TY - THES A1 - Seibt, Joachim T1 - Theoretical investigations on the spectroscopy of molecular aggregates T1 - Theoretische Untersuchungen zur Spektroskopie von Molekülaggregaten N2 - Die spektroskopischen Eigenschaften von Molekülaggregaten wurden mittels quantendynamischer Berechnungen untersucht. Hierbei wurden sowohl lineare als auch nichtlineare Spektroskopietechniken einbezogen. Zur Simulation von Absorptions- und CD-Spektroskopie wurden Kopplungseffekte sowie die relative Orientierung der Monomer-Einheiten in den Modellen berücksichtigt, um gemessene Spektren reproduzieren und so die entsprechenden Parameter zu bestimmen. Zur genaueren Beschreibung wurden auch Ergebnisse quantenchemischer Rechnungen verwendet. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur nichtlinearen optischen Spektroskopie an Dimeren durchgeführt. N2 - The spectroscopic properties of molecular aggregates have been investigated by means of quantum dynamical calculations. Thereby both linear and nonlinear spectroscopic techniques have been taken into account. For the simulation of absorption and CD-spectra, coupling effects were regarded as well as the relative orientation of the monomer units in order to determine the parameters by reproducing measured spectra. For a more detailled description, results from quantum chemical calculations have also been included. Furthermore, investigations on nonlinear spectroscopy of molecular dimers have been performed. KW - Theoretische Chemie KW - Aggregat KW - Nichtlineare Spektroskopie KW - CD-Spektroskopie KW - Quantenchemie KW - Quantendynamik KW - quantum dynamics Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-37218 ER - TY - THES A1 - Schüßler, Thomas T1 - Photodissoziation und dissoziative Photoionisation von Kohlenwasserstoff-Radikalen T1 - Photodissociation and dissociative photoionisation of hydrocarbon radicals N2 - In dieser Arbeit wurde das Dissoziationsverhalten kleiner organischer Kohlenwasserstoffradikale untersucht. Zum einen wurde die dissoziative Photoionisation des Allyl-, Propargyl- und Ethylradikals durch die Verbindung einer herkömmlichen, gepulsten Pyrolysequelle mit Synchrotronstrahlung untersucht. Zum anderen wurden von verschiedenen Propyl- und Butyl-Radikalisomeren die Raten des Wasserstoffverlustes bei Anregung mit 239 nm gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination einer gepulsten Radikalquelle mit Synchrotronstrahlung technisch umsetzbar ist. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass es möglich ist, die Radikale über einen kontinuierlichen Energiebereich von mehreren eV innerhalb kurzer Zeit zu betrachten, was mit einem normalen Labor-Aufbau mit Farbstofflasern nicht möglich ist. So konnten anhand von Photoelektronenspektren und Photoionisationseffizienzkurven die Ionisierungsenergie des Allyl-, des Propargyl- und des Ethyl-Radikals in guter Übereinstimmung zu älteren Literaturdaten bestätigt werden. Anhand von Messungen zur dissoziativen Photoionisation konnte gezeigt werden, dass das Allyl und das Ethyl wie angenommen ein Wasserstoff-Molekül abspalten. Beim Allyl gibt es hierbei zwei mögliche Dissoziationsprodukte: das Cyclopropyl- und das Propargyl-Kation. Einfache RRKM-Rechnungen deuten darauf hin, dass bei geringen Überschussenergien das Cyclopropenyl-, bei größeren hingegen bevorzugt das Propargyl-Kation gebildet wird. Das Ethyl-System besitzt einen nicht-klassischen, überbrückten ionischen Zustand. Die dissoziative Photoionisation führt zum Vinyl-Kation und setzt bei deutlich höheren Energien ein, als von der Theorie vorhergesagt. Alle Erklärungsversuche sind unbefriedigend, daher sollten hier weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen angeschlossen werden. Die dissoziative Photoionisation des Propargyl-Radikals besitzt, theoretischen Berechnungen zufolge, zwei konkurrierende Zerfallskanäle. Wie die Experimente jedoch zeigten, erfolgt nur die Abspaltung von H unter Bildung des Cyclopropenyliden-Kations im vorhergesagten Energiebereich. Der Konkurrenzprozess, Bildung von Propinyliden und H$_2$, setzt erst bei deutlich höheren Photonenenergien ein. Daneben konnte erstmals der Dreikörperzerfall des Propargylbromids und des Ethyliodids zum Propinyliden- respektive Vinyl-Kation beobachtet und die Auftrittsenergien bestimmt werden. Diese stimmen gut mit den thermochemischen Vorhersagen überein. In Zukunft ist geplant, mit ZEKE-Spektroskopie die Ionisierungsenergien der untersuchten Radikale exakt zu bestimmen. Insbesondere beim Ethyl-Radikal mit seinem nicht-klassischen Verhalten muss noch viel geklärt werden. Des Weiteren ist geplant, weitere Experimente am Synchrotron durchzuführen. Denkbar wäre hier, Ionen in definierten, schwingungsangeregten Zuständen zu erzeugen und an ihnen Ionen-Molekül-Reaktionen durchzuführen. Ausgehend von den jeweiligen Azoalkanen wurden die Wasserstoff-Disso"-zia"-tions"-raten der \n-Propyl-, \n-Butyl- und \sec-Butyl-Radikale bei einer Anregungswellenlänge von 239 nm gemessen. Ähnlich wie dies bereits bei früheren Messungen am \tert-Butyl- und Ethyl-Radikal der Fall war, waren diese Raten um 2--3 Größenordnungen schneller als von einfachen RRKM-Rechnungen vorhergesagt. %Eine mögliche Erklärung wäre ein konkurrierender %Deaktivierungskanal, z.B.\ der C--C-Bindungsbruch im Radikal. Da %jedoch der Wasserstoffverlust von einem der Spaltprodukte nicht in %einem Einphotonenprozess zu bewerkstelligen ist, muss dieser Kanal %ausgeschlossen werden. Ein anderer, noch sehr spekulativer %Erklärungsversuch geht von einem langlebigen 3p-Zustand, der ein %Minimum in der Geometrie mit einer verlängerten C--C-Bindung %darstellt, aus. Koppelt dieser Zustand mit dem darunterliegenden %3s-Zustand, kann es zur Deaktivierung kommen, jedoch nur, wenn die %Überschussenergie ausreichend groß ist. Dies würde das Verhalten der %Dissoziationsrate bei den Propyl- und Butyl-Radikalisomeren sowie dem %Ethylradikal erklären. Es wurde eine sehr spekulative Erklärung vorgestellt, die dieses Verhalten erklären könnte. Die vorliegenden Daten können diese Theorie aber weder bestätigen noch widerlegen. Es sieht jedoch so aus, als ob diese Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment ein allgemeines Phänomen in Alkylradikalen darstellt. Um diese Theorie weiter zu erhärten, kann man einerseits noch weitere Alkylradikale untersuchen, ob sie ähnliche Differenzen zwischen Experiment und Theorie zeigen. Andererseits sollten auch bei den Propyl- und Butylradikalen Experimente mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen durchgeführt werden um zu klären, ob sie sich analog zum \tert-Butyl- und Ethylradikal verhalten. N2 - In this work the dissociation behaviour of small organic hydrocarbon radicals was investigated. On the one hand the dissociative photoionisation of the allyl, propargyl and ethyl radicals was investigated by the combination of a conventional, pulsed radical source with synchrotron radiation. On the other hand the rates of hydrogen loss from various propyl and butyl isomers were measured with an excitation wavelength of 239 nm. It could be shown that the combination of a pulsed radical source with synchrotron radiation is technically possible. The advantage of this method is the possibility to investigate radicals over a continuous energy range of several eV within a short duration. This is not possible with a normal laboratory setup. By means of the photoelectron spectra and photoion efficiency curves the ionisation potentials of the allyl, propargyl and ethyl radicals could be measured in good agreement with older literature data. It could be shown that the allyl and the ethyl lose a hydrogen molecule -- as suspected -- upon dissociative photoionisation. For the allyl there are two possible dissociation products: the cyclopropenyl and the propargyl cations. Simple RRKM calculations indicate that at low excess energies the cyclopropenyl, and at higher excess energies the propargyl cation is formed preferentially. The ethyl system has a non-classical bridged ionic state. The dissociative photoionisation leads to the vinyl cation and starts at much higher energies than predicted by theory. All explanation attempts are unsatisfying. Therefore further experimental and theoretical studies should consecute. The dissociative photoionisation of the propargyl radical has, according to theoretical studies, two competing decay channels. But the experiments showed that only the loss of H and the formation of the cyclopropenylidene cation occurs in the predicted energy range. The competing channel, loss of H$_2$ and formation of propenylidene, starts at much higher photon energies. Besides this the three body decay of the propargylbromide and the ethyl\-iodide to the propinylidene and the vinyl cations could be observed. The appearence energies could also be measured. They are in good agreement with thermochemical predictions. For the future it is planned to determine the ionisation potentials of the observed radicals exactly with ZEKE spectroscopy. Especially the ethyl radical with its non-classical behaviour needs further examination. Furthermore it is planned to do additional experiments at the synchrotron. It is thinkable to produce ions in well-defined, vibrationally excited states to carry out ion-molecule reactions with them. The hydrogen dissociation rates of the \n-propyl, \n-butyl and \sec-butyl radicals were measured with an excitation wavelength of 239 nm. Similar to earlier measurements with the \tert-butyl and ethyl radicals the observed rates were \mbox{faster} in the order of 2--3 magnitudes than predicted by simple RRKM calculations. A very speculative explanation was presented that could explain this behaviour. The available data can neither confirm nor disprove this theory. It seems that this discrepancy between experiment and theory is a common phenomenon in alkyl radicals. To substantiate this theory more alkyl radicals could be examined for this difference between experiment and theory. But also for the propyl and butyl radical isomers experiments with different excitation wavelengths should be carried out. KW - Photodissoziation KW - Photoionisation KW - Allylradikal KW - Ethylradikal KW - Photodissoziation KW - Photoionisation KW - Allyl KW - Propargyl KW - Ethyl KW - photodissociation KW - photoionisation KW - allyl KW - propargyl KW - ethyl Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18563 ER - TY - JOUR A1 - Schürger, Peter A1 - Engel, Volker T1 - Differential Shannon entropies characterizing electron–nuclear dynamics and correlation: momentum-space versus coordinate-space wave packet motion JF - Entropy N2 - We calculate differential Shannon entropies derived from time-dependent coordinate-space and momentum-space probability densities. This is performed for a prototype system of a coupled electron–nuclear motion. Two situations are considered, where one is a Born–Oppenheimer adiabatic dynamics, and the other is a diabatic motion involving strong non-adiabatic transitions. The information about coordinate- and momentum-space dynamics derived from the total and single-particle entropies is discussed and interpreted with the help of analytical models. From the entropies, we derive mutual information, which is a measure for the electron–nuclear correlation. In the adiabatic case, it is found that such correlations are manifested differently in coordinate- and momentum space. For the diabatic dynamics, we show that it is possible to decompose the entropies into state-specific contributions. KW - differential Shannon entropy KW - correlation KW - electron–nuclear dynamics Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-362670 SN - 1099-4300 VL - 25 IS - 7 ER - TY - THES A1 - Schürger, Peter T1 - Information-Theoretical Studies on Time-Dependent Quantum Systems T1 - Informationstheoretische Studien an zeitabhängigen Quantensystemen N2 - In this thesis, we apply the information-theoretic approach in the context of quantum dynamics and wave packet motion: Information-theoretic measures are calculated from position and momentum densities, which are obtained from time-dependent quantum wave functions. The aim of this thesis is to benchmark, analyze and interpret these quantities and relate their features to the wave packet dynamics. Firstly, this is done for the harmonic oscillator (HO) with and without static disorder. In the unperturbed HO, the analytical study of coherent and squeezed states reveals time-dependent entropy expressions related to the localization of the wave function. In the disordered HO, entropies from classical and quantum dynamics are compared for short and long times. In the quantum case, imprints of wave packet revivals are found in the entropy. Then, the energy dependence of the entropy for very long times is discussed. Secondly, this is donefor correlated electron-nuclear motion. Here, entropies derived from the total, electronic and nuclear density, respectively, are calculated in position and momentum space for weak and strong adiabatic electronic coupling. The correlation between electron and nucleus is investigated using different correlation measures, where some of these functions are sensitive to the nodal structure of the wave function. An analytic ansatz to interpret the information-theoretical quantities is applied as well. N2 - In dieser Arbeit wird ein informationstheoretischer Ansatz im Kontext der Quantendynamik und der Bewegung von Wellenpaketen angewendet. Hierbei werden informationstheoretische Maße aus Positions- und Impulsdichten berechnet, die aus zeitabhängigen Wellenfunktionen gewonnen werden. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, diese Größen zu vergleichen, zu analysieren und zu interpretieren und mit der Dynamik des Wellenpaket in Beziehung zu setzen. Zunächst wird dies für den harmonischen Oszillator (HO) mit und ohne statische Störung durchgeführt. Im ungestörten HO zeigen analytische Untersuchungen von kohärenten und gequetschten Zuständen zeitabhängige Entropieausdrücke, die mit der Lokalisierung der Wellenfunktion zusammenhängen. Die Entropien aus der klassischen und der quantenmechanischen Dynamik werden im HO mit statischer Störung für kurze und lange Zeiten verglichen. Quantenmechanisch werden Revivals des anfänglichen Wellenpakets beobachtet. Zudem wird die Energieabhängigkeit der Entropie für große Zeiten diskutiert. Der informationstheoretische Ansatz wird auch auf korrelierte Elektron-Kern-Bewegung angewendet. Dabei werden Entropien im Orts- und Impulsraum für schwache und starke adiabatische elektronische Kopplung aus der Gesamt-, Elektronen- und Kerndichte abgeleitet. Die Korrelation zwischen Elektron und Kern wird mittels verschiedener Korrelationsmaße untersucht. Einige dieser Funktionen reagieren empfindlich auf die Knotenstruktur der Wellenfunktion. Zur Interpretation der informationstheoretischen Größen wird zudem ein analytischer Ansatz angewendet. KW - coupled electron-nuclear motion KW - information-theoretical KW - Differential Shannon Entropy KW - Störungstheorie KW - Entropie KW - Quantum dynamics KW - entropy KW - theoretical chemistry Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-352215 ER - TY - THES A1 - Schöppler, Friedrich Eugen T1 - Photolumineszenzmikroskopie und-spektroskopie halbleitender Kohlenstoffnanoröhren T1 - Photoluminescence microscopy and spectroscopy of semiconducting nanotubes N2 - Im Rahmen dieser Dissertation wurden optische Eigenschaften von halbleitenden, einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) der (6,5)-Chiralität untersucht. Dies gelang durch Ensemblemessungen aber vor allem durch den Aufbau eines Mikroskops zur Messung an einzelnen SWNTs. Dieses Einzel- SWNT-Mikroskop ermöglichte nebst „normaler“ Bildgebung durch Sammlung und Abbildung der nahinfraroten Photolumineszenz (PL) der (6,5)-SWNTs auch die spektral- und zeitaufgelöste Untersuchung der PL. Durch Verwendung von Dichtegradientenultrazentrifugation (DGU) zur chiralen Aufreinigung des SWNT-Rohmaterials konnten alle Messungen unter Minimierung des störenden Einflusses von Aggregaten oder SWNTs anderer Chiralität durchgeführt werden. Untersucht und bestimmt wurde der Absorptionsquerschnitt und die Exzitonengröße, die PL-Eigenschaften aggregierter SWNTs und der Einfluß der Permittivität auf die PL einzelner SWNTs. N2 - Within the course of this work fundamental optical properties of semiconducting single-walled carbon nanotubes (SWNTs) of the (6,5)-chirality were examined by utilizing ensemble measurements and in particular a home-built microscope setup for measurements of individual SWNTs. This single-SWNTmicroscope allowed for „standard“ imaging of the near infrared photoluminescence (PL) signal of the (6,5)-SWNTs as well as for spectrally and timeresolved PL measurements. Facilitating density gradient ultracentrifugation (DGU) for chiral enrichment of the SWNT soot, all measurements were carried out with minimum influence of aggregates or minority species of other SWNT chiralities. The absorption cross section, the exciton size, PL-features of aggregated SWNTs and the influence of permittivity on SWNT-PL have been investigated. KW - Mikroskopie KW - Photolumineszenz KW - Photolumineszenzspektroskopie KW - Kohlenstoff-Nanoröhre KW - Halbleiter KW - Spektroskopie KW - NIR-Spektroskopie KW - Lebensdauer KW - Laserinduzierte Fluoreszenz KW - Aggregation KW - Exziton