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Combined experimental and theoretical determination of accurate bindingenergies of dispersion-dominated systems in the gas phase

English title Combined experimental and theoretical determination of accurate bindingenergies of dispersion-dominated systems in the gas phase
Applicant Leutwyler Samuel
Number 160404
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.05.2015 - 31.10.2018
Approved amount 222'000.00
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Keywords (6)

dispersive interactions; intermolecular interactions; intermolecular binding energy; density functional; ab initio quantum chemistry; intermolecular force field

Lay Summary (German)

Lead
Intermolekulare Wechselwirkungen sind der "Klebstoff", der Moleküle zusammenhält und der für die Bildung von Clustern, Tröpfchen, Aerosolen, Wolken, Flüssigkeiten und Festkörpern verantwortlich ist. Obwohl die Struktur vieler molekularer Flüssigkeiten und Festkörper (z.B. Wasser, Eis, Benzol, Naphthalin, Molekülkristalle aller Art) durch Röntgen- und Neutrondiffraktion gut aufgeklärt worden sind, sind die zu Grunde liegenden Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen oft nicht genau bekannt. So sagen theoretische Rechnungen für das Benzol-Dimer fünf mögliche Grundzustandsstrukturen voraus, aber erst eine davon konnte experimentell untersucht werden. Selbst für diese Struktur ist die Bindungsenergie experimentell noch nicht genau bekannt. Ziel des Projekts ist es, durch laserspektroskopische Messungen die Bindungsenergien von möglichst vielen molekularen Dimeren experimentell auf +/- 5% Genauigkeit zu messen und mit den besten Rechnung zu vergleichen.
Lay summary

Ziel des Forschungsprojekts

Das experimentelle Hauptziel ist die möglichst genaue Bestimmung von intermolekularen Bindungsenergien im elektronischen Grundzustand (S0) und im tiefsten elektronisch angeregten Zustand (S1 Zustand) mit <5% Fehler durch den schweizerischen Projektpartner (Prof. S. Leutwyler (Uni Bern). Aus experimentellen Gründen werden aromatische und heteroaromatische Moleküle M untersucht, die eine starke S0 -> S1 Absorption und gleichzeitig sehr hohe Fluoreszenzquantenausbeute haben. Als Bindungspartner S werden sechs Gruppen von Atomen bzw. Molekülen untersucht, die eine Reihe verschiedener chemischer Trends abdecken. In der Reihenfolge zunehmender Komplexität werden die folgenden Molekülklassen untersucht: (1) Edelgasatome, (2) tetrasubstituierte Methanderivate, (3) lineare Moleküle, (4) nichtpolare Ethenderivate, (5) n-Alkane und (6) pi-Elektronen-Donoren/Akzeptoren. Parallel dazu werden mit den besten aktuellen theoretischen Methoden die Strukturen und Bindungsenergien der gleichen Dimeren berechnet (Projektpartner Prof. Willem Klopper, KIT Karlsruhe) und methodische Verbesserungen für die theoretische Chemie entwickelt.

 

Wissenschaftlicher Kontext

Bereitstellung von Referenzdaten (intermolekulare Bindungsenergien, Dimeren-Strukturen) von sehr hoher Qualität für die Eichung von empirischen Methoden der theoretischen Chemie und Biologie (z.B. force-field Methoden, Molecular modeling) und von quantenchemischen Methoden (z.B. Dichtefunktionalmethoden).

