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Unbiased Angular Overlap Model parameters from ab initio calculations

Buchhorn, Moritz (2024)
Unbiased Angular Overlap Model parameters from ab initio calculations.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026712
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Unbiased Angular Overlap Model parameters from ab initio calculations
Language: English
Referees: Krewald, Prof. Dr. Vera ; Plenio, Prof. Dr. Herbert
Date: 18 March 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 167 Seiten
Date of oral examination: 19 January 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026712
Abstract:

In this work, molecular transition metal complexes are investigated with a quantum chemicalmulticonfigurational method in conjunction with ligand field theory (LFT). Ligand field theory is an established tool to parameterize electronic and magnetic properties of transition metal complexes. The parameterization used is the angular overlap model (AOM), which parameterizes the ligand field locally, i.e. each parameter set refers to a specific metal-ligand pair. The advantage of the AOM compared with other ligand field schemes is thus the possibility to assess the effect of particular ligands in a complex instead of relying on global parameters that can only describe whole complexes. The downside of this approach is the high number of parameters, often leading to underdetermined problems that make an AOM fit difficult. Common approaches to solve this issue are artificial relationships and assumptions that introduce biased parameters. In this work, complete active space (CAS) calculations and the ab initio ligand field theory routine implemented in the ORCA quantum chemistry software are used to calculate electronic state energies that are necessary to fit AOM parameters. The calculated data is equivalent to the information obtained by spectroscopic methods that yield the energy difference of excited states, e.g. UV-Vis spectroscopy. The use of computational methods comes with an array of advantages compared to spectroscopic measurements, most importantly the unambiguous assignment of states and the possibility to investigate structural snapshots instead of thermally averaged structures. These properties can be used to create structural samples of low symmetry, which have fewer degenerate electronic states and therefore permit AOM parameterizations that are impossible when only considering experimental data. By this, it is not necessary anymore to avoid AOM underdetermination by fixing parameters or introducing relational rules. It is thus an approach to remove bias and obtain more objective parameter sets. The asymmetric structure sample approach is shown to reproduce known trends reliably, so it can be used to fill data gaps in series, for which experimental data is difficult to obtain or interpret. It is also shown that the unbiased parameterization of ammonia ligands yields a significant π interaction, which is in contrast to common approximations in the AOM parameterization. The proof of concept works are supported by a software that performs the asymmetric structure sampling and the AOM parameterization. This software is also presented in this work and its development versions were used for all computational investigations performed here.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In der vorliegenden Arbeit werden molekulare Übergangsmetallkomplexe mit einer quantenchemischen Multikonfigurationsmethode in Verbindung mit Ligandenfeldtheorie (LFT) untersucht. Die Ligandenfeldtheorie ist ein bewährtes Modell zur Parametrisierung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Übergangsmetallkomplexen. Die in dieser Arbeit verwendete Parametrisierung ist das Angular Overlap Model (AOM), das das Ligandenfeld lokal parametrisiert, d.h. jeder Parametersatz bezieht sich auf ein bestimmtes Metall-Liganden-Paar. Der Vorteil des AOM im Vergleich zu anderen Ligandenfeldparametrisierungen ist somit die Möglichkeit, den Einfluss bestimmter Liganden in einem Komplex zu beurteilen. Im Gegensatz dazu können globale Parameter nur ganze Komplexe beschreiben. Der Nachteil dieses Ansatzes ist die hohe Anzahl von Parametern, die oft zu unterbestimmten Problemen führt, die eine AOM-Parametrisierung erschweren. Übliche Ansätze zur Lösung dieses Problems sind Annahmen und künstliche Beziehungen zwischen Parametern, die zu voreingenommenen Ergebnissen führen können. In dieser Arbeit werden mithilfe von complete active space (CAS)-Rechnungen und dem in der Quantenchemie-Software ORCA implementierten Ligandenfeldtheorie-Modul Energien der elektronischen Zustände berechnet, die für die Bestimmung der AOM-Parameter erforderlich sind. Die berechneten Daten sind äquivalent zu den Informationen, die mit spektroskopischen Methoden gewonnen werden, die die Energiedifferenz angeregter Zustände liefern, z. B. UV/Vis-Spektroskopie. Der Einsatz von Berechnungsmethoden bringt eine Reihe von Vorteilen gegenüber spektroskopischen Messungen mit sich, vor allem die eindeutige Zuordnung von Zuständen und die Möglichkeit, strukturelle Momentaufnahmen anstelle von thermisch gemittelten Strukturen zu untersuchen. Diese Eigenschaften können genutzt werden, um Strukturen mit geringer Symmetrie zu erzeugen, die weniger entartete elektronische Zustände aufweisen und daher AOM-Parametrisierungen erlauben, die auf der Basis experimenteller Daten unmöglich wären. Auf diese Weise ist es nicht mehr notwendig, eine Unterbestimmung des AOM durch die Festlegung von Parametern oder die Einführung von Beziehungen zu vermeiden. Es handelt sich also um einen Ansatz, der die Wichtigkeit solcher Annahmen mindert und daher objektivere Parametrisierungen ermöglicht. Es wird gezeigt, dass der Ansatz der asymmetrischen Strukturprobe bekannte Trends zuverlässig reproduziert, sodass damit Lücken in experimentellen Serien gefüllt werden können, wenn weitere experimentelle Daten schwer zu erhalten oder zu interpretieren sind. Weiterhin wird gezeigt, dass die unvoreingenommene Parametrisierung von Ammoniak-Liganden eine signifikante π-Wechselwirkung ergibt, was im Widerspruch zu bisher üblichen Näherungen bei der AOM-Parametrisierung steht. Die Arbeiten zur Bestätigung des Ansatzes werden durch eine Software unterstützt, die das asymmetrische Struktursampling und die AOM-Parametrisierung durchführt. Diese Software wird ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt und ihre Entwicklungsversionen wurden für alle hier durchgeführten theoretischen Untersuchungen verwendet.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-267127
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Quantum Chemistry
Date Deposited: 18 Mar 2024 13:18
Last Modified: 27 Mar 2024 08:12
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26712
PPN: 516538675
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