1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 1 Inhalt der Vorlesung „Computational Chemistry“ Inhalt: Beschreibung von Molekülen mit computerbasierten Methoden → insbesondere Moleküleigenschaften : Methoden • Struktur: die Molekülgeometrie Kraftfelder bzw. welche Gestalt haben Moleküle ? Molekülmechanik (MM) Quantenmechanik (QM) • zeitliche Bewegung von Molekülen Moleküldynamik (MD) wie finden Konformationsänderungen statt? • Konformationsraum von Molekülen Energieminimierung welche Anordnungen der Atome sind sinnvoll ? Samplingmethoden • Berechnung von Interaktionsenergien Freie-Energie- Rechnungen wie stark bindet ein Ligand an ein Protein?
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1. Vorlesung SS10Computational Chemistry1 Inhalt der Vorlesung Computational Chemistry Inhalt: Beschreibung von Molekülen mit computerbasierten Methoden.
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1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 1
Inhalt der Vorlesung „Computational Chemistry“Inhalt: Beschreibung von Molekülen mit computerbasierten Methoden
→ insbesondere Moleküleigenschaften: Methoden
• Struktur: die Molekülgeometrie Kraftfelder bzw.
welche Gestalt haben Moleküle ? Molekülmechanik (MM)
Quantenmechanik
(QM)
• zeitliche Bewegung von Molekülen Moleküldynamik (MD)
wie finden Konformationsänderungen statt?
• Konformationsraum von Molekülen Energieminimierung
welche Anordnungen der Atome sind sinnvoll ? Samplingmethoden
• Berechnung von Interaktionsenergien Freie-Energie-Rechnungen
wie stark bindet ein Ligand an ein Protein?
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 2
(1) Docking
(2) Drug Design
Spezielle Lehrveranstaltungen, zum Teil für
den Masterstudiengang
(3) Grundlagen aus der Chemie und physikalischen Chemie:
• Okettregel
• Stöchiometrie
• Thermodynamik (Massenwirkungsgesetz, Hauptsätze der Thermodynamik)
(4) Grundlagen aus der Mathematik (Analysis):
• Ableitungen
• Integrale
Was diese Vorlesung nicht behandelt
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 3
Was ist Computational Chemistry?Computational Chemistry:
Arbeitsgebiet an der Schnittstelle von
theoretischer Chemie,
Molecular Modeling und
struktureller Bioinformatik.
Haupteinsatzbereich von Computational Chemistry:
finde mittels numerischer Rechnungen
Antworten auf chemische Probleme.
→ Vorhersage von Moleküleigenschaften
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 4
Geschichte der Computational Chemistry
Geschichte der Computational Chemistry:
entweder recht lang - wenn man ab der Entwicklung der Quantenmechanik in
den 1920er Jahren als Ursprung der theoretischen Chemie rechnet,
oder recht jung, da genaue Rechnungen an Molekülen mit vielen hundert
Atomen erst seit der Entwicklung moderner, leistungsstarker Computer in den
1980er Jahren möglich sind.
Computerchemie gehörte stets zu den Wissenschaftsgebieten mit den größten
Anforderungen an Rechenleistung.
Ca. 2/3 aller wissenschaftlich genutzten Rechenzeit wird für quantenchemische
Applikationen und Moleküldynamik (MD)-Simulationen verwendet.
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 5
Molekülgeometrie
Bindungslängen oder
BindungsabständeHC C C
C
H
H
H
H
C C
H
H
H
H
C
O
N
H
1.54 Å = 154 pm1.09 Å
109.5°120°
1.34 Å
1.10 Å
180°
C
O
N
H
Bindungswinkel
Torsionswinkel oder
Diederwinkel
(dihedral angles)
H-C-H planarH-C-H tetraedrisch
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 6
Die Valenzelektronen der Atome werden paarweise zu
Bindungen gruppiert
Diese Darstellung als Lewis-Strukturen gibt die kovalenten
Bindungen zwischen den Atomen in einem Molekül wieder
H C
H
H
H
HC C
H
HH
... .
..
..
..
... . . .. .
..C
H
H
H
H
HH
C C
H H
Darstellung chemischer Strukturen (I)
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 7
H N
H
H
..
... . .. H N
H
H
N
H
H
H
Hypervalente Atome kontra Oktettregel
Freie Elektronenpaare, die nicht an einer Bindung beteiligt sind,
(engl.: lone pairs) werden der Übersichtlichkeit halber oft nicht gezeigt
H N
H
HH N
+H
H
H H N+
O
O
O S
O
O
O O P
O
O
O
H C
O
O
+ H+
Identische Bindungslängen trotz
unterschiedlicher Darstellung !
→ mesomere Grenzstrukturen
Darstellung chemischer Strukturen (II)
Welche Bedeutung haben freie Elektronenpaare für Wasserstoffbrückenbindungen?
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 8
Auch Kohlenstoffatome werden häufig weggelassen
→ die Ecken des Molekülgraphs
Ecken und die Enden der Kanten stellen Kohlenstoffatome dar,
die jeweils mit der entsprechenden Anzahl an Wasserstoffatomen
abgesättigt werden.
C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H C
CC
C
CC
H
H
HH
H
H
C
CCC
C
C
H
H
H
H
HH
HH
H
H
H
H
Darstellung chemischer Strukturen (III)
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 9
H
C
CH3
F
Cl
Stereochemie
Keile markieren Bindungen zu Atomen,
die aus der Ebene hervortreten;
gestrichelte Keile solche, die nach hinten
zeigen
H
C
CH3
F
Cl
H
C
CH3Cl
F
Vier verschiedene Substituenten an einem Kohlenstoffatom
bewirken Chiralität
Darstellung chemischer Strukturen (IV)
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 10
Molekülbaukästen
Käuflich in verschiedenen Preisklassen erhältlich
Zum Anfassen
1. Vorlesung SS10 Computational Chemistry 11
N
CH3
N
H
OH
OH
H
Speziell für komplizierte Moleküle sind diese Strukturzeichnungen
einfacher zu interpretieren als Bilder der tatsächlichen
dreidimensionalen Struktur
Fakultative Übung: Bauen Sie dieses Molekül mit Hilfe eines