• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Kemiteknik01. 12. 2011 | Katrine Meyn

Reaktive kraftfelter – en genvej til realistiske simuleringer af kemiske reaktioner?

Kemiteknik01. 12. 2011 By Katrine Meyn

I artiklen præsenteres det reaktive kraftfelt, ReaxFF, som en mulig vej mod mere realistiske simuleringer af kemiske reaktioner ved brug af begrænsede computerressourcer.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 12, 2011 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.

Af Peter Bjerre Jensen, Risø DTU og Peter Fristrup, Institut for Kemi, DTU

Modellering af kemiske systemer ved anvendelse af matematiske modeller er et vigtigt forskningsområde, som har mange fordele ift. ”traditionel” eksperimentel kemi. Computere kan anvendes til at få detaljeret indsigt i, hvad der sker på atomart niveau, hvilket kan give ideer til optimeringer af kemiske reaktioner. Allerede nu anvendes computermodellering til analyse af f.eks. spektroskopiske data. I fremtiden vil det formodentligt også være hurtigere at lave computereksperimenter end ”rigtige” eksperimenter – dette afhænger dog selvfølgeligt af erfaring samt tilgængelig computerkraft. Eksperimenter vil dog altid være nødvendige, da man formodentligt ikke har en helt nøjagtigt model. Dertil kommer, at syntesen af et givent stof som eksempelvis et medikament jo indlysende nok ikke kan erstattes af en computermodel.
Modellerne kan dog ofte bruges som et screeningsværktøj, der ved at hjælpe med udvælgelsen af de mest relevante eksperimenter medfører, at omkostningerne i forbindelse med eksempelvis indkøb og bortskaffelse af kemikalier nedsættes.

Generelle kraftfelter
Molekylmekanik (engelsk: molecular mechanics) er baseret på, at molekyler, eller samlinger af interagerende molekyler, kan beskrives udelukkende ud fra atomkernernes positioner. Da elektronerne ikke inkluderes i beskrivelsen, har metoderne den umiddelbare ulempe, at man ikke kan forudsige elektroniske egenskaber. Imidlertid viser det sig, at man ved at opstille meget simple matematiske udtryk er i stand til at beskrive forskellige systemer ret præcist – specielt hvis man har trænet sit kraftfelt (engelsk: force field) på en lignende samling af molekyler.
Ud over atompositionerne er man også nødt til at specificere bindingerne i systemet. Ofte indføres flere forskellige atomtyper, som f.eks. forskellige typer af kulstof, afhængigt af hybridisering (sp, sp2 og sp3). Derudover findes der flere forskellige kraftfelter udviklet til at beskrive forskellige systemer. AMBER anvendes primært til proteiner og DNA, hvorimod MM2, MM3 og MM4 er udviklet til at beskrive små organiske forbindelser. Alt dette besværliggør opsætningen en smule, men indtil for nylig har det været de eneste tilgængelige beregningsmetoder for større systemer (>1000 atomer), og det er derfor bredt anvendt. Der findes også mere avancerede og præcise kvantemekaniske metoder baseret på Schrödinger-ligningen, men de kan kun behandle et par hundrede atomer med den nuværende tilgængelige computerkraft.

