa la chimica computazionale.

Per le molecole l'entropia diventa importante come parte della descrizione dipendente dalla temperatura dell'interno, cosiddetta energia libera, da cui derivano molte proprietà come gli equilibri chimici o le 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 diverse semplificazioni teoriche, come la cosiddetta approssimazione dell'oscillatore armonico a rotore rigido, devono essere introdotti e i 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 termodinamiche accurate di molecole flessibili, Il Prof. Dr. Stefan Grimme e collaboratori del Mulliken Center for Theoretical Chemistry dell'Università di Bonn hanno sviluppato un nuovo strumento di calcolo per il calcolo delle entropie conformazionali. Mentre le formulazioni matematiche per il calcolo dell'entropia conformazionale sono note da tempo, un problema principale è trovare e valutare l'enorme numero di possibili strutture 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 dell'utente, anche su computer desktop standard. Per ottenere l'efficienza richiesta, sono stati applicati metodi di chimica quantistica semiemprica che sono stati 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 anche sistemi di grandi dimensioni ed estremamente flessibili con una precisione senza precedenti per l'entropia molecolare. Gli autori sperano che il nuovo protocollo computazionale possa aiutare a ottenere dati termodinamici accurati in modo più sistematico e che troverà ampia applicazione nella chimica computazionale.

Il gruppo di ricerca di Stefan Grimme lavora su temi attuali della chimica quantistica con particolare attenzione all'efficienza computazionale e alle grandi molecole. Il suo collega Philipp Pracht sta attualmente concludendo il suo dottorato di ricerca. tesi ed è l'autore principale del programma CREST impiegato per il calcolo dell'entropia conformazionale. Questa ricerca è pubblicata ad accesso libero in Scienze chimiche , rivista di punta della Royal Society of Chemistry.