Theoretische Chemie - Theoretical chemistry

J. van 't Hoff (1852–1911), der erste Träger des Chemie-Nobelpreises , gilt weithin als einer der brillantesten theoretischen Chemiker der Geschichte.

Theoretische Chemie ist der Zweig der Chemie, der theoretische Verallgemeinerungen entwickelt, die Teil des theoretischen Arsenals der modernen Chemie sind: zum Beispiel die Konzepte der chemischen Bindung, der chemischen Reaktion, der Valenz, der Oberfläche der potentiellen Energie, der Molekülorbitale, der Orbitalwechselwirkungen und des Moleküls Aktivierung.

Überblick

Theoretische Chemie vereint Prinzipien und Konzepte, die allen Teilgebieten der Chemie gemein sind. Im Rahmen der Theoretischen Chemie erfolgt eine Systematisierung chemischer Gesetze, Prinzipien und Regeln, deren Verfeinerung und Detaillierung, der Aufbau einer Hierarchie. Den zentralen Platz in der theoretischen Chemie nimmt die Lehre vom Zusammenhang von Struktur und Eigenschaften molekularer Systeme ein. Es verwendet mathematische und physikalische Methoden, um die Strukturen und Dynamik chemischer Systeme zu erklären und ihre thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften zu korrelieren, zu verstehen und vorherzusagen. Im allgemeinsten Sinne ist es die Erklärung chemischer Phänomene durch Methoden der theoretischen Physik . Im Gegensatz zur theoretischen Physik verwendet die theoretische Chemie im Zusammenhang mit der hohen Komplexität chemischer Systeme neben approximativen mathematischen Methoden häufig semiempirische und empirische Methoden.

In den letzten Jahren bestand sie hauptsächlich aus der Quantenchemie , dh der Anwendung der Quantenmechanik auf Probleme der Chemie. Weitere wichtige Komponenten sind Molekulardynamik , statistische Thermodynamik und Theorien zu Elektrolytlösungen , Reaktionsnetzwerken , Polymerisation , Katalyse , Molekularmagnetismus und Spektroskopie .

Die moderne theoretische Chemie kann grob in das Studium der chemischen Struktur und das Studium der chemischen Dynamik unterteilt werden. Ersteres umfasst Studien zu: elektronischer Struktur, potentiellen Energieflächen und Kraftfeldern; Vibrations-Rotations-Bewegung; Gleichgewichtseigenschaften von kondensierten Phasensystemen und Makromolekülen. Die chemische Dynamik umfasst: bimolekulare Kinetik und die Kollisionstheorie von Reaktionen und Energieübertragung; unimolekulare Geschwindigkeitstheorie und metastabile Zustände; kondensierte Phase und makromolekulare Aspekte der Dynamik.