Opbygning af et typisk kraftfelt
Alle kraftfelter er bygget op på næsten samme måde, hvor energien i systemet opdeles i flere led, som vist i ligning 1. I dette eksempel er kun stræk (str), bøjning (bend), torsioner (tors), samt ”non bonded”-interaktioner i form af van der Waals (vdW) og elektrostatiske (el) interaktioner inkluderet. Dette er det mindste antal led, der normalt er nødvendige. Mange kraftfelter indfører ekstra special-led, til f.eks. at behandle hydrogen-bindinger, hvis det er relevant for de studerede systemer.
F.eks. approksimeres energien, når en binding strækkes eller komprimeres som et simpelt harmonisk potentiale (2), på trods af at det er kendt, at Morse-potentialet er en mere korrekt beskrivelse generelt (figur 2).
Dette er en meget forsimplet beskrivelse af en binding, men det viser sig, at beskrivelsen er relativt præcis, når bindingerne deformeres +/- 0,1 Å. Det er i mange tilfælde tilstrækkeligt, da man kun ønsker at beskrive relakserede systemer ved relativt lave temperaturer. I ligning 1 er de første 3 led intramolekylære og beregnes for alle forbundne atomer, mens de sidste to intermolekylære led beregnes for alle atomer, der er separeret med mindst tre bindinger. Ofte defineres en ”cut-off” radius på f.eks. 10 Å, som er den afstand, hvor interaktionen er så lille, at det er spild af (computer)tid at regne den ud.
Som vist i ligning 2 indføres der konstanter for stivheden i bindingerne (dvs. str). På samme måde er der konstanter for, hvor fleksibelt (dvs. bend og tors) molekylet er samt konstanter i forbindelse med ”non bonded”-interaktioner. Disse konstanter er ikke umiddelbart direkte målbare eller mulige at beregne, og man må derfor komme med et startgæt, for herefter at optimere dem. Ideen med molekylmekanik er at beskrive en gruppe af ensartede molekyler ud fra kendskab til en lille delmængde – f.eks. vil det forventes, at alle systemer af lineære alkaner kan beskrives ud fra et kraftfelt trænet med data for de ti mindste. Inputdataene til den træning kan være enten eksperimentelle eller højkvalitets beregnede værdier. Typisk benyttes en kombination af bindingslængder, vinkler og torsionspotentialer i denne proces. Træningen eller optimeringen af kraftfeltet er meget simpel at formulere matematisk, men svær at løse i praksis. Typisk løses det ved at minimere fejlfunktionen, ErrF (3), der er et mål for, hvor stor fejl kraftfeltet i gennemsnit har ift. inputdataene.
Forskellene i summen kan være på alle målbare værdier og kan have forskellige vægte, w, afhængigt af hvor vigtige datapunkterne anses for at være, og hvor store statistiske fejl der observeres. Problemet med at optimere ErrF er, at der i et standard kraftfelt er mindst 50 parametre, som kan ændres for at få den optimale beskrivelse og dermed finde minimum for ErrF. Ofte er disse parametre stærkt korrelerede, hvilket gør, at det er fordelagtigt at anvende mere avancerede multiparameter-optimeringer. Dette kan opnås ved en række forskellige matematiske metoder, som f.eks. Newton-Raphson-algoritmen, der dog har den store ulempe, at den kræver beregning af differentialkvotienterne for ErrF. Dette kan oftest ikke lade sig gøre analytisk, og derfor må løsningen findes numerisk, hvilket er meget ressourcekrævende.
Det er vigtigt at huske, at et kraftfelt (formodentligt) kun kan beskrive samme type molekyler, som det er trænet med. Som minimum skal man forvente, at den gennemsnitlige fejl ved beregningerne er lig den gennemsnitlige fejl i datasættet anvendt til træningen. Alligevel anvendes kraftfelter ofte, da det er den eneste brugbare metode til at studere større systemer. Da bindingerne specificeres på forhånd og normalt ikke kan ændres undervejs i simuleringen, er et kraftfelt ikke i stand til at beskrive kemiske reaktioner.

