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Large-Scale Applications of Multi-Reference Methods in Chemistry and Development of a Multi-Reference Moller-Plesset Perturbation Theory Program

Anwendung von Multireferenz-Methoden in der Chemie und Entwicklung eines Multireferenz Moller-Plesset-Störungstheorie-Programmes

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-7741
  • The first part of this work focuses on the characterization of systems which complex electronic structures require the application of multi-reference methods. The anti-tumor efficacy of the natural product Neocarzinostatin is based on the formation of diradicals and causes DNA cleavage and finally cytolysis. Computations on model systems performed in the present work show the influence of structural features on the mode of action and the efficacy of this antitumor-antibiotic. The cyclization of systems related to the enyne-cumulene frameworkThe first part of this work focuses on the characterization of systems which complex electronic structures require the application of multi-reference methods. The anti-tumor efficacy of the natural product Neocarzinostatin is based on the formation of diradicals and causes DNA cleavage and finally cytolysis. Computations on model systems performed in the present work show the influence of structural features on the mode of action and the efficacy of this antitumor-antibiotic. The cyclization of systems related to the enyne-cumulene framework like the enyne-allenes was investigated earlier and relations to the more unusual class of enyne-ketenes are analyzed. The class of enyne-ketenes (and also the enyne-allenes) show a broad spectrum of possible intermediates (diradicals, zwitterions, allenes). The electronic structures of these intermediates are also possible for the (heteroatom substituted) 1,2,4-cyclohexatriene and a model for their energetic sequence based on high-level multi-reference computations is proposed. In all three projects the application of multi-reference approaches is necessary to obtain a comprehensive picture of the reactivity and electronic structure but also shows up the limits inherently existing in the currently available programs with respect to the size of the molecules. In the second part, algorithms for a multi-reference Moller-Plesset perturbation theory (MR-MP2) program, designed to perform large-scale computations, were developed and implemented. The MR-MP2 approach represents the most cost-effective multireference ansatz and requires an efficient evaluation of the Hamilton matrix for which an algorithm is designed to instantly recognize only non-vanishing matrix elements and to employ the recurring interaction patterns of the Hamilton matrix. The direct construction of the Hamilton matrix is additionally parallelized to work on cluster environments.show moreshow less
  • Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Systemen, deren komplexe elektronische Struktur die Anwendung von Multireferenz-Methoden erfordert. Die Antitumor-Wirkung des Naturstoffes Neocarzinostatin beruht auf der Bildung von Diradikalen und führt zur Spaltung der DNS und löst den Zelltod aus. Berechnungen an Modellsystemen zeigen den Einfluss der Strukturmotive auf die Wirkungsweise und die Wirksamkeit des Antitumor-Antibiotikums. Die Cyclisierung von Systemen, wie die Eninallene, die demDer erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Systemen, deren komplexe elektronische Struktur die Anwendung von Multireferenz-Methoden erfordert. Die Antitumor-Wirkung des Naturstoffes Neocarzinostatin beruht auf der Bildung von Diradikalen und führt zur Spaltung der DNS und löst den Zelltod aus. Berechnungen an Modellsystemen zeigen den Einfluss der Strukturmotive auf die Wirkungsweise und die Wirksamkeit des Antitumor-Antibiotikums. Die Cyclisierung von Systemen, wie die Eninallene, die dem Enincumulen-Grundgerüst des aktivierten Neocarzinostatin-Chromophors verwandt sind, wurden schon in früheren Arbeiten untersucht und die Verwandtschaft zur ungewöhnlicheren Substanzklasse der Eninketene wird in dieser Arbeit analysiert. Diese Verbindungsklasse und die der Eninallene zeigen ein breites Spektrum an möglichen Intermediaten, wie Diradikale, Carbene, Zwitterionen und Allene, deren elektronische Strukturen auch bei (heterosubstituierten) 1,2,4 Cyclohexatrienen auftreten. Für diese Verbindungen wird ein Modell für die energetische Abfolge der elektronischen Strukturen auf Basis von hochwertigen Multireferenz-Rechnungen vorgeschlagen. In den drei aufgeführten Projekten ist die Anwendung von Multireferenz-Ansätzen notwendig um ein umfassendes Bild der Reaktivitäten und elektronischen Strukturen zu erhalten, zeigen im Hinblick auf große Moleküle aber auch die inhärenten Grenzen in den zur Zeit verfügbaren Programme auf. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Algorithmen für ein Multireferenz-Moller-Plesset-Störungstheorie-Programmes (MR-MP2) entwickelt und implementiert. Der MR-MP2-Ansatz stellt den effizientesten Multireferenz-Ansatz dar und setzt eine geschickte und schnelle Berechnung der Hamilton-Matrix voraus. Hierfür ist ein Algorithmus konzipiert worden, der zum einen verschwindende Matrixelemente sofort erkennt und die sich wiederholenden Muster innerhalb der Hamilton-Matrix zu Nutze macht. Die Konstruktion der Hamilton-Matrix für das direkte Verfahren ist zudem für Clusterumgebungen parallelisiert.show moreshow less

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Metadaten
Author: Patrick Musch
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-7741
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Organische Chemie
Date of final exam:2004/01/23
Language:English
Year of Completion:2003
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Tag:Antitumor-Antibiotikum; Moller-Plesset; Multireferenz; Organische Chemie; Theoretische Chemie
Antitumor-antibitioc; Moller-Plesset; Multi Reference; Organic Chemistry; Theoretical Chemistry
Release Date:2004/01/30
Advisor:Prof. Dr. Bernd Engels