Protonengekoppelter Elektronentransfer: Simulationen im großen Maßstab jenseits der Born-Oppenheimer-Näherung

• Antragsteller: Dr. Denis Artiukhin
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545861628

Protonengekoppelter Elektronentransfer (PCET) spielt eine wichtige Rolle in vielen chemischen Prozessen, welche sowohl in lebender Materie als auch in technischen Anwendungen relevant sind. Dieser verläuft häufig als photoinduzierte, sequentielle oder konzertierte Reaktion, die energetisch gekoppelte Übergänge mehrerer Elektronen und Protonen in einer einzelnen Verbindung oder zwischen verschiedenen Donatoren und Akzeptoren beinhalten kann. Dieser Reichtum an Reaktionsmechanismen erschwert die Analyse und Interpretation experimentell beobachteter PCET-Ereignisse erheblich und verlangt nach Unterstützung durch computergestützte Berechnungsmethoden. Realistische, theoretische Simulationen von PCET-Reaktionen sind jedoch keineswegs trivial und erfordern die Berücksichtigung von Wechselwirkungen mit großen molekularen Umgebungen und die quantenmechanische Behandlung beider Arten von übertragenen Teilchen. Bei photoinduzierten Prozessen müssen ebenfalls die Auswirkungen von elektronischen und Schwingungs-Anregungen berücksichtigt werden. Keine der bisher existierenden computergestützten Berechnungsmethoden erfüllt all diese Anforderungen (wenn überhaupt) auf einmal. Kurzfristig wird dieser neue Ansatz akkurate und dennoch durchführbare quantenchemische Berechnungen von PCET Kopplungselementen und Aufspaltungen ermöglichen, die die Hauptbestandteile der Analyse und Interpretation von PCET- Reaktionsmechanismen sind. Langfristig könnten Berechnungen von PCET-Reaktionsraten sowie kinetischen Isotopeneffekten, welche experimentell messbar sind, Wirklichkeit werden. Die vorgeschlagene Methode wird eine wirkungsvolle Ergänzung zu experimentellen Techniken darstellen und zum Verständnis einer Vielzahl anspruchsvoller biochemischer und künstlicher PCET-beinhaltender Phänomene beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen