Computer in der Chemie: Praxisorientierte Einführung

290 Pages·1984·8.026 MB·German

by  E. Ziegler (auth.), Dr. Engelbert Ziegler (eds.)

Cotnputer in der Chetnie
Praxisorientierte Einfiihrung
Herausgegeben von E. Ziegler
Unter Mitarbeit von R. W. Arndt P. Bischof
J. T. Clerc J. Gasteiger C. KrUger G. Szekely
K. Varmuza E. Zass E. Ziegler
Mit 109 Abbildungen und 21 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo 1984
Dr. Engelbert Ziegler
Max-Planck-Institut fiir Kohlenforschung
Kaiser-Wilhelm-Platz 1
0-4330 Miilheim/Ruhr
ISBN-13: 978-3-642-96804-4 e-ISBN-13: 978-3-642-96803-7
DOl: 10.1007/978-3-642-96803-7
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Computer in der Chemie Praxisorientierte Einfiihrung 1 hrsg. von E. Ziegler. Unter Mitarb. von
R. W. Arndt ... - Berlin; Heidelberg; New York; Tokyo: Springer, 1984.
ISBN-13: 978-3-642-96804-4
NE: Ziegler, Engelbert [Hrsg.]; Arndt, R. W. [Mitverf.]
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte,
insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen,
der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder lihnlichem Wege
und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugs
weiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergiitungsanspriiche des § 54, Abs. 2 UrhG
werden durch die "Verwertungsgesellschaft Wort", Miinchen, wahrgenommen.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1984
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1984
2152/3140-543210
Vorwort
In den vergangenen zwei lahrzehnten hat die Computerteehnik nahezu aIle Be
reiche des menschlichen Lebens erfaf3t. Auch die Chemie blieb davon nieht un
beriihrt: Computer haben die Mef3- und Geratetechnik der instrumentellen
Analytik revolutioniert. Sie ermoglichen mit verbesserten bzw. mit ganzlich
neuartigen Untersuchungs- und Auswertetechniken nieht nur genauere quanti
tative Analysen, sondern auch detaillierte Strukturbestimmungen. Sie steuern
und automatisieren Reaktionsablaufe und unterstiitzen den Chemiker bei der
Syntheseplanung. Mit hochentwickelten Rechenverfahren werden neue Er
kenntnisse iiber den Molekiilaufbau und die chemisehe Bindung gewonnen.
Computer werden eingesetzt, urn die exponentiell zunehmende Informations
flut zu bewaltigen (zu der sie andererseits selbst beitragen f). Der Arbeitsstil des
Chemikers, der die modernen Hilfsmittel einzusetzen weif3, unterscheidet sich
betrachtlich von der Arbeitsweise friiherer Chemikergenerationen.
Viele Chemiker besehranken sich jedoch darauf, sich dieser Hilfsmittel
iiber die Vermittlung des Analytikers (und gelegentlich aueh des Theoretikers)
zu bedienen. Meist aus Scheu vor dem fremden Arbeitsgebiet wollen sie sich
nieht naher mit den neuen Techniken befassen - und vergeben damit die Chan
ce, dureh bessere Kenntnis die neuen Hilfsmittel effektiver zu nutzen. Ziel die
ses Buches ist es deshalb, dem Chemiker die Computertechnik niiher zu bringen
und ihm die Moglichkeiten und Grenzen neuartiger Verfahren auJzuzeigen.
Schwerpunktmaf3ig werden einige der wichtigsten Einsatzbereiche von Com
putern in der Chemie von unterschiedlichen Autoren in jeweils einem Kapitel
dargestellt. Hierbei wird in keinem FaIle die Vollstandigkeit des behandelten
Stoffes angestrebt; stattdessen wird versucht, eine leicht verstiindliche Einfoh
rung in diejeweiligen Sachgebiete zu geben. Mit Kurzerlauterungen von compu
terbezogenen Faehausdriieken im Anhang des Buches solI dem Leser der Um
gang mit "Computer-Chinesisch" erleiehtert werden.
Ais Herausgeber moehte ich den beteiligten Autoren fUr ihre bereitwillige
Zusammenarbeit sowie den Verlagsmitarbeitern Herrn Dr. F. Boschke und
Frau A. Heinrich fUr ihre Anregungen und ihre Unterstiitzung danken.
