Quantenchemie

Quantenchemie ist der Zweig der Chemie, der Prinzipien der Quantenmechanik auf molekulare Systeme anwendet, um Struktur, Eigenschaften und Reaktionen chemischer Verbindungen aus der Elektronenstruktur abzuleiten. Typischerweise wird die Bewegung der Kerne durch die Born-Oppenheimer-Approximation von der Elektronenbewegung getrennt, sodass die Elektronendichte und die Orbitalstrukturen durch Lösung der elektronischen Schrödinger-Gleichung bestimmt werden.

Die Methodik umfasst verschiedene Ansätze. Ab-initio-Verfahren wie Hartree-Fock liefern erste Näherungen, während post-HF-Verfahren wie Konfigurationswechselwirkung (CI), Møller–Plesset-Theorie (MPn) und das Coupled-Cluster-Verfahren (CC) die Elektronenkorrelation genauer beschreiben. Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet Funktionale zur Beschreibung der Elektronendichte und bietet oft ein günstiges Verhältnis von Genauigkeit und Rechenaufwand. Semi-empirische Methoden vereinfachen Teile der Wechselwirkungen. Für Anregungen werden zeitabhängige DFT (TD-DFT) und verwandte Ansätze eingesetzt. In der Praxis spielen die Wahl eines geeigneten Basis-Sets und gegebenenfalls effektive Kernpotentiale eine Rolle; relativistische Effekte bei schweren Elementen lassen sich durch die Douglas-Kroll-Hess-Transformation oder ZORA berücksichtigen.

Quantenchemie wird eingesetzt, um Molekülstrukturen zu optimieren, Reaktionsenergien und Reaktionspfade zu berechnen sowie Spektren und dynamische Eigenschaften zu prognostizieren. Sie unterstützt die organische und anorganische Chemie, die Katalyse, Materialwissenschaften sowie die Biochemie, beispielsweise bei Enzymreaktionen, Photochemie und der Entwicklung neuer Materialien.

Zu den wesentlichen Grenzen gehören der hohe Rechenaufwand und Skalierungsprobleme; HF vernachlässigt Elektronenkorrelation, während DFT von der Qualität der Funktionale abhängt und Dispersionseffekte nicht immer zuverlässig beschreibt. Gängige Softwarepakete umfassen Gaussian, ORCA, NWChem, Q-Chem, PSI4 und Turbomole.