Computerchemie

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Die Computerchemie ist ein Zweig der Theoretischen Chemie und der Quantenchemie. Das Hauptziel der Computerchemie ist es, Software zu erstellen und anzuwenden, um Eigenschaften von Molekülen zu berechnen. Solche Eigenschaften können Energie, Dipolmoment oder Schwingungsspektren sein. Der Begriff Computerchemie wird auch als Bezeichnung für den Grenzbereich zwischen Informatik und Chemie benutzt, in diesem Fall schließt er die Chemoinformatik mit ein.

[Bearbeiten] Anwendungsfelder

Es gibt verschiedene wichtige Themen innerhalb des Gebietes. Eine Auswahl:

Die computergestützte Darstellung von Molekülen und die quantenmechanische Berechnung ihrer Eigenschaften.
Anwendungen, die Chemikalien strukturiert speichern und finden können (Datenbanken)
Methoden, um die Systematiken in der Wechselwirkung zwischen Molekularstruktur und Eigenschaften der Stoffe zu verstehen (QSPR).
Kraftfeldrechnungen zur Geometrieoptimierung großer Moleküle
Computergestützte Syntheseplanung
Computergestützte Prognose der Wirksamkeit von Arzneimitteln

Die Programme der Computerchemie basieren auf den verschiedensten quantenchemischen Methoden zur Lösung der molekularen Schrödingergleichung. Grundsätzlich lassen sich zwei Ansätze unterscheiden: semiempirische Verfahren und ab-initio-Verfahren.

[Bearbeiten] Methoden

[Bearbeiten] ab-initio-Methoden

Verfahren, die keine empirischen Parameter benötigen, werden als ab-initio-Methoden bezeichnet. Semiempirische Verfahren enthalten empirische Größen und weitere semiempirische Parameter, die durch theoretische Vorgehensweisen bestimmt wurden, jedoch keinen Bezug zu messbaren Größen mehr haben. Prinzipiell sind ab initio-Verfahren für kleinere Moleküle geeignet. Semiempirische Verfahren spielen ihre Stärke bei mittelgroßen (100 Atome) Molekülen aus. Beispiele für semiempirische Methoden sind MNDO und AM1.

Die Güte, mit denen ab-initio-Verfahren die Eigenschaften von Molekülen berechnen können, hängt im wesentlichen vom Basissatz der Atome ab, d. h. wie gut und mit wievielen einzelnen Funktionen die Atomorbitale dargestellt werden. Die Verbesserung des Basissatzes in ab initio Verfahren konvergiert Richtung Hartree-Fock-Limit, ist aber für alle Mehrelektronensysteme noch deutlich von der Wirklichkeit entfernt. Grund hierfür ist der Effekt der sogenannten Elektronenkorrelation: Die Bewegung der Elektronen im Molekül ist nicht unabhängig voneinander, sondern je näher sich zwei Elektronen kommen, desto stärker stoßen sie sich ab. Ab initio Verfahren, die auch die Elektronenkorrelation berücksichtigen, sind deutlich aufwändiger (derzeit maximal zehn Elektronen im System möglich), liefern jedoch die besten Resultate. Man behilft sich mit einem Kompromiss und bezieht die Elektronenkorrelation näherungsweise ein. Beispiele für solche Verfahren sind: Moller-Plesset-Störungstheorie, CI (Configuration Interaction), CC (Coupled Cluster), MCSCF (Multiconfiguration Self Consistent Field).

[Bearbeiten] Semiempirische Verfahren

Semiempirische Verfahren beinhalten Teile der Elektronenkonfiguration implizit durch ihre Parameterisierung. Für kritische Berechnungen sind semiempirische Methoden mit CI (Configuration Interaction) und MCSCF (Multiconfiguration Self Consistent Field) kombiniert worden. Mit solchen Verfahren sind dann beispielsweise Reaktionsbarrieren und ganze Energieprofile komplexer Reaktionen berechenbar (MNDO/CI, MNDO/MCSCF).

[Bearbeiten] Empirische Verfahren

Kraftfeldprogramme ermöglichen die Geometrieoptimierung sehr großer Moleküle (z. B. Proteine). Kraftfeldprogramme gehen dabei nicht mehr von quantenmechanischen Wellenfunktionen aus, sondern arbeiten mit künstlichen Potentialen, die an empirischen Daten parametrisiert werden.

Alle beschriebenen Verfahren und Methoden sind in gängigen Softwarepaketen verfügbar. Beispiele hierfür: ACES, GAUSSIAN, GAMESS, MOLPRO, Spartan, TURBOMOLE, Cerius2.

Die Herausforderung für den Anwender dieser Software ist es, das am besten geeignete Modell für seine Problemstellung zu finden und die Ergebnisse im Gültigkeitsbereich der Modelle zu interpretieren.

[Bearbeiten] Verwandte Gebiete

Die Computerchemie schließt mehr oder weniger auch die Bioinformatik ein. Es geht damit auch um Proteinfaltung, Verarbeitung von DNA-Folgen, AS-Sequenzen usw. Die Computerchemie befasst sich auch mit Chemometrik. Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen (z. B. Spektrenkorrelation) spielen eine zentrale Rolle, was intensiv in Arbeitsgruppe Gasteiger im Computer-Chemie-Centrum an der Universität Erlangen beforscht wird. Eines der bedeutendsten Forschungszentren in Deutschland ist Computer-Chemie-Centrum an der Universität Erlangen. Begrifflich verschwimmen die Grenzen zur Cheminformatik, wobei „Computerchemie“ der ursprüngliche Begriff war, welcher sich vermutlich aus dem englischen „computational chemistry“ abgeleitet hat. Zu den Urvätern gehören u. a. Paul deMain, Johann Gasteiger, Jure Zupan, Ivar Ugi.

Aufgrund vergleichbarer Arbeitsweise existiert eine enge Beziehung zur Computerphysik, wodurch eine klare Trennung häufig nicht eindeutig gegeben ist.