Development and Application of Efficient Methods for the Computation of Electronic Spectra of Large Systems

In this thesis, an efficient procedure to compute electronic excitation spectra of molecular systems is presented, focusing particularly on the computation of electronic circular dichroism (ECD) spectra. ECD spectroscopy is commonly used to distinguish between the two enantiomers of a chiral compound. Due to a strong sensitivity to the three-dimensional structure, reliable simulation of ECD spectra of solvated molecules by quantum chemical methods requires the knowledge of the relevant conformers along with the corresponding ECD signals (i.e., the individual transition intensities and energies) and Boltzmann populations. The latter point can be addressed by an established thermochemical protocol. It combines electronic energies computed in gas phase by dispersion-corrected density functional theory (DFT-D) with nuclear ro-vibrational and solvation contributions to yield the free energies in solution. This model is applied to study the association of two intermolecular frustrated Lewis pairs (FLPs). Though this case study does not aim at computing an ECD spectrum, it provides insight on whether such a scheme could also be suited to rank conformers in solution. Comparison to high-level reference methods and partially available experimental data suggests that the largest uncertainty can be attributed to the implicit solvation model. The errors for different dimer arrangements, however, appear to be within the order of 1 kcal mol-1, which is encouraging for the pursued computation of conformer free energies. In combination with a quadruple-ζ basis set, hybrid DFT-D methods like the PW6B95-D3 are almost converged with respect to a complete basis and provide satisfactory results for the electronic energy contribution. Hence, they are recommended choices for the final electronic structure level to rank different conformers in routine calculations. The major part of this thesis deals with the development and application of cost-efficient excited state methods. The current state-of-the-art to compute ECD spectra for systems with roughly 100 atoms is the time-dependent density functional theory (TD-DFT) approach. Based on the latter, the simplified TD-DFT (sTD-DFT) method is developed. The excited state treatment is accelerated by at least three orders of magnitude, resulting from semiempirically approximated two-electron integrals and a significant reduction of the involved matrix dimensions. The introduced approximations are in line with the ones in the previously presented simplified Tamm-Dancoff approximated TD-DFT (sTDA-DFT). It is shown that the sTD-DFT and the sTDA-DFT approaches provide roughly the same accuracy for vertical excitation energies, as well as absorption and ECD spectra, as their parental schemes, i.e., TD-DFT and Tamm-Dancoff approximated TD-DFT (TDA-DFT), respectively. Thus, sTD-DFT is an efficient approach that is suitable for the computation of ECD spectra. Furthermore, sTD-DFT calculations conducted on "snapshots" from molecular dynamics (MD) simulations offer an appealing way to effectively incorporate vibronic effects without a quantum mechanical (QM) treatment of the nuclei. Such a treatment is exemplified for [16]helicene (102 atoms) and a di-substituted derivative (164 atoms). While the feasibility of applying sTDA-DFT to very large systems is demonstrated for two palladium(II) metallosupramolecular spheres (822 and 1644 atoms, respectively), it is also shown that this method produces ECD spectra of incorrect sign in the origin-independent dipole velocity formalism for extended π-systems. This behavior is due to the Tamm-Dancoff approximation (TDA) and, therefore, it is also present in TDA-DFT and the related configuration