Theoretische Chemie

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Was ist theoretische Chemie?

Die theoretische Chemie (TC) verknüpft die Kernwissenschaften Chemie, Physik und Mathematik mit der Informatik. Sie beschreibt Stoffeigenschaften und chemische Prozesse ausgehend von den fundamentalen Naturgesetzen. Hierbei ist die Quantenmechanik eine unverzichtbare Grundlage für das Verständnis von Struktur, Reaktivität, Dynamik und vieler anderer Eigenschaften. Kombiniert mit Methoden der Statistischen Physik eröffnet sich das Gebiet molekulardynamischer Simulationen. Werden quantenchemische Verfahren direkt zur Berechnung von Kräften zwischen Atomen verwendet (auch ab-initio-Moleküldynamik genannt), erlauben derartige Simulationen einen direkten Zugang zur Dynamik und Thermodynamik komplexer Prozesse. Bei der Untersuchung sehr großer Moleküle, beispielsweise aus der Biochemie, Polymerchemie oder Materialchemie, werden die quantenchemischen Methoden oft durch vereinfachte Modelle, sogenannte molekularmechanische Kraftfelder, ergänzt oder ersetzt.

Die Grundlagen der Quantenmechanik gehören zum Standardprogramm jedes Bachelorstudiums der Chemie. An vielen Universitäten sind Vorlesungen und Praktika in theoretischer Chemie entweder Pflicht oder sie werden mindestens als Wahlfach angeboten.

Ähnlich den experimentellen Laborpraktika als zentralem Baustein der chemischen Ausbildung werden in der theoretischen Chemie häufig Computerpraktika angeboten, die Grundkenntnisse der Methodik, der Programmierung sowie der Anwendung entsprechende Programmpakete vermitteln. Letzteres wird auch als „Computerchemie“ oder gängiger als „Computational Chemistry“ bezeichnet. Dabei werden Simulationen auf dem Computer durchgeführt, die Einblicke in chemische Eigenschaften und Prozesse erlauben. Solche Computermethoden werden nicht nur immer stärker in der akademischen Forschung, sondern auch zunehmend in der chemischen und pharmazeutischen Industrie angewandt, oft in Kombination mit Verfahren der Chemieinformatik und des maschinellen Lernens.

Die Bedeutung der theoretischen Chemie hat aufgrund der rasanten Entwicklungen über die letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da nicht nur die Berechnungsmethoden immer besser, sondern auch die Computer für die sehr aufwändigen Berechnungen immer schneller wurden und auch weiterhin werden. 

Einführung in die Computerchemie

In dem Modul „Einführung in die Computerchemie“ der CAU Kiel sollen die Studierenden unter weitestgehender Umgehung mathematischer Details einen exemplarischen aber gleichwohl realistischen Eindruck davon erhalten, was mit modernen molekülmechanischen und quantenchemischen Verfahren berechenbar ist, wie hoch der Rechenaufwand dafür ist, welche prinzipiellen Näherungen man dabei macht und wie genau die Resultate sind. Sie sollen in die Lage versetzt werden, Eigenschaften kleinerer Moleküle vorherzusagen, sowie Reaktionen und Energiehyperflächen mit einfachen Standardmethoden zu berechnen. Die Nutzung von Datenbanken zur Literaturrecherche und zur Suche von Spektren ist ebenfalls Ziel der Einführung.

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