Quantum Chemistry

1.) Entwicklung neuer Elektronenstrukturmethoden:

a.) Dichtefunktionaltheorie

Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet ein Funktional der Elektronendichte und nicht die aufwändiger zu beschreibende Wellenfunktion von Elektronen eines Atoms. Als eine der am häufigsten benutzten Methoden in der Quantenchemie und Festkörperphysik beruht daher auf der DFT. Ein exaktes Dichtefunktional, welches zur Lösung der Schrödinger-Gleichung führt, ist jedoch leider unbekannt, deshalb kann man es nur näherungsweise unter Benutzung empirischer Parameter beschreiben.

Das BMK (Boese-Martin for Kinetics)-Funktional ist mittlerweile 10 Jahre alt und mit über 650 Zitationen wird in einem der häufigsten zitierten Artikel in unserem Fachgebiet vorgestellt. Umso mehr überrascht es, dass es auf diesem Gebiet kaum Folgearbeiten gibt. Für die meisten Funktionale sind die intermolekularen (Molekül-Molekül) Wechselwirkungen die größte Hürde, weshalb unser Ziel darin besteht, ein neues Funktional unter besonderer Berücksichtigung dieser Konditionen zu entwickeln.

b.) Symmetrieadaptierte Störungstheorie

Eine Methode, die häufig speziell für intermolekulare Wechselwirkungen verwendet wird, beruht auf der symmetrieadaptierten Störungstheorie. Sie benutzt für die Berechnung der Einzelmoleküle die Dichtefunktionaltheorie, die in Ermangelung einer exakten Beschreibung des Dichtefunktionals auf empirischen Parametern beruht. Um die Benutzung des empirischen Dichtefunktionales zu umgehen, könnte man an dieser Stelle die Elektronendichten weitgehend unabhängiger Methoden verwenden.

c.) Einbettungsverfahren

Um größere Moleküle oder auch einen Festkörper zu berechnen, sind wir dabei, Verfahren zu entwickeln, die Teile der Moleküle oder des Festkörpers in eine ungenauere Methode „einbetten“. So können die relevanten Molekül-Molekül Wechselwirkungen, wie unter Punkt b. dargestellt, sehr genau bestimmt werden, während andere Wechselwirkungen, für die eine exakte Beschreibung nicht von Bedeutung ist, mit weniger aufwändigen Methoden erfasst werden. Würde man die exakten Methoden für das komplette System verwenden, könnte der Auswand leicht die rechnerischen Kapazitäten und Zeiten überschreiten.

Für Molekülkristalle ist solch eine Methode besonders von Bedeutung, da hier solch eine Einbettung von genauen quantenchemischen Berechnungen in ungenauere Methoden sogar automatisierbar sein könnte. Die Erfahrung zeigt, dass sich oft bei der Berechnung eines Molekülkristalls mit zunehmend genaueren und damit aufwändigeren Methoden nur noch bestimmte Regionen verändern, während andere invariant bleiben. Definiert man dafür Regeln, kann sehr viel Aufwand vermieden werden, ohne dabei an Genauigkeit zu verlieren. Andererseits können bei gleich bleibenden Aufwand an Zeit und Kapazität bedeutend größere Systeme berechnet werden.

2.) Anwendungen quantenchemischer Berechnungen auf kristalline Festkörper

a.) Quantenchemische Methoden und Methoden der Festkörperphysik

Hier sollen vor allem die entwickelten Methoden in verschiedenen Gebieten Anwendungen finden und getestet werden. Mehr als 750.000 Kristallstrukturen organischer Moleküle sind heute in der Cambridge Structural Database (CSD) bekannt und dennoch sind bislang alle Bemühungen gescheitert, die Kristallpackung eines Moleküls theoretisch sicher vorherzusagen. Zwei Gründe gibt es dafür im Wesentlichen, es ist die genaue Berechnung einer Vielzahl möglicher stabiler Kristallpackungen und die Entstehung eines Molekülkristalls durch die Simulation beim Wachsen von einzelnen Gruppierungen (Clustern) über embryonale Keime und überkritische Keime bis zum Kristall.

b.) Hydrate

Ein äußerst aktives Gebiet der experimentellen Forschung beschäftigt sich derzeit mit Gashydraten. Diese haben eine enorme ökonomische und ökologische Bedeutung, wobei hier ein Querbezug zu dem Forschungsschwerpunkt „Umwelt und globaler Wandel“ zu sehen ist.

Kristallisiert man organische Verbindungen mit wenig Wasser, so können zunächst Hydrate entstehen, bei denen Wasser als ‚Kitt‘ die organischenMoleküle verbrückt. Ein zunehmender Wassergehalt kann schließlich zu der Situation führen, in der eisähnliche Kristalle entstehen, in denen die Wassermoleküle miteinander verbrückt sind und die organischen Moleküle als Gäste in Hohlräume eingelagert sind. Solche Clathrate, als ‚Gashydrate‘ bezeichnet, wenn Methan eingelagert ist, sind in enormen Mengen vor allem am Meeresboden zu finden.

Wir berechnen verschiedenste Hydrate, den Übergang zu Clathraten und deren Möglichkeit, bestimmte Gast-Moleküle auszutauschen.

c.) Polymorphie und Mehrkomponentenkristalle

Weitere Gebiete mit Anwendungen im pharmazeutischen Bereich bedürfen ebenfalls der Berechnung von Molekülkristallen, es sind die Polymorphie und von Mehr­komponenten­kristallen. Derselbe Wirkstoff kann in verschiedenen Kristallpackungen existieren (Polymorphie) oder mit anderen Komponenten in demselben Kristall gemeinsam kristallisieren (Mehrkomponentenkristalle). Sind sie erst einmal als Tablette im Körper aufgelöst, ist die Wirkung die gleiche.

Aber die Kristallpackungen und deren Energien bestimmen die physikochemischen Eigenschaften der kristallinen Wirkstoffe, z.B. die Löslichkeit bzw. Auflösungs­geschwindigkeit, die Lager­fähigkeit, Tablettierbarkeit und vieles mehr.

Die genaue Berechnung der Packungsenergie kristalliner pharmazeutischer Wirkstoffe steht derzeit im Vordergrund unserer Arbeiten, wobei in Zukunft auch Methoden entwickelt werden sollen, die das Kristallwachstum simulieren.