The Ab Initio Calculation of the Chemical Shift Tensor and its Application for the Structure ...

233 Pages·2007·16.17 MB·English

The Ab Initio Calculation of the Chemical
Shift Tensor and its Application for the
Structure Determination in Ordered and
Disordered Phases by Means of Solid-State
Nuclear Magnetic Resonance
Dissertation
zur Erlangung des Grades
“Doktor der Naturwissenschaften“
am Fachbereich Chemie der
Universita¨t Bayreuth
Jan Sehnert
geboren in Essen
Bayreuth 2007

Fu¨rmeinenganzperso¨nlichenplapperndenAffen.

Die vorliegende Arbeit wurde unter der Betreuung
von Prof. Dr. J. Senker in der Zeit vom Januar bis
zum Dezember 2004 an der Ludwigs-Maximilians-
Universita¨t in Mu¨nchen und vom Januar 2005 bis
zumJuni2007anderUniversita¨tBayreuthangefer-
tigt.
Vollsta¨ndiger Abdruck der von der Fakulta¨t Biolo-
gie,ChemieundGeowissenschaftenderUniversita¨t
Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung
des akademischen Grades Doktor der Naturwissen-
schaften(Dr.rer.nat.).
ErsterPru¨fer: Prof.Dr.J.Senker
ZweiterPru¨fer: Prof.Dr.G.M.Ullmann
DritterPru¨fer: Prof.Dr.A.Bo¨ker
Pru¨fungsvorsitz: Prof.Dr.H.-W.Schmidt
TagderEinreichung: 3.Juli2007
Tagdermu¨ndlichenPru¨fung: 9.November2007

Danksagung
AnallerersterStellemo¨chteichmeinemDoktorvaterProf.Dr.Ju¨rgenSenkermeinentief-
empfundenen Dank aussprechen. Dafu¨r, dass die in langen Sitzungen vorgelebte Akri-
bie korrekten wissenschaftlichen Arbeitens letzten Endes doch durch die Nebel meiner
Lernresistenz dringen konnte. Fu¨r die Offenheit und Freiheit was die Wahl des Themas
meiner Dissertation betrifft, und vor allem dafu¨r, dass er sowohl in fachlich als auch in
privatbedingungsloszumirgehaltenhat.
Fu¨r die gute Zusammenarbeit in gemeinsamen Projekten mo¨chte ich Prof. Dr. W.
Schnick, Dr. B. Lotsch und Dr. M. Do¨blinger von der Ludwig-Maximilians-Universita¨t
inMu¨nchensowiePDDr.C.Na¨thervonderChristian-Albrechts-Universita¨tzuKielund
Prof.Dr.E.KrokevonderTUBergakademieFreibergdanken.Prof.Dr.J.Breuvonder
Universita¨tBayreuthgebu¨hrtspeziellerDankfu¨rseineoffeneArtderKritik,diemirsehr
geholfenhatmichauffachlicherEbeneweiterzuentwickeln.
Meinen Laborkollegen Ju¨rgen Thun und Marko Schmidt danke ich fu¨r die gute Stim-
mungunddievielenfruchtbarenDialoge.MeinenwissenschaftlichenHilfskra¨ftenKilian
Ba¨rwinkel, Christopher Synatschke und Andreas Zapf fu¨r die Unterstu¨tzung bei meiner
Arbeit und dem Aufbau des Labors in Bayreuth. Einen ganz besonderer Dank geht an
unsereerstenHauptpraktikantenAndreasWagnerundPhillippvondenHoff,mitdenen
alles begann und die den langen Weg aus Mu¨nchen auf sich nahmen, um in Bayreuth
eineintensiveZeitzuerleben.
MeinenElternwillichdafu¨rdanken,dasssiemirdasStudiumermo¨glichtunddamitalle
Perspektiven fu¨r meine Zukunft offen gehalten haben. Meinem Mitstreiter und Freund
Bjo¨rndankeich,mitdemzusammenichdasFundamentdieserAusbildunggegossenha-
be. Meinen Sihings Alexander und Michael danke ich fu¨r eine ga¨nzlich andere Art der
Ausbildung,diedasnotwendigeGegengewichtzurfachlichenWeltbildet.
Anletzterundfu¨rmichwichtigsterStelleabermo¨chteichmeinerVerlobtenLenaSeyf-
arthdanken.SievereintalleFacetten,diehieraufgefu¨hrtsindineinerPerson.ObimStu-
dium, als gemeinsamer Wachstumskeim fu¨r den Arbeitskreis Senker oder als Zuho¨rerin
fu¨rFachliches,WingChun,Perso¨nlichesundjedeMengeblo¨derWitze,ichmo¨chtekei-
nen anderen Menschen an meiner Seite wissen und freue mich auf unsere gemeinsame
Zukunft!

List of abbreviations
1D One-dimensional
2D Two-dimensional
3D Three-dimensional
α,β,γ AnglesoftheEulertransformation
γ Magnetogyricratio
δ Chemicalshifttensor(Herzfeld-Berger)
δ Isotropicchemicalshift(Herzfeld-Berger)
iso
δ Reducedchemicalshiftanisotropy
aniso
∆ Shieldinganisotropy
aniso
δ Dipolarcouplingconstant
DIP
η Asymmetryparameter
κ Skew
µ Magneticmoment
ρ Electrondensity
σ Chemicalshifttensor(Haeberlen-Mehring-Spiess)
σ Isotropicchemicalshift(Haeberlen-Mehring-Spiess)
iso
τ ,t Mixingtime
m m
χ ,χ ,χ Eigenvaluesoftensorχ
11 22 33
χ Componentsoftensorχ
ij
χ Atomicorbital
µ
ψ Wavefunction
ω Resonancefrequency
Ω Span
A Vectorpotential
Am Componentsofthesphericaltensor
l
B Magneticfield
B Externalmagneticfield
0
BSSE Basissetsuperpositionerror
c Velocityoflight
CAS Crystalaxissystem
CS Chemicalshift
10
DFT Densityfunctionaltheory
E Energy
GIAO Gauge-includingatomicorbitals
GUI Graphicaluserinterface
HB Hydrogenbond
HF HartreeFock
H Hamiltonianoftheinteractionλ
λ
I Nuclearspin
I(ω) Spectraldensity
IGLO Individualizedgaugesforlocalizedorbitals
LAS Laboratoryaxissystem
m Mass
MAS Magicanglespinning
NMR Nuclearmagneticresonance
p Momentum
PAS Principleaxissystem
PBC Periodicboundaryconditions
r Radius
R Gaugeorigin
R(α,β,γ) MatrixoftheEulertransformation
RAS Referenceaxissystem
rf Radiofrequency
SW Sweepwidth
T(AS) Tensorinaspecifiedaxissystem
TPP Triphenylphosphite
V Nuclearpotential