KW - Dielektrizitätszahl KW - microscopy KW - spectroscopy KW - carbon nanotubes KW - fluorescence Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73329 ER - TY - THES A1 - Schon, Christof T1 - Spektroskopie an substituierten [2.2]Paracyclophanen T1 - Spectroscopy of substituted [2.2]paracyclophanes N2 - In dieser Arbeit wurde der elektronische Grundzustand und der erste angeregte Zustand sowie der Zustand des Ions von substituierten [2.2]Paracyclophanen untersucht. Um die Wechselwirkungen zwischen konjugierten pi-Systemen besser zu verstehen wurden die Moleküle mit Hilfe von Resonance Enhanced Multiphoton Ionization Spektroskopie (REMPI), VUV-Synchrotronstrahlung und quantenchemischen Rechnungen untersucht. Die Experimente wurden im Molekularstrahl durchgeführt. In den [1+1]-REMPI-Spektren von pseudo-para-Dibrom[2.2]paracyclophan, pseudo-para-Dicyano[2.2]paracyclophan, pseudo-ortho-Dicyano[2.2]paracyclophan, pseudo-para-Diphenyl[2.2]paracyclophan und pseudo-para-Di(trimethylsilyl)[2.2]paracyclophan wird ein kontinuierlicher Signalanstieg beobachtet. Individuelle Schwingungsbanden konnte nicht aufgelöst werden. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Schwingungszustände im S1-Zustand sehr eng beieinanderliegen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Untersuchung der hydroxysubstituierten [2.2]Paracyclophane pseudo-ortho-Dihydroxy[2.2]paracyclophan (o-DHPC), pseudo-para-Dihydroxy[2.2]paracyclophan (p-DHPC) und racemisches-4-Hydroxy[2.2]paracyclophan (MHPC). Die adiabatischen Ionisierungsenergien der Moleküle wurden aus der Ionenstromkurve mit Hilfe eines Wannier-Fits bestimmt: 7.56eV (o-DHPC), 7.58eV (p-DHPC) und 7.63eV (MHPC). In den Schwellenphotoelektronenspektren (TPES) werden Signalmodulationen im Photonenenergiebereich von 7.8-11eV beobachtet. Hierbei handelt es sich um angeregte Zustände des Kations. Bei ca. 10.5eV wird in den Spektren von allen drei hydroxysubstituierten Molekülen dissoziative Photoionisation (DPI) beobachtet. Hierbei werden die Bindungen zwischen den aliphatischen Kohlenstoff-Atomen gebrochen. Im [1+1]-REMPI-Spektrum des o-DHPCs wird der S1<-S0-Übergang bei 31483cm^-1 (3.903eV) beobachtet. Die berechnete adiabatische Anregungsenergie liegt bei 3.87eV (SCS-CC2). Der elektronische Ursprung des o-DHPCs ist +722cm^-1 blauverschoben im Vergleich zum unsubstituierten [2.2]Paracyclophan (PC). Im REMPI-Spektrum werden viele Schwingungsbanden beobachtet. Cluster des o-DHPCs mit Wasser werden ebenfalls beobachtet. Die elektronischen Ursprünge der Cluster mit Wasser sind rotverschoben im Vergleich mit dem Monomer. Im o-DHPC(H2O)-Cluster ist das Wassermolekül zwischen den beiden OH-Gruppen des Cyclophans über Wasserstoffbrückenbindungen fixiert. In den REMPI-Spektren des o-DHPCs und o-DHPC(H2O)-Clusters wird die Atmungsmode mit hoher Intensität beobachtet. Außerdem tritt eine Twist- und Tilt-Mode in den Spektren auf. Viele Kombinationsbanden der Atmungs, Twist- und Tilt-Mode werden in den Spektren beobachtet. Im [1+1]-REMPI-Spektrum des p-DHPCs werden nur kleine Signalmodulationen mit niedrigen Intensitäten im roten Spektralbereich im Vergleich mit dem Ursprung des o-DHPCs beobachtet. Bei der Anregung des p-DHPCs kommt es zu einer großen Änderung der Struktur. Dies führt dazu, dass die Franck-Condon-Faktoren für den S1<-S0-Übergang des p-DHPCs deutlich kleiner sind im Vergleich mit dem o-DHPC (1:10^7). Daher treten die Signale des p-DHPCs im REMPI-Spektrum nur mit geringer Intensität auf. Der Ursprung des S1<-S0 Übergangs des MHPCs wird im [1+1]-REMPI-Spektrum bei 30772cm^-1 (3.815eV) beobachtet. Die berechnete Anregungsenergie liegt bei 3.79eV (SCS-CC2). Im Vergleich zum unsubstituierten PC wird keine wesentliche Energieverschiebung des S1<-S0-Übergangs beobachtet. Im REMPI-Spektrum des MHPCs wird die Twist-Mode beobachtet. Die Banden zeigen eine inverse Anharmonizität. Die ab-initio-Rechnungen beschreiben die Potentialkurve des S1-Zustands mit einem Doppelminimum. Die Höhe der Barriere zwischen den beiden Minima hängt vom Basissatz ab. Empirisch wurde entlang der Twist-Mode ein flaches Potential bestimmt. Die aus diesem Potenzial resultierenden Banden und Intensitäten der Twist-Mode stimmen mit den experimentellen Beobachtungen sehr gut überein. Die [1+1]-REMPI-Spektren des MHPCs mit einem und zwei Wassermolekülen zeigen einen kontinuierlichen Signalanstieg. Einzelne Schwingungsbanden konnten unter den experimentellen Bedingungen nicht aufgelöst werden. Der Ursprung des MHPC-Clusters mit einem Wassermolekül beginnt bei ca. -180cm^-1 und mit zwei Wassermolekülen bei ca. -290cm^-1 im Vergleich mit dem Ursprung des Monomers. N2 - This thesis examines the electronic ground state, first excited state and ion state of substituted [2.2]paracyclophanes. In order to unterstand the interactions between the two conjugated pi systems, the molecules were investigated by resonance-enhanced multiphoton ionization spectroscopy (REMPI), VUV-synchrotron radiation and quantum chemical calculations. The experiments were carried out in a supersonic jet. In the [1+1]REMPI spectra of pseudo-para-dibromo[2.2]paracyclophane, pseudo-para-dicyano[2.2]paracyclophane, pseudo-ortho-dicyano[2.2]paracyclophane, pseudo-para-diphenyl[2.2]paracyclophane and pseudo-para-di(trimethylsilyl)[2.2]paracyclophane, the signals are increasing almost continuously. Individual vibrational bands could not be resolved. This indicates that there are many closely spaced vibrational transitions. The main focus of this work was the examination of the hydroxysubstituted [2.2]paracyclophanes pseudo-ortho-dihydroxy[2.2]paracyclophane (o-DHPC), pseudo-para-dihydroxy[2.2]paracyclophane (p-DHPC) and racemic-4-hydroxy[2.2]paracyclophane (MHPC). The adiabatic ionization energies of the molecules were determined from a photoionization efficiency curve (PIE), using synchrotron radiation with a Wannier-type fitting procedure: 7.56eV (o-DHPC), 7.58eV (p-DHPC) and 7.63eV (MHPC). In the threshold photoelectron spectra (TPES), signal modulations were observed in the photon energy range of 7.8-11eV. These broad bands were assigned to excited states of the cation. At approximately 10.5eV, dissociative photoionization was observed in the spectra of all three hydroxysubstituted molecules and the bonds between the aliphatic carbon atoms were broken in [2.2]paracyclophanes. In the [1+1]REMPI spectrum of o-DHPC, the origin of the S1<-S0 transition lies at 31483cm^-1 (3.903eV). An adiabatic excitation energy of 3.87eV was computed on SCS-CC2 level. The electronic origin of o-DHPC is 722cm^-1 blue shifted in comparison with the unsubstituted [2.2]paracyclophane (PC). The REMPI spectra of o-DHPC-waterclusters were also recorded. The electronic origins of the clusters are red shifted in comparison with the monomer. In the o-DHPC(H2O)cluster, the water molecule is inserted between the two OH groups of the cyclophane via hydrogen bonds. The number of vibration bands is very high in the [1+1]REMPI spectra. Moreover, considerable activity in a breathing vibration is found in the S1 state of o-DHPC and o-DHPC(H2O). Further vibrations appear in the REMPI spectra of o-DHPC and o-DHPC(H2O) (twist mode and tilt mode). Many combination bands of the breathing, twist and tilt mode also occur in the spectra. In the [1+1]REMPI spectrum of p-DHPC, only small signal modulations with low intensities were observed in the red part, in comparison with the origin of o-DHPC. Drastic structural relaxation upon excitation was found in p-DHPC. Due to a strong structural change, the Franck-Condon factors of p-DHPC were found to be significantly smaller than those in o-DHPC (1:10^7). Therefore, only signals with low intensity were observed in the REMPI spectrum of p-DHPC. The origin of the S1<-S0 electronic transition was located at 30772cm^-1 (3.815eV) in the [1+1]REMPI spectrum of MHPC. The computed excitation energy on SCS-CC2 level is 3.79eV. In comparison with PC, no substantial energy shift of the S1<-S0 origin was observed. A significant geometry change upon electronic excitation indicated by the computations was confirmed by a twist and shift mode in the spectrum. The spacings of the twist bands show an inverse anharmonicity. The ab initio data predict a potential energy curve with a double minimum in the S1 state. The calculated barrier between the two minima depends on the basis set. A shallow potential along the twist coordinate was derived empirically. Good agreement of the resulting bands and intensities of the twist mode with experimental observations was achieved. The [1+1]REMPI spectra of MHPC with one and two water molecules show closely spaced transitions. Individual vibrational bands, however, could not be resolved under the experimental conditions. The signal onset in the cluster channel starts at approximately -180cm^-1 (one H2O) and -290cm^-1 (two H2O) to the red of the monomer origin. KW - Paracyclophane KW - REMPI KW - pi-pi-Wechselwirkung KW - Cyclophane KW - Photoionisation KW - Elektronische Anregung KW - Zwischenmolekulare Kraft KW - Gasphase KW - cyclophanes KW - photoionization KW - electronic excitation KW - pi-pi interaction KW - gas phase Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65374 ER - TY - THES A1 - Schneider, Michael T1 - Elektronische Spektroskopie und Photodissoziationsverhalten von heterocyclischen Biomolekülen T1 - Electronic spectroscopy and photodissociation behaviour of herocyclic biomolecules N2 - Das Photodissoziationsverhalten der Pyrimidinbasen Thymin, Uracil und 5-Methylcytosin wurde mittels Photofragment-Dopplerspektroskopie und Photofragment-Imaging untersucht. Die Photodissoziation erfolgt in allen Fällen in einem statistischen Prozess nach Mehrphotonenabsorption. Von Purin wurde ebenfalls die Photodissoziation untersucht sowie das elektronische Spektrum des niedrigsten n-pi*-Zustands mittels Photofragment-Anregungsspektroskopie und [1+1']-REMPI-Spektroskopie gemessen. Purin zeigt bei den untersuchten Wellenlängen dasselbe Verhalten wie die Pyrimidinbasen. Das Elektronische Spektrum von Purin zeigt über einen Bereich von über 2000 cm^-1 vom Bandenursprung gut strukturierte Banden, von denen die meisten oberhalb 850 cm^-1 als Kombinationsbanden identifiziert wurden. N2 - The photodissociation behaviour of the pyrimidine bases thymine, uracil and 5-methyl cytosine has been studied by photofragment doppler spectroscopy and photofragment imaging. In all cases, the photodissociation follows a statistical process after multiphoton absorption. The photodissociation of purine has also been studied and the spectrum of its lowest excited n-pi* state has been measured by photofragment excitation spectroscopy and [1+1']-REMPI spectroscopy. At the used wavelengths, purine shows the same photodissociation behaviour as the pyrimidine bases. The electronic spectrum of purine shows well structured peaks in a range of 2000 cm^-1 from the band origin. Most bands above 850 cm^-1 can be identified as combination bands. KW - Photodissoziation KW - Mehrphotonen-Spektroskopie KW - Doppler-Verbreiterung KW - Pyrimidinderivate KW - Purin KW - Photofragmentspektroskopie KW - photodissociation KW - multiphoton spectroscopy KW - doppler broadening KW - pyrimidines KW - purine Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-42190 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Thomas Christian T1 - Theoretical Investigations on the Interactions of Small Compounds with their Molecular Environments T1 - Theoretische Untersuchungen der Wechselwirkungen Kleiner Moleküle mit deren Molekularen Umgebungen N2 - Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Kombination theoretischer Methoden für die strukturbasierte Entwicklung neuer Wirkstoffe präsentiert. Ausgehend von der Kristallstruktur eines kovalenten Komplexes einer Modellverbindung mit dem Zielprotein wurde mit Hilfe von quantenmechanischen und QM/MM Rechnungen die genaue Geometrie des vorausgehenden nicht-kovalenten Komplexes betimmt. Letztere ist der bestimmende Faktor für die Reaktivität des Inhibitors gegenüber der katalytisch aktiven Aminosäure und damit für die Ausbildung einer kovalenten Bindung. Aus diesem Grund wurde diese Geometrie auch für die Optimierung der Substitutionsmusters des Ihnibitors verwendet, um dessen Affinität zum Zielenzyme zu verbessern ohne dass dieser seine Fähigkeit kovalent an das aktive Zentrum zu binden verliert. Die Optimierung des Substitutionsmuster wurde doch Methode des Molekularen Dockings unterstützt, das diese optimal dazu geeignet sind, Bindungsaffinitäten vorherzusagen, die durch eine Modifikation der chemischen Struktur entstehen. Eine Auswahl der besten Strukturen wurde anschließend verwendet, um zu überprüfen, ob die veränderten Moleküle noch genügen Reaktivität gegenüber dem Zielprotein aufweisen. Moleküldynamik Simulationen der neuen Verbindungen haben jedoch gezeigt, dass die veränderten Verbindungen nur so and das Protein binden, dass die Bilung eine kovalenten Bindung zum Enzym nicht mehr möglich ist. Daher wurden in einem weiteren Schritt die Modellverbindungen weiter modifiziert. Neben Änderungen im Substitutionsmuster wurde auch die chemische Struktur im Kern verändert. Die Bindungsaffinitäten wurde wieder mittels Docking überprüft. Für die besten Bindungsposen wurden wieder Simulationen zur Moleküldynamik durchgeführt, wobei diesmal die Ausbildung einer kovalenten Bindung zum Enzyme möglich erscheint. In einer abschließenden Serie von QM/MM Rechnungen unter Berücksichtigung verschiedener Protonierungszustände des Inhibitors und des Proteins konnten Reaktionspfade und zugehörige Reaktionsenergien bestimmt werden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass eines der neu entwickelten Moleküle sowohl eine stark verbesserte Bindungsaffinität wie auch die Möglichkeit der kovalenten Bindung an Enzyme aufweist. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Umgebungseinflüsse auf die Elektronenverteilung eines Inhibitormodells. Als Grundlage dient ein vinylsulfon-basiertes Moekül, für das eine experimentell bestimmte Kristallstruktur sowie ein theoretisch berechneter Protein Komplex verfügbar sind. Ein Referendatensatz für diese Systeme wurde erstellt, indem der Konformationsraum des Inhibitors nach möglichen Minimumsstrukturen abgesucht wurde, welche später mit den Geometrien des Moleküls im Kristall und im Protein verglichen werden konnten. The Geometrie in der Kristallumgebung konnte direkt aus den experimentellen Daten übernommen werden. Rechnungen zum nicht-kovalenten Protein Komplex hingegen haben gezeigt, dass für das Modellsystem mehrere Geometrien des Inhibiors sowie zwei Protonierungszustände für die katalytisch aktiven Aminosäuren möglich sind. Für die Analyse wurden daher alle möglichen Proteinkomplexe mit der Kristallstruktur verglichen. Ebenso wurden Vergleiche mit der Geometrie des isolierten Moleküls im Vakuum sowie der Geometrie in wässriger Lösung angestellt. Für die Geometrie des Moleküls an sich ergab sich eine gute Übereinstimmung für alle Modellsysteme, für die Wechselwirkungen mit der Umgebung jedoch nicht. Die Ausbildung von Dimeren in der Kristallumgebung hat einen stark stablisierenden Effekt und ist einer der Gründe, warum dieser Kristall so gut wie keine Fehlordungen aufweist. In den Proteinkomplexen hingegen ergibt sich eine Abstoßung zwischen dem Inhibitor und einer der katalytisch aktiven Aminosäuren. Als Ursache für diese Abstoßung konnte die Einführung der Methylaminfunktion ausgemacht werden. Vermutlicherweise führt diese strukturelle Änderung auch dazu, dass der Modellinhibitor nicht in der Lage ist, so wie die Leitstruktur K11777 an das aktive Zentrum des Enzyms zu binden. N2 - In the first part of this work, a combination of theoretical methods for the rational design of covalent inhibitor is presented. Starting from the crystal structure of the covalent complex of a lead compound, quantum mechanical and QM/MM calculations were used to derive the exact geometry of the preceeding non-covalent enzyme inhibitor complex. The geometry of the latter mainly determines the reactivity of the inhibitor against its target enzyme concerning the formation of the covalent bond towards an active site residue. Therefore, this geometry was used as starting point for the optimization of the substitution pattern of the inhibitor such as to increase its binding affinity without loosing its ability to covalently bind to the target protein. The optimization of the chemical structure was supported by using docking procedures, which are best suited to estimate binding affinities that arise from the introduced changes. A screening of the novel substitution patterns resulted in a first generation of model compounds which were further tested for their reactivity against the target. Dynamic simulations on the novel compounds revealed that the orientation that compounds adopt within the active site are such that a covalent interaction with the enzyme is no longer possible. Hence, the chemical structure was further modified, including not only changes in the substituents but also within the core of the molecule. Docking experiments have been conducted to assure sufficiently high binding affinities and to obtain the most favored binding poses. Those have then again been used for dynamic simulations which resulted in structures, for which the bond formation process appeared feasible. A final series of QM/MM calculations considering various protonation states was computed to estimate the reaction energies for the covalent attachment of the inhibitor to the enzyme. The theoretical results indicate a reasonable high inhibition potency of the novel compounds. The second part concentrates on the environmental influences on the electron density of an inhibitor molecule. Therefore, a vinylsulfone-based model compound was selected for which an experimental crystal structure for the pure compound as well as a theoretically determined enzyme-inhibitor complex have been available. To provide reference data for the larger systems, the conformational space of the isolated molecule was screened for favorable geometries which were later compared to those within the crystal and protein surrounding. The geometry of the crystal structure could readily be taken from the experimental data whereas calculations on the protein complex revealed four potential non-covalent complexes exhibiting different arrangements of the molecule within the active site of the protein as well as two possible protonation states of the catalytic dyad. Hence, all four protein complexes have been compared to the crystal structure of the molecule as well as against the more favorable geometries of the isolated molecule being determined within vacuum or aqueous surrounding. Whereas the molecule itself was found to adopt comparable geometries within all investigated environments, the interactions pattern between the crystal surrounding and the protein differed largely from each other. The favorable formation of dimers within the crystal has a strong stabilizing effect and explains the extraordinarily good quality of the crystal. Within the protein however, repulsive forces have been found between the protein and the inhibitor. The origin of the repulsion could be traced back to effect of on of the substituents to the vinyl scaffold. The difference in the chemical structure in comparison to a well known inhibitor might also explain the experimentally found loss of activity for the model compound in comparison to K11777. KW - Theoretische Chemie KW - theoretical chemistry KW - electron density KW - inhibition KW - Elektronendichte KW - Inhibitor Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-127860 ER - TY - JOUR A1 - Schmidt, Paul A1 - Fantuzzi, Felipe A1 - Klopf, Jonas A1 - Schröder, Niklas B. A1 - Dewhurst, Rian D. A1 - Braunschweig, Holger A1 - Engel, Volker A1 - Engels, Bernd T1 - Twisting versus delocalization in CAAC- and NHC-stabilized boron-based biradicals: the roles of sterics and electronics JF - Chemistry - A European Journal N2 - Twisted boron-based biradicals featuring unsaturated C$_2$R$_2$ (R=Et, Me) bridges and stabilization by cyclic (alkyl)(amino)carbenes (CAACs) were recently prepared. These species show remarkable geometrical and electronic differences with respect to their unbridged counterparts. Herein, a thorough computational investigation on the origin of their distinct electrostructural properties is performed. It is shown that steric effects are mostly responsible for the preference for twisted over planar structures. The ground-state multiplicity of the twisted structure is modulated by the σ framework of the bridge, and different R groups lead to distinct multiplicities. In line with the experimental data, a planar structure driven by delocalization effects is observed as global minimum for R=H. The synthetic elusiveness of C$_2$R$_2$-bridged systems featuring N-heterocyclic carbenes (NHCs) was also investigated. These results could contribute to the engineering of novel main group biradicals. KW - chemistry KW - radicals KW - ab initio calculations KW - boron KW - carbene ligands KW - density functional calculations Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256636 VL - 27 IS - 16 ER - TY - THES A1 - Schmid, Paul T1 - Quantenchemische Untersuchungen von Umgebungseinflüssen bei offen- und geschlossenschaligen Systemen T1 - Quantum chemical studies of environmental effects in open-shell and closed-shell systems N2 - In dieser Dissertation werden die Umgebungseinflüsse auf die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen offen- und geschlossenschaligen Systemen mittels quantenchemischer Methoden berechnet. Ein Kernpunkt umfasst die Untersuchung von verdreht angeordneten, biradikalischen Diborylalkenen, welche eine ungesättigte C2R2-Brücke (R = Et, Me) besitzen und durch cyclische (Alkyl)(amino)carbene (CAACs) stabilisiert werden. Quantenchemische Berechnungen zeigen, dass hauptsächlich sterische Effekte für die Ausbildung einer verdrehten Molekülanordnung verantwortlich sind, während bei geringen sterischen Wechselwirkungen (R = H) die Delokalisationseffekte überwiegen, wodurch eine planare Struktur begünstigt wird. Die Bevorzugung einer offenschaligen Singulettkonfiguration anstelle eines Tripletts ist auf den großen Energieunterschied der beiden einfach besetzten Molekülorbitale zurückzuführen. Durch die Berechnung der Lösungsmitteleffekte mithilfe von polarisierbaren Kontinuumsmodellen kann gefolgert werden, dass mit zunehmender statischer Dielektrizitätskonstante eine planare und geschlossenschalige Struktur stärker stabilisiert wird als eine verdrehte Anordnung. Ein weiteres Thema dieser Dissertation befasst sich mit der quantenchemischen Analyse eines makrozyklischen Perylenbisimid-Trimersystems, welches eingebettet in einer Polymethylmethacrylat-Matrix bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt eine Lokalisierung der ersten drei angeregten Zustände zeigt. Quantenchemische Vakuumberechnungen ergeben, dass unabhängig von der gegenseitigen geometrischen Orientierung der drei Perylenbisimid-Chromophore der Übergang vom Grundzustand in den S1-Zustand verboten ist und dass die ersten drei angeregten Zustände delokalisiert vorliegen. Mithilfe von expliziten Lösungsmittelmodellen kann jedoch gezeigt werden, dass das Auftreten dieser Lokalisierungen auf eine inhomogene Polymethylmethacrylat-Umgebung zurückzuführen ist, die zu einem Symmetriebruch und somit zu einer Zunahme der Oszillatorstärke für S1 und der Lokalisierungsgrade für S1, S2 und S3 führt. Darüber hinaus wird der Lösungsmitteleinfluss auf die angeregten Zustände des Azulens mittels impliziter und expliziter Lösungsmittelmodelle berechnet. Bei einer Erhöhung der dynamischen Dielektrizitätskonstante im impliziten Modell nehmen die Anregungsenergien der vertikalen Singulettzustände ab, wobei der Effekt mit steigender Oszillatorstärke zunimmt. Die Auswirkung der statischen Dielektrizitätskonstante auf die Anregungsenergien ist dagegen deutlich schwächer ausgeprägt. Im expliziten Modell bewirkt das Lösungsmittel ebenfalls eine Abnahme der Anregungsenergie des hellen Singulettzustands, wenn auch in geringerem Umfang als im impliziten Modell. Als letztes Thema wird der Inhibitionsmechanismus der Cysteinprotease Rhodesain durch zwei modifizierte 1,4-Naphthoquinone untersucht. Während beide Naphthoquinone an der 2-Position eine Dipeptideinheit aufweisen, besitzen sie an der 3-Position entweder einen Nitril- oder Chloridsubstituenten. Zwar erfolgt bei beiden Derivaten die Inhibition über einen kovalent-reversiblen Mechanismus, jedoch verläuft die Hemmung im Falle des Nitrilderivats erheblich effektiver. Die quantenchemischen Berechnungen eines vereinfachten Modells zeigen, dass die Cysteineinheit (HS-R) bevorzugt in einer exothermen und reversiblen Additionsreaktion an die elektronenarme C-C-Doppelbindung der Naphthoquinone anlagert. Dabei werden kleinere Reaktionsenergien für die Reaktion des Chlorderivats als für die Reaktion des Nitrilderivats erhalten. Durch die Berücksichtigung von Wasser in einem impliziten Lösungsmittelmodell kommt es bei fast allen Reaktionsprodukten zu einer Energiezunahme, die bei der Reaktion des Nitrilderivats stärker ausfällt als bei der Reaktion des Chlorderivats. N2 - In this thesis, the environmental effects on the structural and electronic properties of various open-shell and closed-shell systems are calculated using quantum chemical methods. A key issue involves the investigation of twisted, biradical diborylalkenes, which contain an unsaturated C2R2 bridge (R = Et, Me) and are stabilized by cyclic (alkyl)(amino)carbenes (CAACs). Quantum chemical calculations show that mainly steric effects are responsible for the formation of a twisted molecular arrangement, while delocalization effects predominate at low steric interactions (R = H), favoring a planar structure. The preference for an open-shell singlet configuration over a triplet is due to the large energy difference between the two singly occupied molecular orbitals. By calculating the solvent effects using polarizable continuum models, it can be concluded that with an increasing static dielectric constant, a planar and closed-shell structure is more stabilized compared to a twisted conformation. Another topic of this thesis deals with the quantum chemical analysis of a macrocyclic perylene bisimide trimer system, which is embedded in a poly(methyl methacrylate) matrix and shows a localization of the first three excited states at temperatures near absolute zero. Quantum chemical vacuum calculations reveal that regardless of the mutual geometric orientation of the three perylene bisimide chromophores, the transition from the ground state to the S1 state is forbidden and that the first three excited states are delocalized. However, with the help of explicit solvent models, it can be shown that the occurrence of these localizations is caused by an inhomogeneous poly(methyl methacrylate) environment, which leads to symmetry breaking and thus to an increase in the oscillator strength for S1 and the degrees of localization for S1, S2, and S3. In addition, the influence of the solvent on the excited states of azulene is calculated using implicit and explicit solvent models. With an increase in the dynamic dielectric constant in the implicit model, the excitation energies of the vertical singlet states decrease. This effect becomes stronger with rising oscillator strength. In contrast, the effect of the static dielectric constant on the excitation energies is much weaker. In the explicit model, the solvent also causes a decrease in the excitation energy of the bright singlet state, although the extent is smaller than in the implicit model. As a final topic, the inhibition mechanism of the cysteine protease rhodesain by two modified 1,4-naphthoquinones is investigated. While both naphthoquinones have a dipeptide unit at the 2-position, they have either a nitrile or chlorine substituent at the 3-position. Although for both derivatives the inhibition takes place via a covalent reversible mechanism, the inhibition in the case of the nitrile derivative is considerably more effective. The quantum chemical calculations of a simplified model show that the cysteine moiety (HS-R) preferentially attaches to the electron-deficient C-C double bond of the naphthoquinones in an exothermic and reversible addition reaction. Smaller reaction energies are obtained for the reaction of the chlorine derivative than for the reaction of the nitrile derivative. By considering water in an implicit solvent model, the energies of almost all reaction products rise, whereby the energetic increase for the reaction of the nitril derivative is greater than for the reaction of the chlorine derivative. KW - Umgebungseinfluss KW - Lösungsmitteleffekt KW - Biradikal KW - Berechnung KW - CAAC KW - Diborylalkene KW - Quantenchemie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265106 ER -