Theoretical Investigations on Chemical Structures and Reaction Mechanisms Using Semi-empirical and Density Functional Methods Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf vorgelegt von Berit Walter aus Offenbach am Main Mülheim an der Ruhr, Düsseldorf, Dezember 2015 Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Referent: Herr Prof. Dr. Walter Thiel Koreferentin: Frau Prof. Dr. Christel Marian Tag der mündlichen Prüfung: 1. Februar 2016 Hiermit versichere ich an Eides Statt, dass die Dissertation von mir selbstständig und ohne unzulässige fremde Hilfe unter Beachtung der „Grundsätze zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf“ erstellt worden ist. Die Dissertation wurde in der vorgelegten oder in ähnlicher Form noch bei keiner Institution eingereicht. Ich habe keine erfolglosen Promotionsversuche unternommen. Mülheim an der Ruhr, den 3. Dezember 2015 (Berit Walter) Abstract This thesis presents the results of investigations on chemical structures and reaction mechanisms. All investigations reported here employed theoretical methods especially semi-empirical and Density Functional Theory methods. The semi-empirical OM2/MRCI method was used to study the origin of photostability of the nucleobase guanine. It is known from experiment that nucleobases in general strongly absorb in the UV/VIS range but there exist decay mechanisms that prevent damage to the molecule. The decay of excited guanine in water was simulated through surface hopping dynamics and the geometrical changes along the decay pathway were monitored. The use of a QM/MM computational setup allowed a detailed study of solvent effects in aqueous solution. Comparing the results with those obtained in the gas phase reveals that the preferred decay channels change and that the decay is faster in aqueous solution, while the optimized geometries of the ground and first excited state and of the relevant conical intersections are similar in the gas phase and in solution. The results are in good agreement with static ab initio computations and with the available experimental studies, which validates the application of the semi-empirical OM2/MRCI method. The time evolution of the computed excited-state ionization potentials is consistent with recent experimental results from ultrafast photoelectron spectroscopy on guanosine in water. Density Functional Theory methods were used to answer questions on chem- ical structure and reaction mechanisms raised by experimental investigations. Concerning structures the question was how to describe the bonding interac- tions of bimetallic gold-chromium complexes and whether these complexes are carbenes. Starting from the crystal structure the geometries of the complexes were optimized and then these structures were examined by using NBO analysis, fragment analysis, and the AIM method. It was found that these complexes are best described as chromium-carbenes with a gold unit coordinated to the C-Cr bond in an η2 mode. On the mechanistic side, an organocatalytic reaction and the reaction of an organoferrate complex were studied. In the first case the issue was whether the ring closing reaction of an unsaturated hydrazone could be regarded as a peri- cyclic electrocyclization or not. The analysis showed that it is better classified as an intramolecular nucleophilic addition (structurally) or a pseudopericyclic reaction (electronically); it is not pericyclic as confirmed by comparison with the cyclization of the pentadienyl anion which is known to cyclize in a peri- cyclic manner. In the second case study, methylation reactions mediated by an organoferrate complex were found to proceed via a substitution mechanism. In agreement with experiment up to four methyl groups can be transferred per ferrate complex, the first three in a facile manner and the fourth one with some more activation. This demonstrates the ability of ferrate complexes to alkylate, and hence their potential to act as intermediates in iron cross coupling reactions. i Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse zu Untersuchungen chemi- scher Strukturen und Reaktionsmechanismen vorgestellt. Alle Untersuchungen wurden mit theoretischen Methoden, insbesondere semi-empirischen und Dichte- Funktional-Methoden durchgeführt. Die semi-empirische OM2/MRCI Methode wurde verwendet, um die Ursachen für die Photostabilität der Nucleobase Guanin aufzuklären. Experimentell ist bekannt, dass Nucleobasen allgemein im UV/VIS-Spektrum absorbieren, aber über Abregungsmechanismen verfügen, die eine Beschädigung des Moleküls verhindern. Mit dynamischen Surface Hopping-Rechnungen wurde die Abregung von Guanin simuliert und die geometrischen Änderungen entlang des Abregungs- pfads