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QuantenchemieZoomA-Z

Fachgebiet - Theoretische Chemie

Die Quantenchemie stellt ein Teilgebiet der theoretischen Chemie dar, in dem die Quantenmechanik auf chemische Fragestellungen angewandt wird. Grundlage dafür bildet die Schrödinger-Gleichung, von der ausgehend Näherungsrechnungen durchgeführt werden. Ziel ist es, die energetischen Verhältnisse und die elektronischen Strukturen von Atomen und Molekülen und damit die Eigenschaften von deren chemischen Bindungen zu ermitteln. Daraus lassen sich Folgerungen für chemische Reaktionen und Molekülstrukturen ziehen.

Die Berechnungen können immer nur Näherungen darstellen und erfordern sehr hohe Rechenleistungen, die teilweise erst jüngst mithilfe moderner Computertechnik möglich wurden. Die Quantenchemie arbeitet meist mit so genannten ab-initio-Berechnungen; das bedeutet, es gehen in die Berechnungen keinerlei experimentelle Daten ein, sondern nur die bekannten Abstandsabhängigkeiten der Kräfte zwischen den Teilchen.

Die ersten Arbeiten zur Quantenchemie waren Anfangs des 20. Jahrhunderts die Berechnungen zum Wasserstoff-Molekül von Walter Heitler und Fritz London. Die von ihnen entwickelte Methode ging von Atomorbitalen aus und erlaubte erstmals eine Deutung der kovalenten Bindung. Das Verfahren wurde später von Linus Pauling, John C. Slater und Henry Eyring erweitert und heißt heute Valence-Bond-Methode (VB-Methode).

Einen anderen Ansatz verfolgten Friedrich Hund und Robert Mulliken mit der MO-Theorie; bei dieser werden die Elektronen nicht als jeweils einem Atom zugehörig angesehen, sondern sie besetzen so genannte Molekülorbitale (daher stammt das Kürzel MO). Schließlich wurde die LCAO-Methode entwickelt. Bei diesem Verfahren werden die Molekülorbitale aus den Atomorbitalen errechnet. Damit vereinigt die LCAO-Methode die Vorteile von VB- und MO-Methode in sich.

Lerneinheiten, in denen der Begriff behandelt wird

Molecular Modelling beim WirkstoffdesignLevel 275 min.

PharmaziePharmazeutische ChemieWirkstoffdesign

Das molekulare Modellieren (Molecular Modelling) umfasst verschiedene, meist computerbasierte Methoden und Techniken für die Herleitung, Darstellung und Manipulation dreidimensionaler chemischer Strukturen und daraus abgeleiteter physikochemischer Moleküleigenschaften sowie für die Modellbildung chemischer Reaktionen. Da die meisten Moleküle flexible Systeme sind, die verschiedene, energetisch gleichwertige Zustände einnehmen können, ist bereits das Modellieren einzelner Moleküle keineswegs trivial und verlangt eine erhebliche Rechenleistung. Noch komplexer ist die Modellbildung und Simulation von Bindungsprozessen, da hier sowohl die Besonderheiten des Targets als auch der untersuchten Liganden sowie des Mediums bzw. Lösungsmittels, in dem die Reaktion abläuft, berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grund stellen die berechneten Modelle einen Kompromiss zwischen möglichst realistischen Parametern und notwendigen Vereinfachungen bzw. Annäherungen an die realen Verhältnisse dar. So werden zur Simplifizierung von Energieberechnungen z.B. die Moleküle analog zu makroskopischen Körpern mit einer bestimmten Oberfläche und Volumen visualisiert und Reaktionen meist unter den so genannten "idealen Bedingungen" (z.B. im Vakuum) berechnet.

Qualitative MO-Theorie - π-SystemeLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit beschreibt, wie sich auf qualitativem Weg Molekülorbitale aufstellen lassen. Dabei wird auf lineare und cyclische π-Systeme eingegangen.

Post-SCF-Methoden: Einführung und MethodenLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt eine Einleitung in die Post-SCF-Methoden und eräutert zudem noch die verschiedenen Methoden wie Configutarion Interaction und die Störungstheorie.

PraxisLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Die Herleitungen in den anderen Lerneinheiten ergeben meist die Energie des Systems. Ableitungen der Energie nach anderen Parametern (Kernkoordinaten, magnetisches Feld...) ergeben andere Moleküleigenschaften. Darauf geht diese Lerneinheit ein. Azulen und Aceton werden als Beispiele behandelt.

Ab-initio-Methoden - Einführung und NäherungenLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

In dieser Lerneinheit soll eine Einleitung in die Thematik Ab-initio-Methoden gegeben werden. Es werden Vereinfachungen erläutert, die die Anwendung der Gesetze der Quantenmechanik auf chemische Fragestellungen ermöglichen. Es wird dabei auf die Born-Oppenheimer- und die Hartree-Fock-Näherung eingegangen. Ebenso wird noch einmal der LCAO-Ansatz erläutert.

Ab-initio-Methoden - Basissätze und KoeffizientenLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

In dieser Lerneinheit wird das Grundprinzip der Basissätze erläutert. Es gibt viele Basissätze, daher ist die Wahl eines geeigneten Basissatzes eine wichtige, aber auch schwierige Aufgabe. Basisfunktionen vom Gauss- oder Slater-Typ werden in dieser Lerneinheit vorgestellt.

Qualitative MO-Theorie - beliebige SystemeLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit beschreibt Molekülorbitale für beliebige Systeme. Dabei wird zwischen homonuklearen (z.B. Sauerstoff oder Stickstoff) und heteronuklearen (z.B. Stickstoffmonoxid) Molekülen unterschieden. Außerdem wird am Beispiel der Methyl-Gruppe die Aufstellung von Gruppenorbitalen vorgestellt.

Post-SCF-Methoden - DichtefunktionaltheorieLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Am Beispiel von Propargylen wird die geeignete Auswahl eines Basissatzes erläutert. Dabei wird auf den Rechenaufwand und auf die Struktur und Energiehyperfläche von Propargylen eingegangen. Außerdem werden die Grundzüge der Dichtefunktionaltheorie vorgestellt.

Hückel-Theorie - Einführung und EnergieberechnungLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit geht auf die Hückel-Theorie ein, insbesondere auf die Berechnung von Energien und Säkulardeterminanten am Beispiel von Butadien.

Quantenchemie - Das WasserstoffmolekülLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit beschreibt den "circulus vitiosus" bei der Berechnung der Wellenfunktion für das Wasserstoff-Molekül. Es wird das Aufstellen der Energiefunktion erläutert.

Quantenchemie - Einführung und MethodenLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt eine Einführung in die Quantenchemie im Molecular Modeling.

Hückel-Theorie - MoleküleigenschaftenLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

In dieser Lerneinheit wird die Normierung der Wellenfunktion und die damit einhergehende Vereinfachung des Integrals beschrieben. Die Bedingung für orthogonale Wellenfunktionen wird erklärt. Daraufhin wird am Beispiel von Butadien die Berechnung von Moleküleigenschaften vorgestellt.