Chemie 26.11.2004, 18:35 Uhr

Computer ersetzt dem Chemiker das Reagenzglas

Schnelle Rechner helfen dem Chemiker immer besser, Reaktionen zu prüfen oder Strukturen zu erkennen. Berechnungen, die früher viele Stunden dauerten, erledigt moderne Hard- und Software in Minuten.

Als Professor Morton E. Munk von der Arizona State University in Tempe vor etlichen Jahren den renommierten chemischen Fachblättern einen Beitrag über den Einsatz von Computerprogrammen zur Gestaltung von chemischen Verbindungen anbot, erhielt er nur Ablehnungen. Munk ist einer der „Päpste“ der Chemoinformatik und hat seitdem an seiner School of Life Sciences manch weiteres Software-Tool ausgebrütet. „Der Computer macht das Finden von Strukturen schneller“, meint Munk, „und er ist unvoreingenommen.“ Wo der Chemiker mögliche Strukturen ahnt, probiert der Rechner einfach alles durch. Und wo ein in Arizona entwickeltes Programm namens „Cocoa“ noch Stunden braucht, um gängige chemische Verbindungen zu berechnen, da schafft sein Nachfolger „Houdini“ dieselbe Aufgabe in weniger als einer Minute.
„Aufgrund der enormen Steigerung der Rechnerleistung und der algorithmischen Entwicklungen können gute quantenchemische Rechnungen für Moleküle bis zu etwa 40 Atomen heutzutage an einem Tag auf üblicher PC-Hardware durchgeführt werden“, erläutert Andreas Klamt, Chef der Cosmologic in Leverkusen.
Das erst seit knapp fünf Jahren am Markt operierende Softwarehaus stellt eine Methode zur Berechnung thermodynamischer Eigenschaften von Flüssigkeiten zur Verfügung. Verkürzt gesagt geht es dabei darum, einen Stoff wie Dioxin oder Ethanol zu wählen, eine Temperatur und eine Flüssigkeit, in die dieser Stoff eingebracht werden soll, um dann zu sehen, was voraussichtlich passiert. „Per Mausklick können wir dann ablesen, ob und wie sich die Moleküle mischen“, betont Klamt. „Wir berechnen die chemischen Potenziale und Aktivitätskoeffizienten nahezu beliebiger Moleküle in reinen und gemischten Flüssigkeiten.“
Und Flüssigkeit ist dabei ein im wahrsten Sinne des Wortes dehnbarer Begriff: Auch thermoplastische Polymere – Stoffe, gerade noch flexibel und sozusagen kurz vor der Glasphase stehend – lassen sich mit dem Programm von Cosmologic durchspielen. „Dadurch eröffnet sich ein weites und zukunftsträchtiges Anwendungsfeld in der Verfahrenstechnik und in der physikalischen und technischen Chemie, das bis in viele Bereiche der Polymerchemie hineinreicht“, sagt Klamt. Zahlreiche Referenzkunden aus der chemischen Industrie bescheren der sechsköpfigen Firma stetes Wachstum.
Ein anderes Programm ist der „Pipeline Pilot“ von Scitegic aus dem kalifornischen San Diego. Damit kann man z. B. auf einer grafischen Oberfläche Komponenten aus nahezu beliebigen Datenquellen miteinander verknüpfen. „Das ersetzt die bisher notwendigen separaten Analysen und bildet sie ganzheitlich in einem System ab“, erklärt Meinolf Tegelhoff, Verkaufsmanager Europa aus Zülpich, der deutschen Dependance.
Kein Zweifel, die Informatik ist in der Chemie endgültig angekommen. Das beweisen auch Aktivitäten der Open-Source-Gemeinde weltweit. So lassen sich im so genannten Spinis-Web 3-D- Strukturen von Verbindungen vorhersagen. Das internetbasierte Programm ist an der Universität Erlangen entstanden und wird dort sowie an der Universidade Nova de Lisboa ständig weiterentwickelt. Mit ihm lassen sich zum Beispiel die NMR-Spektren organischer Komponenten schnell und akkurat vorhersagen. Unter der „Nuclear Magnetic Reso- nance“-Spektroskopie versteht man die Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch Atomkerne in einem Magnetfeld. Mit NMR-Spektrometern kann man z. B. die Resonanzfrequenzen einzelner Atomkerne messen und vergleichen. „Daraus resultierende Vorhersagen sind sehr begehrt für die automatisierte Strukturaufklärung, für die Analyse kombinatorischer Bibliotheken sowie für die computerassistierte Interpretation von Spektren“, meint Professor João Aires-de-Sousa vom Fachbereich Chemie der Lissabonner Universität. Der Clou an der Sache: Die Erlanger und Lissabonner Wissenschaftler kreierten ein lernfähiges neuronales Netz, das mit 744 Protonen und ihren chemischen Zustandsänderungen trainiert wurde. Zahlreiche Tests belegen, dass die Fehlerquote extrem niedrig ist.
Mit neuronalen Netzen arbeitet auch eine Gruppe im so genannten Sommer-Projekt um Professor Gisbert Schneider am Fachbereich Chemische und Pharmazeutische Wissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt. Sommer ist ein Werkzeugkasten für so genannte selbst-organisierende Karten, oder englisch: self-organizing maps (SOMs). Das von sechs Studenten in nur einem halben Jahr entwickelte und komplett in Java geschriebene Programm wird bereits wird in der Lehre eingesetzt. Es demonstriert, wie sich Neuronen im dreidimensionalen Raum organisieren und wo sich welche Gruppen bilden.ULRICH SCHMITZ

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