Computerchemie

Computerchemie ist ein Zweig von Chemie das verwendet Computersimulation Unterstützung bei der Lösung chemischer Probleme. Es verwendet Methoden von Theoretische Chemie, integriert in Computerprogramme, um die Strukturen und Eigenschaften von zu berechnen Moleküle, Gruppen von Molekülen und Festkörper. Es ist wichtig, da, abgesehen von relativ jüngsten Ergebnissen bezüglich des Wasserstoffmolekularionen (Dihydrogenkationsiehe Referenzen darin für weitere Details), das Quantum Problem mit vielen Körperschaft kann nicht analytisch gelöst werden, viel weniger in geschlossener Form. Während Rechenergebnisse normalerweise die von Chemikalie erhaltenen Informationen ergänzen ExperimenteIn einigen Fällen kann bisher bisher nicht beobachtete Chemikalie vorhersagen Phänomene. Es wird häufig für die Gestaltung neuer Medikamente und Materialien verwendet.

Beispiele für solche Eigenschaften sind Struktur (d. H. Die erwarteten Positionen der konstituierenden Atome), absolut und relativ (Interaktion) Energien, elektronisch Ladungsdichte Verteilungen, Dipole und höher Multipole Momente, Schwingungsfrequenzen, Reaktivität, oder andere spektroskopisch Mengen und Querschnitte zum Kollision mit anderen Partikeln.

Die verwendeten Methoden bedecken sowohl statische als auch dynamische Situationen. In allen Fällen nehmen die Computerzeit und andere Ressourcen (wie Speicher und Speicherplatz) schnell zu, wobei die Größe des untersuchten Systems. Dieses System kann ein Molekül, eine Gruppe von Molekülen oder ein Feststoff sein. Die Methoden der Computerchemie reichen von sehr ungefähr bis hoch genau. Letzteres ist normalerweise nur für kleine Systeme möglich. Ab Initio Methoden basieren ausschließlich auf Quantenmechanik und grundlegend physische Konstanten. Andere Methoden werden als empirisch bezeichnet oder semi-empirisch weil sie zusätzliche empirische Parameter verwenden.

Beide ab Initio und semi-empirische Ansätze beinhalten Annäherungen. Diese reichen von vereinfachten Formen der ersten Prinzipiengleichungen, die einfacher oder schneller zu lösen sind, bis hin zu Annäherung, die die Größe des Systems begrenzen (zum Beispiel, periodische Randbedingungen) zu grundlegenden Näherungen an die zugrunde liegenden Gleichungen, die erforderlich sind, um eine Lösung für sie überhaupt zu erreichen. Zum Beispiel die meisten ab Initio Berechnungen machen die Geborene -sprungheimer -Näherung, was den zugrunde liegenden erheblich vereinfacht Schrödinger Gleichung durch Annahme, dass die Kerne während der Berechnung bestehen bleiben. Allgemein gesagt, ab Initio Methoden Konvergieren schließlich die genaue Lösung der zugrunde liegenden Gleichungen, wenn die Anzahl der Näherungen verringert wird. In der Praxis ist es jedoch unmöglich, alle Annäherungen zu beseitigen, und Restfehler bleiben unweigerlich. Das Ziel der Computerchemie ist es, diesen Restfehler zu minimieren und gleichzeitig die Berechnungen vorab zu halten.

In einigen Fällen sind die Details der elektronischen Struktur weniger wichtig als die langjährige Phasenraum Verhalten von Molekülen. Dies ist bei Konformationsstudien von Proteinen und Protein-Liganden-Bindungsthermodynamik der Fall. Klassische Annäherungen an die potentielle Energieoberfläche werden verwendet, normalerweise mit Molekulare Mechanik Kraftfelder, da sie rechnerisch weniger intensiv sind als elektronische Berechnungen, um längere Simulationen von zu ermöglichen Molekulare Dynamik. Außerdem, Cheminformatik Verwendet noch empirischer (und rechenintensiv billigere) Methoden wie maschinelles Lernen basierend auf physikochemischen Eigenschaften. Ein typisches Problem in der Cheminformatik besteht darin, die Bindungsaffinität von Arzneimittelmolekülen für ein bestimmtes Ziel vorherzusagen. Andere Probleme sind die Vorhersage der Bindungsspezifität, der Off-Target-Effekte, der Toxizität und der pharmakokinetischen Eigenschaften.

