zum Directory-modus

Einführung

Molecular Modeling: Übersicht über die Methoden der Computerchemie

Abb.1
Verschiedene Methoden im Molecular Modeling

Alle Verfahren zur Molekülberechnung basieren auf der Reduktion der Chemie auf die Physik. Im Prinzip werden die physikalischen Grundlagen der Chemie (mit Ausnahme relativ selten auftretender relativistischer Effekte) vollständig durch die Quantenmechanik beschrieben. (Dirac, P. (1929): . In: Proc. Roy. Soc.. 123 , 7, 4) Die resultierenden Gleichungen sind allerdings so kompliziert, dass man sie geschlossen nur für Zweikörper-Probleme und iterativ mit sehr hoher Genauigkeit nur für kleine Systeme lösen kann. Man führt deshalb Vereinfachungen ein, die zu Fehlern führen, die man wieder durch empirische Parameter auszugleichen versucht. "Hardcore-Theoretiker" begegnen den empirischen Methoden oft mit Misstrauen. Für die meisten Anwender steht die Frage im Vordergrund, ob die Methoden in der Praxis zuverlässige und aussagekräftige Ergebnisse liefern. Methoden mit empirischem Charakter müssen aber besonders ausgiebig getestet werden. Sie sind nur innerhalb ihres bestimmten Anwendungsbereichs zuverlässig.

Das einfachste und am stärksten parametrisierte Verfahren ist die Molekülmechanik (Kraftfeld). Die Kräfte zwischen Atomen in Molekülen werden durch klassische Potenziale approximiert. Viele Phänomene, wie z.B. chemische Reaktionen (Bindungsbruch und -bildung), Konjugation bzw. Delokalisation, angeregte Zustände usw., die sich nur quantenmechanisch adäquat beschreiben lassen, können mit dieser Methode nicht behandelt werden. Dennoch hat sie sich vor allem für große Biomoleküle (Proteine, Nucleinsäuren) bewährt. Für diese Stoffklassen wurden besonders gute Parameter bestimmt und Potenziale entwickelt.

Die einfachsten (und schnellsten) quantenmechanischen Methoden sind die Extended Hückel und die semiempirischen Verfahren. Sie sind deutlich aufwendiger als Kraftfeld-Rechnungen aber dank der moderneren Hardwareentwicklung noch auf Moleküle mit mehreren tausend Atomen anwendbar. Dichtefunktional-Rechnungen (DFT)lassen sich noch mit Systemen mit einigen hundert Atomen durchführen, während Ab initio/Post-SCF-Methoden auf deutlich kleinere Systeme beschränkt sind.

Seite 3 von 6