Chemieinformatik 1 - uni-tuebingen.de€¦ · Steamcracker der BASF im Werk Ludwigshafen. In dieser Anlage wird Rohöl mit Dampf (steam) in die wichtigsten Rohprodukte für chemische

PD Dr. Christoph Steinbeck

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Folienentwurf: Christoph Steinbeck,

Achim Zielesny

1

Chemieinformatik

Grundlagen der Chemieinformatik


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Chemieinformatik

Organisation der Vorlesung

Mi., 10-12 c.t., Raum A 302

10 VorlesungstermineApril: 25.Mai: 02., 09., 16. Juni: 06., 13., 27.Juli: 04., 11., 18.

Keine Vorlesung am 23.5., 30.5., 20.06.


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Chemieinformatik

Literatur


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4

Chemieinformatik

Literatur


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Chemieinformatik

Chemoinformatik

Chemoinformatics is mixing of information resources to transform data into information, and information into knowledge, for the intended purpose of making better decisions faster in the arena of drug lead identification and optimisation.

Frank Brown, Johnson and Johnson


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Chemieinformatik

Chemoinformatik

Chemoinformatik (Chemieinformatik, Cheminformatic, Chemiinformatik)löst Problem in der Chemie mit Methoden der Informatik.

Johnny Gasteiger

Die Übergänge zur Bioinformatik sind fließend und weitgehend irrelevant.


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7

Chemieinformatik Chemoinformatik: Supporting Reality

Das Foto zeigt den Steamcracker der BASF im Werk Ludwigshafen. In dieser Anlage wird Rohöl mit Dampf (steam) in die wichtigsten Rohprodukte für chemische Erzeugnisse aufgespalten (gecrackt).


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Chemieinformatik

O

O

CH3

O

OH

Supramolekulare ChemieSupramolekulare Chemie PolymerchemiePolymerchemie

OrganometallchemieOrganometallchemie Anorganische ChemieAnorganische ChemieOrganische ChemieOrganische Chemie

BiochemieBiochemie

• Rkt.bedingungen Rkt.partner, Lösemittel Temperatur, Katalysator Arbeitsvorschrift etc.• Rkt.parameter Geschwind.konstante Gleichgew.konstante Übergangszustände Ausbeute etc.• Rkt.klassifizierung• Literatur, Patente

• 3D-Struktur Konformationen• Eigenschaften phys.-chemisch thermodynamisch spektroskopisch pharmakologisch ADME/Tox* ökologisch etc.• Registrier-Nr.• Literatur, Patente

Acetylsalicylsäure (AspirinTM)

ADME/Tox = Absorption Distribution Metabolism Excretion Toxicology

Klassische Chemie

O

OOH

OH

ONa

Cl

OH

COONa

OH

COOH


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Chemieinformatik

O

O

CH3

O

OH

Phenolsynthese nach HOCKaus Cumol überAralkylhydroperoxid(säurekatalysierte Spaltung vonPeroxyverbindungen)


O

OOH

OH

ONa

Cl

OH

COONa

OH

COOH



BiochemieBiochemie

Klassische Chemie


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Chemieinformatik

O

O

CH3

O

OH

KOLBE-SCHMITT-Synthese zur Carboxylierung von Phenolaten:Elektrophile aromatische Substitutionbei erhöhtem Druck und erhöhterTemperatur: Der aktivierte nukleophileAromat kann das elektrophile Kohlendioxid angreifen; durch Chelat-Mechanismus ist die ortho-Position bei der Reaktion bevorzugt


O

OOH

OH

ONa

Cl

OH

COONa

OH

COOH



BiochemieBiochemie

Klassische Chemie


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Chemieinformatik

O

O

CH3

O

OH

Veresterung derHydroxylgruppe mitEssigsäure(Acetanhydrid)


O

OOH

OH

ONa

Cl

OH

COONa

OH

COOH

O

O O



BiochemieBiochemie

Klassische Chemie


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Chemieinformatik

O

O

CH3

O

OH

Optimierung der Reaktionsführungim industriellen Maßstab (Tonnen)durch die Technische Chemie/Chemische Verfahrenstechnik


O

OOH

OH

ONa

Cl

OH

COONa

OH

COOH



BiochemieBiochemie

Klassische Chemie


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Chemieinformatik

Chemoinformatik: Scope 1

•Kodierung Chemischer Strukturen•Kodierung Chemischer Reaktionen•Vorhersage Chemischer Reaktionen

• Geschwindigkeit und Gleichgewichtslage bei gegebenen Bedingung


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Chemieinformatik

Chemoinformatik: A History


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Gold Silber Eisen Kupfer Blei Antimon Wismut

Erhitzen Auflösen Zerreiben Destillieren Sieben

Blut Milch Träne Flüssigkeit Schuppe Zahn Haar Feder Schwanz


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Chemieinformatik


• Deutsch-russischer Chemiker (1838-1906)

• Veröffentlichte 1881 die erste Auflage seines „Handbuchs der Organischen Chemie“

• 4. Auflage (1918), danach Publikation in Ergänzungswerken

• Jede Serie eingeteilt in 27. Bände

• Einträge in das Handbuch sind substanzzentriert

Friedrich Konrad Beilstein

• Ende der 1980er wurde das Handbuch mit BMBF-Finanzierung in eine Datenbank überführt.

• Nach jahrelangem Rechtsstreit entwickelt nun Elsevier die Datenbank weiter.


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Chemieinformatik



• Ein Handbüchlein ...


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Chemieinformatik




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Chemieinformatik


• Setzt Erkenntnisse zur Theorie der chemischen Bindung in eine systematische Klassifizierung organischer Verbindungen ein

•Acyclen Band 1-4

•Isocyclen Band 5-16

•Heterocyclen (1 O) Band 17/18

•Heterocyclen (2, 3, ... O) Band 19

•Heterocyclen (1 N) Band 20-22

•usw.

•Bei mehrfunktionellen Verbindungen gilt das Prinzip der spätesten Stelle



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Chemieinformatik


• Ein Beispiel: In welchem Band findet man den Registry-Eintrag von Aspirin?



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Chemieinformatik




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22

Chemieinformatik




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Chemieinformatik


• Ein Beispiel: In welchem Band findet man den Registry-Eintrag von Aspirin?


• Isocyclus

• Derivat der Salicylsäure

• Funktionelle Gruppen der Salicylsäure:

•Hydroxygruppe

•Carboxygruppe

• Späteste Stelle: Band X


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Chemieinformatik

O

O

CH3

O

OH

BiochemicalPathways


Netzwerk des biochemischen Wissens

O

OOH

OH

ONa

Cl

OH

COONa

OH

COOH



BiochemieBiochemie


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Chemieinformatik



Cyclooxigenase-(COX-1/COX-

2)-Inhibitor


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„Superaspirin“ (COX-2 Inhibitors)

Researchers have made a new aspirin-like compound that promises to provide the same pain relief as aspirin, but without upset stomachs or the risk of kidney damage. The compound ... may also help reduce the risk of certain cancers and Alzheimer's disease.

This new "superaspirin" is one of about a dozen new compounds being developed that soothe aching joints by blocking the activity of an enzyme called COX-2, which helps promote inflammation, pain, and fevers. The problem with all aspirin and nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) is that they also interfere with the activity of the COX-1 enzyme, which helps protect stomach lining and kidneys. Thus pharmaceutical companies have been eager to find drugs that target only COX-2, particularly since epidemiological data and now laboratory studies indicate the long-term use of these drugs can protect against colon cancer and Alzheimer's disease.

NSAIDs prevent both COX enzymes from turning arachidonic acid from the cell membrane into prostaglandin hormones; COX-2 inhibitors are choosier.

At least two companies, Monsanto Corp. in St. Louis, Missouri, and Merck and Co., based in Whitehouse Station, New Jersey, have tested COX-2 inhibitors in people and hope to be marketing their new superaspirin next year. "Eventually all those [NSAID] molecules on the market will become dinosaurs," predicts Philip Portoghese, a medicinal chemist at the University of Minnesota in Minneapolis.

