Computerchemie
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.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
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 auf einem Qualitätsniveau aus, der noch deutlich von der Wirklichkeit entfernt ist. Grund hierfür ist der Effekt der sogenannten Elektronenkorrelation. Ab initio Verfahren die auch die Elektronenkorrelation berücksichtigen sind deutlich aufwendiger (derzeit maximal 10 Elektronen im System möglich) liefern jedoch die besten Resultate. Man behilft sich mit einer einem Kompromiss und einer näherungsweisen Einbeziehung der Elektronenkorrelation. Bespiele für solche Verfahren sind: Moller-Plesset Störungstheorie, CI (Configuration Interaction), CC (Coupled Cluster), MCSCF (Multiconfiguration Self Consistent Field).
Semiempirische Verfahren beeinhalten 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).
Kraftfeldprogramme ermöglichen die Geometrieoptimierung sehr großer Moleküle (z.B. Proteine). Gehen dabei nicht mehr von quantenmechanischen Wellenfunktionen aus, sondern arbeiten mit künstlichen Potentialen.
Alle beschriebenen Verfahren und Methoden sind in gängigen Softwarepaketen verfügbar. Beispiele hierfür: GAUSSIAN, GAMESS, MOLPRO, Spartan.
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.