Direct link to Lay Summary Last update: 16.04.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Intermolecular dissociation energies of hydrogen-bonded 1-naphthol complexes
Knochenmuss Richard, Sinha Rajeev K., Poblotzki Anja, Den Takuya, Leutwyler Samuel (2018), Intermolecular dissociation energies of hydrogen-bonded 1-naphthol complexes, in The Journal of Chemical Physics, 149(20), 204311-204311.
Intermolecular dissociation energies of 1-naphthol· n -alkane complexes
Knochenmuss Richard, Maity Surajit, Balmer Franziska, Müller Charlotte, Leutwyler Samuel (2018), Intermolecular dissociation energies of 1-naphthol· n -alkane complexes, in The Journal of Chemical Physics, 149(3), 034306-034306.
Intermolecular dissociation energies of dispersively bound complexes of aromatics with noble gases and nitrogen
Knochenmuss Richard, Sinha Rajeev K., Leutwyler Samuel (2018), Intermolecular dissociation energies of dispersively bound complexes of aromatics with noble gases and nitrogen, in The Journal of Chemical Physics, 148(13), 134302-134302.
Measuring Intermolecular Binding Energies by Laser Spectroscopy
Knochenmuss Richard, Maity Surajit, Féraud Géraldine, Leutwyler Samuel (2017), Measuring Intermolecular Binding Energies by Laser Spectroscopy, in CHIMIA International Journal for Chemistry, 71(1), 7-12.
Intermolecular dissociation energies of dispersively bound 1-naphthol⋅cycloalkane complexes
Maity Surajit, Ottiger Philipp, Balmer Franziska A., Knochenmuss Richard, Leutwyler Samuel (2016), Intermolecular dissociation energies of dispersively bound 1-naphthol⋅cycloalkane complexes, in The Journal of Chemical Physics, 145(24), 244314-244314.
Accurate dissociation energies of two isomers of the 1-naphthol⋅cyclopropane complex
Maity Surajit, Knochenmuss Richard, Holzer Christof, Féraud Géraldine, Frey Jann, Klopper Wim, Leutwyler Samuel (2016), Accurate dissociation energies of two isomers of the 1-naphthol⋅cyclopropane complex, in The Journal of Chemical Physics, 145(16), 164304-164304.
Experimental and Theoretical Determination of Dissociation Energies of Dispersion-Dominated Aromatic Molecular Complexes
Frey Jann A., Holzer Christof, Klopper Wim, Leutwyler Samuel (2016), Experimental and Theoretical Determination of Dissociation Energies of Dispersion-Dominated Aromatic Molecular Complexes, in Chemical Reviews, 116(9), 5614-5641.
Face, Notch or Edge? Intermolecular Dissociation Energies of 1-Naphthol Complexes with Linear Molecules
Knochenmuss Richard, Sinha Rajeev K., Leutwyler Samuel, Face, Notch or Edge? Intermolecular Dissociation Energies of 1-Naphthol Complexes with Linear Molecules, in Journal of Chemical Physics.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Willem Klopper, Faculty of Chemistry and Biosciences, Karlsruhe Institute of Technology Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
SPP1807 Summer School in Rostock 2017 Talk given at a conference Spectroscopic Measurement of 1-naphthol-X Dissociation Energies: From Pure Dispersion to Hydrogen Bonding 09.07.2017 Rostock, Germany Leutwyler Samuel;
SPP1807 Workshop "Control of London Dispersion Interactions in Molecular Chemistry" Talk given at a conference From Methane to Adamantane: Accurate Dissociation Energies of Jet-Cooled 1-Naphthol-(Cyclo)alkane Complexes 10.10.2016 Köln, Germany Leutwyler Samuel;
SPP1807 Workshop "Control of London Dispersion Interactions in Molecular Chemistry" Talk given at a conference Accurate Intermolecular Potentials and Binding Energies of Dispersion-Dominated Molecular Dimers 19.10.2015 Göttingen, Germany Maity Surajit; Klopper Wilhelm M.; Leutwyler Samuel; Frey Jann;


Abstract

Objectives: The primary aim of the project is the accurate determination of ground- and excited-state binding energies (D0) and well depths (De) of dispersion-dominated complexes of (hetero-)aromatic molecules (denoted M) with dispersively bound solvents (denoted S) using experimental as well as computational methods. First examples are complexes of M = carbazole, 1-naphthol, 2-naphthol withS = Ne to Xe, N2, CO. Experimentally, the stimulated-emission pumping/resonant two-photon ionization (SEP-R2PI) method will be applied. Theoretically, a combina-tion of (dispersion-corrected) density-functional-theory and high-level coupled-cluster methods will be applied, which include explicitly-correlated wave functions in order to converge quickly to the limit of a complete basis-set expansion. The established De values (from theory) and D0 values (from experiment) will be cross-checked and will serve as benchmarks for the development of novel computational methods that introduce explicitly-correlated wave functions into methods based on the random-phase approxi-mation and/or symmetry-adapted perturbation theory. This is the secondary aim of the project. It is expected that the combined experimental/theoretical bench-marks as well as the new methods will be useful for other projects of the DFG Priority Programme SPP 1807.
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