Effiziente und skalierbare globale Strukturoptimierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In vielen Gebieten der Chemie (und anderer Naturwissenschaften) wird globale Optimierung benötigt, also die Suche nach dem besten von vielen lokalen Optima. Ein globales Optimum mit Sicherheit zu finden, benötigt Computerzeit, die mit der Problemgröße exponentiell wächst, weshalb dies nur für kleine Modellprobleme möglich ist. Nicht-deterministische globale Optimierung liefert zwar keine Sicherheit, das globale Optimum zu finden, kann aber dank methodischer Entwicklungen der letzten Jahrzehnte (mit vielen Beiträgen der Forschungsgruppe dieses PIs) mit Erfolg für viele praktische Fragestellungen eingesetzt werden. Im vorliegenden Projekt wurde unser Zugang zur nicht-deterministischen globalen Optimierung (evolutionäre Algorithmen) auf unterschiedliche Bereiche der Computerchemie angewendet, in denen das Aufsuchen bestmöglicher molekularer Strukturen wichtig ist, bezüglich niedrigstmöglicher Energien oder anderer Eigenschaften. Als realer Testfall für molekulare Selbstorganisation auf Oberflächen haben wir globale Optimierung genutzt, um die bestmöglichen Anordnungen vieler Ethylpyruvatmoleküle auf der (111)-Oberfläche von Platin zu finden, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Schauermann (Physikalische Chemie). Dabei konnten wir auch scanning-tunneling-microsopy-Bilder und Infrarotspektren dieser Systeme simulieren, in exzellenter Übereinstimmung mit dem Experiment. In weiteren Teilprojekten konnten wir diesen Zugang auf Oberflächenreaktionen in der heterogenen Katalyse erweitern. Dabei untersuchten wir die Oxidation von Glycerin auf gemischten Kupfer-Cobalt-Hydroxycarbonaten sowie die Oxidation von Isopropanol auf Cobalt-(II,III)-Oxid, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Behrens (Anorganische Chemie). In Zusammenarbeit mit der Lindhorst-Arbeitsgruppe (Organische Chemie) haben wir die Kinetik und den Reaktionsmechanismus einer Nitroarylwanderung an mehreren Zuckern aufgeklärt. Als wir diese Rechnungen in global optimierten Clustern expliziter Solvensmoleküle wiederholten, zeigte sich, daß wesentliche Aspekte dieser Reaktion in Abwesenheit expliziter Solvensmoleküle falsch modelliert werden. Außerdem mußten wir feststellen, daß heutige Standardzugänge zur rechnerischen Behandlung chemischer Reaktionen nicht gut dafür geeignet sind, Reaktionen in großen Solvensclustern zu untersuchen. In zukünftiger Forschung planen wir Verbesserungen in diesem Bereich. In einem letzten Teilprojekt haben wir unseren global optimierenden Zugang zur Katalyse mit elektrischen Feldern weiter verbessert. Mit globaler Optimierung abstrakter Punktladungswolken konnten wir die Aktivierungsenergie einer Diels-Alder-Reaktion drastisch erniedrigen. Außerdem untersuchten wir unterschiedliche Erweiterungen dieses Zugangs sowie die Rückübersetzung abstrakter, optimierter E-Felder zu realen molekularen Katalysatoren, inklusive erster erfolgreicher Versuche, das über geeignete Substituentendekoration kovalenter organischer Käfigverbindungen zu erreichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Globally optimal catalytic fields for a Diels–Alder reaction. The Journal of Chemical Physics, 152(11).
Dittner, Mark & Hartke, Bernd
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Tuning the Strength of Molecular Bonds in Oxygenates via Surface-Assisted Intermolecular Interactions: Atomistic Insights. The Journal of Physical Chemistry C, 124(51), 28159-28168.
Schröder, Carsten; Schmidt, Marvin C.; Witt, Christopher; Attia, Smadar; Weber, Jann; Baumann, Ann-Katrin; Hartke, Bernd & Schauermann, Swetlana
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Disordered Two-Dimensional Self-Organization of Ethyl Pyruvate Molecules on the Pt(111) Surface. The Journal of Physical Chemistry C, 125(47), 26167-26179.
Witt, Christopher; Schmidt, Marvin-Christopher; Schröder, Carsten; Schauermann, Swetlana & Hartke, Bernd
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Globally Optimized Molecular Embeddings for Dynamic Reaction Solvate Shell Optimization and Active Site Design. Topics in Catalysis, 65(1-4), 281-288.
Behrens, Dominik M. & Hartke, Bernd
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Electrooxidation of Alcohols on Mixed Copper–Cobalt Hydroxycarbonates in Alkaline Solution. ChemElectroChem, 9(13).
Braun, Michael; Behrendt, Gereon; Krebs, Moritz L.; Dimitri, Patricia; Kumar, Piyush; Sanjuán, Ignacio; Cychy, Steffen; Brix, Ann Cathrin; Morales, Dulce M.; Hörlöck, Jennifer; Hartke, Bernd; Muhler, Martin; Schuhmann, Wolfgang; Behrens, Malte & Andronescu, Corina
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Graph-based Automated Macro-Molecule Assembly. Journal of Chemical Information and Modeling, 62(16), 3714-3723.
Spenke, Florian & Hartke, Bernd
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Non‐Deterministic Global Structure Optimization: An Introductory Tutorial. Reviews in Computational Chemistry, 1-43. Wiley.
Hartke, Bernd
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Migration of para‐Nitrophenyl Groups in Methyl Pyranosides: Configuration and Conformation Determine the Kinetics. Chemistry – A European Journal, 30(66).
Friedrich, Leon M.; Lütjohann, Clemens; Hartke, Bernd & Lindhorst, Thisbe K.
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On the brink of self-hydration: the water heptadecamer. Physical Chemistry Chemical Physics, 26(21), 15445-15451.
Hartke, Bernd
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“Aryl migration becoming more interesting with every step” Bunsen Magazine 27 (2025) 61
B. Hartke