Geschichte

Aufbau auf den Gründungsentdeckungen und Theorien in der Anamnese der QuantenmechanikDie ersten theoretischen Berechnungen in der Chemie waren die von denen von Walter Heitler und Fritz London im Jahr 1927 verwenden Valenzbindungstheorie. Zu den Büchern, die die frühe Entwicklung der Computerquantenchemie beeinflussen, gehören Linus Pauling und E. Bright Wilson1935 Einführung in die Quantenmechanik - mit Anwendungen für die Chemie, Eyr, Walter und Kimballs 1944 Quantenchemie, Heitlers 1945 Elementarwellenmechanik - mit Anwendungen zur Quantenchemie, und später Coulson1952 Lehrbuch WertigkeitJeder von ihnen diente in den folgenden Jahrzehnten als Hauptreferenz für Chemiker.

Mit der Entwicklung von effizient Computer Technologie in den 1940er Jahren die löslichen Lösungen Wellengleichungen für komplex Atomic Systeme begannen ein realisierbares Ziel. In den frühen 1950er Jahren wurden die ersten semi-empirischen Atom-Orbitalberechnungen durchgeführt. Theoretische Chemiker wurden zu umfangreichen Nutzern der frühen digitalen Computer. Ein großer Fortschritt kam mit dem Papier von 1951 in Rezensionen der modernen Physik von Clemens C. J. Roothaan im Jahr 1951, hauptsächlich auf den Ansatz "LCAO MO" (lineare Kombination von atomaren Orbitalen molekularen Orbitalen), seit vielen Jahren das zweithäufigste Papier in diesem Tagebuch . Ein sehr detaillierter Bericht über eine solche Verwendung im Vereinigten Königreich wird von Smith und Sutcliffe angegeben.[1] Der Erste ab Initio HARTREE -FOCK -Methode Berechnungen zu zweidomischen Molekülen wurden 1956 am MIT unter Verwendung a durchgeführt Basissatz von Slater Orbitale. Für zweigefügte Moleküle wurde 1960 eine systematische Studie unter Verwendung eines Mindestbasissatzes und der ersten Berechnung mit größerem Basissatz von Ransil bzw. NESBET veröffentlicht.[2] Die ersten polyatomischen Berechnungen verwendet Gaußsche Orbitale wurden Ende der 1950er Jahre durchgeführt. Der Erste Konfigurationsinteraktion Berechnungen wurden in Cambridge auf der durchgeführt Edsac Computer in den 1950er Jahren mit Gaußschen Orbitalen von Jungs und Mitarbeiter.[3] 1971, als eine Bibliographie von ab Initio Berechnungen wurden veröffentlicht,[4] Die größten eingeschlossenen Moleküle waren Naphthalin und Azulen.[5][6] Abstracts vieler früherer Entwicklungen in ab Initio Theorie wurde von Schaefer veröffentlicht.[7]

Im Jahr 1964, Hückel -Methode Berechnungen (unter Verwendung eines einfachen lineare Kombination von Atomorbitalen (LCAO) Methode zur Bestimmung der Elektronenergien von molekularen Orbitalen von π -Elektronen in konjugierten Kohlenwasserstoffsystemen) von Molekülen, die in Komplexität von Komplexität reichten Butadien und Benzol zu Ovalenewurden auf Computern in Berkeley und Oxford erzeugt.[8] Diese empirischen Methoden wurden in den 1960er Jahren durch ersetzt durch Halbempirische Methoden wie zum Beispiel CNDO.[9]

In den frühen 1970er Jahren effizient ab Initio Computerprogramme wie Atmol, Gaußscher, Ibmol und Polyaytom, begann zu Geschwindigkeit zu werden ab Initio Berechnungen von molekularen Orbitalen. Von diesen vier Programmen wird nur noch immer erweitertes Gaußsche verwendet, aber viele andere Programme werden jetzt verwendet. Gleichzeitig die Methoden von Molekulare Mechanikwie MM2 Kraftfeldwurden entwickelt, vor allem von Norman Allinger.[10]

Eine der ersten Erwähnungen des Begriffs Computerchemie kann im Buch von 1970 gefunden werden Computer und ihre Rolle in den physischen Wissenschaften Von Sidney Fernbach und Abraham Haskell Taub, wo sie feststellen, dass "die" Computerchemie "endlich immer mehr Realität sein kann".[11] In den 1970er Jahren wurden sehr unterschiedliche Methoden als Teil einer neuen aufkommenden Disziplin von gesehen Computerchemie.[12] Das Journal of Computational Chemistry wurde erstmals 1980 veröffentlicht.

