Molecular Modelling für Anwender

Computergestützte Chemie ist ein Schlagwort, das häufig durch die chemische Literatur geistert. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, fallen unter diesen Begriff althergebrachte Techniken, die jedem Chemiker wohl vertraut sind, und die er voll in sein normales Arbeiten integriert hat. Dazu gehören Probleme der Datenerfassung und Datenmanipulation mit Spektrometern (typische Beispiele sind NMR- und Massenspektrometer), der Prozesskontrolle (z.B. die Kontrolle der Spektrometer oder die Steuerung industrieller Prozesse), oder auch der statistischen Auswertung von experimentellen Daten. Weniger selbstverständlich ist der Umgang mit Systemen, die chemisches Wissen speichern, seien es nun reine Datenbanken, regelbasierende Systeme, oder der Umgang mit Molecular-Modelling-Systemen.

Molecular Modelling enthält Komponenten, die zum Teil voneinander isoliert betrachtet werden können. Solche Problemkreise sind beispielweise die numerischen Methoden zur Geometrieoptimierung oder zur Lösung von Eigenwert- und Eigenvektorproblemen. Die Optimierungsmethoden finden genau so Anwendungen in der Prozessoptimierung in grosstechnischen Anlagen, der Regelungstechnik oder der Preiskalkulation. Ein zweites Problem stellt die Kommunikation zwischen Benützer und Programmen dar. Diese Kommunikation wird vom Benützerinterface (der sog. Benützeroberfläche) unterstützt. Sie wird durch Pre- und Postprocessing-Einheiten unterstützt, welche helfen, Benützerfragen in programmgerechte Daten umzuformen und umgekehrt. Die meisten grösseren Programmpakete erlauben die Wahl verschiedener physikalischer Modelle für die Simulation molekularer Systeme und ihrer Eigenschaften. Vom Modell unabhängige Aspekte sowie einige grundsätzliche Unterschiede zwischen den Modellwelten werden in diesem Kapitel besprochen. Typische Modelle werden anschliessend in Kapitel 2 behandelt. Zuerst wollen wir uns in Kapitel 1.1 mit den für Molecular Modelling relevanten Aspekten des chemischen Problems beschäftigen. Dies führt uns zum Problem des Zusammenhangs zwischen der geometrischen Struktur eines Moleküls und der damit assoziierten Energie und damit zu den prinzipiellen Problemen mit Energiehyperflächen. Die möglichen Eigenschaften einer Energiehyperfläche wollen wir dann in Kapitel 1.3 benützen, um Vor- und Nachteile mathematischer Methoden für die Geometrieoptimierung zu diskutieren. Dies führt uns zu den Problemen der Optimierung und der Koordinatenwahl. All diese Probleme und Eigenschaften sind unabhängig vom implementierten Modell. In Kapitel 1.4 schliesslich wird etwas ausführlicher auf geometrische Methoden eingegangen, welche in der Lage sind, “vernünftige” Startgeometrien zu erzeugen.

Die Kräfte zwischen Partikeln können in vier Kategorien eingeteilt werden:

Versucht man, ein Problem mit theoretischen Methoden anzugehen, stellen sich einem zu Beginn meist einige Hindernisse in den Weg. Obwohl die hier angesprochenen theoretischen Werkzeuge im Sinne eines Computerexperimentes gebraucht werden sollen, ist gerade die experimentelle Erfahrung des Anwenders oft hinderlich. Das liegt daran, dass für experimentelle, “nasschemische” Zwecke Zugänglichkeit und Lösungseigenschaf ten einer Molekel für die Wahl mitausschlaggebend sind und nicht nur die Frage, ob der zu untersuchende Effekt an diesem Molekül am klarsten zu erkennen ist. Dies führt meist dazu, dass der Anfänger versucht ist, seine Molekel inklusive aller Schutzgruppen zu simulieren. Geschieht die Simulation mit Hilfe eines Kraftfeldmodells, ist dies ohne weiteres möglich. Ist das verwendete Modell jedoch ein MO-Modell, ergeben sich zwei Probleme: Zum einen nimmt die Rechenzeit mit der Grösse des Moleküls stark zu, zum anderen werden die Resultate einer MO-Rechnung mit grösser werdendem Molekül immer schwieriger interpretierbar. Ein erster Schritt für die Modellierung eines Problems besteht deshalb darin, denjenigen Teil des Moleküls zu separieren, welcher von theoretischem Interesse ist. So ist es bei Gasphasenrechnungen vielfach nicht notwendig, die Schutzgruppen miteinzubeziehen. Auch sind Teile des Moleküls, welche vom interessierenden Zentrum weit entfernt sind und auch durch Faltung nicht in Nachbarschaftsbeziehungen treten können, für die Simulation unwichtig. Der zweite Schritt vor der eigentlichen Simulation ist die Festlegung der Art der Argumente, welche in der späteren Diskussion gebraucht werden sollen.