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Theoretische Chemie

Unsere zentralen Forschungsgebiete sind die Theoretische Chemie und insbesondere die Quantenchemie. Wir befassen uns mit der Entwicklung von theoretischen Methoden, hauptsächlich für große Moleküle, und wir tragen durch theoretische Rechnungen an konkreten chemischen Problemen zu deren Lösung bei, meist in enger Kooperation mit experimentellen Partnern.

  • ab initio Methoden
  • Dichtefunktionaltheorie
  • semiempirische Verfahren
  • kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden

Anwendungen aus diesen Gebieten umfassen die Vibrations-Rotations-Spektroskopie kleiner Moleküle, katalytische Reaktionen von Übergangsmetallverbindungen, die Dynamik elektronisch angeregter Zustände und enzymatische Reaktionen. Sie reichen somit von hochgenauen Rechnungen an kleinen Molekülen bis zur Modellierung sehr komplexer Systeme mit Tausenden von Atomen.

Walter Thiel

Prof. Dr. Walter Thiel

seit 2001
Honorarprofessor, Universität Düsseldorf
seit 1999
Direktor, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
1992–1999
Professor, Universität Zürich
1987
Gastpofessor, University of California at Berkeley
1983–1992
C3-Professor, Universität Wuppertal
1981
Habilitation, Universität Marburg
1973–1975
Post-Doc, University of Texas at Austin (M.J.S. Dewar)
1973
Promotion, Universität Marburg (A. Schweig)
1966–1971
Chemiestudium, Universität Marburg
1949
geboren in Treysa, Deutschland
2013
ERC Advanced Grant, Europäischer Forschungsrat
2012
Liebig-Denkmünze, Gesellschaft Deutscher Chemiker
2008
Mitglied, Nordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften
2007
Mitglied, International Academy of Quantum Molecular Sciences
2007
Mitglied, Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina
2002
Schrödinger Medaille, World Association of Theoretical Chemists
1988
Förderpreis, Alfried-Krupp Stiftung
1982
Heisenbergstipendium, Deutsche Forschungsgemeinschaft
1975
Liebigstipendium, Verband der Chemischen Industrie
seit 2013
Mitglied des Scientific Advisory Board, Institute of Chemical Research of Catalonia, Tarragona, Spanien
seit 2012
Mitglied des Vorstands, Gesellschaft Deutscher Chemiker
2012–2014
Editorial Advisory Board, Accounts of Chemical Research
2012–2013
Editorial Advisory Board, ACS Catalysis
seit 2011
Präsident, World Association of Theoretical and Computational Chemists
2011–2014
Mitglied des Internationalen Advisory Board, Institut für Organische Chemie und Biochemie, Prag, CZ
2010
Vorsitzender, Gordon Conference on Computational Chemistry
seit 2009
Mitglied des International Advisory Board, State Key Laboratory of Physical Chemistry (PCOSS), Xiamen, China
seit 2008
Associate Editor, WIRES: Computational Molecular Sciences
2006–2013
Mitglied des Kuratoriums, Angewandte Chemie
2006–2012
Vorsitzender, BAR-Ausschuss der Max-Planck-Gesellschaft
2006–2008
Geschäftsführender Direktor, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
seit 2004
Mitglied des Scientific Advisory Board, Lise-Meitner Minerva Center for Quantum Chemistry, Jerusalem/Haifa, Israel
2004–2007
Mitglied, Ständiger Ausschuss der Bunsengesellschaft
2002–2008
Section Editor, Encyclopedia of Computational Chemistry
2001–2005
Vorsitzender, Arbeitsgemeinschaft Theoretische Chemie
2000–2008
Fachkollegiat, Deutsche Forschungsgemeinschaft
2000–2006
Mitglied des Lenkungsausschusses, Höchstleistungsrechenzentrum Bayern
seit 1998
Advisory Editor, Journal of Computational Chemistry
1997–2014
Advisory Editor, Theoretical Chemistry Accounts
1990–1992
Sprecher, DFG-Forschergruppe: Reaktive Moleküle
1986–1992
Mitglied des Vorstands, Institut für Angewandte Informatik, Wuppertal
 

