Mixed-valence state of symmetric diruthenium complexes: synthesis, characterization, and electron transfer investigation

Complexes of the type {[(pyS)Ru(NH3)(4)](2)-mu-L}(n), where pyS = 4-mercaptopyridine, L = 4,4'-dithiodipyridine (pySSpy), pyrazine (pz) and 1,4-dicyanobenzene (DCB), and n = +4 and +5 for fully reduced and mixed-valence complexes, respectively, were synthesized and characterized. Electrochemical data showed that there is electron communication between the metal centers with comproportionation constants of 33.2, 1.30 x 10(8) and 5.56 x 10(5) for L = pySSpy, pz and DCB, respectively. It was also observed that the electronic coupling between the metal centers is affected by the p-back-bonding interaction toward the pyS ligand. Raman spectroscopy showed a dependence of the intensity of the vibrational modes on the exciting radiations giving support to the assignments of the electronic transitions. The degree of electron communication between the metal centers through the bridging ligands suggests that these systems can be molecular wire materials.

Amidverknüpfte Ferrocene - schaltbare molekulare Drähte und Sensoren

In dieser Arbeit werden Synthesen und Eigenschaften von Verbindungen mit einer oder mehreren Ferrocen- bzw. Biferroceneinheiten beschrieben, die über Amid-, Anhydrid- oder Harnstoff-Funktionen verknüpft oder mittels Amidfunktion an α-Aminosäurederivate gebunden sind. Als Zentralbausteine dienen die künstlichen Aminosäuren 1’-Aminoferrocen-1-carbonsäure (Fca) bzw. 1’-Aminobiferrocen-1-carbonsäure (Bfca). Die Ferroceneinheit agiert als redoxschaltbares Gelenk, die Amidfunktion ermöglicht die Ausbildung von Sekundärstrukturen und die Bindung von Anionen. Das redoxschaltbare „Multiwellenlängen“-Sensorpaar [Dansyl-Ala-Fca-Ala-CH2-Naphthyl]0/+ ist in der Lage, insgesamt sieben Anionen aufgrund von sechs einfach zu erhaltenden optischen Messwerten eindeutig zu diskriminieren. Die Vorzugskonformation des neutralen Rezeptors mit intramolekularen Wasserstoffbrücken wird mittels X-Ray, NMR- und DFT-Methoden im Festkörper, in Lösung und in der Gasphase bestimmt. Die oligomeren Fca-Verbindungen SG-Fcan-HN-Fc (SG = Boc, Fmoc; n = 1, 2) und SG-Fca2-OMe (SG = Boc, Fmoc) werden mittels Peptidkupplung in Lösung hergestellt, Fmoc-Fca3-Gly-OMe, Fmoc-Fcan-OMe (n = 3-5) und Fmoc-Fca4-NH2 dagegen durch ein neu entwickeltes Festphasensynthese-Protokoll. Die amidverknüpften Verbindungen bilden eine „Zick-Zack“-Struktur mit 1,2’-Konformation der Fca-Einheiten und achtgliedrigen intramolekularen Wasserstoffbrücken-Ringen, wie durch X-Ray, 2D-NMR-, DFT-Methoden und Dipolmoment-Bestimmung gezeigt wird. Elektrochemische Experimente belegen eine elektronische Wechselwirkung der Eisenzentren. Die gemischt-valenten Verbindungen zeichnen sich durch IVCT-Banden im nahen Infrarot aus. Die elektronische Kopplungskonstante beträgt Hab ≈ 145-215 cm–1 für einen einzelnen FeII/FeIII-Übergang und belegt die Zugehörigkeit der Verbindungen zur Robin-Day-Klasse II. Im Festkörper sind die Valenzen gemäß Mößbauerspektren lokalisiert. Die vollständig oxidierten Verbindungen liegen nach DFT-Rechnungen nicht mehr in einer „Zick-Zack“-Struktur, sondern in einer gestreckten Konformation vor. Als Nebenprodukte bei der Amidkupplung werden die Anhydride SG-(Fca)2O (SG = Ac, Boc, Fmoc) isoliert. Diese zählen aufgrund des Fehlens einer IVCT-Bande zur Klasse I-II. Die ferrocenyloge Bfca wird in Form der N- und C-geschützten Bfca auf zwei Wegen synthetisiert. Schlüsselschritte stellen die Cu(II)-vermittelte Homokupplung bzw. die Pd-katalysierte Stille-Kupplung dar. Bfca und die amid- und harnstoffverknüpften Bis-Bfca-Verbindungen besitzen keine nachweisbare Vorzugskonformation in Lösung. Die gemischt-valenten Bfca-Kationen zeigen eine IVCT-Bande (Hab ≈ 300-600 cm–1) und gehören eher zur Klasse II-III. Die gemischt-valenten Verbindungen des als Nebenprodukt isolierten Tetraferrocenylstannans Sn[Fn(COOMe)4] (Fn = 1,1’-Ferrocenylen) mit einatomiger σ-Brücke zwischen den Ferroceneinheiten, zeigen IVCT-Banden im NIR-Spektrum und gehören somit zur Klasse II. Die elektronischen Kopplungen in Sn[Fn(COOMe)4]+/2+ betragen Hab ≈ 145 und 220 cm–1.

