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Forschung

Methodenentwicklung - Röntgenwellenfunktionsverfeinerung

Herkömmliche Verfahren zur Strukturbestimmung aus Einkristallröntgendaten vernachlässigen die Deformation der Valenzelektronen, sondern modellieren nur Atome aus sphärischen Elektronendichten. Gerade die Deformation der Valenzelektronen zu Bindungen oder freien Elektronenpaaren macht aber die Chemie aus. Deshalb wurden Verfahren entwickelt, um die Gesamtelektronendichte experimentell zu bestimmen (Multipolmodell, Maximum-Entropie-Methoden). Diese sind bisher nur für Experten zugänglich. Unsere neue Methode Röntgenwellenfunktionsverfeinerung (X-ray Wavefunction Refinement, XWR) benutzt die Quantenchemie, um das Röntgenbeugungsexperiment einfacher auswerten zu können. Der erste Schritt dabei ist Hirshfeld Atom Refinement (HAR), was zum Beispiel die Lokalisierung von Wasserstoffatomen aus Röntgendaten so akkurat und präzise macht wie aus Neutronenbeugungsdaten. Der zweite Schritt ist X-ray Constrained Wavefunction Fitting (XCW Fitting), wobei Kristallfeldeffekte, Elektronenkorrelation und relativistische Effekte aus den Daten extrahiert werden können. Wir entwickeln XWR fortlaufend weiter und betreiben Softwareentwicklung (Programm HARt, implementiert in Olex2).

© Universität Bremen

Relativitische Effekte in der Elektronendichte

Um relativistische Effekte aus Einkristallröntgenbeugungsdaten mit unserer Methode XWR extrahieren zu können, müssen Verbindungen mit schweren Elementen (vor allem Organometallverbindungen mit Elementen der 6. Periode wie Pt, Au, Hg, Tl, Pb und Bi) synthetisiert werden, die Kristalle hervorragender Qualität liefern. Ultra-hochaufgelöste Röntgendaten werden am Synchrotron SPring-8 in Japan bei extrem niedrigen Temperaturen (< 20K) gemessen und dann mit der IOTC-Methode (Infinit Order Two Component) behandelt. Dazu führen wir auch viele theoretische Rechnungen an Testmolekülen durch, um Effekte wie Elektronenkorrelation, Polarisierung, Rumpfelektronendeformation und relativistische Effekte voneinander separieren zu können.

Elektronendichte-Eigenschafts-Beziehungen in der Anorganischen Chemie

Wir synthetisieren systematische Reihen von Verbindungen, die sich nur in einem Substituenten unterscheiden, um Korrelationen geometrischer mit Elektronendichteparametern zu untersuchen. Bei einer geschickten Wahl der Systeme können so Reaktionsverläufe oder andere chemische Prozesse über statische Momentaufnahmen simuliert werden. Jede dieser Momentaufnahmen stellt eine eigene experimentelle Elektronendichteanalyse dar, sodass tiefe Einblicke in die elektronische Natur der simulierten Prozesse gewonnen werden können. Wir arbeiten an pentakoordinierten Silylnaphthalinen, wobei die Reaktionskoordinate einer nukleophilen Substitution am Silizium simuliert werden soll. Andere Systeme sind Siloxane, bei denen wir die Veränderung der Basizität über den Si-O-Si-Bindungswinkel untersuchen. Das Konzept kann auf viele andere Gebiete und Prozesse ausgedehnt werden.

Experimentelle Elektronendichte von Protease-Inhibitoren

Wir untersuchen, inwiefern die Elektronendichte eines Wirkstoffs, erhalten aus dem Kristall der reinen Verbindung, die Elektronendichte desselben Moleküls in der biologischen Umgebung simulieren kann und inwiefern somit Vorhersagen über die Aktivität der Verbindung möglich sind. Aktuelle Einsatzgebiete beschränken sich auf Proteaseinhibitoren, die auf elektrophilen Zentren basieren (Epoxide, Vinylsulfone) und somit Thiolfunktionen wie in Cystein-Proteasen inhibieren können. Dieses Forschungsvorhaben soll aber in der Zukunft auf andere Wirkstoffe ausgedehnt werden.

Aktualisiert von: Shuvo Sarkar