Photoinduzierte nicht-adiabatische Dynamik von Karotenoiden: eine systematische Untersuchung von kleinen Modellsystemen hin zum biologischen Molekül

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dreuw; Professor Dr. Horst Köppel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468734905

Karotenoide sind zentrale Bausteine natürlich vorkommender photoaktiver Pigmentproteine. Ihre molekulare Struktur wird von einer linearen, konjugierten Polyenkette dominiert und sie besitzen sowohl passive als auch aktive Funktionen. In Lichtsammelkomplexen pflanzlicher und bakterieller Photosyntheseapparte dienen Karotenoide z. B. als Schutzpigmente, indem sie reaktive Singulett- und Triplettzustände der Chlorophylle löschen und somit die Bildung von schädlichem Singulettsauerstoff verhindern. Bis heute sind die detaillierten mechanistischen Grundlagen dieser photochemischen Funktionen der Karotenoide unverstanden. Selbst die energetische Reihenfolge und auch Eigenschaften der relevanten elektronischen Zustände sind bis heute umstritten. In diesem Projekt beabsichtigen wir diese Wissenslücke zu schließen. In einer systematischen theoretischen Untersuchung der Elektronenstruktur und Kerndynamik wollen wir zunächst mittlere dann lange Polyene quantenmechanisch untersuchen. Neben den Polyenen mit steigender Anzahl konjugierter Doppelbindungen, soll auch der Einfluss von Methylsubstitution auf die photochemischen Prozesse systematisch studiert werden. Dadurch werden grundlegende Erkenntnisse in der Photochemie der Polyene selbst gewonnen, mit deren Hilfe aber auch quantenchemische Methoden derart weiter entwickelt werden, dass sie einen gangbaren Weg zur quantitativen Beschreibung der Elektronenstruktur der Karotenoide erlauben und die semiklassische Simulation ihrer photoinduzierten Kerndynamik ermöglichen. Unser beschriebenes systematisches Vorhaben wird langfristig zu einem grundlegenden Verständnis der Photochemie der biologisch so wichtigen Karotenoide führen und die existierenden Wissenslücken schliessen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen