Als Hilfsstoffe in der Arzneimittelentwicklung können Cyclodextrine und ihre Derivate aufgrund der Fähigkeit zur Bildung von Wirt-Gast-Komplexen mit organischen Molekülen zu unterschiedlichsten Zwecken verwendet werden. Ein Verständnis aller Einflussfaktoren auf die Komplexbildung wäre von großem Wert, weil man so gegebenenfalls vorab entscheiden könnte, ob ein Einsatz von Cyclodextrinen überhaupt in Betracht käme, und wenn ja, welches Cyclodextrin den beabsichtigten Effekt brächte. In der vorliegenden Arbeit wurden mit Hilfe verschiedener Methoden Informationen zu den Einschlusskomplexen gesammelt, die natürliche Cyclodextrine mit einer Reihe typischer Arzneistoffmoleküle bilden. Als Modellsubstanzen wurden die Sulfonamide Sulfadiazin, Sulfadimidin, Sulfafurazol, Sulfaguanidin, Sulfamerazin, Sulfameter, Sulfamethoxazol, Sulfanilamid und Sulfathiazol gewählt. Aufgrund ihrer Molekülgröße bilden die gewählten Gäste in wässriger Lösung bevorzugt mit dem siebengliedrigen β-Cyclodextrin Komplexe, die Wechselwirkungen sind im Vergleich mit anderen Gastmolekülen jedoch relativ schwach. Im Rahmen von Löslichkeitsstudien wurden verschiedene Einflüsse (pH, Temperatur) auf die Komplexbildung in Lösung untersucht. Mit Hilfe von Van’t Hoff Plots wurden die thermodynamischen Größen der Komplexbildung bestimmt, wo das Phänomen der Enthalpie-Entropie-Kompensation beobachtet werden konnte. Die Stöchiometrie der Komplexe wurde unter anderem in Job’s Plots mit Hilfe der 1H-NMR-Spektroskopie bestimmt. Die Komplexbildung geht im Fall der Sulfonamide meist nicht nur mit einer Löslichkeitssteigerung des Gastes, sondern auch des nur eingeschränkt wasserlöslichen β-Cyclodextrins einher. Dieser Effekt wurde bei verschiedenen pH-Werten quantifiziert und tritt bei allen Gastmolekülen, mit Ausnahme von Sulfathiazol, in vergleichbarem Umfang auf. Unter Ausnutzung dieses Phänomens kann je nach Gast eine Konzentration des Wirtes in Lösung erreicht werden, die ein Vielfaches seiner intrinsischen Löslichkeit beträgt. Sowohl in Lösung als auch im Feststoff wurde die Struktur der Einschlusskomplexe mit spektroskopischen Verfahren untersucht. ROESY-Spektren zeigten, dass die chemisch sehr ähnlichen Gastmoleküle teilweise erheblich von einander abweichende Positionen und Orientierungen in der Kavität des Cyclodextrins einnehmen. FTIR-Spektren fester Komplexzubereitungen unterstützen die detaillierteren NMR-Ergebnisse für die meisten Gäste. Ergänzend wurden mit Hilfe von molekularmechanischen Methoden theoretisch plausible Komplexstrukturen erstellt. Dabei wurde die Flexibilität der Cyclodextrinmoleküle und das mögliche Auftreten eines induced-fit durch die Generierung verschiedenartiger Konformere des β-Cyclodextrins in einer Molekulardynamikstudie berücksichtigt. In Dockingstudien (Autodock 3.0) wurde nach dem Bindungsmodus gesucht. Unter den Versuchsbedingungen dominieren Orientierungen, bei denen die aromatische Aminogruppe und die schwefelgebundenen Sauerstoffatome mit den Hydroxylgruppen des Wirtes Wasserstoffbrückenbindungen aufbauen können. Die resultierende Störung der intra- und intermolekularen Wechselwirkungen des Cyclodextrins stellt eine mögliche Erklärung der synergistischen Löslichkeitseffekte zwischen Wirt und Gast dar. Die gewonnenen Daten stellen eine Grundlage zur Charakterisierung der Komplexbildung von Sulfonamiden mit natürlichen Cyclodextrinen dar. Alle Modellsubstanzen wurden mit denselben Methoden untersucht, was eine vergleichende Betrachtung ermöglicht. Insgesamt wurde durch die Betrachtung einer so großen Gruppe an Modellsubstanzen ähnlicher chemischer Eigenschaften und Molekülstruktur ein Eindruck gewonnen, wie stark die Vorgänge bei der Komplexbildung mit Cyclodextrinen schon innerhalb einer relativ homogenen Gruppe variieren können. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ist zu folgern, dass Vorhersagen zur Komplexbildung mit Cyclodextrinen anhand von Untersuchungen mit vergleichbaren Modellsubstanzen nicht endgültig zu treffen sind, sondern immer von einem vom Gastmolekül abhängigen Einzelfall auszugehen ist. / Cyclodextrins and their derivatives with their ability to form host-guest-complexes with organic molecules can be applied for various purposes in drug development. Understanding all effects on complex formation one could be able to predict if the use of cyclodextrins is indicated and which cyclodextrin is appropriate. In this thesis various methods were applied to gather information about complexes formed by natural cyclodextrins and a set of typical drug molecules. Sulfa drugs - sulfadiazine, sulfadimidine, sulfafurazole, sulfaguanidine, sulfamerazine, sulfameter, sulfamethoxazole, sulfanilamide and sulfathiazole - were chosen as model substances. Owing to their molecular size these guests form complexes preferably with β-cyclodextrin in aqueous solution. The interactions are relatively weak compared with other guest molecules. Phase solubility analysis was used to investigate several effects (pH, temperature) on complexation in solution. The thermodynamic parameters for the complexation were derived from linear van’t Hoff plots which indicate the presence of the enthalpy-entropy-compensation phenomenon. The complex stoichiometry was derived amongst others from Job’s plots employing 1H-NMR-spectroscopy. For most sulfa drugs complexation not only results in a solubility enhancement of the guest, but also increases the low intrinsic solubility of β-cyclodextrin itself. This effect was quantified at several pH values. It is of comparable extent for all guest molecules with exception of sulfathiazole. Making use of the described phenomenon one can achieve β-cyclodextrin concentrations many times higher than its intrinsic solubility in solution. The structure of the inclusion complexes was examined in solution and in the solid state using the means of spectroscopy. ROESY spectra of some model substances show that the chemically related molecules occupy considerably different positions and orientations inside the cyclodextrin’s cavity. FTIR spectra of solid complex formulations support the more detailed NMR-results in most cases. In addition, theoretical structures for the inclusion complexes were created by molecular mechanics. Cyclodextrin flexibility and a possible ‘induced-fit’ were simulated by generating multiple conformations of β-cyclodextrin by molecular dynamics. Docking experiments were carried out in order to characterize the inclusion mode of the sulfonamides. Under the experimental conditions we observed those orientations to be predominant where the aromatic amino group and the oxygen atoms of the sulfonamide are able to establish H-bonds to the host’s hydroxyl groups. The resulting disturbance of the intermolecular and intramolecular H-bonds of β-cyclodextrin is one possible explanation for the synergistic solubility effects between host and guest. The data obtained forms a foundation for the characterization of the complexation process of sulfonamides and natural cyclodextrins. All model substances were investigated applying the same methods allowing a comparative interpretation. Overall, studying a larger group of model substances of similar chemical properties und molecular structure showed the variations of the inclusion process even in such a homogenous group of guests. The results of this thesis make it obvious that predictions concerning complex formation with cyclodextrins are not possible by considering investigations of related model substances. Instead, complex formation should always be regarded as an individual case.

Developing a sustainable energy infrastructure for the 21st century requires the large scale development of renewable energy resources. Fully exploiting these inherently intermittent supplies will require advanced energy storage technologies, with rechargeable Li-ion and Na-ion batteries considered highly promising for both vehicle electrification and grid storage applications. However, the performance required of battery materials has not been achieved, and significant improvements are needed. Modern computational techniques allow the elucidation of structure-property relationships at the atomic level and are valuable tools in providing fundamental insights into novel materials. Therefore, in this thesis a combination of atomistic simulation and ab initio density functional theory (DFT) techniques have been used to study a number of potential battery cathode materials. Firstly, Na2FePO4F and NaFePO4 are interesting materials that have been reported recently as attractive positive electrodes for Na-ion batteries. Here, we report their Na-ion conduction behaviour and intrinsic defect properties using atomistic simulation methods. Na+ ion conduction in Na2FePO4F is predicted to be two-dimensional (2D) in the interlayer plane. Na ion migration in NaFePO4 is restricted to the [010] direction along a curved trajectory, leading to quasi-1D Na+ diffusion. Furthermore, Na/Fe antisite defects are predicted to have a lower formation energy in NaFePO4 than Na2FePO4F. The higher probability of tunnel occupation with a relatively immobile Fe2+ cation - along with a greater volume change on redox cycling - contributes to the poor electrochemical performance of NaFePO4. Secondly, work on the Na2FePO4F system is extended to include investigation of the surface structures and energetics. The equilibrium morphology is found to be essentially octagonal, compressed slightly along the [010] direction, and is dominated by the (010), (021), (122) and (110) surfaces. The calculated growth morphology is a more ``rod-like'' nanoparticle, with the (021), (023), (110) and (112) planes predominant. The (010) surface lies parallel to the Na layers in the ac plane and is unlikely to facilitate Na+ intercalation. As such, its prominence in the equilibrium morphology, and absence from the growth morphology, suggests nanoparticles synthesised in a kinetically limited regime should provide higher rate performance than those synthesised in close to equilibrium conditions. Surface redox potentials for Na2FePO4F derived using DFT vary between 2.76 - 3.37 V, in comparison to a calculated bulk cell voltage of 2.91 V. Most significantly, the lowest energy potentials are found for the (130) and (001) planes suggesting that upon charging Na+ will first be extracted from these surfaces, and inserted lastly upon discharging. Thirdly, the mixed phosphates Na4M3(PO4)2P2O7 (M=Fe, Mn, Co, Ni) are explored as a fascinating new class of materials reported to be attractive Na-ion cathodes, displaying low volume changes upon cycling indicative of long lifetime operation. Key issues surrounding intrinsic defects, Na-ion migration mechanisms and voltage trends have been investigated through a combination of atomistic energy minimisation, molecular dynamics and DFT simulations. The MD results suggest Na+ diffusion extends across a 3D network of migration pathways with an activation barrier of 0.20-0.24 eV, and diffusion coefficients (DNa) of 10-10-10-11 cm2s-1 at 325 K, suggesting high rate capability. The cell voltage trends, explored using DFT methods, indicate that doping the Fe-based cathode with Ni can significantly increase the voltage, and hence energy density. Finally, DFT simulations of K+-stabilised α-MnO2 have been combined with aberration corrected-STEM techniques to study the surface energetics, particle morphologies and growth mechanism. α-K0.25MnO2 grown through a hydrothermal synthesis method is found to produce primary nanowires with preferential growth along the [001] direction. Primary nanowires attach through a shared (110) interface to form larger secondary nanowires. This is in agreement with DFT simulations with the {100}, {110} and {211} surfaces displaying the lowest surface energies. The ranking of surface energies is driven by Mn coordination environments and surface relaxation. The calculated equilibrium morphology of α-K0.25MnO2 is consistent with the observed primary nanowires from high resolution electron microscopy images.

