FOR 1405 - Theoretische Modellierung bioanorganischer Kupfer-Komplexe
?berblick
Unser Ziel ist das quantenmechanische Verst?ndnis von Grund- und angeregten Zust?nden der in SP3 (Bis-μ-oxo- und μ-h2-h2-peroxodikupfer-Komplexe) und SP4 (CuA-Modellkomplexe) untersuchten biomimetischen Kupferkomplexe, sowie den Kupfer-(II)- Komplexen aus SP5.Mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie sollen Grundzustandseigenschaften parameterfrei berechnet werden. Auf dieser Basis k?nnen im Rahmen der Vielteilchenst?rungstheorie elektrische und optische Eigenschaften angeregter Zust?nde berechnet werden. Die so berechneten Elektronenstrukturen und Kraftkonstanten werden zur Berechnung spektroskopischer Fingerabdrücke der untersuchten Systeme genutzt. Diese k?nnen dann mit experimentellen Daten verglichen werden, um (i) die benutzten theoretischen Modelle und N?herungen zu evaluieren und (ii) die Interpretation der Messergebnisse zu erleichtern. Dies beinhaltet besonders die Raman- und R?ntgenabsorptionsexperimente (M-Kante), sowie die gemessenen UV/Vis Spektren, der experimentellen Teilprojekte. Desweiteren ist ein Vergleich der berechneten Molekülgeometrien mit den Ergebnissen der multiple-scattering Simulationen aus SP3, SP4, SP5 auf Basis von EXAFS-Daten geplant. Zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung diese Systeme wird dann die zeitabh?ngige Schr?dingergleichung (in post-Born- Oppenheimer N?herung) für vereinfachte Modellsysteme gel?st.
DFG-Verfahren Forschungsgruppen
Teilprojekt zu FOR 1405: Dynamik von Elektronentransferprozessen an ?bergangsmetallzentren in biologischen und bioanorganischen Systemen
Antragsteller Dr. Uwe Gerstmann; Professor Dr. Wolf Gero Schmidt
Key Facts
- Profilbereich:
- Optolelektronik und Photonik
- Art des Projektes:
- Forschung
- Laufzeit:
- 01/2011 - 12/2017
- Gef?rdert durch:
- DFG
- Website:
-
DFG-Datenbank gepris
Detailinformationen
Ergebnisse
Ziel des Teilprojekt 2 der DFG-Forschergruppe FOR 1405 war ein tiefgründiges, mikroskopisches Verst?ndnis der strukturellen, elektronischen, vibrationellen, optischen und Elektronentransport- Eigenschaften von molekularen Kupferkomplexen. Hierzu wurden im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) Grund- und Anregungseigenschaften prototypischer Moleküle untersucht und die berechneten spektroskopischen Signaturen zur Interpretation der experimentellen Daten (z.B. Raman, optische und R?ntgenabsorption) verwendet. Die Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe konzentrierten sich dabei auf drei Klassen von prototypischen Modellsystemen, Kupfer-Sauerstoff-Komplexe mit Cu2O2-Kern, Kupfer-Schwefel-Komplexe mit bis zu sechs Cu-Kernen sowie einkernige Kupfer-Stickstoff-Komplexe. Durch die angepasste Verwendung von Modellierungsmethoden, die sonst nur im Bereich der Festk?rperphysik angewendet werden, wurde es m?glich, die Genauigkeit der berechneten Spektren für Kupferkomplexe in ihrer kristallinen Phase auf eine neue Stufe zu heben. Dies betraf insbesondere die R?ntgenabsorptionsspektren (XAS): So ergab sich auch noch weit oberhalb der Absorptionskante (40 eV und mehr für Cu-K-Kante, 15 eV im Falle von N-Ligandenspektren) ein realistischer Verlauf der XAS-Spektren – ein Zuverl?ssigkeitsbereich, der bislang für molekulare Strukturen als unm?glich erschien. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Methodenentwicklung: Diese bezog sich auf die numerisch effiziente Berechnung von Spin-Bahn-Kopplungseffekten, den mesoskopischen Elektronentransport, die Entwicklung eines Kontinuum-Solvens-Modells für Systeme mit periodischen Randbedingungen, die Berechnung von R?ntgenabsorptionsspektren und die Berechnung der strukturellen Dynamik auf angeregten Potentialenergiefl?chen. Dabei wurden zum Beispiel Protokolle zur theoretischen Modellierung der zeitlichen Dynamik angeregter Systeme entwickelt. Da sich die experimentelle Verifizierung an molekularen Systemen als schwierig gestaltete, haben wir zun?chst ein gut definiertes und experimentell leicht zug?ngliches Modellsystem gew?hlt, an dem wir die Methodik mit gro?em Erfolg einsetzen konnten: Wie von uns theoretisch vorhergesagt, zeigen selbstorganisierte Indium-Nanodr?hte auf einem Silizium(111)-Substrat einen optisch getriebenen Phasenübergang, der