@phdthesis{Kacprzak2006,
  author    = {Kacprzak, Sylwia},
  title     = {Investigations of the EPR parameters of bioradicals by density functional methods},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-19108},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die quantenchemische Modellierung von Parametern der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) stellt, in Kombination mit Daten aus modernen Hochfeld-/Hochfrequenz (HF) EPR-Techniken, eine {\"u}beraus wichtige analytische Methode dar, um Einblicke in die Radikal-Protein-Wechselwirkung zu gewinnen. Diese Wechselwirkung bestimmt zu einem großen Teil die Abl{\"a}ufe radikalischer biochemischer Prozesse. In dieser Arbeit untersuchten wir in einer Reihe von Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Studien die EPR-Parameter diverser biologisch wichtiger Radikale sowie mehrerer durch Radikal-Protein-Wechselwirkungen im Photosystem I inspirierter Modellsysteme. Wir demonstrierten die Genauigkeit sowie die Kapazit{\"a}t unserer Methode, um Einblicke in die in vivo Umgebung und Reaktivit{\"a}t von Bioradikalen zu erhalten. Unser DFT-Ansatz zur Berechnung elektronischer g-Tensoren wurde auf Semichinonradikalanionen in verschiedenen Proteinumgebungen photosynthetischer Reaktionszentren angewandt. Supermolekulare Modelle wurden, basierend auf einer Kombination aus kristallographischen und quantenchemischen Strukturdaten, f{\"u}r die aktiven Zentren QA und QB bakterieller Reaktionszentren, f{\"u}r A1 des Photosystems I sowie f{\"u}r Ubisemichinon in gefrorenem 2-Propanol erstellt. Nach der Skalierung der berechneten \&\#8710;gx Komponenten um 0.92 stimmen die auf gradienten-korrigertem DFT-Niveau mit den bestenverf{\"u}gbaren Spin-Bahn-Operatoren berechneten Komponenten \&\#8710;gx sowie \&\#8710;gy mit den Hochfeld-EPR-Referenzdaten innerhalb der experimentellen Genauigkeit in allen vier untersuchten Systemen {\"u}berein. Der Einfluss verschiedener nichtkovalenter Wechselwirkungen zwischen dem Semichinon und dem Protein wurde durch das sukzessive Verkleinern der Modellsysteme studiert. Dabei wurde festgestellt, dass der Effekt der Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zu den beiden Carbonyl-Sauerstoff-Atomen der Semichinone wegen der kompensierenden Spinpolarisationseffekte nicht additiv ist. Der Effekt der Tryptophan-Semichinon \&\#61552;-Stapelung hat auf QA und A1 unterschiedliche Auswirkungen. Dies konnte auf die andersartige Ausrichtung der wechselwirkenden Fragmente sowie auf die unterschiedliche Spinpolarisation zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Im n{\"a}chsten Teil dieser Arbeit wurden Semichinone der so genannten „hoch-affinen" Bindungsstelle der Chinoloxidase (QH) untersucht. Vor kurzem durchgef{\"u}hrte Multifrequenz-EPR-Studien der QH der Chinoloxidase legten asymmetrische Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zum Semichinonradikalanion nahe. Eine einzelne Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zum O1 des Carbonyls war ein weiteres vorgeschlagenes Strukturmerkmal, das allerdings im Gegensatz zu fr{\"u}heren experimentellen Hinweisen st{\"u}nde. Wir haben DFT Berechnungen der EPR-Parameter (g-Tensoren, 13C-, 1H- und 17O-Hyperfeinkopplungstensoren) einer großen Anzahl von supermolekularen Modellkomplexen durchgef{\"u}hrt, um detaillierte Einblicke in die Zusammenh{\"a}nge zwischen Struktur, Umgebung und EPR-Parametern von Ubisemichinon-Radikalanionen zu gewinnen. Ein Bindungsmodell, das nur eine einzige Wasserstoffbr{\"u}cke ber{\"u}cksichtigt, ist demnach weder in der Lage, die experimentell beobachteten niedrigen gx-Komponenten der g-Tensoren, noch die beobachtete große Asymmetrie von 13C-Carbonyl HFC-Tensoren zu erkl{\"a}ren. Basierend auf einem detaillierten Vergleich zwischen Rechnung und Experiment wurde ein Modell mit zwei Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zu O1 und einer Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zu O4 f{\"u}r QH vorgeschlagen. Ein Modell mit jeweils einer Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung mehr kann jedoch ebenfalls