Die Computerchemie hat bei mehreren Nobelpreispreisen, insbesondere in den Jahren 1998 und 2013, gezeigt. Walter Kohn, "für seine Entwicklung der Dichtefunktionstheorie", und John Pople"Für seine Entwicklung von Rechenmethoden in der Quantenchemie" erhielt die 1998 Nobelpreis in Chemie.[13] Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel erhielt die 2013 Nobelpreis in Chemie für "die Entwicklung von Multiskalenmodellen für komplexe chemische Systeme".[14]

Anwendungsgebiete

Der Begriff Theoretische Chemie kann als mathematische Beschreibung der Chemie definiert werden, während Computerchemie wird normalerweise verwendet, wenn eine mathematische Methode ausreichend gut entwickelt ist, dass sie zur Implementierung auf einem Computer automatisiert werden kann. In der theoretischen Chemie entwickeln sich Chemiker, Physiker und Mathematiker Algorithmen und Computerprogramme zur Vorhersage von atomaren und molekularen Eigenschaften und Reaktionswegen für chemische Reaktionen. Im Gegensatz dazu können Computerchemiker lediglich vorhandene Computerprogramme und Methoden auf bestimmte chemische Fragen anwenden.

Die Computerchemie hat zwei verschiedene Aspekte:

  • Computerstudien, die verwendet werden, um einen Ausgangspunkt für eine Laborsynthese zu finden oder um experimentelle Daten zu verstehen, wie z. B. die Position und Quelle spektroskopischer Peaks.
  • Computerstudien, die zur Vorhersage der Möglichkeit von bisher völlig unbekannten Molekülen oder zur Untersuchung von Reaktionsmechanismen, die nicht leicht über Experimente untersucht wurden, vorhergesagt.

Die Computerchemie kann daher den experimentellen Chemiker unterstützen oder den experimentellen Chemiker herausfordern, völlig neue chemische Objekte zu finden.

In der Computerchemie können mehrere Hauptbereiche unterschieden werden:

  • Die Vorhersage der molekularen Struktur von Molekülen unter Verwendung der Simulation von Kräften oder genaueren Quantenchemikalienmethoden, um stationäre Punkte auf der Energieoberfläche als Position der Kerne zu finden, wird variiert.
  • Speichern und Suche nach Daten zu chemischen Entitäten (siehe Chemische Datenbanken).
  • Identifizierung Korrelationen zwischen Chemische Strukturen und Eigenschaften (siehe Quantitative Struktur -Property -Beziehung (QSPR) und Quantitative Struktur -Aktivitäts -Beziehung (QSAR)).
  • Berechnende Ansätze, um bei der effizienten Synthese von Verbindungen zu helfen.
  • Berechnende Ansätze zum Entwurf von Molekülen, die auf bestimmte Weise mit anderen Molekülen interagieren (z. Drogendesign und Katalyse).

Genauigkeit

Computerchemie ist keine genau Beschreibung der realen Chemie, da unsere mathematischen Modelle der physikalischen Naturgesetze uns nur eine Annäherung geben können. Die Mehrheit der chemischen Phänomene kann jedoch bis zu einem gewissen Grad in einem qualitativen oder ungefähren quantitativen Rechenschema beschrieben werden.

Moleküle bestehen aus Kernen und Elektronen, also den Methoden von Quantenmechanik anwenden. Computerchemiker versuchen oft, die nicht-relativistischen zu lösen Schrödinger Gleichung, mit relativistischen Korrekturen hinzugefügt, obwohl einige Fortschritte bei der Lösung der vollständig relativistischen Lösung erzielt wurden Dirac -Gleichung. Grundsätzlich ist es möglich, die Schrödinger-Gleichung entweder in ihrer zeitabhängigen oder zeitunabhängigen Form zu lösen, gegebenenfalls für das Problem in der Hand. In der Praxis ist dies bis auf sehr kleine Systeme nicht möglich. Daher bemühen sich eine große Anzahl von ungefähren Methoden, um den besten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenkosten zu erreichen.

