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A comparative ab initio study of the Si\(_2\)C\(_4\), Si\(_3\)C\(_3\), Si\(_4\)C\(_2\) clusters
(1994)
Various structural possibilities for the Si\(_2\)C\(_4\) and Si\(_4\)C\(_2\) clusters are investigated by employing a basis set of triple-zeta plus polarization quality; electron correlation is generally accounted for by second-order M0ller-Plesset and, in certain instances, by higher-order perturbation (CASPT2) approaches. The building-up principle recently suggested from an analysis of Si\(_3\)C\(_3\) clusters is found to be fully operative for Si\(_2\)C\(_4\) and Si\(_4\)C\(_2\) clusters. A comparison of the structure and stability of various geometrical arrangements in the series C\(_6\) , Si\(_2\)C\(_4\) , Si\(_3\)C\(_3\) , Si\(_4\)C\(_2\), and Si\(_6\) shows that linear and planar structures become rapidly less stable if carbons are replaced by silicons and that the three-dimensional bipyramidal forms become less favorable as soon as silicons are exchanged by carbons in the parent Si\(_6\) structure. The effects can be rationalized in qualitative terms based on differences in silicon and carbon bonding.
The hyperfine structures of the isoelectronic molecules CCO. CNN, and NCN in their triplet ground states (X\(^3 \sum ^-\)) are investigated by means of ab initio methods. The infrared frequencies and geometries are detennined and compared with experiment. Configuration selected multireference configuration interaction calculations in combination with perturbation theory to correct the wave function (MRD-CI/B\(_K\)) employing extended atomic orbital (AO) basis sets yielded very accurate hyperfine properties. The theoretical values for CCO are in excellent agreement with the experimental values determined by Smith and Weltner [J. Chem. Phys. 62,4592 (1975)]. For CNN, the first assignment of Smith and Weltner for the two nitrogen atoms has to be changed. A qualitative discussion of the electronic structure discloses no simple relation between the structure of the singly occupied orbitals and the measured hyperfine coupling constants. Vibrational effects were found to be of little importance.
Vibronically averaged values for K =0 and K = 1 bending levels in the energy range between 0 and 25 000 cm\(^{-1}\) are computed for the \(^{14}\)N, H, and D atoms in NH\(_2\), NHD, and ND\(_2\) The pure ab initio electronic potentials, as well as those derived by fitting of experimentally observed band positions are employed. Effects of vibronic coupling and local perturbations of close-lying levels belanging to different electronic states are discussed.
Potential energy and spectroscopic constants for the X\(^2 \sum^+ _\mu\) ground state of a;, were calculated by configuration-interaction (Cl) methods, using large basis sets with polarization and diffuse functions. From these CI wavefunctions, the isotropic (a\(_{iso}\)) and dipolar (A\(_{dip}\)) components of the hyperfine coupling constant were obtained. The effects of various s, p basis sets, polarization and diffuse functions, as well as the influence of reference configurations and configuration selection thresholds were investigated. The best values obtained are 35·31 G for a\(_{iso}\) and 29·440 for A\(_{dip}\)• tobe compared with experimental values of 37 ± 1 G and 32 ± 1 G, respectively. It is shown that the contributions to a1so of the K and L shells are opposite in sign, differing by about 4 G. Upon vibrational averaging, both a\(_{iso}\) and A\(_{dip}\) move towards smaller values as v increases. An adiabatic electron affinity of 2·46eV was obtained for CL\(_2\) , and a vertical electron detachment energy of 3·71 eV for Cl;.