Einzelmolekülspektroskopische und quantenchemische Untersuchungen zum elektronischen Energietransfer

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Mechanismus, der Dynamik und der Kontrolle des elektronischen Energietransfers in multichromophoren Modellsystemen durchgeführt. Als Untersuchungsmethoden wurden hauptsächlich die konfokale Einzelmolekülspektroskopie und die Quantenchemie eingesetzt. Der Aufbau des Einzelmolekülmikroskops wurde bezüglich der Anregungs- und Detektionskomponenten variiert, um die unterschiedlichen Experimente durchzuführen. Die quantenchemischen Rechnungen wurden auf Dichtefunktional- und Coupled-Cluster-Niveau durchgeführt. Die aus den Rechnungen erhaltenen zusätzlichen Informationen über experimentell zum Teil schwer zugängliche Eigenschaften der Farbstoffe unterstützten die Interpretation der experimentellen Befunde. rnIn früheren Untersuchungen der AG Basché wurden die Energietransfer-Raten von Donor-Akzeptor-Systemen gemessen, die erhebliche Abweichungen von nach der Förster-Theorie berechneten Raten zeigten. Daher war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Abweichungen zu erklären. Zu diesem Zweck wurde die Geometrie der Diaden experimentell untersucht, sowie die elektronische Kopplung zwischen den Chromophoren quantenchemisch berechnet. Die relative Orientierung der Chromophore in den Diaden wurde in einem Einzelmolekül-Experiment mit rotierender Anregungspolarisation abgefragt. Die erhaltenen Winkelverteilungen konnten schließlich eindeutig auf die Flexibilität der die Chromophore verbrückenden Oligophenyl-Einheiten zurückgeführt werden. Die Unterschiede der gemessenen Energietransfer-Raten zu den nach der Förster-Theorie ermittelten Werten konnten jedoch nicht über die molekulare Flexibilität der Systeme erklärt werden. Aufklärung über die Diskrepanzen zur Förster-Theorie ergaben die quantenchemischen Rechnungen. In Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Coupled-Cluster-Theorie zur Berechnung der elektronischen Kopplung eingesetzt. Die Betrachtung der isolierten Chromophore reichte aber nicht aus, um die gemessenen Abweichungen von der Förster-Theorie zu erklären. Erst über die Berücksichtigung der molekularen Brücke konnten die gefunden Abweichungen erklärt werden. Die deutliche Verstärkung der elektronischen Kopplung ist auf die Polarisierbarkeit der Brücke zurückzuführen.rnNach diesen Betrachtungen stand die Kontrolle des Energietransfers im Fokus der weiteren Untersuchungen. In den durchgeführten Einzelmolekülexperimenten wurden die Chromophore der Donor-Akzeptor-Systeme selektiv mit zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Beim gleichzeitigen Anregen beider Chromophore wurde Singulett-Singulett-Annihilation (SSA) induziert, ein Energietransferprozess, bei dem die Anregungsenergie vom vorigen Akzeptor zum vorigen Donor übertragen wird. Da über SSA Fluoreszenzphotonen gelöscht wurden, konnte über den Abstand der Laserpulse die Fluoreszenzintensität des einzelnen Moleküls moduliert werden. Konzeptionell verwandte Einzelmolekülexperimente wurden an einem weiteren molekularen System durchgeführt, das aus einem Kern und einer Peripherie bestand. Fluoreszenzauszeiten des Gesamtsystems bei selektiver Anregung des Kerns wurden auf die Population eines Triplett-Zustandes zurückgeführt, der die Fluoreszenz der Peripherie löschte. rnAbschließend wurde der SSA-Prozess zwischen zwei gleichartigen Chromophoren untersucht. Es wurde eine Methode entwickelt, die es zum ersten Mal erlaubte, die SSA-Zeitkonstante individueller Moleküle zu bestimmen. Hierfür wurden die Daten der gemessenen Photonen-Koinzidenzhistogramme mittels eines im Rahmen dieser Arbeit hergeleiteten analytischen Zusammenhangs ausgewertet, der über Monte-Carlo-Simulationen bestätigt wurde.

Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Einzelmolekülspektroskopische Untersuchung von Rylenfarbstoffen zur elektronischen Wechselwirkung in multichromophoren Systemen und zur thermischen Besetzung molekularer Schwingungszustände

Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abstandsabhängigkeit des elektronischen Kopplungsverhaltens für eine homologe Reihe von Perylendiimid-Dimeren (PDI-(Ph)x-PDI, x=0-3) mithilfe der Einzelmolekülspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht. Während für große Abstände überwiegend „schwache“ Kopplung dominierte, wurde für den kleinsten Abstand „starke“ Kopplung gefunden. Im Gegensatz dazu zeigte das p-Phenylen-verbrückte Dimer (x=1) in Abhängigkeit vom untersuchten Molekül ein für beide Grenzfälle typisches Verhalten. Hier entscheidet die Größe der Kopplungsstärke im Vergleich zum statischen Energieunterschied, welcher Kopplungsmechanismus vorliegt. Die homologe Reihe ermöglichte zusätzlich die quantitative Untersuchung der Abstandsabhängigkeit der elektronischen Kopplungsstärke im Grenzfall „schwacher“ Kopplung. Sie konnte direkt aus der zugrunde liegenden Energietransferdynamik ermittelt werden. Der Vergleich mit quantenchemisch berechneten Werten lieferte eine gute Übereinstimmung. Die Abweichung betrug lediglich 20%.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde die thermische Besetzung der Schwingungszustände einzelner Terrylen-Moleküle untersucht. Im elektronischen Grundzustand konnte sie mithilfe von anti-Stokes-Fluoreszenz infolge von „Hot Band“ Absorption nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde Fluoreszenz aus höheren Schwingungszuständen des elektronisch angeregten Zustandes gefunden, die auf „Hot Band“ Emission infolge von thermischer Besetzung zurückgeführt werden konnte. Durch die Kombination von Emissions- und Anregungsspektroskopie konnte die Temperaturabhängigkeit beider Prozesse im Temperaturbereich von 209-311 K untersucht werden. Sie folgt der Boltzmann-Statistik, was eine Temperaturmessung mit einzelnen Molekülen ermöglicht. rn

An in-situ surface electrochemistry approach toward whole-cell studies: Charge transfer between Geobacter sulfurreducens and electrified metal/electrolyte interfaces through linker molecules

Electrochemical reactivity and structure properties of electrogenic bacteria, Geobacter sulfurreducens (Gs) were studied to explore the heterogeneous electron transfer at the bacteria/electrode interface using electrochemical and in-situ spectroscopic techniques. The redox behavior of Gs adsorbed on a gold electrode, which is modified with a ω-functionalized self-assembled monolayer (SAM) of alkanethiols, depends strongly on the terminal group. The latter interacts directly with outermost cytochromes embedded into the outer membrane of the Gs cells. The redox potential of bacterial cells bound electrostatically to a carboxyl-terminated SAM is close to that observed for bacteria attached to a bare gold electrode, revealing a high electronic coupling at the cell/SAM interface. The redox potentials of bacterial cells adsorbed on amino- and pyridyl-terminated SAMs are significantly different suggesting that the outermost cytochromes changes their conformation upon adsorption on these SAMs. No redox activity of Gs was found with CH3-, N(CH3)3+- and OH-terminated SAMs. Complementary in-situ spectroscopic studies on bacteria/SAMs/Au electrode assemblies were carried out to monitor structure changes of the bacterial cells upon polarization. Spectro-electrochemical techniques revealed the electrochemical turnover of the oxidized and reduced states of outer membrane cytochromes (OMCs) in Gs, providing evidence that the OMCs are responsible for the direct electron transfer to metal electrodes, such as gold or silver, during the electricity production. Furthermore, we observed spectroscopic signatures of the native structure of the OMCs and no conformational change during the oxidation/reduction process of the microorganisms. These findings indicate that the carboxyl-anchoring group provides biocompatible conditions for the outermost cytochromes of the Gs, which facilitate the heterogeneous electron transfer at the microorganism/electrode interface.