Zweige der Theoretischen Chemie

Quantenchemie
Die Anwendung der Quantenmechanik oder fundamentaler Wechselwirkungen auf chemische und physikalisch-chemische Probleme. Spektroskopische und magnetische Eigenschaften gehören zu den am häufigsten modellierten.
Computerchemie
Die Anwendung des wissenschaftlichen Rechnens auf die Chemie, einschließlich Näherungsschemata wie Hartree-Fock , Post-Hartree-Fock , Dichtefunktionaltheorie , semiempirische Methoden (wie PM3 ) oder Kraftfeldmethoden . Die Molekülform ist die am häufigsten vorhergesagte Eigenschaft. Computer können auch Schwingungsspektren und vibronische Kopplung vorhersagen, aber auch Infrarotdaten erfassen und in Frequenzinformationen Fourier umwandeln. Der Vergleich mit vorhergesagten Schwingungen unterstützt die vorhergesagte Form.
Molekulare Modellierung
Methoden zur Modellierung molekularer Strukturen, ohne unbedingt auf die Quantenmechanik zu verweisen. Beispiele sind molekulares Andocken , Protein-Protein-Andocken , Wirkstoffdesign , kombinatorische Chemie . Die Anpassung von Form und elektrischem Potenzial sind der treibende Faktor bei diesem grafischen Ansatz.
Molekulardynamik
Anwendung der klassischen Mechanik zur Simulation der Bewegung der Kerne einer Anordnung von Atomen und Molekülen. Die Umlagerung von Molekülen innerhalb eines Ensembles wird durch Van-der-Waals-Kräfte gesteuert und durch die Temperatur gefördert.
Molekularmechanik
Modellierung der intra- und intermolekularen Wechselwirkungspotential- Energieflächen über Potentiale. Letztere werden üblicherweise aus Ab-initio-Rechnungen parametrisiert.
Mathematische Chemie
Diskussion und Vorhersage der molekularen Struktur mit mathematischen Methoden, ohne sich unbedingt auf die Quantenmechanik zu beziehen. Topologie ist ein Zweig der Mathematik, der es Forschern ermöglicht, Eigenschaften von flexiblen Körpern endlicher Größe wie Clustern vorherzusagen .
Theoretische chemische Kinetik
Theoretische Untersuchung der dynamischen Systeme reaktiver Chemikalien , des aktivierten Komplexes und der entsprechenden Differentialgleichungen .
Cheminformatik (auch Chemoinformatik genannt )
Der Einsatz von Computer- und Informationstechniken, die auf Pflanzeninformationen angewendet werden, um Probleme im Bereich der Chemie zu lösen.:
Chemieingenieurwesen
Die Anwendung der Chemie auf industrielle Prozesse zur Durchführung von Forschung und Entwicklung . Dies ermöglicht die Entwicklung und Verbesserung neuer und bestehender Produkte und Herstellungsverfahren .

Eng verwandte Disziplinen

Historisch gesehen liegt das Hauptanwendungsgebiet der Theoretischen Chemie in den folgenden Forschungsgebieten:

  • Atomphysik : Die Disziplin, die sich mit Elektronen und Atomkernen befasst.
  • Molekularphysik : Die Disziplin der Elektronen, die die Molekülkerne umgeben, und der Bewegung der Kerne. Dieser Begriff bezieht sich normalerweise auf die Untersuchung von Molekülen, die aus wenigen Atomen in der Gasphase bestehen. Einige meinen jedoch, dass die Molekularphysik auch das Studium der Masseneigenschaften von Chemikalien in Bezug auf Moleküle ist.
  • Physikalische Chemie und chemische Physik : Chemie, die mit physikalischen Methoden wie Lasertechniken , Rastertunnelmikroskop usw. untersucht wird. Die formale Unterscheidung zwischen beiden Gebieten besteht darin, dass die physikalische Chemie ein Zweig der Chemie ist, während die chemische Physik ein Zweig der Physik ist. In der Praxis ist diese Unterscheidung recht vage.
  • Vielteilchentheorie : Die Disziplin, die die Effekte untersucht, die in Systemen mit einer großen Anzahl von Bestandteilen auftreten. Es basiert auf der Quantenphysik – meist dem zweiten Quantisierungsformalismus – und der Quantenelektrodynamik .

Daher hat sich die Theoretische Chemie als Forschungszweig herausgebildet. Mit dem Aufkommen der Dichtefunktionaltheorie und anderer Methoden wie der Molekularmechanik wurde der Anwendungsbereich auf chemische Systeme ausgedehnt, die für andere Bereiche der Chemie und Physik relevant sind, einschließlich der Biochemie , der Physik der kondensierten Materie , der Nanotechnologie oder der Molekularbiologie .

Siehe auch

Literaturverzeichnis

  • Attila Szabo und Neil S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory , Dover Publications; Neuausgabe (1996) ISBN  0-486-69186-1 , ISBN  978-0-486-69186-2
  • Robert G. Parr und Weitao Yang, Density-Functional Theory of Atoms and Molecules , Oxford Science Publications; Erstveröffentlichung 1989; ISBN  0-19-504279-4 , ISBN  0-19-509276-7
  • DJ Tannor, V. Kazakov und V. Orlov, Control of Photochemical Branching: Novel Procedures for Finding Optimal Pulses and Global Upper Bounds, in Time Dependent Quantum Molecular Dynamics, J. Broeckhove und L. Lathouwers, Hrsg., 347-360 (Plenum , 1992)