Various structural possibilities for Si\(_3\)C\(_3\) clusters are investigated by ab initio calculations employing basis sets of double- and triple-zeta quality augmented by d polarization functions. Correlation effects are included by a second-order Moeller Piesset perturbation treatment. For the two lowest-lying structures higher-order correlation corrections and multi-reference effects are also included. Bonding features are investigated by two different types of population analyses to obtain insight into the nature of chemical bonding. A total of 17 stationary points were investigated, 14 of which correspond to local minima and three being transition states. The energetically lowest-lying structures are: A "pyramidlike" structure with various multicenter bonds, followed by a es symmetric isomer closely related to the ground state Si6 structure. Planar structures, favoured in small carbon clusters, lie higher in energy and are transition states. The lowest-lying triplet system is found to be the linear nonsymmetric Si - C-C-C-Si -Si structure, which is calculated to lie about 38 kcalfmole above the singlet ground state. A building-up principle based on bonding criteria is suggested for the occurence of the various structural possibilities.
Results ofan ab initio study ofthe hyperfine structure of the X\(^2\)A', A\(^2\) A" ( 1\(^2 \Pi\)) system ofthe formyl radical are presented. Special attention is paid to the analysis of the interplay between the vibronic and magnetic hyperfine etfects. The results of computations are in very good agreement with the available experimental findings. The values for the hyperfine coupling constants in lower bending Ievels of both electronic species are predicted.
The hyperfine coupling constants (isotropic hfcc and four Cartesian components of the ani~ tropic tensor) are calculated for all three atoms of C\(_2\)H in its three lowest-lying electronic states at various molecu)ar geometries by means of the ab initio configuration interaction ( MRO.CI) method. The off-diagonal electronic matrix elements involving the two species ofthe A' symmetry are also computed. A diabatic transforrnation is perforrned Jeading to simple geometrical depen· dences of the hyperline coupling constants.
The vibronically averaged values for tbe hyperfine coupling constants in the X\(^2 \sum\)-A\(^2 \Pi\) system of the ethynyl radical are computed by means of tbe ab initio metbod calculations. The results point at tbe importance of taking into account the coupling of a1l tbree electronic states in question ( I\(^2\)A', 2\(^2\)A', and 1\(^2\)A") for a reliable explanation of the available experimental findings. The mean values of the hfcc's for K = 0 and 1 levels in \(^{13}\)C\(_2\)H and \(^{13}\)C\(_2\)D in the energy range up to 6000 cm\(^{-1}\) are predicted.
The energy difference between the three lowest-lying isomers of C\(_6\) the linear \(^3 \sum ^-\) state and the two ring forms,the benzene structure (\(^1\)A\(_{18}\)) possessing D\(_{6h}\) symmetry and a distorted cyclic form ( \(^1\)A'\(_1\), D\(_{3h}\) symmetry) have been calculated using various ab initio methods. Variational methods such as multireference configuration interaction (MR-CI) and complete active space second order perturbatiOn treatment (CASPT2) have been applied, as weil as perturbational treatments and coupled cluster calculations (CCD). The correlation of all valence shell electrons is found to be important for a balanced description of the isomers of C\(_6\) . Methods which do not account for higher-order effects appropriately proved to be unsuitable for calculating the energy difference correctly. The results from multireference configuration interaction methods show that the isomers are close in energy with the cyclic forms somewhat lower than the linear form. The ring form possessing D\(_{3h}\) symmetry (\(^1\)A'\(_1\)} is found tobe the lowest-lying structure.
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Dipole moments and various spectroscopic constants of some low-lying electronic states of the CaF molecule have been calculated using the multireference single· and double-excitation configuration-interaction (MRD-CI) method. The electronic structure of the highly ionic molecule in various excited states can be explained in tenns of different polarisations of the mainly Cacentered valence electron in the field of the F\(^-\) anion. Plots of natural orbitals occupied by the valence electron in the different states give a qualitative picture of the charge distribution and provide a visualisation of the different polarisations of the valence electron in the various states. Comparisons with the electrostatic polarisation model ofTörring, Ernstand Kändler (TEK model) are made. The unknown A' \(^2 \Delta\) state is predicted to lie about 21200 cm\(^{-1}\) above the ground state.
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Sialic acids are located at the termini of mammalian cell-surface glycostructures, which participate in essential interaction processes including adhesion of pathogens prior to infection and immunogenicity. Here we present the synthesis and bioorthogonal metabolic incorporation of the sialic acid analogue N-(1-oxohex-5-ynyl)neuraminic acid (Neu5Hex) into the cell-surface glycocalyx of a human larynx carcinoma cell line (HEp-2) and its fluorescence labelling by click chemistry.
The present thesis demonstrates how different thermodynamic aspects of self-assembly and stimuli-responsive properties in water can be encoded on the structure of π-amphiphiles, consisting of perylene or naphthalene bisimide cores. Initially, quantitative thermodynamic insights into the entropically-driven self-assembly was studied for a series of naphthalene bisimides with UV/Vis and ITC measurements, which demonstrated that their thermodynamic profile of aggregation is heavily influenced by the OEG side chains. Subsequently, a control over the bifurcated thermal response of entropically driven and commonly observed enthalpically driven self-assembly was achieved by the modulation of glycol chain orientation. Finally, Lower Critical Solution Temperature (LCST) phenomenon observed for these dyes was investigated as a precise control of this behavior is quintessential for self-assembly studies as well as to generate ‘smart’ materials. It could be shown that the onset of phase separation for these molecules can be encoded in their imide substituents, and they are primarily determined by the supramolecular packing, rather than the hydrophobicity of individual monomers.
The hyperfine coupling constant for the nitrogen atom is evaluated by large-scale MRD-CI calculations. A detailed analysis of the charge density at the nucleus and the spin polarization in the ls and 2s shell as a function of various technical parameters is undertaken. Various (s, p) AO basis sets and the inftuence of correlation orbitals is investigated as weil as selection threshold and other properlies in CI calculations. The best value, obtained for the isotropic hyperfine coupling constant in an s, p, d basis, based on theoretical judgment of' best' quantities, is 9·9 MHz compared to 10·4509 MHz.
The transient yellow color observed in the cycloaddition of homobenzvalene (HB) with tetracyanoethylene (TCNE) is associated with the charge-transfer complex [HB, TCNE). The deliberate photoexcitation of [HB,TCNE) affords a mixture of charge-transfer cycloadducts (1, 2, and 3) that differs from that obtained in thermal cycloaddition. The relationship of {HB t TCNE•) radical-ion pair (as the critical reactive intermediate in charge-transfer cycloaddition) to the activation process for thermal cycloaddition is discussed.
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Das bekannte 6-0xo-2,5-diphenyl-6H-l,3,4-oxadiazin (1 a) und die neuen 2,5-Diarylderivate 1 b - g lagern Alkene an, und es entstehen stickstofIfreie Produkte. Im Falle von Cyclopropenen und Cyclobuten bilden sich die a,p-ungesättigten Siebenring-Enollactone 42 -45 bzw. das a,ß-ungesättigte Achtring-Enollacton 47. 42a und d erleiden an basischem Aluminiumoxid die H-Verschiebung zu den ß,y-ungesättigten Siebenring-Enollactonen 46a bzw. d. Bei weiteren Olefinen wurden die 'Y-Ketoketene des Typs 33 als Zwischenprodukte nachgewiesen oder sind aufgrund der Konstitution der Endprodukte wahrscheinlich. Aus 1 a werden mit Norbomen, Norbornadien, Cyc1openten, trans-Cycloocten und Styrol die Sechsring-Enollactone 10, 13, 15, 19 bzw. 21 und 22 erhalten. 10 isomerisiert mit Kalium-tert-butoxid zu 34, und die Methanolyse dieser Enollactone erbringt die diastereomeren Methy]ester 12 bzw. 35. Das y-Ketoketen 16 aus trans-Cycloocten nimmt schneller Wasser und Methanol zu 17 bzw. 18 auf als es zum Enollacton 19 cyclisiert. cis,trans-l,5-Cyc1ooctadien erbringt über die Stufe des nachgewiesenen y-Ketoketens 40 in einer intramolekularen [2 + 2J-Cyc1oaddition den Tricyclus 41. Tetracyclische Verbindungen des Typs 4 gehen aus der Umsetzung von Benzvalen (2) mit 1 hervor. Durch Röntgenstrukturanalysen wurden Konstitution und Konfiguration von 10, 19 und 41 aufgeklärt
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A reliable prediction of the isotropic hyperfine coupling constant A\(_{iso}\) is still a difficult task for ab initio calculations. In previous studies, the configuration selected multireference configuration interaction method in combination with perturbation theory to correct the wave function (MRCI/ B\(_K\)) yielded accurate isotropic hyperfine coupling constants very economically. The present study gives a detailed analysis of the MRCI/ B\(_K\) method based on the X\(^2 \pi\) state of CH as a test case. Furthermore, a comparison to various other methods such as Maller-Ptesset perturbation theory and the coupled cluster approach is made. The success of the MRCI/ B\(_K\) method in predicting isotropic hyperfine coupling constants is explained in terms of the inßuence of higher than double excitations.
The transient [4+2]-cycloadducts from the title components eliminate nitrogen to form a 3,4-dihydro-2-pyrone derivative, a tricyclic cyclobutanone derivative and 2,5-dihydrooxepin-2-one derivatives, respectively.
Fünfgliedrige Carbocyclen sind Bauelemente zahlreicher NaturstofTe und daher attraktive Syntheseziele. Da bisher kein Syntheseverfahren mit großer Anwendungsbreite bekannt ist, sind neue Methoden willkommen. Wir berichten hier über Umsetzungen des Titelheterocyclus 1 mit l,3-Butadienen 1; diese Reaktionen, obwohl vielstufig, liefern im Eintopfverfahren konjugierte und nichtkonjugierte Cyclopentenone und gestatten auch die Fünfringanellierung.
Density functional theory is applied to the calculation ofthe isotropic byperfine coupJing constants in some small molecules. Various functionals are tested. The agreement of the calculated values to experimental data and values obtained from sophisticated ab initio methods depends on the functionals used and the system under consideration. With respect to spin density calculations the functional of Lee, Yang and Parr with Becke's excbange functional (BLYP) is found to give good results for tbe heavier center of the CH and the NH molecule, while the spin densities of other molecules such as OH, H\(_2\)CN, H\(_2\)CO\(^+\), NO and O\(_2\) deviate considerably from experimental and/or other theoretical results (30%-60%). In cases where the singly occupied orbital can contribute to the isotropic hyperfine coupling constants, accurate results are obtained. The reason fortbis is analyzed.
Via reduction of benzvalene (1) with diirnine tricyclo[3.1.0.02•6]hexane is obtained in good yield. The procedure renders 3, which has already been synthesized by Lemal and Shim, accessible much easier and in larger quantities. IH and 13C n.m.r. spectroscopic data are discussed. Both the thermal and the AgBF4-catalyzed rearrangernent of 3 yield 1,3-cyclohexadiene (8). - The ozonolysis of 1 with subsequent LiAIH4-reduction results in cis-I,3- bis(hydroxyrnethyl)cyclobutane (13a).
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Reliable prediction of the isotropic hyperfine coupling constant, a\(_{iso}\), is still a difficult task for ab initio calculations. Strong dependence on the method used for its calculation is found. Within a truncated multi-referencc ansatz a\(_{iso}\) is strongly affected by the size ofthe reference space and the nurober of terms in the truncated Cl expansion. In the present paperdifferent effects of the neglected Cl space are discussed. Modified B\(_K\) and A\(_K\) methods are used to estimate the contributions ofthe neglected configurations. lt can be shown that a combination of both methods is able to recover about 90-9 S% of the total error in a\(_{iso}\)· Furthermore, it was found that to obtain about 90% of the B\(_K\) correction only about I 0-20% ofthe configurations within H0 have to be corrected.
Umsetzung von 6,6-Dichlor-2-oxabicyclo[3.1.0)hexan (4a) in Styrol mit n-Butyllithium lieferte neben Polystyrol und t-Chlor-1- pbenylhexan (6) in geringer Ausbeute die Tet~hydrocyclobutapyrane 5, die Abfangprodukte des aus 4a generierten t-Oxa-2,3- cyclobexadiens (3). Das unbeständige 6,6-Dibrom-2-oxabicyclo( J.l.O]hexan (4b) wurde bei -60°C erzeugt un~ bei -30°C mit Methyllithium in Gegenwart von Styrol umgesetzt, woraus die Produkte 5 mit 24% Ausbeute hervorgingen. Als bei 20°C beständige Quelle für 3 erwies sich exo-6-Brom-e~o-6-fluor-2-oxabicyclo[ J.t.O]bexan (9), das aus 2,3-Dihydrofuran und Bromßuorcarben mit 25% Ausbeute bereitet wurde. Behandlung von 9 in Styrol, <X-Methylstyrol, 1,3-Butadien, 2,3-Dimet~yl-!,3-butadien, Furan und 2,5-Dimethylfuran mit Methyllithium ergab Abfangprodukte von 3 mit Ausbeuten von 31-80%. Dabei entstanden mit den Styrolen und überwiegend auch mit den l ,3-Butadienen (2 + 2]-Cycloaddukte als Diastereomerengemische, nämlich 5, ll, 13 und 15. Die Furane lieferten ausschließlieb [4 + 2]-Cycloaddukte (17 und 18), die 1,3-Butadiene nur mit einem kleinen Anteil (14 und 16). [2 + 2]- und [4 + 2]-Cycloadditionen zeigen eine unterschiedliche Chemoselektivität. Während erstere die Enolether- Doppelbindung von 3 nutzen, finden letztere an der vom Sauerstoffatom entfernteren Doppelbindung statt. Das als 1 : IGemisch aus exo- und endo-Isomeren anfallende Produkt 5 lieferte beim Erhitzen auf l50°C ein 20:1: 1-Gemiseh aus exo- und endo-5 sowie dem Strukturisomeren 19. Thermolyse· des 2: 1-Gemisches aus 13 und 14 erbrachte ein 2: 1-Gemiscb aus 14 und dem Tetrahydro-1-benzopyran 20.
Analog zu den auf hochgeordneten Farbstoffarchitekturen in den biologischen Photosyntheseapparaten basierenden Energiekonversionssystemen sollte die exakte Einstellung zwischenmolekularer Wechselwirkungen auch in künstlichen Halbleitern eine entscheidende Rolle für die Weiterentwicklung organischer Elektronikmaterialien spielen. Für eine derartige, präzise Steuerung der nanoskaligen Anordnung in organischen Materialien erscheinen Merocyaninfarbstoffe wegen ihrer hochgerichteten, dipolaren Aggregation äußerst aussichtsreich. In diesem Zusammenhang war das Ziel der vorliegenden Arbeit die Ausnutzung funktionaler, stark selbstorganisierender Merocyanine, um eine gezielte Beeinflussung der Morphologie in der aktiven Schicht von BHJ-Solarzellen zu erreichen. Hierzu sollte zunächst eine umfangreiche Serie komplexer Merocyanine synthetisiert und vollständig charakterisiert werden. Im Folgenden wurde angestrebt, die optischen und elektrochemischen Eigenschaften der molekular gelösten Farbstoffe zu bestimmen und für ausgewählte, geeignete Strukturen das Selbstorganisationsverhalten im Detail zu studieren. Zuletzt sollte durch eine sorgfältige Optimierung der Prozessierungsbedingungen ein Transfer der in Lösung gefundenen, supramolekularen Strukturen in den Blend lösungsprozessierter BHJ-Solarzellen erreicht werden. Die organischen Elektronikbauteile wurden dabei im Arbeitskreis von Prof. Dr. Klaus Meerholz (Universität Köln) gefertigt und charakterisiert.
Zusammenfassend zeichnet die vorliegende Arbeit ein umfassendes Bild von der Synthese funktionaler Merocyanine, dem Studium ihrer molekularen und Selbstorganisationseigenschaften sowie ihrer Anwendung als p-Halbleitermaterialien in organischen Solarzellen. Der komplexe Molekülaufbau der dargestellten Farbstoffe führte dabei zur Ausbildung verschiedener Farbstofforganisate, deren Struktur sowohl in Lösung als auch teilweise im Festkörper aufgeklärt werden konnte. Die erfolgreiche Implementierung von H-aggregierten Spezies der Verbindung 67b in die aktive Schicht organischer BHJ-Solarzellen resultierte in der Bildung effizienter Perkolationspfade für Exzitonen und freie Ladungsträger, wodurch diese Bauteile merklich höhere Stromdichten generieren konnten und gegenüber Zellen ohne H-Spezies über 20 % gesteigerte Effizienz aufwiesen. Diese Befunde verifizieren die postulierte Hypothese, dass eine gezielte Einstellung der zwischenmolekularen Wechselwirkungen bei organischen Halbleitern zu einer Optimierung der Funktionalität organischer Elektronikmaterialien beitragen kann.
In Diels-Alder-Reaktionen wurden aus Benzvalen (1) und Tetrachlorcyclopentadienon- dimethylacetal sowie Tetrachlorfuran die Addukte 2 bzw. 8 und 9 erhalten. Behandlung von 2 mit Natrium und tert-Butylalkohol ergab das chlorfreie Acetal 3, dessen Doppelbindung sich mit Diimin unter Bildung von 4 absättigen ließ. Aus dem bekannten Stammkohlenwasserstoff 5 ging analog 6 hervor, und durch Reaktion seines Anions mit Chlorameisensäure- methylester entstand der Ester 7. - Die Verbindungen l, 3, 5, 7-9 und das bekannte U wurden mit Thiophenol so behandelt, daß Radikalkettenreaktionen abliefen. Bei 8 trat Addition an die Zentralbindung des Bicyclobutan-Systems ein. Dagegen unterlag bei 2, 9, U und zum Teil bei 3, deren Doppelbindung jeweils der BicycJobutan-Einheit benachbart ist, das Primärradikal der 5-Hexen-1-yl- Cyclopentylrneth.yl-Umlagerung, aus der letztlich 15, ll, 13 bzw. 16 resultierten. Zum Teil bei 3 und vollständig bei 5 erfolgte die Addition an die Doppelbindung zu 17 bzw. 18, d.h. ohne Beteiligung der benachbarten Bicyclobutan- Einheit. Durch Aktivierung des Bicyclobutan-Systems mit einer Esterfunktion konnte dessen Passivität aufgehoben werden. So entstanden aus 7 das nichtumgelagerte Produkt 19 und das umgelagerte 20. Ihr Verhältnis hing von der Konzentration an Thiophenol ab. - Analog zur Reaktion 1Z + Thiophenol-13 brachte BromtrichJormethan aus 12 das umlagerte Addukt 21 hervor. - Als Nebenprodukt wurde bei der Umsetzung von 12 mit Thiophenol das Chlorwasserstoff-Addukt 14 des ersteren gefunden. Modellreaktionen für die Bildung von 14 sind die Umsetzungen von 12 mit Essigsäure und von 3 sowie 5 mit +Nitrobenzoesäure zu den Addukten 22, 23 bzw. 24. Seit
Aus Benzvalen (J) und 3,6-Bis(2-pyridyl)-l,2,4,5-tetrazin wurde das Dihydropyridazin 2c erhalten, das ebenso wie die bekannten Dihydropyridazine 2a, b mit Cyclopropen in die entsprechende Azoverbindung 3 überging. Addition von Thiophenol an 3a, c und 5 lieferte unter Beteiligung des Bicyclobutan-Systems und der Azofunktion die Halbkäfigverbindungen 4a, c bzw. 6. Aus der Umsetzung von 7, in dem die Azobrücke durch zwei BicycJobutan- Systeme flankiert ist, mit Thiophenol sowie Bromtrichlormethan gingen die Halbkäfigverbindungen 8 bzw. 9 hervor. An diesen ~eaktionen wirken beide Bicyclobutan-Systeme und die Azofunktion mit.