Hochgenaue Ergebnisse bei niedrigem Rechenaufwand

MPI Forschern gelingt Vorhersage von NMR-Parametern mit DLPNO-Näherung

17. Mai 2021
Die neue Methode der MPI Forscher in der Anwendung. Ein Konformer des Vancomycin-Moleküls und sein berechnetes 13C-NMR-Spektrum, bei dem einige Werte den Atomen zugeordnet sind.

Die Kernresonanzspektroskopie (“Nuclear Magnetic Resoncance” – NMR) ist eine der wichtigsten analytischen Techniken in der Chemie, die in der pharmazeutischen Industrie, der Biomedizin oder den Materialwissenschaften nicht fehlen darf. Sie dient dazu, die Struktur und Dynamik von Molekülen aufzuklären. NMR-Spektren allein genügen jedoch oft nicht für eine vollständige Strukturbestimmung und so müssen Forscher quantenchemische Berechnungen zur Ergänzung und Interpretation nutzen. Die theoretischen Chemiker simulieren dabei als wichtigsten Parameter die „chemische Verschiebung“ für jedes Atom, um genaueste Informationen zu erlangen. Doch die bisher genutzten Methoden gelangten immer wieder an Grenzen.

Bisherige Ergebnisse oft zu ungenau oder nur mit hohem Rechenaufwand erzielbar - die neue DLPNO-Näherung reduziert den Rechenaufwand genauer Methoden erheblich

Die Kombination aus Experiment und immer neuen theoretischen Methoden führt zu Erkenntnissen, die auf anderem Wege nicht zugänglich gewesen wären. Allerdings stehen Wissenschaftler häufig vor einem Dilemma: Effiziente Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie – das Arbeitspferd der Theoretischen Chemie – liefern häufig nur unzureichende Genauigkeit. Hochgenaue Wellenfunktionsmethoden wiederum nehmen enorme Rechenressourcen in Anspruch. Zudem können sie nicht für große Moleküle wie z. B. in der Pharmazeutik oder Biomedizin angewendet werden.

Forscher der Abteilung für Molekulare Theorie und Spektroskopie am MPI für Kohlenforschung entwickelten nun einen neuen Ansatz, der den Durchbruch bringt. Ihre Wellenfunktionsmethode zur Vorhersage von NMR- Parametern basiert auf dem von Frank Neese beschriebenen Konzept der Domänen-basierten Lokalen Paar Natürlichen Orbitalen (DLPNO) Näherung. Die Theoretiker um Stoychev et al. erreichten hochgenaue Ergebnisse bei niedrigem Rechenaufwand. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel beschreiben sie, wie ihnen die exakte Berechnung chemischer Verschiebungen für Systeme mit hunderten Atomen gelang. Die neue Methode eröffnet interessante Perspektiven für Anwender, denn in vielen Bereichen der Chemie gehört die Interpretation von NMR-Spektren zum Tagesgeschäft.

Die Publikation wurde von den Editoren als „Featured Article“ ausgesucht und ist jetzt im Journal of Chemical Physics, einem der führenden Fachjournale für Methodenentwicklung in der Theoretischen Chemie, erschienen.

Publikation: G. L. Stoychev, A. A. Auer, J. Gauss, and F. Neese, "DLPNO-MP2 second derivatives for the computation of polarizabilities and NMR shieldings", J. Chem. Phys. 154, 164110 (2021)
https://doi.org/10.1063/5.0047125

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