Computational conformational analysis using xTB/CREST
| dc.contributor | Aalto-yliopisto | fi |
| dc.contributor | Aalto University | en |
| dc.contributor.advisor | Siitonen, Juha | |
| dc.contributor.author | Kähäri, Aya | |
| dc.contributor.school | Kemiantekniikan korkeakoulu | fi |
| dc.contributor.supervisor | Kontturi, Eero | |
| dc.date.accessioned | 2024-07-30T08:11:38Z | |
| dc.date.available | 2024-07-30T08:11:38Z | |
| dc.date.issued | 2024-05-05 | |
| dc.description.abstract | Conformational analysis is conducted to find all the feasible conformers of a molecule. Conformational analysis is a fundamental tool for drug discovery, material science and organic synthesis planning. Due to limitations in experimental methods, conformational analyses often take computational approaches. This bachelor’s thesis is conducted as a review for a program package xTB/CREST and its usage via theoretical background investigation and literature analysis. The fundamental concept of conformational analysis is to find energy minima on a potential energy surface of a molecule, of which energy minima mathematically refer to plausible conformers. Plenty of computational conformational analysis methods are currently available, which are either classical mechanics-based, or quantum mechanics-based. However, chemical accuracy and fast computational time have remained challenging among these methods. Approaching these challenges with xTB is a semiempirical method, that utilizes experimental values with quantum chemical calculations. xTB is used in coalition with CREST, the algorithm of which enables this program to generate conformer ensembles efficiently with medium-level accuracy. This is a beneficial feature compared to other computational conformer sampling programs, or even experimental methods, which the literature analysis has also suggested. The literature featured in this thesis provided concrete examples on the usage of xTB/CREST, including its advantages and disadvantages. Based on the literature, the quality of the xTB/CREST-generated conformer ensembles were in alignment with experimental results. As conformer population is connected to chemical phenomena, xTB/CREST was used to investigate reaction pathways. As far as its limitations go, it is considered that the generated conformers need further refinement using higher level of computational theory. In comparison with higher level of quantum chemical functionals, qualitative assessment on energy level generated by xTB-level theory would require additional optimization to reach chemical accuracy. In conclusion, xTB/CREST has benefits in computational efficiency, and is recommended to be used as a first step in full computational conformational analysis. | en |
| dc.description.abstract | Konformaatiotarkastelu on menetelmä, jonka tarkoitus on etsiä molekyylien kaikki mahdolliset konformeerit. Konformeeripopulaatio noudattaa statistisen fysiikan mallia, ja se liittyy moneen kemialliseen ilmiöön, esimerkiksi miten reaktio etenee. Tämä menetelmä on olennainen työkalu muun muassa lääkekehityksessä, materiaalitieteessä ja orgaanisessa kemiassa synteesistrategian rakentamisessa. Kokeelliset menetelmät tähän tarkoitukseen ovat kuitenkin rajoitettuja, minkä vuoksi konformaatiotarkastelua usein suoritetaan laskennallisesti supertietokoneen avulla. Tässä tutkielmassa tutustutaan xTB/CREST-ohjelmistopakettiin ja sen käyttöön konformaatiotarkastelussa teoreettisen taustan katsauksena ja kirjallisuustutkielmana. Keskeinen tapa laskennallisessa konformaatiotarkastelussa on minimienergioiden etsiminen moniulotteisessa potentiaalipinnassa, sillä mahdolliset konformeerit vastaavat matemaattisesti molekyylien potentiaalienergioiden minimejä. Laskennallisten menetelmien etu on siinä, että niiden avulla on mahdollista ennustaa komponenttien kvanttimekaanisia sekä termodynaamisia käyttäytymistapoja, joka on hyödyllistä uusien komponenttien syntetisoinnissa sekä niiden ominaisuuksien tarkastelussa, tai kokeellisten tietojen ollessa puutteellisia. Laskennallisten menetelmien haasteena on ollut kuitenkin se, miten laskut suoritetaan perusteellisesti, tehokkaasti, ja tarkasti. Monta laskennallista menetelmää konformaatiotarkasteluun on jo ollut olemassa, ja ne luokitellaan joko klassiseen mekaniikkaan tai kvanttimekaniikkaan perustuvaksi. Klassiseen mekaniikkaan perustuvia menetelmiä usein käytetään makromolekyylien konformeerihakuun laskun tehokkuuden takia, mutta kvanttimekanisia ilmiöitä ei voida ottaa huomioon. Klassiseen mekaniikkaan perustuvissa menetelmissä käytetään empiirisiä parametreja, mutta tulosten tarkkuus laskee silloin, kun kohdemolekyylien koko on suuri, tai kokeelliset tiedot ovat puutteellisia. Kvanttimekaniikkaan perustuvien menetelmien laskut ovat tarkkoja, mutta laskennallisten resurssien suuri käyttö on ollut ongelmallista. xTB:n lähestymistapa tähän haasteeseen on semiempiirinen menetelmä, jossa kokeellisia parametreja käytetään jokaiseen atomiin kvanttimekaanisen laskennan yhteydessä. CREST toimii xTB:ä hyödyntäen, jonka ansiosta CREST:n algoritmi voi tuottaa konformeerijoukkoja tehokkaasti kohtuullisella tarkkuudella. Tämä ominaisuus koetaan etuna verrattuna muihin konformaatiotarkastelun ohjelmistoihin, tai jopa kokeellisiin menetelmiin, joita kirjallisuudessa ehdotettiin. Kirjallisuudessa tässä tutkielmassa esitettiin xTB/CREST:n käytännön esimerkkejä, sekä ohjelmiston etuja ja haittoja. Kirjallisuuskatsauksen mukaan xTB/CREST:n tuottamat konformeerijoukot ovat yhteensopivia kokeellisten tulosten kanssa kvalitatiivisesti. xTB/CREST:iä käytettiin kirjallisuudessa reaktiomekaniikan tutkimuksiin kokeellisten tutkimusten tukena. Kirjallisuudessa myös esitettiin xTB/CREST:n rajoituksia, kuten tulosten tarkkuuden puutetta tarkempiin laskennallisiin funktionaaleihin verrattuna. Korkean tason tarkkuuden saavuttamiseen tarvitaan lisää laskennallista optimointia tuotettuihin konformeerijoukkoihin. Johtopäätöksenä xTB/CREST:n käyttö on hyödyllistä konformaatiotarkastelussa laskennallisen nopeuden takia, mutta tätä ohjelmistoa on suositeltavaa käyttää lähinnä laskennallisen tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa. | fi |
| dc.format.extent | 42 | |
| dc.format.mimetype | application/pdf | en |
| dc.identifier.uri | https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/129552 | |
| dc.identifier.urn | URN:NBN:fi:aalto-202407305134 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.programme | Kemiantekniikan kandidaattiohjelma | fi |
| dc.programme.major | Kemia ja materiaalitiede | fi |
| dc.programme.mcode | CHEM3049 | fi |
| dc.subject.keyword | CREST | en |
| dc.subject.keyword | computational chemistry | en |
| dc.subject.keyword | conformational analysis | en |
| dc.subject.keyword | organic chemistry | en |
| dc.subject.keyword | organic synthesis | en |
| dc.subject.keyword | semiempirical method | en |
| dc.title | Computational conformational analysis using xTB/CREST | en |
| dc.type | G1 Kandidaatintyö | fi |
| dc.type.dcmitype | text | en |
| dc.type.ontasot | Bachelor's thesis | en |
| dc.type.ontasot | Kandidaatintyö | fi |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- Kähäri_Aya_2024.pdf
- Size:
- 1.48 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