verfolgt. Dabei wurden die Umgebungseffekte einer wässrigen Lösung durch die Verwendung eines QM/MM Ansatzes berücksichtigt. Im Vergleich zu Rechnungen in der Gasphase sind in wässriger Lösung Relaxationspfade mit anderen geometrischen Verzerrungen bevorzugt. Die Abregungsrate ist in wässriger Lösung etwas größer, während die optimierten Geometrien der Minima im Grund- und ersten angeregten Zustand sowie an den konischen Durchschneidungen ähnlich sind. Die Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit statischen ab initio Rechnungen und mit experimentellen Untersuchungen, so dass die Anwendung der semi-empirischen OM2/MRCI Methode gerechtfertigt ist. Die zeitliche Abhängigkeit der berechneten Ionisierungspotentiale im angeregten Zustand ist konsistent mit aktuellen experimentellen Daten aus Untersuchungen an Guanosin in Wasser mittels ultraschneller Photoelektronenspektroskopie. Methoden der Dichte-Funktional-Theorie wurden angewendet, um aus Ex- perimenten resultierende Fragen zu Strukturen oder Reaktionsmechanismen zu beantworten. In struktureller Hinsicht wurde analysiert, wie die Bindungsver- hältnisse in bimetallischen Gold-Chrom-Komplexen zu beschreiben sind und ob in diesen Komplexen Carben-Bindungen vorliegen. Ausgehend von den Kristallstrukturen wurden die Geometrien optimiert und dann mit Hilfe von NBO-Analyse, Fragmentanalyse und der AIM-Methode untersucht. Fazit ist, dass sich die Verbindungen am besten als Chrom-Carbene beschreiben lassen, wobei die Goldeinheit in η2-Orientierung an die Chrom-Kohlenstoffbindung koordiniert. Auf der mechanistischen Seite wurden eine organokatalytische Reaktion und die Reaktion eines Organoferratkomplexes untersucht. Im ersten Fall ging es darum, ob es sich bei der Ringschlussreaktion eines ungeättigten Hydrazons um eine Elektrozyklisierung handelt oder nicht. Die Analyse ergab, dass die Reaktion als eine intramolekulare nucleophile Addition oder eine pseudoperizyklische Reaktion klassifiziert werden kann, je nach Betrachtungsweise; sie ist nicht perizyklisch, wie durch den Vergleich mit der bekanntermaßen perizyklisch verlaufenden Zyklisierung des Pentadienylanions belegt werden konnte. In der zweiten Fallstudie wurde gezeigt, dass der experimentell zur Methylierung eingesetzte Ferratkomplex bis zu vier Methylgruppen durch Substitution an das Substrat übertragen kann. Dies zeigt, dass Organoferratkomplexe zur Alkylierung in eisenkatalysierten Kreuzkupplungsreaktionen eingesetzt werden können. ii List of papers included in this thesis 1. Nonadiabatic decay dynamics of 9H -Guanine in aqueous solution Berit Heggen, Zhenggang Lan and Walter Thiel, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 8137 – 8146. Carried out and analyzed all the calculations in the paper. 2. Excited-state dynamics of Guanosine in aqueous solution revealed by time- resolved photoelectron spectroscopy: experiment and theory Franziska Buchner, Berit Heggen, Hans-Hermann Ritze, Walter Thiel and Andrea Lübke, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 31978-31987. Carried out and analyzed the calculations of 9H-guanine in aqueous solution for the evaluation of the ionization potential along the decay pathways. 3. Gold carbenoids: lessons learnt from a transmetalation approach Günter Seidel, Barbara Gabor, Richard Goddard, Berit Heggen, Walter Thiel and Alois Fürstner, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 879 – 882. Performed the theoretical investigations in the paper. 4. Cyclization of an α,β-unsaturated hydrazone catalyzed by a BINOL- phosphoric acid: pericyclic or not? Berit Heggen, Mahendra Patil, Walter Thiel, J. Comput. Chem., 2016, 37, 280 – 285. Carried out and analyzed all the calculations in the paper. 5. Theoretical investigation on the mechanism of iron catalyzed cross coupling reactions via ferrate intermediates Berit Heggen, Walter Thiel, J. Organomet. Chem., 2016, 804, 42 – 47. Carried out and analyzed all the calculations in the paper. iii Danksagung Herr Thiel, ich danke Ihnen für das Vertrauen, das Sie mir entgegengebracht haben. Vielen Dank, dass Sie immer mit Rat, Wissen und Erfahrung weiterge- holfen haben, mir eine sehr große Eigenständigkeit ermöglicht haben und immer wieder offen und flexibel reagiert haben. Vielen Dank an meine Projektpartner in der Theorie-Gruppe für viele hilf- und lehrreiche Gespräche, insbesondere an Zhenggang Lan, Gopinadhanpillai Gopaku- mar und Mahendra Patil. Auch meinen Projektpartnern aus experimentellen Gruppen danke ich herzlich für ihre Fragen, Einblicke und Diskussionen: Alois Fürstner, Jens Willwacher, Richard Goddard, Benjamin List, Steffen Müller und Andrea Lübcke. Ein dickes Dankeschön an Horst Lenk: Ohne Dich wäre so manches technische Problem