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Tutorial Menue3D-Visualisierung Organischer Reaktionen mit CAVOCLerneinheit 1 von 12

CAVOC - Tool zur 3D-Visualisierung organischer Reaktionen

Modellierung chemischer Reaktionen

Die grundlegende Voraussetzung für die dreidimensionale computergrafische Darstellung einer chemischen Reaktion ist das Vorliegen einer den Reaktionsablauf beschreibenden Serie von 3D-Strukturen. In der Regel wird man diese Strukturen durch eine quantenmechanische Berechnung des Reaktionspfades gewinnen, da Intermediate einer chemischen Reaktion experimentell, wenn überhaupt, nur mit erheblichem technischen Aufwand zugänglich sind. Bei der Wahl der Rechenmethode hat man die zu erreichende Genauigkeit gegen den erforderlichen Zeitaufwand abzuwägen. Im Molecular Modeling werden im Wesentlichen drei Klassen von Verfahren eingesetzt.

Abb.1
Verschiedene Methoden im Molecular Modeling

Auf der einen Seite steht die Molekülmechanik, die über empirisch parametrisierte Kraftfelder mit geringem Rechenaufwand gute Geometrievorhersagen für Moleküle machen kann. Der Erfolg bei deren Einsatz hängt jedoch entscheidend davon ab, ob der Parametersatz des benutzten Kraftfeldes auf das jeweilige Problem abgestimmt ist. Für große Biomoleküle (Proteine, Nucleinsäuren) hat sich dieses Verfahren bewährt.

Demgegenüber stehen die quantenmechanischen Verfahren, von denen die ab-initio-Methoden ganz ohne empirisch bestimmte Parameter auskommen und insofern am besten zur Modellierung von Übergangszuständen und Reaktionen geeignet erscheinen. Sie erfordern jedoch, je nach Größe des verwendeten Basissatzes und Art und Anzahl der Atome im betrachteten System, enorme Rechenzeiten.

Aus diesem Grund sind sämtliche mit CAVOC visualisierbaren Reaktionen mit semiempirische Verfahren (s. auch MO-Methoden: Roothaan-Hall-Gleichungen, SCF-MO) berechnet worden, unter denen die auf der NDDO-Näherung (neglect of diatomic differential overlap) basierenden Methoden MNDO (modified neglect of diatomic overlap), AM1 (Austim method 1) und PM3 (Parameterization method 3) die für Geometrieoptimierungen und Energieberechnungen wichtigste Gruppe bilden.

Hinweis
Die in die CAVOC-Visualisierung einfließenden Rechendaten basieren auf semiempirischen Verfahren und stammen aus MOPAC-, GAUSSIAN- und GAMESS-Rechnungen (s. Molekular Modeling-Programme).

Literatur

Dewar, M. J. (1977): Ground States of Molecules, 38. The MNDO Method. Approximations and Parameters. In: Journal of the American Chemical Society. 99 , 4899-4907
Stewart, J. J. (1989): Optimization of Parameters for Semi-Empirical Methods I-Method. In: Journal of Computational Chemistry. 10 , 209-220
Dewar, M. J.; Zoebisch, E. G.; Healy, E. F. (1985): AM1: A New General Purpose Quantum Mechanical Molecular Model. In: Journal of the Americal Chemical Society. 107 , 3902-3909
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