Genauigkeit kann immer mit größeren Rechenkosten verbessert werden. Wesentliche Fehler können sich in darstellen ab Initio Modelle, die viele Elektronen aufgrund der Rechenkosten für vollständige relativistische Methoden umfassen. Dies erschwert die Untersuchung von Molekülen, die mit Atomen der Atommasseneinheit wie Übergangsmetallen und ihren katalytischen Eigenschaften interagieren. Gegenwärtige Algorithmen in der Computerchemie können routinemäßig die Eigenschaften kleiner Moleküle berechnen, die bis zu etwa 40 Elektronen mit Fehlern für Energien weniger als ein paar KJ/Mol enthalten. Für Geometrien können Bindungslängen innerhalb weniger Picometer und Bindungswinkel innerhalb von 0,5 Grad vorhergesagt werden. Die Behandlung größerer Moleküle, die einige Dutzend Atome enthalten Dichtefunktionelle Theorie (DFT).

Es gibt einige Streitigkeiten innerhalb des Feldes, ob die letzteren Methoden ausreichen oder nicht, um komplexe chemische Reaktionen wie die in der Biochemie zu beschreiben. Große Moleküle können durch semi-empirische ungefähre Methoden untersucht werden. Noch größere Moleküle werden von behandelt von klassische Mechanik Methoden, die so genannt werden Molekulare Mechanik (Mm). Bei QM-MM-Methoden werden kleine Teile großer Komplexe mechanisch (QM) und der Rest ungefähr (mm) behandelt.

Methoden

Eine molekulare Formel kann mehr als ein molekulares Isomer darstellen: eine Reihe von Isomeren. Jedes Isomer ist ein lokales Minimum auf der Energieoberfläche (genannt die potentielle Energieoberfläche), die aus der Gesamtenergie (d. H. der elektronischen Energie sowie der Abstoßungssenergie zwischen den Kernen) als Funktion der Koordinaten aller Kerne erzeugt wurden. Ein stationärer Punkt ist eine Geometrie, so dass die Ableitung der Energie in Bezug auf alle Verschiebungen der Kerne Null ist. Ein lokales (Energie-) Minimum ist ein stationärer Punkt, an dem alle diese Verschiebungen zu einer Erhöhung der Energie führen. Das lokale Minimum, das am niedrigsten ist, wird als globales Minimum bezeichnet und entspricht dem stabilsten Isomer. Wenn es eine bestimmte Koordinatenänderung gibt, die zu einer Abnahme der Gesamtenergie in beiden Richtungen führt, ist der stationäre Punkt a Übergangsstruktur und die Koordinate ist die Reaktionskoordinate. Dieser Prozess der Bestimmung stationärer Punkte wird genannt Geometrieoptimierung.

Die Bestimmung der molekularen Struktur durch Geometrieoptimierung Er wurde nur nach effizienten Methoden zur Berechnung der ersten Derivate der Energie in Bezug auf alle Atomkoordinaten zur Verfügung. Die Bewertung der verwandten zweiten Derivate ermöglicht die Vorhersage von Schwingungsfrequenzen, wenn eine harmonische Bewegung geschätzt wird. Noch wichtiger ist, dass es die Charakterisierung stationärer Punkte ermöglicht. Die Frequenzen beziehen sich auf die Eigenwerte der Hessische Matrix, die zweite Derivate enthält. Wenn die Eigenwerte alle positiv sind, sind die Frequenzen alle real und der stationäre Punkt ist ein lokales Minimum. Wenn ein Eigenwert negativ ist (d. H. Eine imaginäre Frequenz), ist der stationäre Punkt eine Übergangsstruktur. Wenn mehr als ein Eigenwert negativ ist, ist der stationäre Punkt komplexer und normalerweise von geringem Interesse. Wenn eine davon gefunden wird, ist es notwendig, die Suche von ihr wegzuschieben, wenn der Experimentator ausschließlich nach lokalen Minima- und Übergangsstrukturen sucht.

