Entwicklung und Anwendung wellenfunktionsbasierter Methoden zur Berechnung skalarer Kopplungen und chemischer Verschiebungen in der Kernspinresonanzspektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Tim Neudecker
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 351983107

Die Kernspinresonanzspektroskopie ist eine der wichtigsten experimentellen Methoden, um die räumliche Struktur von Biomolekülen zu untersuchen. Die wichtigsten Messgrößen in diesen Experimenten sind die sog. chemischen Verschiebungen sowie die indirekten Spin-Spin Kopplungen. Die chemischen Verschiebungen sind abhängig von der elektronischen Umgebung und erlauben quantitative Aussagen über die Struktur der Biomoleküle. Die indirekten Spin-Spin Kopplungen hingegen beschreiben, inwiefern die Bindungselektronen die Relaxation der Kernspins im Magnetfeld beeinflussen. Die Interpretation dieser experimentellen Messgrößen zum Zwecke der Strukturbestimmung von Biomolekülen beruht in der Praxis typischerweise auf Erfahrungswerten, da die exakte Berechnung solcher Spektren bis heute nicht möglich ist. Für ein besseres Verständnis der Experimente sind solche Rechnungen jedoch äußerst wünschenswert. Das Ziel des beantragten Projekts ist die Entwicklung quantenchemischer Methoden zur Berechnung von Kernspinresonanzspektren. Der erste Schritt besteht darin, ein computerbasiertes Kernspinresonanzspektroskopie-Labor zu entwickeln, mit dem es möglich ist, in kurzer Rechenzeit eine Vielzahl an Molekülen durch die Berechnung von chemischen Verschiebungen und Spin-Spin Kopplungen zu charakterisieren. Die dazu benötigten Kernspins und Magnetfelder werden nicht, wie üblich, analytisch sondern durch finite Werte beschrieben. Dies ermöglicht die effiziente Berechnung von chemischen Verschiebungen und Spin-Spin Kopplungen für eine Vielzahl an quantenchemischen Methoden. Im zweiten Teil des Projekts werden neue quantenchemische Methoden entwickelt, um die chemischen Verschiebungen und Kopplungen mit hoher Präzision zu berechnen. Da in der Quantenchemie Genauigkeit und Rechenaufwand gekoppelte Größen sind, wird ein Gesamtsystem in zwei verschiedene Fragmente unterteilt (Kernfragment und Umgebung). Im kleinen Kernfragment werden hochgenaue quantenchemische Methoden zur Berechnung der Messgrößen verwendet. Um die Rechenzeiten auf einem moderaten Niveau zu halten, werden weniger rechenaufwändige Methoden zur Beschreibung des Umgebungsfragments verwendet. Dieses Vorgehen wird die akkurate Berechnung von chemischen Verschiebungen und Spin-Spin Kopplungen für biologisch relevante Moleküle ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Martin Head-Gordon