Inclusion of Dynamical Effects in Calculation of EPR Parameters

Autor: Asher, James
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2006
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Doctoral Thesis
Popis: This thesis describes the inclusion of dynamical effects in the theoretical calculation of Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopic parameters. The studies were performed using Density Functional Theory (DFT) methodology and a perturbation-theoretical approach to g-tensor calculations. Hydrogen atoms trapped in octasilasesquioxane cages display unexpectly high, positive g-values. Computational simulation of these systems successfully reproduced the positive g-values and found them to arise from spin-orbit coupling around the oxygen nuclei. Dynamical effects were estimated by calculating the potential well in which the hydrogen atom moves. Semiquinone radical anions are important bioradicals that play a role in photosynthesis and respiration. The simplest and most prototypical, benzosemiquinone anion, was simulated both in the gas phase and in aqueous solution by Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD). The neutral benzoquinone was also simulated for comparison. The solvation environments of both the anionic and neutral molecules were analysed and compared. EPR parameters were calculated for the semiquinone, providing the first example of full inclusion of dynamic effects in g-tensor calculation. The effects of different solvation interactions on the g-tensor and hyperfine interactions were extensively examined. Additionally, static calculations (i.e., calculations not incorporating any dynamical effects) were performed. Comparison between these (and prior computational studies) and the dynamical system allowed an assessment of the effects of dynamics on solvation and EPR parameters. Ubisemiquinone radical anion, one of the most widely-occurring semiquinone radicals, was simulated in the aqueous phase using CPMD. The solvation environment was analysed and EPR parameters were calculated. The motion of the side-chain, and its effects on solvation and EPR parameters, were examined.
Dieser Dissertation liegt die Einbeziehung dynamischer Effekte in die Berechnung Elektronspinresonanzparameter (ESR) zugrunde dar. Die Berechnungen wurden mit Hilfe eines Dichtefunktionaltheorie (DFT) Ansatzes und einer störungstheoretischen g-Tensorrechnungsmethode durchgeführt. In Octasilasesquioxankäfigen gefangene Wasserstoffatome haben laut Experiment unerwartet große, positive g-Werte. Diese positiven g-Werte konnten mit theoretischen Simulationen reproduziert werden und anhand der Datan ermittelt werden daß sie auf Spinbahnkopplung um die Sauerstoffkerne zurückzuführen sind. Dynamische Effekte wurden aus Berechnung der Potentialkurve, in der sich das Wasserstoffatom bewegt, abgeschätzt. Semichinonanionen sind wichtige Bioradikalen die eine Rolle in der Respiration und der Photosynthese spielen. Benzosemichinonanion, das einfachste und prototypischste Semichinonanion, wurde in der Gas- und wässriger Lösungsphasen mit Hilfe der Car-Parrinello Molekulardynamik (CPMD) Methode simuliert. Das neutrale Benzochinon wurde zum Vergleich berechnet. Die Lösungsumgebungen des neutralen Chinons und des anionischen Semichinons wurden analysiert und verglichen. Die EPR-Parameter wurde erstmalig unter volle Einbeziehung von dynamischen Effekten in g-Tensorberechnung für das Semichinon berechnet. Dazu wurden statische Berechnungen (d.h. ohne Berücksichtigung dynamischer Effekte) durchgeführt. Aufgrund eines Vergleiches von statischen Berechnungen mit dem dynamischen System konnten die Effekte der Dynamik auf Lösungsverhalten und EPR-Parameter abgeschätzt werden. Eines der verbreitesten Semichinon-Radikale, Ubisemichinonanion, wurde zudem in wässriger Lösungsphase mit CPMD simuliert. Die Lösungsumgebung wurde analysiert, und EPR-Parameter berechnet. Die Bewegung der Nebengruppen, und deren Einfluss auf Wasserstoffbrückenbindungen und EPR-Parameter wurden analysiert.
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