Die Gesamtenergie wird durch ungefähre Lösungen der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung bestimmt, normalerweise ohne relativistische Begriffe und durch die Verwendung des Geborene -sprungheimer -Näherung, was die Trennung elektronischer und nuklearer Bewegungen ermöglicht und so die Schrödinger -Gleichung vereinfacht. Dies führt zur Bewertung der Gesamtenergie als Summe der elektronischen Energie an festen Kernpositionen und der Abstoßungsenergie der Kerne. Eine bemerkenswerte Ausnahme sind bestimmte Ansätze, die genannt werden Direkte Quantenchemie, die Elektronen und Kerne auf einem gemeinsamen Stand behandeln. Dichtefunktionelle Methoden und semi-empirische Methoden sind Varianten des Hauptthemas. Für sehr große Systeme können die relativen Gesamtsenergien unter Verwendung der molekularen Mechanik verglichen werden. Die Möglichkeiten zur Bestimmung der Gesamtenergie zur Vorhersage von molekularen Strukturen sind:

Ab Initio Methoden

Die in der Computerchemie verwendeten Programme basieren auf vielen verschiedenen quantenchemisch Methoden, die das Molekular lösen Schrödinger Gleichung in Verbindung mit Molekular Hamiltonian. Methoden, die keine empirischen oder semi-empirischen Parameter in ihren Gleichungen enthalten-die direkt von theoretischen Prinzipien abgeleitet werden, ohne dass experimentelle Daten einbezogen werden-werden genannt ab Initio -Methoden. Dies bedeutet nicht, dass die Lösung genau ist; Sie sind alle ungefähre quantenmechanische Berechnungen. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Annäherung streng auf den ersten Prinzipien (Quantentheorie) definiert und dann innerhalb eines vorhandenen Fehlerrandes gelöst wird, der qualitativ bekannt ist. Wenn numerische iterative Methoden angewendet werden müssen, ist es das Ziel zu iterieren, bis die Genauigkeit der vollständigen Maschine erreicht ist (das Beste, was mit einem endlichen Finite möglich ist Wortlänge am Computer und innerhalb der mathematischen und/oder physischen Annäherungen).

Diagramm, das verschiedene darstellt ab Initio elektronische Strukturmethoden in Bezug auf Energie. Bereiche sind nicht zu skalieren.

Die einfachste Art von ab Initio Elektronische Strukturberechnung ist die HARTREE -FOCK -Methode (HF) eine Erweiterung von Molekulare Orbitalentheorie, in dem die korrelierte Elektron-Elektronen-Abstoßung nicht ausdrücklich berücksichtigt wird; Nur sein durchschnittlicher Effekt ist in der Berechnung einbezogen. Wenn die Basissatzgröße erhöht wird, neigen die Energie- und Wellenfunktion zu einer Grenze, die als Hartree -Fock -Grenze bezeichnet wird. Viele Arten von Berechnungen (bezeichnet Post-Hartree-Fock Methoden) beginnen mit einer Hartree-Fock elektronische Korrelation. Da diese Methoden an die Grenze gedrängt werden, nähern sie sich der genauen Lösung der nicht-relativistischen Schrödinger-Gleichung. Um eine genaue Übereinstimmung mit dem Experiment zu erzielen, muss relativistisch einbezogen werden und Spin -Orbit Begriffe, die beide für schwere Atome weitaus wichtiger sind. Bei all diesen Ansätzen ist es zusammen mit einer Auswahl der Methode erforderlich, a zu wählen Basissatz. Dies ist eine Reihe von Funktionen, die normalerweise auf den verschiedenen Atomen im Molekül zentriert sind, die verwendet werden, um die molekularen Orbitale mit dem zu erweitern lineare Kombination von Atomorbitalen (LCAO) Molekulare Orbitalmethode Ansatz. Ab initio -Methoden müssen ein Theoriestufe (die Methode) und einen Basissatz definieren.

Die Hartree -Fock -Wellenfunktion ist eine einzelne Konfiguration oder Determinante. In einigen Fällen, insbesondere bei bindungsbrechenden Prozessen, ist dies unzureichend und mehrere Konfigurationen muss benutzt werden. Hier werden die Koeffizienten der Konfigurationen und der Basisfunktionen zusammen optimiert.

Die gesamte molekulare Energie kann als Funktion der bewertet werden Molekulargeometrie; Mit anderen Worten, die potentielle Energieoberfläche. Eine solche Oberfläche kann für die Reaktionsdynamik verwendet werden. Die stationären Punkte der Oberfläche führen zu Vorhersagen verschiedener Isomere und die Übergangsstrukturen Für die Umwandlung zwischen Isomeren, diese können jedoch ohne vollständige Kenntnis der vollständigen Oberfläche bestimmt werden.