(ScienceNow, 21 May 1998)

Altering its chemistry makes the new COX-2 inhibitor (right) more selective than aspirin (left).



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Chemieinformatik



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Chemieinformatik

Bioinformatik – Chemoinformatik

Wissen/Modellierung

Chemische Synthese

(Substanzbibliothek)

Target (Protein etc.)DNA / mRNA

OH ON OH O

N

ON

NH

O

ON

NH

Btx

Ctx

StoffwechselKomplexes, nichtlineares,

dynamisches System

Funktion

WirkstoffAgonist/Antagonist/Inhibitor


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Chemieinformatik

Wachstum GenBank

Quelle: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/genbankstats.html


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Chemieinformatik

Wachstum SwissProt

Quelle: http://us.expasy.org/sprot/relnotes/relstat.html


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Chemieinformatik

Wachstum Protein-Data-Bank (PDB)

Quelle: http://www.rcsb.org/pdb/holdings.html


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33

Chemieinformatik

Cambridge Structural Database (CSD)

Quellen: http://www.ccdc.cam.ac.uk/prods/csd/csd.html

und http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/csd/statistics/


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Chemieinformatik

Chemical Abstract Service (CAS)

Quelle: http://www.cas.org/cgi-bin/regreport.pl

„Daily updates to the CAplusSM database, adding more than 4,000 records each day totaling more than 23 million currently“

Quelle: http://www.cas.org/casdb.html


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Chemieinformatik

• Das menschliche Genom enthält O(10O(1099) (genauer: 3 ) (genauer: 3 Milliarden) Milliarden) DNA-Basenpaare

• Es gibt etwa O(10O(1044)) (genauer: etwa 30.000)(genauer: etwa 30.000) menschliche Gene und O(10O(1055)) (genauer: über 100.000) (genauer: über 100.000) menschliche Proteine (durch alternatives Splicing, posttranslationale Modifikationen etc.)

• In der Pharmaforschung wird die Anzahl der molekularen Targets (Wirkorte für Pharmaka wie Enzyme, Ionenkanäle, Rezeptoren, Hormone, Growth Factors, Nuclear Receptors,

DNA, RNA etc.) mit O(10O(1033)) (genauer: etwa 3.000 bis (genauer: etwa 3.000 bis 10.000) 10.000) abgeschätzt, davon sind bisher weniger als 10-20% bekannt

• Die Komplexität und das Verständnis des biochemischen Stoffwechsels sind erst in Ansätzen untersucht bzw. verstanden

Das biologische Faktenwissen „explodiert“Das biologische Faktenwissen „explodiert“

O(...) = Größenordnung



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Chemieinformatik

• Es gibt gegenwärtig O(10O(1077 = 10 Millionen) = 10 Millionen) bekannte chemische Verbindungen und chemische Reaktionen

• Es gibt gegenwärtig O(10O(1077 = 10 Millionen) = 10 Millionen) bekannte chemisch-wissenschaftliche* Publikationen bzw. erteilte Patente

• Jährlich kommen O(10O(1066 = 1 Millionen) = 1 Millionen) neue chemische Verbindungen/chemische Reaktionen dazu (alle 30 Sekunden30 Sekunden eine Verbindung/Reaktion)

• Jährlich kommen O(10O(1066 = 1 Millionen) = 1 Millionen) neue chemisch-wissenschaftliche* Publikationen bzw. erteilte Patente dazu (alle 30 Sekunden30 Sekunden eine Publikation/Patent)

(Quantität Quantität bedeutet dabei nicht unbedingt QualitätQualität)

Das chemische Substanz-/Faktenwissen Das chemische Substanz-/Faktenwissen „explodiert“ ...„explodiert“ ...