Miilheim a. d. Ruhr, Oktober 1983 Engelbert Ziegler
Inhaltsverzeichnis
Kapitell. Einfiihmng in die Computertechnik (E. Ziegler) 1
1.1 Eigenschaften von Computem . . 1
1.2 Wie Computer arbeiten . . . . . . 3
1.3 Zentraleinheit und Hauptspeicher 5
1.4 Sonstige Computer-Hardware: Angeschlossene Geriite 7
1.4.1 Datenein-/- ausgabe 7
1.4.2 Magnetspeicher . . . . . 8
1.5 Speicherhierarchie....... 10
1.6 Die Software von Computem 10
1.6.1 Programmiersprachen . 11
1.6.2 Das Betriebssystem . . . 14
1.6.3 Betriebsarten von Rechnem 15
1.7 Zusiitzliche Begriffe aus der Computertechnik 16
1.8 Trends in der Benutzung von Computem ... 19
1.8.1 "Personal computer" oder "der Computer fur jeden" 19
1.8.2 Rechnemetze ............ 20
1.8.3 Trends in der Computer-Software 21
1.8.4 Datenbanken ...... 22
1.9 Was Computer nicht konnen 22
1.10 Weiterfuhrende Literatur . . . 23
Kapitel 2. Computer als Hilfsmittel fUr die Informationsversorgung -
Online-Literatur- und Stmktur-Recherchen (E. Zass) 24
2.1 Einleitung .................... . 24
2.1.1 Was ist eine Online-Recherche? .... . 25
2.1.2 Wie funktioniert eine Online-Recherche? 27
2.2 Online-Recherchen zur Losung chemischer Informationsprobleme:
Beispiele aus der Praxis 32
2.2.1 Literaturrecherchen . . 32
2.2.2 Datenrecherchen ... 50
2.2.3 Substrukturrecherchen 51
2.3 Online-Recherchen: Moglichkeiten' und Grenzen 61
2.4 Ausblick ....................... 63
VIII Inhaltsverzeichnis
2.5 Anhang: Adressen 65
2.6 Literatur ..... 66
Kapitel3. Computer-Anwendungen in der Instrumentellen Analytik
(E. Ziegler) . . . . . . . . . . . 74
3.1 Historische Entwicklung 75
3.2 Verbesserung der traditionellen analytischen Methoden 76
3.3 Messen mit ComputerunterstUtzung ........ 77
3.4 Numerische Bearbeitung digitalisierter MeBkurven 79
3.5 Entwicklung neuer MeBtechniken . . . . . . . . . 83
3.6 Computersysteme fUr die Analytik ........ 89
3.7 Hilfsmittel zur Interpretation analytischer Daten 90
3.8 Auswirkungen auf die Tatigkeit des Analytikers 91
3.9 Bilanz: Computerbedingte Fortschritte 93
3.10 Weiterfiihrende Literatur . . . . . . . . . . . . . . 95
Kapitel 4. Rationalisierung im Labor mit Mikroprozessor und Mikrocompu-
ter (R. W. Arndt) 96
4.1 Einleitung 96
4.2 Zielsetzungen der Automation im Labor 96
4.3 Mikroprozessoren und Mikrocomputer 98
4.4 Einsatzmoglichkeiten . . . . 104
4.5 Losungen und Alternativen 106
4.6 Evaluation und Wahl . . . . 111
4.7 Implementation und EinfUhrung 112
4.8 Wie lernt man Automation 113
4.9 Ausblick 116
4.10 Literatur .......... 117
Kapitel S. Datenbanken ffir die Analytik (G. Szekely, J. T. Clerc) 118
5.1 Einfiihrung............... 118
5.2 Zielsetzungen ............ . 119
5.3 Der Spektren-Interpretations-ProzeB 121
5.4 Automatisierung der Spektren-Interpretation 123
5.5 Interne Organisation ......... . 124
5.6 Suchstrategien und AhnlichkeitsmaBe 126
5.7 Externe Organisation 128
5.8 Literatur ................ . 130
Inhaltsverzeichnis IX
Kapitel6. Chemometrie (K. Varmuza) 131
6.1 Obersicht.............. 131
6.2 Mustererkennung/Pattem Recognition 133
6.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.2 Einfache Klassifikatoren . . . . . 135
6.2.3 Klassifizierung bei komplizierten Clusterstrukturen 140
6.2.4 Merkmalsauswahl 144
6.2.5 Clusteranalyse 145
6.2.6 Zusammenfassung 147
6.3 Optimierung . . 148
6.3.1 Einleitung . . 148
6.3.2 Methoden .. 149
6.3.3 Anwendungen 152
6.4 Literatur ..... . 153