Ein besonders wichtiges Ziel, das als Computer bezeichnet wird Thermochemie, ist, thermochemische Mengen wie die zu berechnen Enthalpie der Formation zur chemischen Genauigkeit. Chemische Genauigkeit ist die Genauigkeit, die für die Erbringung von realistischen chemischen Vorhersagen erforderlich ist, und wird allgemein als 1 kcal/mol oder 4 kJ/mol angesehen. Um diese Genauigkeit auf wirtschaftliche Weise zu erreichen, ist es notwendig, eine Reihe von Methoden zwischen Post-Hartree-Fock-Methoden zu verwenden und die Ergebnisse zu kombinieren. Diese Methoden werden genannt Quantenchemie -Verbundmethoden.

Funktionsmethoden der Dichte

Dichtefunktionale Theorie (DFT) -Methoden werden häufig als zutreffend angesehen ab Initio -Methoden zur Bestimmung der molekularen elektronischen Struktur, obwohl viele der häufigsten Funktionale Verwenden Sie Parameter aus empirischen Daten oder aus komplexeren Berechnungen. In DFT wird die Gesamtenergie in Bezug auf die Gesamteinheit ausgedrückt.Elektronendichte eher als die Wellenfunktion. Bei dieser Art der Berechnung gibt es eine ungefähre Hamiltonian und ein ungefährer Ausdruck für die Gesamtelektronendichte. DFT -Methoden können für kleine Rechenkosten sehr genau sein. Einige Methoden kombinieren die Funktionsaustauschfunktional der Dichte mit dem Hartree -Fock -Exchange -Begriff und werden bezeichnet Hybridfunktional Methoden.

Halbempirische Methoden

Semi-empirisch Quantenchemie Methoden basieren auf der HARTREE -FOCK -Methode Formalismus, aber viele Näherungen machen und einige Parameter aus empirischen Daten erhalten. Sie waren sehr wichtig in der Computerchemie von den 60ern bis in die 90er Jahre, insbesondere bei der Behandlung großer Moleküle, bei denen die vollständige Hartree -Fock -Methode ohne Annäherungen zu kostspielig war. Die Verwendung empirischer Parameter scheint eine gewisse Einbeziehung von Korrelationseffekten in die Methoden zu ermöglichen.

Primitive semi-empirische Methoden wurden schon vor dem Zwei-Elektronen-Teil des Hamiltonian ist nicht explizit enthalten. Für π-Elektronensysteme war dies das Hückel -Methode vorgeschlagen von Erich Hückelund für alle Valenzelektronensysteme die Erweiterte Hüchkel -Methode vorgeschlagen von Roald Hoffmann. Manchmal werden Hüchkel -Methoden als "völlig emporisch" bezeichnet, weil sie nicht von einem Hamiltonianer stammen.[15] Der Begriff "empirische Methoden" oder "empirische Kraftfelder" wird jedoch normalerweise zur Beschreibung der molekularen Mechanik verwendet.[16]

Molekulare Mechanik

In vielen Fällen können große molekulare Systeme erfolgreich modelliert werden und gleichzeitig quantenmechanische Berechnungen vollständig vermeiden. Molekulare Mechanik Simulationen verwenden beispielsweise einen klassischen Ausdruck für die Energie einer Verbindung, zum Beispiel die harmonischer Oszillator. Alle in den Gleichungen auftretenden Konstanten müssen zuvor aus experimentellen Daten oder ausgewählt werden ab Initio Berechnungen.

Die Datenbank von Verbindungen, die für die Parametrisierung verwendet werden, d. H. Der resultierende Satz von Parametern und Funktionen wird als die genannt Kraftfeldist entscheidend für den Erfolg der Berechnungen der molekularen Mechanik. Ein Kraftfeld, das gegen eine bestimmte Klasse von Molekülen parametriiert ist, beispielsweise Proteine, wird voraussichtlich nur bei der Beschreibung anderer Moleküle derselben Klasse relevant sein.

Diese Methoden können auf Proteine ​​und andere große biologische Moleküle angewendet werden und ermöglichen Untersuchungen des Ansatzes und der Wechselwirkung (Docking) potenzieller Arzneimittelmoleküle.[17][18]

Methoden für Feststoffe

Computerchemische Methoden können an angewendet werden Festkörperphysik Probleme. Die elektronische Struktur eines Kristalls wird im Allgemeinen durch a beschrieben Bandstruktur, was die Energien von Elektronenorbitalen für jeden Punkt in der definiert Brillouin -Zone. Ab initio und semi-empirische Berechnungen ergeben Orbitalenergien; Daher können sie auf Bandstrukturberechnungen angewendet werden. Da es zeitaufwändig ist, die Energie für ein Molekül zu berechnen, ist es noch zeitaufwändiger, sie für die gesamte Liste der Punkte in der Brillouin-Zone zu berechnen.