Et reaktivt kraftfelt
I 2001 publicerede van Duin et al. en artikel om forbrænding af kulbrinter ved anvendelse af et specielt reaktivt kraftfelt (engelsk: Reactive Force Field), ReaxFF [3]. ReaxFF adskiller sig fra et almindeligt kraftfelt, som beskrevet tidligere, ved at alle led i det generelle udtryk (1), er gjort afhængige af bindingsordenen, BO, som vi kender f.eks. fra kulstofs sigma og pi-bindinger (figur 3).
BO beregnes ud fra afstanden mellem to atomer og beskrives ved en eksponentialfunktion, der går mod nul, når atomerne bevæger sig væk fra hinanden og derfor ikke forventes at interagere mere.
ReaxFF er meget let at sætte op modsat andre kraftfelter, da det eneste der kræves for at lave en beregning er de initielle xyz-koordinater for alle atomer samt angivelse af, hvilke grundstoffer der er tale om. Der findes kun en ”atomtype” pr. grundstof. Programmet finder selv ud af, hvilke atomer der er tæt på hinanden og dermed danner bindinger eller interagerer generelt. At der ikke findes flere forskellige atomtyper har også den betydning, at kraftfeltet er generelt og kan anvendes til at beskrive mange forskellige kemiske systemer. En klar fordel er, at kraftfeltet er i stand til at behandle flere faser samtidig. Det at atomerne indledningsvist befinder sig tættere pakket i en del af systemet, betyder at kraftfeltet gennem simuleringer vil holde fast (hvis det er energimæssigt fordelagtigt), mens en fase uden om, f.eks. en gas vil forblive gas (dog vil noget evt. adsorberes til overfladen af den faste del).
ReaxFF er langsommere end ordinære kraftfelter, da der beregnes på interaktioner mellem alle atomer, men dog betydeligt hurtigere end kvantemekaniske metoder, der normalt anvendes til beskrivelser af kemiske reaktioner. ReaxFF har været anvendt til beskrivelse af meget forskelligartede systemer som f.eks. den nævnte kulbrinteoxidering, overgangsmetalkatalyseret kulstofrør-dannelse, sprængstoffer, vandadsorption på ZnO-overflader og til beskrivelse af biologiske systemer. For at kunne beskrive disse forskellige systemer har det været nødvendigt at parameterisere kraftfeltet med nye træningsdata, men generelt har dette ikke ødelagt den grundlæggende struktur. Oftest er det faktisk ganske enkelt at tilføje nye parametre for nye grundstoffer.
På Institut for Kemi, DTU arbejder vi med udviklingen af ReaxFF til studier af kemisk og enzymatisk katalyse [5]. Her tillader ReaxFF simuleringer af reaktioner med mange tusinde atomer, hvilket udføres på en enkelt CPU, noget som ikke forventes at være muligt med kvantemekaniske metoder de kommende mange år.
Som eksempel på nøjagtigheden af den nuværende version af ReaxFF har vi undersøgt aldol-reaktionen nedenfor (figur 4).
Her dimeriseres to acetaldehyd-molekyler, hvoraf det ene (det nukleofile) er på enol-formen. Reaktionen danner en C-C-binding og der sker samtidig en proton-overførsel. På figur 5 ses energien som funktion af C-C-afstanden, og det er tydeligt, at der er meget fin overensstemmelse mellem ReaxFF og energier bestemt med tæthedsfunktionalteori (DFT).
Generelt kan der ikke forventes fuldstændig overensstemmelse med molekylmodellering og eksperimenter, men det er vores håb, at ReaxFF vil vise sig at være hurtigt og præcist nok til at kunne bruges i forudsigelser af kemisk reaktivitet og selektivitet, specielt i forbindelse med indledende katalysatorscreening.
Projektet ”Atomistic Modelling of Chemical Reactions – A New Approach in Drug Design” er støttet af Det Frie Forskningsråd, Teknologi og Produktion i perioden 2009-2012. Desuden ønsker vi at takke Prof. William A. Goddard III (California Institute of Technology) og Prof. Adri C. T. van Duin (Penn State University) for samarbejde om udviklingen af ReaxFF. Projektet blev startet under et PostDoc-ophold (PF) finansieret af Carlsbergfondet og Lundbeckfonden (2008-9). Arbejdet er videreført af Peter B. Jensen i et eksamensprojekt støttet af Novozymes A/S. Vi vil desuden takke Allan Svendsen (Novozymes) og Hans Jørgen Aagaard Jensen (SDU) for faglig sparring.