Kapitel 7. Praktische Anwendung von MO-Verfahren (P. Bischof) 154
7.1 Das "MO-Spektrometer" . . . . . . . . 154
7.2 Das Molekiil im "MO-Spektrometer" 156
7.3 Die "Messung" der Energie 159
7.4 Methoden und Niiherungen ...... 163
7.4.1 "ab initio" . . . . . . . . . . . . . 163
7.4.2 NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) 163
7.4.3 INDO (Intermediate Neglect of Differential Overlap) 164
7.4.4 CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap) 164
7.5 Die Struktur-Energie-Beziehung; Molekiildynamik 165
7.6 Interpretation spektroskopischer Daten 167
7.7 Die Qual der Wahl ......... 168
7.8 Aufbau einer Programmbibliothek 170
7.9 Literatur ............... 171
Kapitel 8. Rontgenstrukturanalyse - eine computer-abhingige Methode
(c. KrUger) . . . 173
8.1 Einleitung 173
8.2 Das Prinzip der Rontgenbeugung 174
8.3 Ablauf einer Rontgenstrukturanalyse 176
8.3.1 Datensammlung, Datenreduktion und Datenkorrekturen 177
8.3.2 Strukturermittlung .......... 188
8.3.3 Verfeinerung eines Strukturmodells 193
8.3.4 Strukturbeschreibung . . . . . . . 196
8.4 Kristallographische Datensammlungen 202
8.5 Ausblick 204
8.6 Literatur ................. 204
x
Inhaltsverzeichnis
Kapitel 9. Syntheseplanung (J. Gasteiger) 207
9.1 Die Problemstellung ........ 207
9.2 Die Reprasentation von Molekiilen: Dokumentation, Substruktursu-
che, Strukturaufklarung ......................... 214
9.3 Die Reprasentation von Reaktionen: Reaktionsvorhersage, Synthese-
planung, Synthesebaum ....... 222
9.4 Stufe 1: Datei bekannter Reaktionen .................. 227
9.5 Stufe 2: Formale Reaktionsschemata .................. 231
9.6 Stufe 3: Mechanistische Bewertung von Molekiilen und Reaktionen 241
9.7 Stufe 4: Mechanistische, okonomische und strategische Bewertung
von Synthesen . . . . . . . . . . . . . 247
9.8 Die Praxis der Programmbenutzung 251
9.9 Ausblick 255
9.10 Literatur ................ 256
Anhang. Verzeichnis von Fachausdriicken (E. Ziegler, E. Zass) 258
Namen- und Sachverzeichnis .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Kapitel 1. Einfiihrung in die Computertechnik
E. Ziegler
Max-Planck-Institut fUr Kohlenforschung, D-4330 Miilheim/Ruhr
1.1 Eigenschaften von Computern ............. . 1
1.2 Wie Computer arbeiten ................. . 3
1.3 Zentraleinheit und Hauptspeicher ........... . 5
1.4 Sonstige Computer-Hardware: Angeschlossene Gerate 7
1.4.1 Datenein-I -ausgabe .. 7
1.4.2 Magnetspeicher ... . 8
1.5 Speicherhierarchie ..... . to
1.6 Die Software von Computern to
1.6.1 Programmiersprachen . 11
1.6.2 Das Betriebssystem .. 14
1.6.3 Betriebsarten von Rechnern 15
1.7 Zusatzliche Begriffe aus der Computertechnik 16
1.8 Trends in der Benutzung von Computern . . . 19
1.8.1 "Personal computer" oder "der Computer fUr jeden." 19
1.8.2 Rechnernetze . . . . . . . . . . . . 20
1.8.3 Trends in der Computer-Software 21
1.8.4 Datenbanken . . . . . . 22
1.9 Was Computer nicht konnen 22
1.10 WeiterfUhrende Literatur .. 23
Die ersten Computer erschienen in den fiinfziger lahren auf dem Markt. Sie
wurden damals euphorisch und fast ehrfurchtsvoll als ,Elektronengehirne' be
zeichnet. Heutzutage begegnen sie uns meist im Zusammenhang mit Schlag
worten wie Datenschutzgesetz, Mikroprozessoren, Arbeitsplatzgefahrdung,
Computerkriminalitat, usw. Diese Entmythologisierung zeigt, daB Computer
mittlerweile in unseren Alltag eingezogen sind, ja, daB sie dabei sind, die
Struktur unserer Gesellschaft zu verandern.
