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Molecular Modeling: Kraftfelder und Molekülmechanik

Die Energiekomponenten bei Kraftfeld-Berechnungen: Beispiel Ethanol

Bei einer Optimierung der 3D-Struktur mit einem Kraftfeld-Verfahren (hier als Beispiel mit dem MMFF) kann man die berechnete Gesamtenergie auf die verschiedenen Komponenten aufteilen.

Wir betrachten das Molekül Ethanol in der stabileren staggered und in der eclipsed Konformation.

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Abb.1
Ethanol: staggered (Mit Maus drehbar!)
Abb.2
Ethanol: eclipsed (Mit Maus drehbar!)

Wir erhalten für die beiden Strukturen Energie-Komponenten (kcal/mol). Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse für verschiedende Konformere von Ethanol, wobei "Torsion" der Torsionswinkel C-C-O-H ist:

Tab.1
Konformere von Ethanol: "Torsion" ist der Torsionswinkel C-C-O-H
TorsionEstrangstbtorvdwelesov
staggered 180 -1,512 0,018 0,072 0,004 -2,265 0,659 0,000 0,000
eclipsed 180 +2,066 0,018 0,072 0,004 0,559 1,412 0,000 0,000
Konf-3 0 -0,147 0,056 0,389 0,019 -1,939 1,327 0,000 0,000
Konf-4 60 -1,334 0,025 0,148 0,009 -2,327 0,810 0,000 0,000

Man erkennt, dass die beiden Konformationen, die einen Energie-Unterschied von 3,5 kcal/mol aufweisen, diesen zum überwiegenden Anteil aus dem Torsionsbeitrag erhalten. Während die staggered-Konformation ein Energie-Minimum auf einer Potenzialenergie-Hyperfläche darstellt, ist hingegen die eclipsed-Konformation ein Sattelpunkt für den Übergang zwischen staggered-Konformationen.

Bei einer systematischen Suche nach stabilen Konformationen des Ethanol-Moleküls wird noch eine weitere Konformation (Konf-3) gefunden, aber auch sie stellt kein Minimum dar. Ihre eingehende Optimierung führt zu einer Minimum-Konformation (Konf-4). Die Energie-Komponenten aller Konformationen wurden in aufgenommen.

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Abb.3
Ethanol: Konf-3 (Mit Maus drehbar!)
Abb.4
Ethanol: Konf-4 (Mit Maus drehbar!)

Aus diesen Untersuchungen erkennt man, dass Konformationen auftreten, die als sogenannte symmetrie-ausgezeichnete Sattelpunkte bei einer entsprechenden Struktur-Optimierung in dieser Konformation verharren (labiles Gleichgewicht) und erst bei einer kleinen Auslenkung aus einer solchen idealen Struktur wird bei einer nachfolgenden Optimierung die gesuchte, tiefergelegene Gleichgewichtsstruktur erhalten. Die Potenzialkurve für diesen Torsionswinkel ist in (Abb. 5) dargestellt.

Abb.5
Potenzialkurve für die innere Rotation entsprechend des C-C-O-H-Torsionswinkels
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