Moderne Computerchemie verbindet echtes quantenmechanisches Verständnis auf molekularer Ebene mit heuristischen Betrachtungsweisen, um dadurch experimentelle Voraussagen treffen zu können. Sie ist im Hinblick auf Fragen der Nachhaltigkeit und Effizienz mittlerweile zu einem unverzichtbaren Werkzeug der gegenwärtigen naturwissenschaftlichen Forschung avanciert.
Präzise. Effizient. Berechnend. RISCC.
Anlass genug für uns, den Dingen auf den Grund zu gehen…
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Quantenchemische und molekulardynamische Berechnungen
Ein fundiertes Verständnis komplexer chemischer und biochemischer Systeme in Forschung und Industrie kann grundsätzlich nur auf molekularer Ebene erfolgen. Während qualitative und semi-quantitative Faustregeln und Mnemotechniken hierbei allenfalls eine erste grobe Abschätzung erlauben, erschließen sich viele charakteristische molekulare Eigenschaften erst aus quantenmechanischer Perspektive. Wir wenden je nach Bedarf aktuelle Methoden aus dem Spektrum der ab initio und semi-empirischen computerchemischen Verfahren (DFT, Wellenfunktions-basierte Ansätze und multikonfigurationelle Verfahren, CI, CASSCF, CASPT2 usw.) zur Klärung konkreter Fragestellungen an. Zeit- und kostenintensive herkömmliche experimentelle Forschung erfährt dadurch eine substanzielle Optimierung und Steigerung der Produktivität.
Strukturaufklärung in molekularen Systemen
Ob Kristallstruktur oder Nahordnungsphänomene in Flüssigkeiten und Lösungsmittelumgebungen – geometrische Anordnung und funktionelle Aktivität von chemischen Verbindungen bilden ein komplexes Gesamtphänomen, dessen Verständnis sich oftmals herkömmlicher spektroskopischer Betrachtung entziehen kann. Wir schaffen durch präzise und verlässliche Optimierung struktureller Parameter Klarheit in Bezug auf Substitution, Stereochemie, intra- und intermolekulare Wechselwirkungen, relative Orientierungen und mögliche Packungseffekte. Übersichtlich und transparent, problembezogen und ausgewogen.
Thermodynamische Bewertung von Reaktionen
Die Bewertung thermodynamischer Reaktionsprofile (ΔG oder ΔH) gehört zum Standardrepertoire unserer quantenchemischen Analysestrategien. Durch die Ergründung relativer Stabilitäten lassen sich wertvolle Informationen hinsichtlich optimaler Reaktionsführung, möglicher alternativer Reaktionspfade, konkurrierender Nebenreaktionen, Katalysestrategien und Auswirkungen variabler Parameter (Solvenzien, Temperatureinstellungen etc.) gewinnen. Durch ein Gesamtverständnis chemischer Reaktionen auf Grundlage ein- und mehrdimensionaler Energiepotentialflächen ist es möglich, die laborchemische und industrielle Synthese vielversprechender Zielverbindungen effektiv vorherzusagen und effizienzsteigernd zu verfeinern.
Reaktionsmechanismen
Mechanistische Betrachtungen rücken stets in den Vordergrund, wenn empirische Produktausbeuten und Produktkonfigurationen in offensichtlichem Konflikt stehen mit antizipierten Reaktionsabläufen und getroffen Vorhersagen. Abhilfe kann hierbei die spezifische Aufklärung neuralgischer Zwischenschritte und Übergangszustände schaffen, um für ein umfängliches Bild der Reaktionskaskade zu sorgen. Zumeist stößt die konventionelle chemische Forschung an ihre Grenzen. Computerchemische Ansätze erlauben auf kreative und innovative Weise die Modellierung möglicher Reaktionspfade und eröffnen somit ein fundamentales Verständnis chemischer Reaktivität, spezifischer Chemoselektivität, katalytischer Wirkweisen und konkurrierender Nebenreaktionen.
Molekulare Spektroskopie
Die rasanten Entwicklungen im Bereich der experimentellen Spektroskopie, insbesondere hinsichtlich der ultraschnellen Femtosekunden-Zeitskalenprozesse, erlauben ein immer detailliertes Vordringen in die Echtzeitüberwachung chemischer Reaktionen und Reorganisierungsprozesse in molekularen Systemen. Vielfach kann hierbei die Computerchemie als unterstützendes Element zur Rationalisierung und mechanistischen Aufklärung beitragen, um Befunde der modernen UV-, IR- oder Raman-Spektroskopie einzuordnen. Die Vorhersage von NMR-, EPR-, ECD- und XRD-Spektren gehört selbstverständlich ebenfalls zu unserem Standardrepertoire.
Chemoinformatik und Bioinformatik
Interdisziplinäre Beschaffung, Verwaltung und Rationalisierung von Datenströmen gehört mittlerweile routinemäßig zur naturwissenschaftlichen Forschungsarbeit dazu. Wir bieten pragmatische Schützenhilfe und behalten auch auf dem Gebiet der „Big Data“-Anwendungen den Überblick in Fragen der computergestützten Sequenz- und Genomanalyse, Codierung chemischer Strukturinformation und Datenbankhandling.
Quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehung (QSAR) haben wir dabei ebenso im Blick wie Anwendungen des Dockings und Modelings im Bereich des modernen Wirkstoffdesigns.
Standardverfahren in unserem „Methodenpool“:
- Dichtefunktionaltheorie (DFT)
- ab initio Wellenfunktionsmethoden
- multikonfigurationelle Behandlung (CASSCF, MCSCF)
- korrelierte Methoden (Coupled Cluster CC, Configuration Interaction, CI)
- störungstheoretische Erweiterungen
- semi-empirische Methoden
- Quantendynamik (QD)
- Molekulardynamik (MD)
- gemischt quanten-klassische Verfahren (QM/MM)