A PbS quantum-cube: conducting polymer composite for photovoltaic applications

We have developed a new non-polar synthesis for lead sulfide (PbS) quantum-cubes in the conjugated polymer poly-2-methoxy, 5-(2-ethyl-hexyloxy-p-phenylenevinylene) MEH-PPV. The conducting polymer acts to template and control the quantum-cube growth. Transmission electron microscopy of the composites has shown a bimodal distribution of cube sizes between 5 and 15 nm is produced with broad optical absorption from 300 to 650 nm. Photoluminescence suggests electronic coupling between the cubes and the conducting polymer matrix. The synthesis and initial characterization are presented in this paper. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Design, Synthesis, and Photophysical Investigation of Porphyrin-containing Polymer-wrapped Single-walled Carbon Nanotubes

Significant advances in understanding the fundamental photophysical behavior of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) have been made possible by the development of ionic, conjugated aryleneethynylene polymers that helically wrap SWNTs with well-defined morphology. My contribution to this work was the design and synthesis of porphyrin-containing polymers and the photophysical investigation of the corresponding polymer-wrapped SWNTs. For these new constructs, the polymer acts as more than just a solubilization scaffold; such assemblies can provide benchmark data for evaluating spectroscopic signatures of energy and charge transfer events and lay the groundwork for further, rational development of polymers with precisely tuned redox properties and electronic coupling with the underlying SWNT. The first design to incorporate a zinc porphyrin into the polymer backbone, PNES-PZn, suffered from severe aggregation in solution and was redesigned to produce the porphyrin-containing polymer S-PBN-PZn. This polymer was utilized to helically wrap chirality-enriched (6,5) SWNTs, which resulted in significant quenching of the porphyrin-based fluorescence. Time-resolved spectroscopy revealed a simultaneous rise and decay of the porphyrin radical cation and SWNT electron polaron spectroscopic signatures indicative of photoinduced electron transfer. A new polymer, S-PBN(b)-Ph2PZn3, was then synthesized which incorporated a meso-ethyne linked zinc porphyrin trimer. By changing the absorption profile and electrochemical redox potentials of the polymer, the photophysical behavior of the corresponding polymer-wrapped (6,5)-SWNTs was dramatically changed, and the polymer-wrapped SWNTs no longer showed evidence for photoinduced electron transfer.

Bis(arylene-ethynylene)-s-tetrazines: A Promising Family of n-Type Organic Semiconductors?

We theoretically describe in this work the n-type semiconducting behavior of a set of bis(arylene-ethynylene)-s-tetrazines ((ArCC)2Tz), by comparing their electronic properties with those of their parent diaryl-s-tetrazines (Ar2Tz) after the introduction of ethynylene bridges. The significantly reduced internal reorganization energy for electron transfer is ascribed to an extended delocalization of the LUMO for (ArCC)2Tz as opposite to that for Ar2Tz, which was described mostly localized on the s-tetrazine ring. The largest electronic coupling and the corresponding electron transfer rates found for bis(phenyl-ethynylene)-s-tetrazine, as well as for some halogenated derivatives, are comparable to those reported for the best performing n-type organic semiconductor materials such as diimides and perylenes. The theoretical mobilities for the studied compounds turn out to be in the range 0.3–1.3 cm2 V–1 s–1, close to values experimentally determined for common n-type organic semiconductors used in real devices. In addition, ohmic contacts can be expected when these compounds are coupled to metallic cathodes such as Na, Ca, and Sm. For these reasons, the future application of semiconducting bis(phenyl-ethynylene)-s-tetrazine and its fluorinated and brominated derivatives in optoelectronic devices is envisioned.