mit einer Zeitaufl?sung im Femtosekundenbereich mittels Elektronenbeugung detektiert werden kann. Nachdem in diesen Rechnungen die Eignung von constrained-DFT zur Charakterisierung dynamischer Systeme in adiabatischer N?herung nachgewiesen wurde, gehen wir zur Zeit einen Schritt weiter und berücksichtigen explizit die Elektronendynamik, die bei der Aufkl?rung transienter Ph?nomene wie der strukturellen Dynamik optisch angeregter Kupferkomplexe eine zentrale Rolle spielt. Die im Teilprojekt SP2 erzielten Ergebnisse sind in insgesamt 16 Publikationen ver?ffentlicht, eine Reihe weiterer sind in Vorbereitung. Insgesamt konnte das Portfolio an Methoden zur Beschreibung molekularer Metallkomplexe erheblich verbreitert werden, wovon zukünftige Projekte in erheblichem Ma?e profitieren werden. Bis-μ-Oxo and μ-η?:η?-Peroxo Dicopper Complexes Studied within (Time-Dependent) Density-Functional and Many-Body Perturbation Theory, J. Comput. Chem. 2013, 34, 1035 – 1045 M Rohrmüller, S Herres-Pawlis, M Witte, WG Schmidt (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1002/jcc.23230) The Cu2O2 torture track for a real-life system: [Cu2(btmgp)2O2]2+ oxo and peroxo species in density functional calculations, J. Comput. Chem. 2015, 36, 1672 – 1685 M. Rohrmüller, A. Hoffmann, C. Thierfelder, S. Herres-Pawlis, W. G. Schmidt (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1002/jcc.23983) Density Functional Theory of the CuA-Like Cu2S2 Diamond Core in [Cu2(NGuaS)2Cl2], J. Comput. Chem. 2016, 37, 1005 – 1018 M. Witte, U. Gerstmann, A. Neuba, G. Henkel, W. G. Schmidt (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1002/jcc.24289) Experimental and Theoretical High-Energy-Resolution X-ray Absorption Spectroscopy: Implications for the Investigation of the Entatic State, Inorg. Chem. 2016, 55, 11694 –11706 N. J. Vollmers, P. Müller, A. Hoffmann, S. Herres-Pawlis, M. Rohrmüller, W. G. Schmidt, U. Gerstmann, M. Bauer (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b01704) Optical response of the Cu2S2 diamond core in [Cu2(NGuaS)2Cl2], J. Comput. Chem. 2016, 37, 2181 – 2192 M. Witte, B. Grimm-Lebsanft, A Goos, S. Binder, M. Rübhausen, M. Bernard, A. Neuba, S. Gorelsky, U. Gerstmann, G. Henkel, W. G. Schmidt, S. Herres-Pawlis (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1002/jcc.24439) Temperature-Dependent Hole Mobility and Its Limit in Crystal-Phase P3HT Calculated from First Principles, J. Phys. Chem. B 2016, 120, 5572 – 5580 A. Lücke, F. Ortmann, M. Panhans, S. Sanna, E. Rauls, U. Gerstmann, W. G. Schmidt (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b03598) Molecular Orbital Rule for Quantum Interference in Weakly Coupled Dimers: Low-Energy Giant Conductivity Switching Induced by Orbital Level Crossing, J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 727 – 732 D. Nozaki, A. Lücke, W.G. Schmidt (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b02989) On-Surface Site-Selective Cyclization of Corrole Radicals, ACS Nano 2017, 11, 3383 – 3391 S. Tebi, M. Paszkiewicz, H. Aldahhak, F. Allegretti, S. Gonglach, M. Haas, M. Waser, P. S. Deimel, P. Casado Aguilar, Y.-Q. Zhang, A. C. Papageorgiou, D.A. Duncan, J. V. Barth, W. G. Schmidt, R. Koch, U. Gerstmann, E. Rauls, F. Klappenberger, W. Sch?fberger, S. Müllegger (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.7b00766) Optically excited structural transition in atomic wires on surfaces at the quantum limit, Nature 2017, 544, 207 – 211 T. Frigge, B. Hafke, T. Witte, B. Krenzer, C. Streubühr, A. Samad Syed, V. Miksic Trontl, I. Avigo, P. Zhou, M. Ligges, D. von der Linde, U. Bovensiepen, M. Horn-von Hoegen, S. Wippermann, A. Lücke, S. Sanna, U. Gerstmann, W. G. Schmidt (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1038/nature21432) X-ray Spectroscopy of Thin Film Free-Base Corroles: A Combined Theoretical and Experimental Characterization, J. Phys. Chem. C 2017, 121, 2192 – 2200 H. Aldahhak, M. Paszkiewicz, F. Allegretti, D.A. Duncan, S. Tebi, P.S. Deimel, P. Casado Aguilar, Y.-Q. Zhang, A. C. Papageorgiou, R. Koch, J. V. Barth, W. G. Schmidt, S. Müllegger, W. Sch?fberger, F. Klappenberger, E. Rauls, U. Gerstmann (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b09935)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)