Des chimistes de l'Université de Bonn ont développé un outil informatique pour l'analyse des entropies conformationnelles des molécules flexibles. Leur méthode permet l'étude thermodynamique de systèmes chimiques complexes en combinant la chimie quantique moderne et des modèles classiques. Dans une tentative réussie de simplifications, des contributions importantes à l'entropie peuvent être calculées avec une intervention minimale de l'utilisateur, même sur les ordinateurs de bureau standard. Les résultats sont publiés dans la revue Sciences chimiques et ont été mis en évidence comme l'article « Choix de la semaine ».

Le terme « entropie » a été introduit en 1865 par le physicien allemand Rudolf Clausius, qui a ensuite travaillé et a été recteur à l'Université de Bonn. 2022 sera le 200e anniversaire de son anniversaire et des événements et des célébrations scientifiques sont prévus à l'Université de Bonn. L'entropie est l'une des propriétés thermodynamiques les plus fondamentales de la matière et est généralement associée à un état de désordre ou d'incertitude. Au fil du temps, le concept s'est également imposé dans la mécanique statistique, comme le pionnier des physiciens célèbres Josiah Gibbs et Ludwig Boltzmann, et en théorie de l'information. Aujourd'hui, l'entropie est un domaine de recherche actif dans de nombreux domaines scientifiques, y compris la chimie computationnelle.

Pour les molécules, l'entropie devient importante dans le cadre de la description dépendante de la température de l'interne, énergie dite libre, duquel sont dérivées de nombreuses propriétés telles que les équilibres chimiques ou les vitesses de réaction. Dans la chimie computationnelle moderne, l'entropie d'une molécule est obtenue à partir des niveaux d'énergie des vibrations atomiques au sein d'une structure moléculaire. Ici, en raison des coûts de calcul élevés au niveau de la chimie quantique plusieurs simplifications théoriques, telles que l'approximation dite d'oscillateur harmonique à rotor rigide, doivent être introduits et les calculs ne sont généralement effectués que pour une seule structure. Pour les molécules flexibles, cela conduit à négliger une contribution importante appelée l'entropie conformationnelle, qui décrit le "désordre" moléculaire de toutes les conformations thermiquement accessibles. Ces cas flexibles sont courants et importants pour de nombreux médicaments pharmaceutiques.

Dans une tentative récente de fournir des descriptions thermodynamiques précises de molécules flexibles, Le professeur Stefan Grimme et ses collègues du Mulliken Center for Theoretical Chemistry de l'Université de Bonn ont développé un nouvel outil informatique pour le calcul des entropies conformationnelles. Alors que les formulations mathématiques pour les calculs de l'entropie conformationnelle sont connues depuis un certain temps, l'un des principaux problèmes est de trouver et d'évaluer le nombre énorme de structures possibles atteignant déjà des milliards pour les molécules de taille moyenne. D'où, un composant essentiel du logiciel nouvellement introduit et disponible gratuitement est un algorithme efficace pour cette tâche qui fonctionne avec une intervention minimale de l'utilisateur, même sur les ordinateurs de bureau standard. Pour atteindre l'efficacité requise, des méthodes de chimie quantique semi-empiriques ont été appliquées qui sont également développées dans le groupe de Grimme, avec des calculs de mécanique quantique standard. Dans l'article, il a été montré que la procédure est capable de traiter même des systèmes de grande taille et extrêmement flexibles avec une précision sans précédent pour l'entropie moléculaire. Les auteurs espèrent que le nouveau protocole informatique pourra aider à obtenir des données thermodynamiques précises de manière plus systématique et qu'il trouvera une large application en chimie informatique.

Le groupe de recherche de Stefan Grimme travaille sur des sujets d'actualité en chimie quantique en mettant l'accent sur l'efficacité informatique et les grosses molécules. Son collègue Philipp Pracht finalise actuellement son doctorat. thèse et est l'auteur principal du programme CREST utilisé pour les calculs d'entropie conformationnelle. Cette recherche est publiée en libre accès dans Sciences chimiques , la revue phare à comité de lecture de la Royal Society of Chemistry.