1.1 Eigenschaften von Computern
Der Siegeszug des Computers ist eine Folge seiner wichtigsten Eigenschaften:
• Ein Computer kann Daten, allgemeiner: Informationen, speichern und bei
Bedarf wieder abrufen;
• er kann auf Grund von programmierten Algorithmen Information umwan
deln (z. B. numerische Berechnungen durchfiihren, oder Daten sortieren und
miteinander korrelieren);
2 1. Einfiihrung in die Computertechnik
• er kann logische Entscheidungen treffen in der Form: wenn Bedingung A er
fullt ist, dann fiihre Aktion X aus, andemfalls fiihre Y aus;
• er arbeitet beliebig reproduzierbar;
• er tut dies alles sehr schnell.
Ein Computerprogramm besteht aus einer Folge von Einzelschritten. Pro
grammieren heiOt, auf Grund von Algorithmen, die fur die Losung einer ge
stellten Aufgabe entwickelt wurden, Einzeloperationen in logisch richtiger Ab
folge aneinanderzureihen.
Aus einer Vielzahl von primitiven Einzelschritten lassen sich uberaus kom
plexe Programmstrukturen aufbauen, die urn so unuberschaubarer werden, je
mehr Verzweigungen in Form von logischen Entscheidungen sie enthalten.
Die genannten Eigenschaften besaOen schon die "Elektronengehime' der
fiinfziger Jahre. Die allerersten von ihnen bestanden aus einer Unzahl von
Elektronenrohren und waren so voluminos, daO ein einzelner Computer eine
mittlere Fabrikhalle fullte. Diese Computer der ersten Generation waren nicht
nur entsetzlich teuer, sondem auch sehr reparaturanflillig. Deshalb begann der
eigentliche Siegeszug der Computer erst mit der Geburt der Halbleitertechnik:
der Transistor loste die Elektronenrohre abo Die weitere Entwicklung der Com
putertechnik war und ist untrennbar verbunden mit den Fortschritten der
Halbleitertechnologie. Wah rend zunachst pro Transistor ein Halbleiterplatt
chen ("Chip") benotigt wurde, werden inzwischen mehrere 100000 Transistor
funktionen auf einem derartigen Plattchen realisiert. Die dazu benotigten
Schaltkreise werden dem Halbleitermaterial mit Licht oder mit Elektronen
strahlen eingepragt.
Diese fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile resultierte zum einen in
hoheren Rechengeschwindigkeiten und in groOeren Datenspeichem bei gleich
zeitiger Verringerung des Raumbedarfs, zum anderen brachte sie einen uner
horten Preisverfall.
Zunachst zur Leistungssteigerung: Bewegte man sich vor 30 Jahren im Be
reich von Millisekunden, namlich bei ca. 1000 pro Sekunde ausfuhrbaren Ele
mentarschritten, so ist man inzwischen im Bereich von Mikro- und N anose
kunden angelangt. Eine Nanosekunde ist der Milliardste Teil einer Sekunde.
Zur Veranschaulichung: Ein Lichtstrahl braucht vom Mond bis zur Erde etwas
mehr als eine Sekunde. In einer Nanosekunde kann ein Lichtstrahl, ebenso wie
ein elektrisches Signal, gerade noch die Strecke von 30 cm zuriicklegen.
Ein paar Worte zum Preisverfall: Eine einzelne Transistorfunktion kostet
heute nur noch Bruchteile eines Pfennigs. Sie ist innerhalb von 15 Jahren urn
etwa den Faktor 1000 billiger geworden. Zum Vergleich: bei einer ahnlichen
Preisentwicklung im Automobilbau durfte ein VW-Kafer heute nur noch 5
Mark kosten!
Diese Entwicklung hat zur Herstellung von Kleinstrechnem gefiihrt, den
sog. Mikroprozessoren. Ein Rechenwerk, das friiher einige Schranke mit Elek
tronik gefullt hatte, wird jetzt als einzelnes Halbleiterbauteil angeboten. Dabei
ist ein Ende dieser Miniaturisierung vorerst ebenso wenig in Sicht wie ein Ende
des Preisverfalls.