nicht v{\"o}llig ausgeschlossen werden. Zus{\"a}tzlich wurden weitere erkannte Zusammenh{\"a}nge zwischen EPR-Parametern und Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen von Ubisemichinonen in Proteinen diskutiert. Theoretische Untersuchungen bez{\"u}glich des Mechanismus des Elektronentransfers im Photosystem I gaben den Anstoß, relativ kleine rotierende molekulare Motoren, bestehend aus intramolekular verbundenen Dyaden, welche eine Chinoneinheit sowie eine Pyrrol- oder Indoleinheit verkn{\"u}pfen, zu modellieren. Die Berechnungen zeigten, dass f{\"u}r einige Systeme, abh{\"a}ngig von der L{\"a}nge und den Ankn{\"u}pfungspunkten der verbundenen Ketten, eine Reduktion des Chinons zum Semichinonradikalanion oder Chinolatdianion mit einer reversiblen intramolekularen Neuorientierung weg von einer \&\#61552;-Stapelung und hin zu einer T-Stapelung auftritt. Durch die Umstrukturierung wird eine Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung der Pyrrol- oder Indol-N-H-Funktion zum Semichinon- oder Chinolat-\&\#61552;-Systems nach der Reduktion ausgebildet. In einigen Systemen bilden sich jedoch Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zum Semichinon- oder Chinolat-Sauerstoffatom aus, die gegen{\"u}ber der T-Stapelung bevorzugt werden. Die intramolekularen Wechselwirkungen ver{\"a}ndern das Redoxpotential des Chinons. Der elektronische g-Tensor, welcher f{\"u}r die Semichinone berechnet wurde, beweist eindeutig das Vorhandensein dieser Wasserstoffbr{\"u}ckenbindung zum Semichinon. g-Tensoren stellen somit eine geeignete Kenngr{\"o}ße in der EPR Spektroskopie dar, um strittige Strukturen aufzukl{\"a}ren. Wir halten auch einen intramolekularer Protonentransfer im dianionischen Zustand f{\"u}r m{\"o}glich. Im Gegensatz zu Semichinonen welche paramagnetische Zust{\"a}nde von Enzymen-Cofaktoren darstellen sind Glyclradikale echte Proteinradikale. Als Schritt zum tiefer gehenden Verst{\"a}ndnis von EPR-Parametern des Glycylradikals in Proteinen wurden die Hyperfeinkopplungstensoren und insbesondere der g-Tensor des N-Acetylglycyls durch systematische hochgenaue quantenchemischen Berechnungen an diversen geeigneten Modellsystemen untersucht. Die quantitative Berechnung von g-Tensoren f{\"u}r solche Glycyl-{\"a}hnlichen Radikale ist eine enorme Herausforderung, insbesondere wegen der sehr kleinen g-Anisotropie. Diese ist zudem mit einer nichtsymmetrischen delokalisierten Spindichteverteilung auf verschiedene Atome des Molek{\"u}ls verbunden, die mit vergleichbaren Spinbahneffekten zum g-Tensor beitragen. Die Wahl eines geeigneten Eichursprungs des magnetischen Vektorpotentials und geeigneter Spin-Bahn-Operatoren, gestaltete sich weitaus anspruchsvoller als in vorausgegangen Arbeiten zu g-Tensoren organischer Radikale. Umgebungseffekte, die durch supermolekulare Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungs-Modelle ber{\"u}cksichtigt wurden, stellen sich hingegen als nicht so schwerwiegend heraus, zum Teil durch die gegenseitige Kompensierung des Einflusses von intramolekularen und intermolekularen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen. Den gr{\"o}ßten Einfluss auf den g-Tensor {\"u}bt die Konformation des Radikals aus. Die angewendete DFT Methode {\"u}bersch{\"a}tzt systematisch sowohl die \&\#8710;gx als auch die \&\#8710;gy Komponente des g-Tensors. Dieses Ergebnis ist wichtig f{\"u}r Untersuchungen von Protein-Glycyl-Radikalen (siehe weiter unten). Die 1H\&\#61537; und 13C\&\#61537; Hyperfeinkopplungen h{\"a}ngen nur wenig von den gew{\"a}hlten supermolekularen Modellen ab und scheinen weniger empfindlich gegen{\"u}ber der genauen Struktur und Umgebung des Molek{\"u}ls zu sein. Die Anzahl der bekannten Enzyme, die als funktionelle Gruppe ein Glycyl-Radikal besitzen, wird immer gr{\"o}ßer. Wir f{\"u}hrten in dieser Arbeit eine systematische quantenchemische Studie zur Spindichteverteilung, elektronischem g-Tensor und Hyperfeinkopplungskonstanten diverser Modelle von Protein-gebundenen Glycylradikalen durch. Wie schon bei N-Acetylglycyl gesehen (siehe oben) stellt auch hier die geringe g-Anisotropie