Dynamické simulace a výpočty elektronových spřažení pro interpretaci ultrarychlé IR spektroskopie excitovaných Re komplexů

• Název práce v češtině: Dynamické simulace a výpočty elektronových spřažení pro interpretaci ultrarychlé IR spektroskopie excitovaných Re komplexů
• Název v anglickém jazyce: Dynamic simulations and calculations of electronic couplings for interpretation of ultrafast IR spectroscopy of excited Re complexes
• Klíčová slova: QM/MM MD|DFT|elektronová spřažení|Re komplexy|excitované stavy
• Klíčová slova anglicky: QM/MM MD|DFT|elektronic couplings|Re complexes|excited states
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Filip Šebesta, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 09.01.2024
• Datum zadání: 18.01.2024
• Datum potvrzení stud. oddělením: 19.01.2024
• Datum odevzdání elektronické podoby: 17.05.2024
• Oponenti: Ing. Stanislav Záliš, CSc.

Zásady pro vypracování

Student se nejprve seznámí s problematikou elektronových přechodů v Re trikarbonylových komplexech a teorií hybridních QM/MM simulací nastudováním odborné literatury. Pro zvolené Re komplexy, u nichž byla v současnosti měřena dynamika excitovaných stavů pomocí ultrarychlé IR spektroskopie, budou připraveny klasické molekulové dynamiky základního stavu a zvolených excitovaných stavů v roztoku DMSO nebo MeCN. Pro zlepšení popisu zkoumaného systému, se následně z několika zvolených bodů klasických dynamik spustí QM/MM dynamiky, kde Re komplex bude popsán pomocí metod kvantové chemie a okolní rozpouštědlo pomocí klasické mechaniky. U získaných trajektorií bude analyzováno geometrické uspořádání a rozložení elektronové hustoty. Pro vybrané struktury budou spočítany elektronová spřažení mezi nejnižšími elektronovými stavy metodami kvantové chemie a bude hledána korelace mezi jejich velikostí a konformací molekuly. Nakonec bude student diskutovat, zda stanovené výsledky mohou pomoci vysvětlit rozdíly v experimentálních dynamikách zkoumaných Re komplexů.

Seznam odborné literatury

[1] Vlček, A. Ultrafast Excited-State Processes in Re(I) Carbonyl-Diimine Complexes: From Excitation to Photochemistry. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2010, pp. 115–158.
[2] Skála, L. Kvantová teorie molekul. Karolinum, 1994.
[3] Zamastil, J., and Benda, J. Kvantová mechanika a elektrodynamika. Praha: Univerzita Karlova v Praze, nakladatelství Karolinum, 2016.
[4] Szabo, A., and Ostlund, N. S. Modern quantum chemistry. Dover Publications, Mineola, N.Y., 1996. Previously published: 1st ed., rev. New York : McGraw-Hill, c1989.
[5] Senn, H.M., and Thiel, W. QM/MM Methods for Biomolecular Systems. Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 1198-1229.
[6] Oberhofer, H., Reuter, K., and Blumberger, J. Charge Transport in Molecular Materials: An Assessment of Computational Methods. Chemical Reviews 2017, 117 (15), 10319-10357.
[7] Záliš, S., Heyda, J., Šebesta, F., Winkler, J. R., Gray, H. B., and Vlček, A. Photoinduced hole hopping through tryptophans in proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences 2021, 118 (11), e2024627118.

Předběžná náplň práce

Ultrarychlá infračervená spektroskopie excitovaných donor-akceptorových Re(I) komplexů ukazuje na výskyt dlouhožijících nábojově separovaných stavů po počátečním ozáření femtosekundovým pulsem v blízké UV oblasti. Tyto stavy jsou důležité pro umělou fotosyntézu. Místo navázání donoru, jeho typ a můstek však významně ovlivňují doby života jednotlivých elektronových stavů, ale důvod rozdílného vývoje stavů experimentální data zcela neposkytují. K vysvětlení by mohly přispět metody kvantové chemie, kdy se v rámci této práce bude studovat dynamika struktur zkoumaných komplexů pomocí pokročilého QM/MM přístupu a charakterizovat interakce elektronových stavů pomocí elektronového spřažení (couplingu).

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Ultrafast infrared spectroscopy of excited donor-acceptor Re(I) complexes documents occurrence of long-lived charge-separated states after irradiation with a near-UV femtosecond laser pulse. Such states are important for artificial photosynthesis and the place of donor binding, its type and the nature of the bridge significantly influence their lifetimes. Nevertheless, experimental data do not provide full explanation for that behavior. In this problem, quantum chemical calculations can contribute to its explanation. Within the bachelor thesis, structural dynamics of studied complexes will be investigated using the advanced QM/MM approach and interaction of electronic states will be characterized with electronic couplings.