Single layer lead iodide: Computational exploration of structural, electronic and optical properties, strain induced band modulation and the role of spin-orbital-coupling

Graphitic like layered materials exhibit intriguing electronic structures and thus the search for new types of two-dimensional (2D) monolayer materials is of great interest for developing novel nano-devices. By using density functional theory (DFT) method, here we for the first time investigate the structure, stability, electronic and optical properties of monolayer lead iodide (PbI2). The stability of PbI2 monolayer is first confirmed by phonon dispersion calculation. Compared to the calculation using generalized gradient approximation, screened hybrid functional and spin–orbit coupling effects can not only predicts an accurate bandgap (2.63 eV), but also the correct position of valence and conduction band edges. The biaxial strain can tune its bandgap size in a wide range from 1 eV to 3 eV, which can be understood by the strain induced uniformly change of electric field between Pb and I atomic layer. The calculated imaginary part of the dielectric function of 2D graphene/PbI2 van der Waals type hetero-structure shows significant red shift of absorption edge compared to that of a pure monolayer PbI2. Our findings highlight a new interesting 2D material with potential applications in nanoelectronics and optoelectronics.

Nickel(II) meso-hydroxyporphyrin complexes revisited: Palladium-catalysed synthesis, electronic structures of derived oxy radicals, and oxidative coupling to a dioxoporphodimethene dyad

We report the synthesis and characterisation of new examples of meso-hydroxynickel(II) porphyrins with 5,15-diphenyl and 10-phenyl-5,15-diphenyl/diaryl substitu- tion. The OH group was introduced by using carbonate or hydroxide as nucleophile by using palladium/phosphine cat- alysis. The NiPor OHs exist in solution in equilibrium with the corresponding oxy radicals NiPor OC. The 15-phenyl group stabilises the radicals, so that the 1H NMR spectra of {NiPor OH} are extremely broad due to chemical exchange with the paramagnetic species. The radical concentration for the diphenylporphyrin analogue is only 1%, and its NMR line-broadening was able to be studied by variable-tempera- ture NMR spectroscopy. The EPR signals of NiPor OC are con- sistent with somewhat delocalised porphyrinyloxy radicals, and the spin distributions calculated by using density func- tional theory match the EPR and NMR spectroscopic obser- vations. Nickel(II) meso-hydroxy-10,20-diphenylporphyrin was oxidatively coupled to a dioxo-terminated porphodimethene dyad, the strongly red-shifted electronic spectrum of which was successfully modelled by using time-dependent DFT calculations.

Part I. Approximate Hartree-Fock wavefunctions one-electron properties and electronic structure of the water molecule. Part II. Perturbation-variational calculation of the nuclear spin-spin isotope coupling constant in HD

Part I

Several approximate Hartree-Fock SCF wavefunctions for the ground electronic state of the water molecule have been obtained using an increasing number of multicenter s, p, and d Slater-type atomic orbitals as basis sets. The predicted charge distribution has been extensively tested at each stage by calculating the electric dipole moment, molecular quadrupole moment, diamagnetic shielding, Hellmann-Feynman forces, and electric field gradients at both the hydrogen and the oxygen nuclei. It was found that a carefully optimized minimal basis set suffices to describe the electronic charge distribution adequately except in the vicinity of the oxygen nucleus. Our calculations indicate, for example, that the correct prediction of the field gradient at this nucleus requires a more flexible linear combination of p-orbitals centered on this nucleus than that in the minimal basis set. Theoretical values for the molecular octopole moment components are also reported.

Part II

The perturbation-variational theory of R. M. Pitzer for nuclear spin-spin coupling constants is applied to the HD molecule. The zero-order molecular orbital is described in terms of a single 1s Slater-type basis function centered on each nucleus. The first-order molecular orbital is expressed in terms of these two functions plus one singular basis function each of the types e^-r/r and e^-r ln r centered on one of the nuclei. The new kinds of molecular integrals were evaluated to high accuracy using numerical and analytical means. The value of the HD spin-spin coupling constant calculated with this near-minimal set of basis functions is J_HD = +96.6 cps. This represents an improvement over the previous calculated value of +120 cps obtained without using the logarithmic basis function but is still considerably off in magnitude compared with the experimental measurement of J_HD = +43 0 ± 0.5 cps.

Electronic structure and magnetic coupling properties of Gd-doped AlN: first-principles calculations

In this work, the electronic structure and magnetic coupling properties of Gd doped AlN have been investigated using first-principles method. We found that in the AlN:Gd system, due to the s-f coupling allowed by the symmetry, the exchange splitting of the conduction band is much larger than that of the valence band, which makes the electron-mediated ferromagnetism possible in this material. This property is also confirmed by the energy differences between anti-ferromagnetic and ferromagnetic phase for Al14Gd2N16 with different concentrations of electrons (holes), as well as by the calculated exchange constants. The result indicates that Gd-doped AlN is a promising candidate for the applications in future spintronic devices.