(exponentielles Wachstum = Verdopplung etwa alle 10 Jahre)(exponentielles Wachstum = Verdopplung etwa alle 10 Jahre)

O(...) = Größenordnung

* wissenschaftlich = durch Review(s) als wissenschaftlich qualifiziert



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Chemieinformatik

„„Unendlich großer“ Raum der theoretisch möglichen SubstanzenUnendlich großer“ Raum der theoretisch möglichen Substanzen

Raum der bereits synthetisierten SubstanzenRaum der bereits synthetisierten Substanzen

Reduktionsfaktor „fast“ unendlich (d.h. die Zahl der theoretisch möglichen Substanzen übersteigt die O(107) synthetisierten Substanzen „dramatisch“)

Raum der in Datenbanken dokumentierten SubstanzenRaum der in Datenbanken dokumentierten Substanzen

vergleichsweise gute Übereinstimmung (CAS-Registry (Chemical Abstracts Service), World Patents Index (WPI, Derwent), Beilstein, Gmelin etc.) mit dem ...

Raum der experimentell bestimmten SubstanzeigenschaftenRaum der experimentell bestimmten Substanzeigenschaften

„erheblicher“ Reduktionsfaktor, die Bestimmung von Eigenschaften ist vom Interesse an der jeweiligen Substanz abhängig - z.B. beträgt die Anzahl der gemessenen Spektren „nur“ O(105), die Anzahl der experimentell bestimmten chemischen 3D-(Röntgen-)Strukturen ebenfalls „nur“ O(105), d.h. sie liegen um gut 2 Zehnerpotenzen niedriger als die Zahl der synthetisierten Substanzen!

Raum der in Datenbanken dokumentierten SubstanzeigenschaftenRaum der in Datenbanken dokumentierten Substanzeigenschaften

„erheblicher“ Reduktionsfaktor - riesige „weiße Flecken“


Es gibt schätzungsweise allein 3×1062 Moleküle mit einem Molekulargewicht kleiner 500 aus H, C, O, N, S, P und Halogenen, die unter gewöhnlichen Bedingungen stabil sind


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Chemieinformatik

Theorie

O

O

CH3

O

OH

O

H3C CH3

HC(CH3)2

OOHCH3

H3C

OH

ONa

Cl

OHCOONa

OHCOOH



BiochemieBiochemie

• Rkt.bedingungen Rkt.partner, Lösemittel Temperatur, Katalysator Arbeitsvorschrift etc.• Rkt.parameter Geschwind.konstante Gleichgew.konstante Übergangszustände Ausbeute etc.• Rkt.klassifizierung• Literatur, Patente

• 3D-Struktur• Konformationen• Eigenschaften phys.-chemisch thermodynamisch spektroskopisch pharmakologisch ADME/Tox ökologisch etc.• Registrier-Nr.• Literatur, Patente

Experiment – Praxis – Erfahrung

Oktettregel, 18-Elektronenregel, Induktions-/Mesomerie-Konzepte, Oktettregel, 18-Elektronenregel, Induktions-/Mesomerie-Konzepte, HSAB-Konzept, VSEPR-Modell, WOODWARD-HOFFMANN- Regeln, HSAB-Konzept, VSEPR-Modell, WOODWARD-HOFFMANN- Regeln, Prinzip der größten Sauerstoffdichte bei DIELS-ALDER-Reaktionen, Prinzip der größten Sauerstoffdichte bei DIELS-ALDER-Reaktionen, BREDTsche Regel (keine Eliminierung hin zum Brückenkohlenstoff bei BREDTsche Regel (keine Eliminierung hin zum Brückenkohlenstoff bei überbrückten Bicyclen) etc.überbrückten Bicyclen) etc.

