Übersicht über die Methoden der Computerchemie

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 (Detail-Info Dirac, Proc. Roy. Soc. 1929, 123, 7, 4) beschrieben. 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 Detail-Info Molekülmechanik (Kraftfeld). Die Kräfte zwischen Atomen in Molekülen werden durch klassische Potentiale approximiert. Viele Phänomene, wie z.B. chemische Reaktionen (Bindungsbruch und -bildung), Konjugation bzw. Delokalisation, angeregte Zustände usw., die sich nur quantenmechanisch adequat 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 Potentiale entwickelt.

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