Forschungsthemen

Ab initio Methoden
Ab initio Methoden

Ab initio Methoden

Unter Verwendung hochkorrelierter ab initio Methoden berechnen wir die Vibrations-Rotations-Spektren kleiner Moleküle mit hoher Genauigkeit. Unsere früheren Arbeiten auf diesem Gebiet nutzten coupled cluster CCSD(T) Rechnungen in Verbindung mit einer störungstheoretischen Behandlung der Kernbewegung, um durch die genaue Vorhersage der spektroskopischen Konstanten kleiner reaktiver Moleküle deren spektroskopische Identifizierung zu erleichtern und die Analyse der hochaufgelösten Spektren zu unterstützen. In den letzten Jahren haben wir allgemeine Variationsmethoden für die Kernbewegung entwickelt und implementiert, mit denen die Vibrations-Rotations-Energien und Intensitäten für beliebige kleine Moleküle vorhergesagt werden können, inbesondere auch für nichtrigide Moleküle und für hochangeregte Rotationszustände. Diese Variationsrechnungen basieren auf hochgenauen ab initio (coupled cluster) Potentialflächen und Dipolmomentflächen. Aktuelle Anwendungen betreffen die Berechnung kompletter Linienlisten für Ammoniak (über 3 Millionen Übergänge) für astrophysikalische Zwecke, die Erklärung der beobachteten Intensitätsanomalien bei Oxadisulfan (HSOH) und theoretische Vorhersagen für Thioformaldehyd mit Wellenzahl-Genauigkeit. Im Bereich der elektronischen Spektroskopie verwenden wir ab initio Methoden, um theoretische Benchmarkdaten für elektronisch angeregte Zustände von typischen organischen Chromophoren zu erhalten.

Dichtefunktionaltheorie (DFT)
Dichtefunktionaltheorie (DFT)

Dichtefunktionaltheorie (DFT)

Mit DFT Methoden untersuchen wir Übergangsmetallverbindungen, um deren Eigenschaften zu verstehen und vorherzusagen, insbesondere im Hinblick auf die Elektronenstruktur und die katalytische Reaktivität. Viele unserer Arbeiten zur homogenen Katalyse erfolgen in enger Kooperation mit den experimentellen Gruppen an unserem Institut und zielen auf ein detailliertes Verständnis der experimentell untersuchten Reaktionen.
Derartige DFT Anwendungen umfassen Studien zu folgenden Themen:

  • Mechanismus der Ru-katalysierten Olefinmetathese,
  • Stereochemie der Zirconocen-katalysierten Olefinpolymerisation,
  • Aktivierung von Präkatalysatoren in der Pt- and Ru-katalysierten Hydrosilylierung,
  • Enantioselektivität der Rh-katalysierten Hydrierung,
  • Mechanismus von Pd-katalysierten Kreuzkupplungsreaktionen,
  • Ursprung der Selektivität bei der Pd-katalysierten allylischen Alkylierung,
  • Elektronenstruktur und Spektren von Eisen-Corrol-Komplexen,
  • Elektronenstruktur von Kohlenstoff(0)- und Stickstoff(I)-Koordinationsverbindungen.

DFT Methoden werden auch oft als QM Komponente bei QM/MM Untersuchungen von enzymatischen Reaktionen verwendet.

Semiempirische Methoden
Semiempirische Methoden

Semiempirische Methoden

Dieses Langzeitprojekt zielt auf die Entwicklung verbesserter semiempirischer quantenchemischer Methoden, mit denen immer größere Moleküle mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden können. Dies umfasst auch die Entwicklung effizienterer Algorithmen und Computerprogramme. Anwendungen sind meist motiviert durch Anfragen experimenteller Partner oder durch aktuelle chemische Fragestellungen, sie dienen oft aber auch dazu, die Grenzen der neu entwickelten Methoden und Programme kennenzulernen.
Methodische Aktivitäten der letzten Jahren betreffen:

  • die Einführung von Orthogonalisierungskorrekturen auf NDDO Niveau,
  • die Parametrisierung der entsprechenden OM Verfahren,
  • die Implementierung der GUGACI Methode für semiempirische Methoden,
  • die Implementierung von linear skalierenden Techniken,
  • die Herleitung und Implementierung von analytischen Ableitungen,
  • die Nutzung genetischer Algorithmen für semiempirische Parametrisierungen,
  • die Implementierung der surface hopping Dynamik.

In früheren Jahren haben wir semiempirische Methoden vom MNDO-Typ bei ausgedehnten Studien an Fullerenen eingesetzt. Jetzt liegt unser Fokus auf der Photochemie großer organischer Chromophore, wobei wir auf OM2/GUGACI Niveau sowohl statische Rechnungen als auch surface hopping Simulationen durchführen. Untersucht werden beispielsweise Nucleobasen in der Gasphase, in wässriger Lösung und in DNA Oligomeren, ebenso wie fluoreszierende Proteine, molekulare Rotoren, photochemische Schalter und Retinalmodelle. Weiterhin verwenden wir semiempirische Methoden in QM/MM Molekulardynamik-Simulationen von enzymatischen Reaktionen.
 

Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden (QM/MM)
Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden (QM/MM)

Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden (QM/MM)

Auf diesem Forschungsgebiet geht es um Hybridansätze für große Systeme, bei denen das aktive Zentrum durch ein geeignetes quantenmechanisches Verfahren und die Umgebung durch ein klassisches Kraftfeld beschrieben werden. Der QM/MM Ansatz erlaubt eine maßgeschneiderte Modellierung komplexer Systeme, wobei der Rechenaufwand auf den chemisch relevanten Teil fokussiert ist. In diesem Projekt gilt ein wesentlicher Teil unserer Aktivitäten der Entwicklung verbesserter Methoden und Software. Bei den Anwendungen konzentrieren wir uns auf die Biokatalyse, insbesondere auf das mechanistische Verständnis enzymatischer Reaktionen und den Einfluss der Proteinumgebung auf die Reaktivität.
Methodische Beiträge betreffen:

  • die Definition geeigneter QM/MM Kopplungsschemata (Embedding),
  • den Einsatz hochkorrelierter ab initio Methoden als QM Komponente,
  • den Einsatz polarisierbarer  Kraftfelder vom Drude-Typ als MM Komponente,
  • die Entwicklung spezieller Techniken für QM/MM Geometrieoptimierungen,
  • die Implementierung von Methoden für QM/MM Freie-Energie-Rechnungen,
  • die Entwicklung von Multiskalenverfahren (QM/MM/Kontinuum),
  • die Erweiterung der QM/MM Methodik auf elektronisch angeregte Zustände,
  • die Implementierung des QM/MM-basierten Quanten-Refinements für die Röntgenstrukturanalyse von Proteinen,
  • die Entwicklung einer modularen QM/MM Softwareumgebung (ChemShell).

Auch wenn die QM/MM Technologie auf eine Vielzahl komplexer Systeme angewendet werden kann, interessieren wir uns hauptsächlich für enzymatische Reaktionen. In den letzten Jahren haben wir uns befasst mit der Biokatalyse durch Häm-Enzyme (z.B. Cytochrom P450), Molybdopterin-Enzyme (z.B. Xanthin-Oxidase), Cysteinproteasen, Fluorinasen, Lipasen, Chorismat-Mutase, p-Hydroxybenzoat-Hydroxylase und Cyclohexanon-Monooxygenase. Daneben untersuchen wir die spektroskopischen Eigenschaften von Proteinen mit QM/MM Methoden, beispielsweise die Raman-Spektren von Phycocyanin, die NMR-Spektren von Vanadium-haltigen Haloperoxidasen und die Elektronenspektren von fluoreszierenden Proteinen. Surface hopping QM/MM Simulationen erlauben darüber hinaus das Studium der Dynamik von elektronisch angeregten Chromophoren unter Einbeziehung der Umgebung.
 

 

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  • Dr. Andrey Yachmenev

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  • Dr. Yiying Zheng

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