dieses delokalisierten, asymmetrischen Systems selbst f{\"u}r moderne Rechenmethoden eine betr{\"a}chtliche Herausforderung dar. Dies betrifft zum einen die Qualit{\"a}t der Strukturoptimierung, zum anderen die Wahl des Spin-Bahn-Operators und des Eichursprungs des magnetischen Vektorpotentials. Umgebungseffekte aufgrund der Ausbildung von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen h{\"a}ngen in komplizierter Weise von den verschiedenen intramolekularen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen verschiedener Konformationen des Radikals ab. Die jeweilige Konformation hat insgesamt gesehen die gr{\"o}ßte Auswirkung auf den berechneten g-Tensor (jedoch weniger auf den Hyperfeinkopplungstensor). Wir diskutierten dies im Zusammenhang verschiedener g-Tensoren, welche vor kurzem durch Hochfeld-EPR Messungen f{\"u}r drei verschiedene Enzyme erhalten wurden. Basierend auf den Resultaten der Kalibrierungsstudie an N-Acetylgylcyl, schlagen wir vor, dass das Glycylradikal, welches f{\"u}r die E.coli anaerobische Ribonucleotid Reductase (RNR) beobachtet wurde, eine gestreckte Konformation besitzt, die sich von derjenigen der entsprechenden Radikale der Pyruvat Format-Lyase (PFL) oder Benzylsuccinatsynthase (BSS) unterscheidet.},
  subject      = {Biologisches System},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Krebs2023,
  author    = {Krebs, Johannes Heinrich},
  title     = {Investigation of Dicarba-closo-dodecaborane as a Substituent on Three-coordinate Boron and as an Acceptor in a Pyrene-Donor-Acceptor System},
  doi       = {10.25972/OPUS-28675},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-286758},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {1. Bis(1-(4-tolyl)-carboran-2-yl)-(4-tolyl)-borane, a new bis(o-carboranyl)-(R)-borane 1 was synthesised by lithiation of the o-carboranyl precursor and subsequent salt metathesis reaction with (4-tolyl)BBr2. Cyclic voltammetry experiments on 1 show multiple distinct reduction events with a one-electron first reduction. In a selective reduction experiment the corresponding paramagnetic radical anion 1•- was isolated and characterized. Single-crystal structure analyses allow an in-depth comparison of 1, 1•-, their calculated geometries, and the S1 excited state of 1. 2. The choice of backbone linker for ortho-bis-(9-borafluorene)s has a great influence on the LUMO located at the boron centers and therefore the reactivity of the respective compounds. Herein, we report the room temperature rearrangement of 1,2-bis-(9-borafluorenyl-)-ortho-carborane, C2B10H10-1,2-[B(C12H8)]2 ([2a]) featuring o-carborane as the inorganic three-dimensional backbone and the synthesis of 1,2-bis-(9-borafluorenyl-)benzene, C6H4-1,2-[B(C12H8)]2 (2b) its phenylene analog. DFT calculations on the transition state for the rearrangement support an intramolecular C-H bond activation process via an SEAr-like mechanism in [2a], and predicted that the same rearrangement would take place in 2b, but at elevated temperatures, which indeed proved to be the case. 3. We synthesized 4 a julolidine-like pyrenyl-o-carborane, with pyrene substituted at the 2,7-positions on the HOMO/LUMO nodal plane, continuing our research. Using solid state molecular structures, photophysical data, cyclic voltammetry, DFT and TD-DFT calculations we compare o-carborane and the B(mes)2 (mes = 2,4,6-Me3C6H2) as acceptor groups and confirm the julolidine-like donor strength.},
  subject      = {closo-Borane},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Roeder2017,
  author    = {R{\"o}der, Anja M.},