Theoretisches Fundament: Quantentheorie Theoretisches Fundament: Quantentheorie (Relativitätstheorie)(Relativitätstheorie)




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Chemieinformatik

• Sternstunde der der menschlichen KulturSternstunde der der menschlichen Kultur

• Hoffnung und Dämpfer für die PraxisHoffnung und Dämpfer für die Praxis

„Die fundamentalen physikalischen Gesetze für eine mathematische Theorie eines großen Teils der Physik und für die gesamte Chemie sind damit vollständig bekannt. Die Schwierigkeit ist nur, daß die Anwendung dieser Gesetze zu Gleichungen führt, welche für eine Lösung zu kompliziert sind.“

Paul A. M. Dirac (1929)

zitiert nachHans Primas, „Kann Chemie auf Physik reduziert werden?“, Chemie in unserer Zeit, 19. Jahrgang 1985, Nr. 4, S. 109Original: P. A. M. Dirac, „Quantum mechanics of many-electron systems“, Proc. Roy. Soc. London A 123 (1929), page 713

Das theoretische Fundament


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Chemieinformatik

Klassische PhysikKlassische Physik

QuantentheorieQuantentheorie

Wasserstoff-(H2)-MolekülMikroskopisches molekular-mechanisches System aus 2 Protonen mit Masse mp und positiver elektrischer Elementarladung und 2 Elektronen mit Masse me und negativer elektrischer Elementarladung

Die wirkende Kraft F zwischen den elektrisch geladenen Teilchen ist die Coulombkraft

amF =

Ψ=Ψ EHZeitunabhängige Schrödinger-

Gleichung

Ψ=Ψ EH

Die Wellen(eigen)funktionen Ψ und die Energieeigenwerte E enthalten die vollständige* Information über das betrachtete molekulare System

(beschreiben alle Moleküleleigenschaften wie den Gleichgewichtskernabstand, die Bindungsdissoziationsenergie etc.)

* bei präziser Betrachtung nicht korrekt, da es sich um eine nichtrelativistische Betrachtung handelt, die den Teilchenspin vernachlässigt

++ ++

--

--

Bei klassisch-physikalischer Betrachtung würden die Elektronen unter Abgabe elektromagnetischer Strahlung spiralförmig in die Kerne stürzen: Es gäbe keine chemische Bindung und das Molekül wäre instabil (was der Realität fundamental widerspricht!)



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41

Chemieinformatik

RRProton Proton

aaProton Proton

bb

Elektron Elektron 11

Elektron Elektron 22

rr1a1a rr1b1b

rr2b2brr2a2a

rr1212

( )

∂∂+

∂∂+

∂∂≡∇

++−−−−+∇+∇−= 2

2

2

2

2

22

1222110

222

21 mit

11111142

ˆzyxRrrrrr

em

Hbabae

BO πε

Bestimmung der Bestimmung der Ψ Ψ und und E E für das Wasserstoff-für das Wasserstoff-(H(H22)-Molekül)-Molekül

... welche für eine Lösung zu kompliziert sind.“... welche für eine Lösung zu kompliziert sind.“

„„... daß die Anwendung dieser Gesetze zu Gleichungen führt, ... daß die Anwendung dieser Gesetze zu Gleichungen führt, ... ...

Ψ=Ψ EH

Bei der angegebenen Gleichung handelt es sich bereits um eine Näherung, nämlich die sogenannte BORN-OPPENHEIMER-Näherung (die aber in der Praxis eine sehr gute Näherung darstellt, da ein Proton 1836 mal so schwer ist wie ein Elektron)



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42

Chemieinformatik

Wie kann das „explodierende“ biologisch-chemische Substanz- und Faktenwissen bewältigt und nutzbar gemacht werden?Menschliche Gehirne und Bücherregale sind endlich Menschliche Gehirne und Bücherregale sind endlich ......

Gibt es alternative Möglichkeiten zur Lösung der äußerst komplizierten theoretischen (Differential-)Gleichungen?Die analytischen Lösungsmöglichkeiten sind äußerst Die analytischen Lösungsmöglichkeiten sind äußerst begrenzt ...begrenzt ...

Keine positiven Antworten bis Keine positiven Antworten bis etwa 1960 ...etwa 1960 ...

Große Probleme ...


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Chemieinformatik

Wie kann das „explodierende“ biologisch-chemische Substanz- und Faktenwissen bewältigt und nutzbar gemacht werden?Antwort: Durch computergestützte biologisch-Antwort: Durch computergestützte biologisch-chemische Informationssysteme, deren Leistung chemische Informationssysteme, deren Leistung ebenfalls „explodiert“ ...ebenfalls „explodiert“ ...