Referencer
1. Boas F. E.; Harbury, P. B. Curr. Opin. Struct. Biol. 2007, 17, 199.
2. Illustration lavet af Mark Somoza, 26. marts 2006.
3. van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; Lorant, F.; Goddard, W. A., III J. Phys. Chem. A. 2001, 105, 9396.
4. Gengivet med personlig tilladelse fra Adri van Duin.
5. Mere information om igangværende projekter kan findes her: http://www.organic.kemi.dtu.dk/Research/PeterFristrup.aspx

Figur 1. Illustration of de enkelte energibidrag (ligning 1) i molekylmekanik [1].

Figur 2. Illustration af forskellen på et harmonisk potential og Morse-potentialet for kemisk binding [2].

Figur 3. Illustration af bindingsorden (venstre) og bindingsenergi (højre) som funktion af afstanden mellem to kulstofatomer i ReaxFF-beskrivelsen [4].

Figur 4. Aldol-reaktionen mellem to acetaldehyd-molekyler hvoraf det ene er på enol-form.

Figur 5. Energidiagram for aldol-reaktionen vist i figur 4. X-aksen er afstanden mellem de to kulstofatomer, hvorimellem bindingen dannes.

Skrevet i: Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

Artikler fra Dansk KemiGrøn omstillingTop02. 06. 2025

Hvor rent er CO2 fra CO2-fangst? Og hvor dyrt er det at oprense CO2? Denne artikel giver indsigt i nogle af udfordringerne ved at implementere en global CO2 infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø26. 05. 2025

Kontinuerlige, kvalitetssikrede målinger af kemiske, fysiske og biologiske miljøparametre giver uundværlig information. Det gælder også for Grønland. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

AktueltAnalytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

AktueltMedicinalkemi21. 04. 2025

I dag er det frem med nålen, hvis man er i behandling med diverse former for fedme-medicin. Det hæmmer imidlertid udbredelsen på specielt asiatiske og afrikanske markeder, hvor der er en udtalt nålefobi. Derfor arbejder det danskstiftede biotekselskab Pila Pharma med at få udvikle deres

Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

AktueltBioteknologiFødevarekemi07. 04. 2025

NitroVolt, en dansk biotech-virksomhed, vil vende produktionen af ammoniak på hovedet. I stedet for den velkendte løsning, der bygger på den energitunge Haber-Bosch-proces, vil produktionen nu foregå i en container, der fx kan stå direkte ude hos en landmand. Ammoniak til kunstgødning er en slags

En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi01. 04. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Læs originalartiklen her Nomenklaturudvalget får indimellem henvendelser om dansk kemisk nomenklatur fra de oversættere i EU, hvis opgave det er at oversætte EU-lovgivning på

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Lær at håndtere lækager på 90 min.

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Mød Busch på Spildevand Teknisk Forenings Årsmøde 2025

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    Styrk laboratoriets digitale kompetencer med Python

  • DENIOS ApS

    Sådan vælger du det rigtige opbevaringsskab til farlige stoffer

  • MD Scientific

    Mød MD Scientific på ESOC 2025

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Group præsenterer innovative vakuumløsninger på Battery Show Europe 2025 i Stuttgart

  • DENIOS ApS

    Sådan transporterer du lithiumbatterier sikkert

  • Kem-En-Tec Nordic

    Opnå rent DNA/RNA på få minutter og på bæredygtig vis!

  • Kem-En-Tec Nordic

    Sikker gelfarvning på kun 15 minutter?

  • DENIOS ApS

    Her er den oversete vej til et sundere arbejdsmiljø

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

    02.06.2025

  • Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

    26.05.2025

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

  • Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

    26.03.2025

  • Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

    25.03.2025

  • Styrkelse af nyfundet gen kan gøre kartoflen resistent over for svampeangreb

    24.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik