Theoretische Chemie | Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (original) (raw)

Unsere zentralen Forschungsgebiete sind die Theoretische Chemie und insbesondere die Quantenchemie. Wir befassen uns mit der Entwicklung von theoretischen Methoden, hauptsächlich für große Moleküle, und wir tragen durch theoretische Rechnungen an konkreten chemischen Problemen zu deren Lösung bei, meist in enger Kooperation mit experimentellen Partnern.

Anwendungen aus diesen Gebieten umfassen die Vibrations-Rotations-Spektroskopie kleiner Moleküle, katalytische Reaktionen von Übergangsmetallverbindungen, die Dynamik elektronisch angeregter Zustände und enzymatische Reaktionen. Sie reichen somit von hochgenauen Rechnungen an kleinen Molekülen bis zur Modellierung sehr komplexer Systeme mit Tausenden von Atomen.

Walter Thiel

Prof. Dr. Walter Thiel

seit 2001

Honorarprofessor, Universität Düsseldorf

seit 1999

Direktor, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

1992–1999

Professor, Universität Zürich

1987

Gastpofessor, University of California at Berkeley

1983–1992

C3-Professor, Universität Wuppertal

1981

Habilitation, Universität Marburg

1973–1975

Post-Doc, University of Texas at Austin (M.J.S. Dewar)

1973

Promotion, Universität Marburg (A. Schweig)

1966–1971

Chemiestudium, Universität Marburg

1949

geboren in Treysa, Deutschland

2014

Robert-Bunsen-Vorlesung, Deutsche Bunsengesellschaft

2013

ERC Advanced Grant, Europäischer Forschungsrat

2012

Liebig-Denkmünze, Gesellschaft Deutscher Chemiker

2008

Mitglied, Nordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften

2007

Mitglied, International Academy of Quantum Molecular Sciences

2007

Mitglied, Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina

2002

Schrödinger Medaille, World Association of Theoretical Chemists

1988

Förderpreis, Alfried-Krupp Stiftung

1982

Heisenbergstipendium, Deutsche Forschungsgemeinschaft

1975

Liebigstipendium, Verband der Chemischen Industrie

seit 2015

Geschäftsführender Direktor, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

seit 2013

Mitglied des Scientific Advisory Board, Institute of Chemical Research of Catalonia, Tarragona, Spanien

seit 2012

Mitglied des Vorstands, Gesellschaft Deutscher Chemiker

2012–2014

Editorial Advisory Board, Accounts of Chemical Research

2012–2013

Editorial Advisory Board, ACS Catalysis

seit 2011

Präsident, World Association of Theoretical and Computational Chemists

2011–2014

Mitglied des Internationalen Advisory Board, Institut für Organische Chemie und Biochemie, Prag, CZ

2010

Vorsitzender, Gordon Conference on Computational Chemistry

seit 2009

Mitglied des International Advisory Board, State Key Laboratory of Physical Chemistry (PCOSS), Xiamen, China

seit 2008

Associate Editor, WIRES: Computational Molecular Sciences

2006–2013

Mitglied des Kuratoriums, Angewandte Chemie

2006–2012

Vorsitzender, BAR-Ausschuss der Max-Planck-Gesellschaft

2006–2008

Geschäftsführender Direktor, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

seit 2004

Mitglied des Scientific Advisory Board, Lise-Meitner Minerva Center for Quantum Chemistry, Jerusalem/Haifa, Israel

