quantenchemische

Quantenchemie bezeichnet ein Teilgebiet der theoretischen Chemie, das die Gesetze der Quantenmechanik anwendet, um die elektronische Struktur, Eigenschaften und Reaktivität von Molekülen zu erklären. Sie verbindet Konzepte aus der Quantenphysik mit chemischen Fragestellungen und liefert reproduzierbare Vorhersagen über Geometrien, Bindungen, Reaktionspfade und Spektren.

Historisch entwickelte sich die Quantenchemie aus der Quantenmechanik und der Molekülorbitaltheorie. Wichtige Meilensteine sind die Hartree-Fock-Methode, die Entwicklung der Møller–Plesset-Korrekturen sowie die Einführung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und post-Hartree-Fock-Verfahren wie CCSD(T). In der Praxis verwendet man eine Bandbreite quantenchemischer Methoden, von ab initio Ansätzen bis hin zu DFT, oft in hybriden oder Meta-GGA-Varianten.

Zu den quantenchemischen Methoden gehören ab initio Verfahren (z. B. HF, MP2, CCSD(T)) und DFT sowie deren Erweiterungen. Anwendungsgebiete umfassen die Vorhersage von Molekülgeometrien, Bindungsenergien, Reaktionsenergien und -barrieren, sowie die Berechnung von Vibrations- und Spektraleigenschaften (IR, NMR, UV/Vis). Sie dienen der Unterstützung in Bereichen wie organischer und anorganischer Chemie, Katalyse, Materialwissenschaften und Biochemie.

Herausforderungen sind die hohe Rechenleistung bei größeren Systemen, die Abhängigkeit von geeigneten Basissätzen, methodische Fehlerquellen und Ungenauigkeiten von DFT bei bestimmten Reaktionen. Aktuelle Trends umfassen QM/MM-Ansätze zur Einbeziehung der Umgebungswechselwirkungen sowie maschinelles Lernen zur Beschleunigung von Berechnungen und Verbesserung von Austausch- oder Potenzialfunktionen.