Chemische Dynamik

Einmal die elektronische und Nuklear Variablen sind getrennt (Innerhalb der Repräsentation geborener Oppenheimer), im zeitabhängigen Ansatz, der Wellenpaket entsprechend dem Atomwesen Freiheitsgrade wird über die propagiert Zeitentwicklung Operator (Physik) mit dem zeitabhängigen Verhältnis verbunden Schrödinger Gleichung (für die volle Molekular Hamiltonian). In dem komplementär Der energieabhängige Ansatz wird die zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung unter Verwendung der gelöst Streutheorie Formalismus. Das Potenzial, das die interatomare Wechselwirkung darstellt Potentielle Energieflächen. Im Allgemeinen die Potentielle Energieflächen werden über die gekoppelt Vibronische Kopplung Bedingungen.

Die beliebtesten Methoden zur Verbreitung der Wellenpaket verbunden mit dem Molekulargeometrie sind:

Molekulare Dynamik

Die molekulare Dynamik (MD) verwenden entweder Quantenmechanik, Molekulare Mechanik oder ein Mischung aus beiden Berechnung von Kräften, die dann zur Lösung verwendet werden Newtons Bewegungsgesetze Untersuchung des zeitabhängigen Verhaltens von Systemen. Das Ergebnis einer molekularen Dynamiksimulation ist eine Flugbahn, die beschreibt, wie die Position und Geschwindigkeit der Partikel mit der Zeit variiert. Der Phasenpunkt eines Systems, das von den Positionen und dem Impulse aller Partikel zu einem früheren Zeitpunkt beschrieben wird, bestimmt den nächsten Zeitpunkt der Zeit, indem sie über die Bewegungsgesetze von Newton integriert werden.

Monte Carlo

Monte Carlo (MC) generiert Konfigurationen eines Systems, indem zufällige Änderungen an den Positionen seiner Partikel zusammen mit ihren Orientierungen und Konformationen gegebenenfalls vorgenommen werden. Es handelt sich um eine zufällige Stichprobenmethode, die die sogenannte Verwendung verwendet Wichtigkeitsabtastung. Wichtige Stichprobenmethoden können niedrige Energiezustände erzeugen, da die Eigenschaften genau berechnet werden können. Die potentielle Energie jeder Konfiguration des Systems kann zusammen mit den Werten anderer Eigenschaften aus den Positionen der Atome berechnet werden.[19]

Quantenmechanik/Molekularmechanik (QM/mm)

QM/mm ist eine Hybridmethode, die versucht, die Genauigkeit der Quantenmechanik mit der Geschwindigkeit der molekularen Mechanik zu kombinieren. Es ist nützlich, um sehr große Moleküle zu simulieren, wie z. Enzyme.

Interpretation der Molekularwellenfunktionen

Das Atome in Molekülen (Qtaim) Modell von Richard Bader wurde entwickelt, um das quantenmechanische Modell eines Moleküls als elektronische Wellenfunktion effektiv mit chemisch nützlichen Konzepten wie Atomen in Molekülen, funktionellen Gruppen, Bindung, der Theorie von zu verbinden Lewis Paare, und die Valenzbindungsmodell. Bader hat gezeigt, dass diese empirisch nützlichen Chemiekonzepte mit dem zusammenhängen können Topologie der beobachtbaren Ladungsdichteverteilung, ob aus einer quantenmechanischen Wellenfunktion gemessen oder berechnet. Die QTAIM -Analyse von molekularen Wellenfunktionen wird beispielsweise in der Implementierung implementiert AIMALL Softwarepaket.

Softwarepakete

Es gibt viele autarke Computerchemie-Softwarepakete. Einige umfassen viele Methoden, die einen weiten Bereich abdecken, während andere sich auf einen sehr bestimmten Bereich oder sogar auf eine Methode konzentrieren. Details der meisten von ihnen finden Sie in:

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Smith, S. J.; Sutcliffe, B. T. (1997). "Die Entwicklung der Computerchemie im Vereinigten Königreich". Bewertungen in der Computerchemie. 10: 271–316.
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Allgemeine Bibliographie

Spezielle Zeitschriften zur Computerchemie

Externe Links