Gibt es alternative Möglichkeiten zur Lösung der äußerst komplizierten theoretischen (Differential-)Gleichungen?Antwort: Ja, nämlich spezielle computergestützte Antwort: Ja, nämlich spezielle computergestützte iterativ-algorithmische Näherungsverfahren ...iterativ-algorithmische Näherungsverfahren ...

Positive Antworten ab etwa 1960 ...Positive Antworten ab etwa 1960 ...

... Große Lösungen


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Chemieinformatik

Arsenal von Näherungsverfahren - AusschnittArsenal von Näherungsverfahren - Ausschnitt

Semiempirische MethodenSemiempirische Methoden

KraftfeldmethodenKraftfeldmethoden

DFT-MethodenDFT-Methoden

ab-initio-Methodenab-initio-Methoden

10.00010.000

1.0001.000

100100

< 100< 100

NN22

NN33

> N> N1.51.5

> N> N44

Anzahl Anzahl Atome des Atome des

molekularen molekularen SystemsSystems

Zunahme des Zunahme des RechenaufwandsRechenaufwands

• NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) MNDO (Modified Neglect of Diatomic Overlap) AM1 (Austin Model 1) PM3 (Parametric Method 3)• INDO (Intermediate Neglect of Differential Overlap)• MINDO (Modified Intermediate Neglect of Differential Overlap)• CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap)• Extended Hückel Theory

• Hartree-Fock-Self-consistent Field (HF-SCF) + Elektronen-Korrelation: Configuration Interaction (CI), Many Body Perturbation Theory (MBPT), Coupled Cluster (CC)

„Revival“ der Theorie


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Chemieinformatik

Information Revolution


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Chemieinformatik

Jahr 1950Jahr 1950

Jahr 2020Jahr 2020

„Rache der Atome an den Bits“

Quantentheoretische „0.1 mm“-Grenze der heutigen IC-Technologie erreicht, aber Spintronics, Quantencomputer ...

Jahr 2005Jahr 2005

Mooresches Gesetz (Gordon Moore, Mitbegründer der Fa. Intel, 1965)

ZeitZeit

„„C

om

pu

terl

eis

tun

gC

om

pu

terl

eis

tun

g““

1 24

8

16

32

18 Monat

e

18 Monat

e

18 Monat

e

18 Monat

e

18 Monat

e

18 Monat

e


Zunahme der „Leistungsfähigkeit“ von Computern von 1950 bis 2005 um einen Faktor von etwa

137 Milliarden1 Sekunde (2005) = 4360 Jahre (1950)

Gültigkeit des Mooreschen Gesetzes, d.h. weitere Zunahme der Computerleistung um etwa

Faktor 10001 Sekunde (2020) = 17 Minuten (2005)


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Chemieinformatik

• Die Mikroprozessor („Wegwerf-Chips“) in Grußkarten für wenige € (Jahr 2000), die beim Öffnen „Musik“ spielen, sind leistungsfähiger als alle NASA-Computer zusammen, die das Mondlandungsprogramm gesteuert haben

• Die Computerleistung beinhaltet auch die Größe der Speichermedien: Früher (1985) lag der RAM im kByte-Bereich (z.B. Commodore C64 mit 64 kByte Hauptspeicher), heute (Jahr 2000) im MByte-Bereich (Desktop-PC mit 256 MByte Hauptspeicher), demnächst im GByte-Bereich etc.

