Fluorierte Verbindungen spielen sowohl in der chemischen Grundlagenforschung als auch in der angewandten Chemie eine zentrale Rolle, bspw. im Kontext medizinischer und pharmazeutischer Anwendungen oder im Bereich der Materialwissenschaft. Dies liegt an den einzigartigen Eigenschaften des Fluor, z.B. der hohen Elektronegativität und dem geringen Atomradius, die zu Fluor-spezifischen Wechselwirkungen wie ungewöhnlich starken, teils vernetzten Wasserstoffbrückenbindungen führen. So weist Bifluorid bspw. die stärkste bekannte Wasserstoffbrückenbindung auf, die als 2-Elektronen-3-Zentren-Bindung im Grenzbereich zwischen kovalenter Wechselwirkung und Wasserstoffbrückenbindung beschrieben werden kann.

Um ungewöhnliche Wasserstoffbrückenbindungen unter Beteiligung fluorierter Verbindungen zu verstehen bedarf es spektroskopischer Techniken, die Einblicke in die Potentialhyperfläche (potential energy surface, PES) der relevanten molekularen Addukte erlauben. Durch die Auswertung von Übergängen zwischen mehreren Schwingungsenergieniveaus liefern nichtlineare Varianten der Infrarot-(IR-)Spektroskopie detaillierte Informationen zur Form der PES. Mittels dieses Ansatzes konnte kürzlich gezeigt werden, dass Bifluorid eine stark anharmonische PES aufweist, die durch ausgeprägte Interaktionen zwischen verschiedenen Schwingungsfreiheitsgraden sowie einen nahtlosen Übergang zwischen stark anharmonischen und superharmonischen Bindungspotentialen charakterisiert ist.^‡

Um diese Phänomene, die assoziierten nichtlinearen IR-Spektren sowie die Zusammenhänge zwischen diesen Aspekten und den einzigartigen Bindungseigenschaften fluorierter Verbindungen zu verstehen ist es nötig, Schwingungsübergänge und intermolekulare Wechselwirkungen – sowohl innerhalb als auch zwischen den durch Wasserstoffbrückenbindungen verknüpften Addukten – detailliert zu modellieren. Im Rahmen des angebotenen Master-Projekts soll dies durch Kombination der Dichtefunktionaltheorie mit schwingungsstörungstheoretischen Ansätzen und expliziten wie impliziten Lösungsmittelmodellen erreicht werden. Der Schwerpunkt wird hierbei auf Fluorwasserstoff-Addukten kleiner organischer Moleküle liegen. Die angestrebten theoretischen Studien werden geplante Experimente dirigieren und eine Grundlage für zukünftige Arbeiten an Fluor-vermittelten Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerken in synthetischen und bioinspirierten Katalysatoren schaffen.

Voraussetzung für die erfolgreiche Bearbeitung des Projekts sind solide Vorkenntnisse im Bereich Physik oder physikalische/theoretische Chemie. Ein gutes Grundverständnis chemischer Zusammenhänge sowie praktische Erfahrungen mit quantenchemischen Berechnungen, Schwingungsanalysen und/oder infrarotspektroskopischen Techniken sind vorteilhaft. Fragen können jederzeit an Marius Horch gerichtet werden.

^‡B. Dereka, Q. Yu, N. H. C. Lewis, W. B. Carpenter, J. L. Bowman, A. Tokmakoff, „Crossover from Hydrogen to Chemical Bonding” Science 2021, 371, 160–164.

https://doi.org/10.1126/science.abe1951

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