interaction singles (CIS) approach. Based on the insights obtained from this study, the A+B/2 correction is developed, which corrects the (simplified) TDA eigenvectors affording origin-independent dipole velocity ECD spectra of roughly (s)TD-DFT quality, while retaining the lower computational cost of the (s)TDA excited state treatment. Combination with a newly developed, purpose-specific extended tight-binding procedure for the ground state yields the ultra-fast sTDA-xTB approach. Due to different adjustments of the atomic orbital basis and the tight-binding Hamiltonian, the method is on a par with TDA-PBE0/def2-SV(P) for vertical excitation energies. The entire computation of an ECD spectrum ( The last part of this thesis reports on another purpose-specific extended tight-binding scheme, GFN-xTB, which provides molecular geometries, harmonic vibrational frequencies, and non-covalent interaction energies with comparable or better accuracy than existing semiempirical methods. Since parameters are available for all elements with Z ≤ 86, the method offers great potential to sample the conformational space of almost arbitrary molecules with up to a few hundred atoms. In combination with the ultra-fast sTDA-xTB approach, ECD spectra can be computed in an almost "black box" manner, e.g., by computing spectra on MD snapshots. Together with the established thermochemistry protocol mentioned above, the newly developed architecture sets the stage for a fully automatic multi-level ECD procedure to be developed in the near future.Diese Dissertation stellt einen effizienten Ansatz zur Berechnung von elektronischen Anregungsspektren molekularer Systeme vor, wobei der besondere Fokus auf der Berechnung von elektronischen Circulardichroismus-(ECD-)Spektren liegt. Die ECD-Spektroskopie wird typischerweise verwendet, um zwischen den beiden Enantiomeren einer chiralen Verbindung zu unterscheiden. Aufgrund der hohen Sensibilität für die räumliche Struktur des Moleküls wird zur zuverlässigen Simulation von ECD-Spektren die Kenntnis der relevanten Konformere inklusive ihrer Boltzmann-Populationen und der jeweiligen ECD-Signale (d.h. deren energetische Lage und Intensitäten) benötigt. Die Populationen können mithilfe eines literaturbekannten Thermochemieprotokolls unter Verwendung der dispersionskorrigierten Dichtefunktionaltheorie (DFT-D) näherungsweise berechnet werden. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Modell verwendet, um die Komplexbildung von zwei intermolekularen frustrierten Lewispaaren (FLPs) zu untersuchen. Obwohl diese Fallstudie keine Berechnung eines ECD-Spektrums zum Ziel hat, geben die gewonnenen Erkenntnisse durchaus Aufschluss darüber, ob sich der gewählte Ansatz auch dazu eignet, die Populationen verschiedener Konformere zu bestimmen. Der Vergleich mit hochwertigen Vergleichsrechnungen auf der einen und mit zum Teil verfügbaren experimentellen Daten auf der anderen Seite legt nahe, dass der größte Unsicherheitsfaktor in den Solvatationsbeiträgen vorliegt, welche mithilfe eines impliziten Lösungsmittelmodells bestimmt werden. Allerdings liegen deren geschätzte Fehler für unterschiedliche räumliche Anordnungen des Komplexes, d.h. bei einer gleichbleibenden Systemgröße von ca. 50-100 Atomen, lediglich bei etwa 1 kcal mol-1. Für die Berechnung von freien konformellen Enthalpien ist mit ähnlich großen Fehlern zu rechnen. Kombiniert mit Quadruple-ζ-Basissätzen weisen Hybrid-DFT-Methoden bereits nahezu konvergierte elektronische Energien auf und können bei gleichzeitiger Verwendung einer Dispersionskorrektur relativ genaue Gasphasenenergiebeiträge (so z.B. PW6B95-D3) zu den freien Enthalpien in Lösung beitragen. Der Großteil dieser Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung von kosteneffizienten Methoden zur Berechnung angeregter Zustände. Die gegenwärtig am häufigsten verwendete Methode zur Berechnung von ECD-Spektren ist die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT). Von dieser ausgehend wird die vereinfachte TD-DFT Methode (sTD-DFT) entwickelt. Aufgrund der semiempirischen Näherung der Zweielektronenintegrale und der deutlichen Reduzierung der relevanten Matrixdimensionen wird die Berechnung der angeregten Zustände um mindestens drei Größenordnungen beschleunigt. Diese Näherungen sind konsistent zu jenen, die bereits in dem vereinfachten Tamm-Dancoff-genäherten TD-DFT (sTDA-DFT) Ansatz eigeführt wurden. Im Vergleich zu den Ausgangsmethoden, also TD-DFT und seiner Tamm-Dancoff-Näherung (TDA-DFT), ist weder eine signifikante Beeinträchtigung der senkrechten Anregungsenergien noch eine Verschlechterung der Absorptions- und ECD-Intensitäten bemerkbar. Insbesondere die sTD-DFT Methode eignet sich zur effizienten und zuverlässigen Berechnung von ECD-Spektren. Die Effizienz der sTD-DFT Methode ermöglicht unter anderem die Berechnung von Spektren auf Nichtminimumsstrukturen, die aus einer Molekulardynamik-(MD)-Simulation stammen. Somit können vibronische Effekte näherungsweise erfasst werden, ohne dass ein quantenmechanischer (QM) Ansatz für die Kerne verwendet werden muss. Exemplarisch wird dieses Verfahren für das [16]Helicen (102 Atome) und einem disubstituierten Derivat (164 Atome) angewandt. Die Anwendbarkeit der sTDA-DFT Methode auf sehr große Systeme wird am Beispiel von zwei Palladium(II)-metallosupramolekularen Komplexen (822 und 1644 Atome) verdeutlicht, doch zeigt eine weitere Studie, dass Tamm-Dancoff-genäherte (TDA) Methoden für die ECD Spektren von ausgedehnten, delokalisierten π-Systemen im Impulsformalismus das falsche Vorzeichen liefern. Gleiches gilt für den verwandten Konfigurationswechselwirkungs-Ansatz mit Einfachanregungen (CIS). Basierend auf den Erkenntnissen dieser Studie ist es gelungen, die sogenannte A+B/2-Näherung zu entwickeln, welche die entsprechenden Fehler in den TDA Eigenvektoren behebt, ohne die Kosten der Methode sichtlich zu erhöhen. Durch die Kombination des so korrigierten vereinfachten TDA-Ansatzes mit einer speziell optimierten semiempirischen Tight-Binding-Methode für den Grundzustand wird die äußerst schnelle sTDA-xTB-Methode erhalten. Aufgrund verschiedener Modifikationen der Atomorbitalbasis und des Tight-Binding-Potentials erreicht diese Methode eine ähnliche Genauigkeit für senkrechte Anregungsenergien wie z.B. eine DFT-basierende Rechnung auf TDA-PBE0/def2-SV(P) Niveau. Die beachtliche Effizienz der Methode wird im Vergleich zum bereits effizienten sTD-BHLYP/def2-SV(P) Ansatz für das [16]Helicen (alle Anregungen bis 9 eV) deutlich: Während letzterer Ansatz etwas mehr als eine Stunde Rechenzeit benötigt, ist das ECD-Spektrum mit sTDA-xTB bereits nach 10 s verfügbar. Da die Parametrisierung nahezu das gesamte Periodensystem abdeckt, werden Standardrechnungen von Spektren großer Systeme (mit ca. 1000 Atomen) ermöglicht, selbst wenn mehrere Konformere berücksichtigt werden. Im letzten Teil der Arbeit wird eine weitere spezialisierte Tight-Binding-Methode vorgestellt (GFN-xTB), die wiederum auf die Berechnung von Geometrien, harmonischen Frequenzen und nichtkovalenten Wechselwirkungen ausgelegt ist und hierfür bessere Ergebnisse liefert als vergleichbare semiempirische Methoden. Die Verfügbarkeit von Parametern für alle Elemente mit Z ≤ 86 ermöglicht das Absuchen des konformellen Raums für unterschiedliche Systeme mit wenigen hundert Atomen. Zusammen mit sTDA-xTB sind in kürzester Zeit Berechnungen von Sprektren z.B. entlang von MD-Trajektorien möglich. Vereint mit den bereits existierenden Thermochemieprotokollen sind somit die ersten Voraussetzungen für eine völlig automatische Prozedur zur Berechnung von ECD-Spektren geschaffen worden

Integrating regional-scale connectivity in habitat restoration: An application for amphibian conservation in eastern France

International audienceHabitat restoration is one way of reducing landscape fragmentation, which is seen as a threat to biodiversity. It consists in renovating disused or degraded habitat patches or in creating new habitat patches in suitable areas. Currently, most restoration measures draw on the local knowledge of experts for selecting the best locations. For amphibian metapopulations like the European tree frog (Hyla arborea), the search for such locations must include regional-scale connectivity in order to maintain their viability. We set up a systematic and cumulative protocol for adding new habitat patches to a pond network. Graph modelling is used to include regional-scale connectivity as a criterion to be maximized. Successive locations are tested systematically and connectivity is compared before and after the virtual addition of each new pond. The location that increases connectivity most is identified. The results show that the priority areas identified by the model are similar to those suggested by local experts from a wildlife conservation association. The two approaches are complementary because they are applied on two different scales. The patch addition method can identify strategic areas for improving global connectivity by taking into account the regional scale. Experts' knowledge can target the precise location within the identified area for creating new habitats based on local factors of the surrounding context. In addition, our method can be also used to prioritize locations already decided on by landscape managers. Consequently, this protocol appears to be a useful tool for guiding habitat restoration in the field

Free electrons and ionic liquids: study of excited states by means of electron-energy loss spectroscopy and the density functional theory multireference configuration interaction method

The technique of low energy (0–30 eV) electron impact spectroscopy, originally developed for gas phase molecules, is applied to room temperature ionic liquids (IL). Electron energy loss (EEL) spectra recorded near threshold, by collecting 0–2 eV electrons, are largely continuous, assigned to excitation of a quasi-continuum of high overtones and combination vibrations of low-frequency modes. EEL spectra recorded by collecting 10 eV electrons show predominantly discrete vibrational and electronic bands. The vibrational energy-loss spectra correspond well to IR spectra except for a broadening ([similar]0.04 eV) caused by the liquid surroundings, and enhanced overtone activity indicating a contribution from resonant excitation mechanism. The spectra of four representative ILs were recorded in the energy range of electronic excitations and compared to density functional theory multireference configuration interaction (DFT/MRCI) calculations, with good agreement. The spectra up to about 8 eV are dominated by π–π* transitions of the aromatic cations. The lowest bands were identified as triplet states. The spectral region 2–8 eV was empty in the case of a cation without π orbitals. The EEL spectrum of a saturated solution of methylene green in an IL band showed the methylene green EEL band at 2 eV, indicating that ILs may be used as a host to study nonvolatile compounds by this technique in the future

Carbon balance of coniferous forests in response to different harvesting strategies

The aim of this study was ultimately to suggest a harvesting strategy for northern coniferous forests that would be the best choice of carbon management for optimising carbon storage regarding the concerns of both wood production and carbon stored in the forest pools not harvested. For two climatic diverse sites in Sweden, Asa (57°08'N, 14°45'E) and Flakaliden (64°07' N19°27'E), a comparison has been made between three different forest management scenarios by use of a process-based modelling approach. The three scenarios addressed were a control scenario, a clear-cutting scenario and a single-tree selection scenario. The focus was on the carbon balance of the sites and how this was affected by the different ways of management. For the simulation of the trees in the forest the daily time-step based model BIOMASS was used. This model runs on daily meteorological inputs and consists of a large amount of sub-models interacting with each other. For the heterotrophic part of the forest, the Q-model was applied. The Q-model is a model simulating decomposition of organic matter. The BIOMASS model could successfully be parameterised in such a way that it was able to reproduce sufficiently both the CO2 - fluxes and evapotranspiration fluxes of the target forest, but also the realistic development of a forest at the specific site. All scenario runs were run for 300 years on the climatic data of one-year repeated climate, to exclude effects of changing climate. The control scenario was run until it reached an equilibrium point, the clear-cutting scenario was run until the final harvest of 100 years and then repeated 2 times. The single-tree scenario was run in small time intervals and always the same small proportion of harvest was taken out. Harvesting residues were decomposed, but the harvested stems were considered to be taken away after the harvests and did not contribute to the heterotrophic respiration. Concerning the carbon pools, the scenarios followed the expected behaviour, the control and the single-tree selection balanced out, whilst the run on Asa went much faster to an equilibrium state than the run in Flakaliden. The carbon pool of the clear-cutting scenario was rising fast, even if some thinnings had been applied it was rising until the trees were harvested fully. The control scenario stored the most amount of wood. The highest accumulated net ecosystem exchange (NEE) for Asa and for Flakaliden was in the single-tree selection, followed by the clear cut scenario and the control scenario. A comparison between the two different harvesting strategies concerning the amount of wood which could be harvested resulted in the outcome that both harvesting strategies would result in approximately the same amount of wood. The clear-cutting management was a little more effective at the Northern site, whilst the single-tree selection seemed to work better in the South. This first attempt of a modelling comparison of single-tree selection management with traditional harvesting strategies indicate that the single-tree selection was the best managing form regarding total carbon accumulation and under certain circumstances may even be interesting for economic reasons because of the continuous income from harvests. Single-tree selection should be considered a serious alternative to traditional harvesting management

Modellierung der Abflussdynamik und des Pestizidaustrags in einem Wassereinzugsgebiet in Nordthailand

In den Bergregionen Nordthailands nimmt der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln in der Landwirtschaft und damit die Belastung von Oberflächengewässern seit Jahrzehnten ständig zu. Das Ziel dieser Studie ist daher, die Abflussdynamik und den Pestizidaustrag in einem Wassereinzugsgebiet in Nordthailand zu simulieren und so die Belastung des Vorfluters mit Pflanzenschutzmitteln abzuschätzen. Für die Simulation wurde das SWAT-Modell verwendet. In einem ersten Schritt wurde die Sensitivität ausgewählter Modellparameter mittels Latin-Hypercube-Analyse ermittelt. Danach wurde das Modell für das Jahr 2008 mittels probabilistischen Simulationen kalibriert und für die Jahre 2009 und 2010 validiert. Erste Simulationsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Abflüssen. Erste Simulationsergebnisse des kumulierten Pestizidaustrags zeigen bisher nur für einen Teil der untersuchten Pestizide zufrieden stellende Ergebnisse. Die Kalibrierung der für den Pestizid-Transport relevanten Parameter muss noch verbessert werden

Photoschaltbare Spin-Crossover Verbindungen zur Modifikation von Oberflächen

The scope of this thesis is the synthesis and characterisation of new spin-crossover coordination compounds with photoswitchable ligands and the evaluation of their potential for the development of molecular switching units. The first part of the thesis is concerned with the synthesis of iron(II)- and iron(III) coordination compounds with a photoisomerisable azo-function directly coordinated to the metal center and the characterisation of the resulting compounds with Mößbauer- and UV/Vis spectroscopy. Basing on the results of these experiments, photoswitchable azopyridines were reacted with an otherwise coordinatively saturated iron(III)-system that was supposed to be able to undergo a thermal spin-transition as well as a photoisomerisation of the coordinated azoligands. These new spin-crossover compounds were characterised with UV/Vis, vibrational-, NMR- and Mößbauer-spectroscopy as well as quantum-chemical methods to gain insights into the influence of the cis-trans-isomerisation of coordinated pyridine-donors on the spin-state of the coordination center. To further enhance the switching properties of coordination compounds, as well as to gain access to a stable switchable spin-crossover compound suited for the modification of various surfaces, new chelating azo-ligands were successfully synthesized and characterised. These new ligands were used to equip an iron(II)-spin-crossover complex with a photoswitchable unit. This complex as well as the not switchable parent compounds were characterised extensively with UV/Vis- vibrational-, NMR- and Mößbauer-spectroscopy. This class of iron(II) spin-crossover complexes showed to be able to form thin layers on various substrates by sublimation. The effects on the spin-transition were studied with optical spectroscopy.Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und spektroskopische Charakterisierung neuer Eisen-basierter Spin-Crossover Koordinationsverbindungen mit photoschaltbaren Liganden und deren Untersuchung im Hinblick auf ihr jeweiliges Potential für die Entwicklung von molekularen Schaltern. Der erste Abschnitt der Arbeit befasst sich mit der Synthese neuer Eisen(II)- und Eisen(III)-Komplexe mit einer direkt koordinierten Azo-Einheit und der Charakterisierung der Verbindungen mit Mößbauer- und UV/Vis-Spektroskopie. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden photoisomerisierbare Phenylazopyridine mit einer anderweitig koordinativ gesättigten Eisen(III) Stammverbindung umgesetzt, welche sowohl zu einem thermisch induzierten Spinübergang befähigt sein sollte als auch zur Photoisomerisierung des koordinierten Azopyridins. Die neu synthetisierten Spin-Crossover Komplexe wurden mittels UV/Vis- Schwingungs-, NMR- und Mößbauerspektroskopie und mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht, um Erkenntnisse über den Einfluß der cis-trans-Isomerisierung des koordinierten Pyridinderivats auf den Spinzustand des Metallzentrums zu gewinnen. Um die Schalteigenschaften der Spin-Crossover Verbindungen weiter zu optimieren, wurden neue schaltbare Chelatliganden synthetisiert. Diese wurden dazu verwendet einen neuen, mit einer photoschaltbaren Azogruppe ausgestatteten, Spin-Crossover Komplex zu synthetisieren, welcher mit Hilfe von UV/Vis-, Schwingungs-, NMR- und Mößbauerspektroskopie charakterisiert wurde, wie auch die nicht photoschaltbaren Stammverbindungen. Diese Gruppe von Komplexen ist gut dazu geeignet dünne Filme durch Vakuumsublimation auf Oberflächen abzuscheiden. Der Einfluß der Filmbildung auf den Spinübergang wurde mittels optischer Spektroskopie untersucht

Numerical Approach Including the Winding Impact for Electrical Machine Vibration Analysis

International audienceA numerical approach is presented to study and analyze the winding influence on the vibration problem of electrical machines. A multiscale homogenization method is developed to model the mechanical response of the winding structure, which is hard to be finely modeled. Associated with a magneto-mechanical formulation, this approach allows analyzing the mechanical deformation and vibration problem of electrical devices. The computational method has been applied to the magneto-mechanical analysis of a switched reluctance machine. The results show the importance of considering the windings in the vibration analysis of electrical machines

Diaryltriazolium Photoswitch: Reaching a Millisecond Cycloreversion with High Stability and NIR Absorption

The exceptional thermal stability of diarylethene closed isomers enabled many applications but also prevented utilization in photochromic systems that require rapid thermal reversibility. Herein, we report the diaryltriazolium (DAT+) photoswitch undergoing thermal cycloreversion within a few milliseconds and absorption of the closed form in the near-infrared region above 900 nm. Click chemistry followed by alkylation offers modular and fast access to the electron-deficient DAT+ scaffold. In addition to excellent fatigue resistance, the introduced charge increases water solubility, rendering this photoswitch an ideal candidate for exploring biological applications.Peer Reviewe

Identification of Exosite-Targeting Inhibitors of Anthrax Lethal Factor by High-Throughput Screening

SummaryProtease inhibitor discovery has focused almost exclusively on compounds that bind to the active site. Inhibitors targeting protease exosites, regions outside of the active site that influence catalysis, offer potential advantages of increased specificity but are difficult to systematically discover. Here, we describe an assay suitable for detecting exosite-targeting inhibitors of the metalloproteinase anthrax lethal factor (LF) based on cleavage of a full-length mitogen-activated protein kinase kinase (MKK) substrate. We used this assay to screen a small-molecule library and then subjected hits to a secondary screen to exclude compounds that efficiently blocked cleavage of a peptide substrate. We identified a compound that preferentially inhibited cleavage of MKKs compared with peptide substrates and could suppress LF-induced macrophage cytolysis. This approach should be generally applicable to the discovery of exosite-targeting inhibitors of many additional proteases