• Auch Festplatten zeigen diese Entwicklung: Früher (1985, C64) einige MByte (20-100 MByte), heute (Jahr 2000) einige Dutzend GByte, demnächst einige 100 GByte bis einige TByte

Computerleistung & Mooresches GesetzComputerleistung & Mooresches GesetzGordon Moore, Mitbegründer der Fa. Intel, 1965Gordon Moore, Mitbegründer der Fa. Intel, 1965



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Chemieinformatik

Arsenal von Näherungsverfahren - AusschnittArsenal von Näherungsverfahren - Ausschnitt

Semiempirische MethodenSemiempirische Methoden

KraftfeldmethodenKraftfeldmethoden

DFT-MethodenDFT-Methoden

ab-initio-Methodenab-initio-Methoden

10.00010.000

1.0001.000

100100

< 100< 100

NN22

NN33

> N> N1.51.5

> N> N44

1.000.0001.000.000

20.00020.000

> 10.000> 10.000

< 1.000< 1.000

Anzahl Anzahl Atome des Atome des

molekularen molekularen SystemsSystems

Zunahme Zunahme des des

RechenaufwRechenaufwandsands

GrößenordnuGrößenordnung Anzahl ng Anzahl Atome im Atome im Jahr 2020Jahr 2020

• NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) MNDO (Modified Neglect of Diatomic Overlap) AM1 (Austin Model 1) PM3 (Parametric Method 3)• INDO (Intermediate Neglect of Differential Overlap)• MINDO (Modified Intermediate Neglect of Differential Overlap)• CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap)• Extended Hückel Theory

• Hartree-Fock-Self-consistent Field (HF-SCF) + Elektronen-Korrelation: Configuration Interaction (CI), Many Body Perturbation Theory (MBPT), Coupled Cluster (CC)

Basis für die Schätzung ist das MOOREsche Gesetz:

Steigerung der Computerleistung um

Faktor 10.000 bis zum Jahr 2020

„Revival“ der Theorie


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49

Chemieinformatik

The Chemistry Development Kit (CDK)

Facts:

• Open source Java library for structural chemo- and bioinformatics with a clear object-oriented design

• 30-40 developers world-wide

• 87.000 lines of (non-comment) code

• 9.400 methods

• 930 classes plus 255 JUnit test classes

• Used as a library in more than 20 academic and industrial projects


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50

Chemieinformatik


•I/O (CML, MDL Molfile/SDFile,PDB, INChI, ...)

•SMILES Parsing and Canonical Generation

Input/Output

•Structure-Diagram-Layout (SDG)•2D Rendering•3D Rendering

Visualization

•3D Model-Builder •Atom-Typing•Force-Field•Representation of BiomolecularStructures

Modeling

•Isomorphism detection•Maximum-Common-Substructure Searches

•SMARTS- and Substructure searches•Ring searches (Smallest Set of Smallest Rings, All Rings)

•Aromaticity detection

Chemical Graphs

•Deterministic Isomer generator•Stochastic Structure Generators via

- Simulated Annealing- Genetic Algorithms

Structure Generation

•Fingerprinting•Gasteiger-Charges•> 50 QSAR-Descriptors•NMR-Prediction

- via HOSE-Codes- SVMs

Properties


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51

Chemieinformatik


•Verfügbar unter http://cdk.sf.net

•Build support für Ant und Eclipse

•Beispiele für Verwendung in den Test-Klassen.

http://cdk.sf.net/


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52

Chemieinformatik

Who is who in Chemoinformatics

•Unilever Center for Molecular Informatics, Cambridge (Murray-Rust, Glenn)

•Computer-Chemie-Centrum, Erlangen (Gasteiger, Clark)

•Beilstein Endowed Chair, Frankfurt (Schneider)

•Sheffield University (Willet)

•Indiana Universtiy (Wiggins, Wild)

•Universität Hamburg (Rarey)

•Wendy Warr & Associates (www.warr.com)

•Fachgruppe Chemie-Information-Computer

http://www.warr.com/


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53

Chemieinformatik

Chemoinformatics: Conferences

•German Conference on Chemoinformatics (http://www.gcc-cic.de)

•Nordwijkerhout Conference (ICCS)

•Sheffield Conference

•ACS National Meetings


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Chemieinformatik

Chemoinformatik: Ausblick

• Einführung

• Kodierung Chemischer Strukturen

• Visualisierung

• Ringsuchen und Aromatizität

• Substruktursuchen/MCSS

• Deskriptorberechnungen und QSAR

• Strukturgeneratoren

• Automatische Strukturaufklärung

• Datenbanken

• Reaktionen

Documents

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