2004–2007

Mitglied, Ständiger Ausschuss der Bunsengesellschaft

2002–2008

Section Editor, Encyclopedia of Computational Chemistry

2001–2005

Vorsitzender, Arbeitsgemeinschaft Theoretische Chemie

2000–2008

Fachkollegiat, Deutsche Forschungsgemeinschaft

2000–2006

Mitglied des Lenkungsausschusses, Höchstleistungsrechenzentrum Bayern

seit 1998

Advisory Editor, Journal of Computational Chemistry

1997–2014

Advisory Editor, Theoretical Chemistry Accounts

1990–1992

Sprecher, DFG-Forschergruppe: Reaktive Moleküle

1986–1992

Mitglied des Vorstands, Institut für Angewandte Informatik, Wuppertal

Forschungsthemen

Ab initio Methoden

Ab initio Methoden

Ab initio Methoden

Unter Verwendung hochkorrelierter ab initio Methoden berechnen wir die Vibrations-Rotations-Spektren kleiner Moleküle mit hoher Genauigkeit. Unsere früheren Arbeiten auf diesem Gebiet nutzten coupled cluster CCSD(T) Rechnungen in Verbindung mit einer störungstheoretischen Behandlung der Kernbewegung, um durch die genaue Vorhersage der spektroskopischen Konstanten kleiner reaktiver Moleküle deren spektroskopische Identifizierung zu erleichtern und die Analyse der hochaufgelösten Spektren zu unterstützen. In den letzten Jahren haben wir allgemeine Variationsmethoden für die Kernbewegung entwickelt und implementiert, mit denen die Vibrations-Rotations-Energien und Intensitäten für beliebige kleine Moleküle vorhergesagt werden können, inbesondere auch für nichtrigide Moleküle und für hochangeregte Rotationszustände. Diese Variationsrechnungen basieren auf hochgenauen ab initio (coupled cluster) Potentialflächen und Dipolmomentflächen. Aktuelle Anwendungen betreffen die Berechnung kompletter Linienlisten für Ammoniak (über 3 Millionen Übergänge) für astrophysikalische Zwecke, die Erklärung der beobachteten Intensitätsanomalien bei Oxadisulfan (HSOH) und theoretische Vorhersagen für Thioformaldehyd mit Wellenzahl-Genauigkeit. Im Bereich der elektronischen Spektroskopie verwenden wir ab initio Methoden, um theoretische Benchmarkdaten für elektronisch angeregte Zustände von typischen organischen Chromophoren zu erhalten.

Dichtefunktionaltheorie (DFT)

Dichtefunktionaltheorie (DFT)

Dichtefunktionaltheorie (DFT)

Mit DFT Methoden untersuchen wir Übergangsmetallverbindungen, um deren Eigenschaften zu verstehen und vorherzusagen, insbesondere im Hinblick auf die Elektronenstruktur und die katalytische Reaktivität. Viele unserer Arbeiten zur homogenen Katalyse erfolgen in enger Kooperation mit den experimentellen Gruppen an unserem Institut und zielen auf ein detailliertes Verständnis der experimentell untersuchten Reaktionen.
Derartige DFT Anwendungen umfassen Studien zu folgenden Themen:

DFT Methoden werden auch oft als QM Komponente bei QM/MM Untersuchungen von enzymatischen Reaktionen verwendet.

Semiempirische Methoden

Semiempirische Methoden

Semiempirische Methoden

Dieses Langzeitprojekt zielt auf die Entwicklung verbesserter semiempirischer quantenchemischer Methoden, mit denen immer größere Moleküle mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden können. Dies umfasst auch die Entwicklung effizienterer Algorithmen und Computerprogramme. Anwendungen sind meist motiviert durch Anfragen experimenteller Partner oder durch aktuelle chemische Fragestellungen, sie dienen oft aber auch dazu, die Grenzen der neu entwickelten Methoden und Programme kennenzulernen.
Methodische Aktivitäten der letzten Jahren betreffen:

In früheren Jahren haben wir semiempirische Methoden vom MNDO-Typ bei ausgedehnten Studien an Fullerenen eingesetzt. Jetzt liegt unser Fokus auf der Photochemie großer organischer Chromophore, wobei wir auf OM2/GUGACI Niveau sowohl statische Rechnungen als auch surface hopping Simulationen durchführen. Untersucht werden beispielsweise Nucleobasen in der Gasphase, in wässriger Lösung und in DNA Oligomeren, ebenso wie fluoreszierende Proteine, molekulare Rotoren, photochemische Schalter und Retinalmodelle. Weiterhin verwenden wir semiempirische Methoden in QM/MM Molekulardynamik-Simulationen von enzymatischen Reaktionen.

Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden (QM/MM)

Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden (QM/MM)

Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische Methoden (QM/MM)

Auf diesem Forschungsgebiet geht es um Hybridansätze für große Systeme, bei denen das aktive Zentrum durch ein geeignetes quantenmechanisches Verfahren und die Umgebung durch ein klassisches Kraftfeld beschrieben werden. Der QM/MM Ansatz erlaubt eine maßgeschneiderte Modellierung komplexer Systeme, wobei der Rechenaufwand auf den chemisch relevanten Teil fokussiert ist. In diesem Projekt gilt ein wesentlicher Teil unserer Aktivitäten der Entwicklung verbesserter Methoden und Software. Bei den Anwendungen konzentrieren wir uns auf die Biokatalyse, insbesondere auf das mechanistische Verständnis enzymatischer Reaktionen und den Einfluss der Proteinumgebung auf die Reaktivität.
Methodische Beiträge betreffen:

Auch wenn die QM/MM Technologie auf eine Vielzahl komplexer Systeme angewendet werden kann, interessieren wir uns hauptsächlich für enzymatische Reaktionen. In den letzten Jahren haben wir uns befasst mit der Biokatalyse durch Häm-Enzyme (z.B. Cytochrom P450), Molybdopterin-Enzyme (z.B. Xanthin-Oxidase), Cysteinproteasen, Fluorinasen, Lipasen, Chorismat-Mutase, p-Hydroxybenzoat-Hydroxylase und Cyclohexanon-Monooxygenase. Daneben untersuchen wir die spektroskopischen Eigenschaften von Proteinen mit QM/MM Methoden, beispielsweise die Raman-Spektren von Phycocyanin, die NMR-Spektren von Vanadium-haltigen Haloperoxidasen und die Elektronenspektren von fluoreszierenden Proteinen. Surface hopping QM/MM Simulationen erlauben darüber hinaus das Studium der Dynamik von elektronisch angeregten Chromophoren unter Einbeziehung der Umgebung.

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Sekretariat
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Tel. +49(0)208/306-2151/-2341
Fax +49(0)208/306-2996
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