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Molekülmechanik - Einführung

Molekülmechanik: Einführung

Die wohl einfachste, schnellste und in vielen Fällen anschaulichste Methode zur Molekülberechnung ist die Molekülmechanik. Wie der Name andeutet, ist sie im Grunde ein erweiterter Molekülbaukasten. Atome werden durch (deformierbare) Kugeln und chemische Bindungen durch Federkräfte beschrieben.

Abb.1

Die Kräfte, die zwischen den Atomen in den Molekülen wirken, entsprechen der anschaulichen, klassischen Vorstellung. Verschiedenen "Atomsorten" werden bestimmte Van-der-Waals-Radien zugeordnet. Bestimmte "Arten" von Bindungen haben bestimmte Standardbindungslängen und eine definierte Bindungsstärke (Kraftkonstante). Das Gleiche gilt für Bindungswinkel und Torsionswinkel.

Aceton hat z.B. im MM2-Kraftfeld die folgenden Parameter.

Tab.1
AtomsorteBindungstypBindungswinkelTorsionswinkelnichtbindende Wechselwirkungen
6 H6 C-H6 H-C-H6 H-C-C*-O 15 H...H d)
2 C a) 1 C-C* 6 H-C-C* 6 H-C-C*-C 6 H...O
1 C* b) 1 C-O2 C-C*-O 6 H...C
1 O c) 6 H...C*
2 C...C*
1 C...C

a) sp3-Kohlenstoffb) Carbonyl-Kohlenstoff c) Carbonyl-Sauerstoff d) 9 H...H innerhalb der Methyl-Gruppen, 15 H...H zwischen den Methyl-Gruppen

Aceton besteht aus 10 Atomen, besitzt 9 Bindungen, 14 Bindungswinkel, 12 Torsionswinkel und 36 nichtbindende Wechselwirkungen, die in die obigen Klassen (siehe Tabelle) eingeordnet werden. Bei den Atomsorten unterscheidet man nicht nur nach den Elementen, sondern auch nach Hybridisierung und Valenzzustand. Im MM2-Kraftfeld gibt es acht verschiedene Typen von Kohlenstoffatomen: sp, sp2 sp3, Carbonyl, Cyclopropan, Radikal, Cyclopropen, Carbenium-Ion.

Für jeden Bindungstyp zweier verschiedener Atomsorten (A-B), jeden Typ von Bindungswinkel (A-B-C), Torsionswinkel (A-B-C-D) und nichtbindende Wechselwirkung (A...B) müssen empirische Parameter vorliegen, um eine molekülmechanische Rechnung durchführen zu können. Aufgrund der Vielzahl der Elemente des Periodensystems (inklusive deren Valenzzustände) gibt es kein Molekülmechanik-Programm, welches alle denkbaren Bindungssituationen vollständig abdeckt. Die meisten Kraftfelder sind daher nur für bestimmte Verbindungsklassen parametrisiert, z.B. AMBER und GROMOS für Proteine und Nucleinsäuren. Relativ allgemein in der organischen Chemie anwendbar mit einem großen Parametersatz sind MM2 und MM3.

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