  title     = {Excited-State Dynamics in Open-Shell Molecules},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-151738},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {In this thesis the excited-state dynamics of radicals and biradicals were characterized with femtosecond pump-probe spectroscopy. These open-shell molecules play important roles as combustion intermediates, in the formation of soot and polycyclic aromatic hydrocarbons, in atmospheric chemistry and in the formation of complex molecules in the interstellar medium and galactic clouds. In these processes molecules frequently occur in some excited state, excited either by thermal energy or radiation. Knowledge of the reactivity and dynamics of these excited states completes our understanding of these complex processes. These highly reactive molecules were produced via pyrolysis from suitable precursors and examined in a molecular beam under collision-free conditions. A first laser now excites the molecule, and a second laser ionizes it. Time-of-flight mass spectrometry allowed a first identification of the molecule, photoelectron spectroscopy a complete characterization of the molecule - under the condition that the mass spectrum was dominated by only one mass. The photoelectron spectrum was obtained via velocity-map imaging, providing an insight in the electronic states involved. Ion velocity map imaging allowed separation of signal from direct ionization of the radical in the molecular beam and dissociative photoionization of the precursor. During this thesis a modified pBasex algorithm was developed and implemented in python, providing an image inversion tool without interpolation of data points. Especially for noisy photoelectron images this new algorithm delivers better results. Some highlighted results: • The 2-methylallyl radical was excited in the ππ*-state with different internal energies using three different pump wavelengths (240.6 , 238.0 and 236.0 nm). Ionized with 800 nm multi-photon probe, the photoelectron spectra shows a s-Rydberg fingerprint spectrum, a highly positive photoelectron anisotropy of 1.5 and a bi-exponential decay ( τ1= 141\pm43 fs, τ2= 4.0\pm0.2 ps for 240.6 nm pump), where the second time-constant shortens for lower wavelengths. Field-induced surface hopping dynamics calculations confirm that the initially excited ππ*-state relaxes very fast to an s-Rydberg state (first experimentally observed time-constant), and then more slowly to the first excited state/ground state (second time-constant). With higher excitation energies the conical intersection between the s-Rydberg-state and the first excited state is reached faster, resulting in shorter life-times. • The benzyl radical was excited yith 265 nm and probed with two wavelengths, 798 nm and 398 nm. Probed with 798 nm it shows a bi-exponential decay (\tau_{1}=84\pm5 fs, \tau_{2}=1.55\pm0.12 ps), whereas with 398 nm probe only the first time-constant is observed (\tau_{1}=89\pm5 fs). The photoelectron spectra with 798 nm probe is comparable to the spectrum with 398 nm probe during the first 60 fs, at longer times an additional band appears. This band is due to a [1+3']-process, whereas with 398 nm only signal from a [1+1']-process can be observed. Non-adiabatic dynamic on the fly calculations show that the initially excited, nearly degenerate ππ/p-Rydberg-states relax very fast (first time-constant) to an s-Rydberg state. This s-Rydberg state can no longer be ionized with 398 nm, but with 798 nm ionization via intermediate resonances is still possible. The s-Rydberg state then decays to the first excited state (second time-constant), which is long-lived. • Para-xylylene, excited with 266 nm into the S2-state and probed with 800 nm, shows a bi-exponential decay (\tau_{1}=38\pm7 fs, \tau_{2}=407\pm9 fs). The initially excited S2-state decays quickly to S1-state, which shows dissociative photoionization. The population of the S1-state is directly visible in the masses of the dissociative photoionization products, benzene and the para-xylylene -H. • Ortho-benzyne, produced via pyrolysis from benzocyclobutendione, was excited with 266 nm in the S2 state and probed with 800 nm. In its time-resolved mass spectra the dynamic of the ortho-benzyne signal was superposed with the dynamics from dissociative photoionization of the precursor and of the ortho-benzyne-dimer. With time-resolved ion imaging gated on the ortho-benzyne these processes could be seperated, showing that the S2-state of ortho-benzyne relaxes within 50 fs to the S1-state.},
  subject      = {Radikal <Chemie>},
  language  = {en}
}