<p>Protein conformational transitions are fundamental to the functions of many proteins, and computational methods are valuable for elucidating the transitions that are not readily accessible by experimental techniques. Here we developed accelerated sampling methods to calculate optimized all-atom protein conformational transition paths. Adaptively biased path optimization (ABPO) is a computational simulation method to optimize the conformational transition path between two states. We first examined the transition paths of three systems with relatively simple transitions. The ways to define reduced variables were explored and transition paths were built at convergence of the optimizations. We constructed the all-atom conformational transition path between the active and the inactive states of the Src kinase domain. The C helix rotation was identified as the main free energy barrier in the all‑atom system, and the intermediate conformations and key interactions along the transition path were analyzed. This is the first demonstration of the robustness of a computational method for calculating protein conformational transitions without restraints to a specified path. We also evaluated protein‑peptide interactions using both molecular dynamics simulations and peptide docking. Long unbiased simulations were used to evaluate Src‑SSP interactions and complex stability in both implicit and explicit solvent. Molecular docking was used to build possible protein‑peptide interaction models, using both Src regulatory domain SH2 and the kinase domain. Possible Src‑SSP complexes were built as the first Src‑substrate complex structure models.</p>

Unconventional non-covalent interactions such as halogen, chalcogen, and tetrel bonds are gaining interest in several domains including but not limited to drug design, as well as novel catalyst design. Non-covalent interactions are known as weak forces of interactions when they are considered on an individual basis, but on a molecular basis, these effects become important such that their prevalence can be seen in the construction of large biomolecules like proteins, DNA and RNA. In this work, the fundamental aspects of these interactions are looked upon using ab initio and Density Functional Theory (DFT). An essential aspect of chalcogen bonds involving Sulfur as donor atom with nitrogen, oxygen and π-system as electron sources was examined. These bonds are strong with binding energy that varies from a minimum of 3 kcal/mol in some π-system to 19 kcal/mol in primary amine systems. Decomposition of the total interaction energy reveals that the induction energy constitutes more than half of the total interaction energy. The shortness and strength of some of the chalcogen bond interactions suggest these interactions may in some cases be described as weak covalent bonds. A comparative study of π-hole tetrel bonding with σ-hole halogen bonds in complexes of XCN (X = F, Cl, Br, I) and ammonia shows that the π-hole geometry if favored for X = F, and the σ-hole structure is preferred for the heavier halogens. Also, the potential use of these non-covalent interactions in organic catalysis was explored. The energy barrier of the Aza-Diels-Alder reaction is substantially lowered by the introduction of an imidazolium catalyst with either a Hydrogen or halogen (X) atom in the 2-position.

The visualization of energy functions is based on the possibility of separating different degrees of freedom. The most important one is the Born-Oppenheimer-approximation, which separates nucleus and electron movements. This allows the illustration of the potential energy as a function of the nuclei coordinates. Minima of the surface correspond to stable points like isomers or conformers. They are important for predicting the stability or thermodynamical of a system. Stationary points of first order correspond to transition points. They describe phase transitions, chemical reaction, or conformational changes. Furthermore, the partition function connects the potential hypersurface to the free energy of the system. The aim of the present work is the development and application of new approaches for the efficient exploration of multidimensional hypersurfaces. Initially, the Conformational Analysis and Search Tool (CAST) program was developed to create a basis for the new methods and algorithms. The development of CAST in object oriented C++ included, among other things, the implementation of a force field, different interfaces to external programs, analysis tools, and optimization libraries. Descriptions of an energy landscape require knowledge about the most stable minima. The Gradient Only Tabu Search (GOTS) has been shown to be very efficient in the optimization of mathematical test functions. Therefore, GOTS was taken as a starting point. Tabu-Search is based on the steepest descent - modest ascent strategy. The steepest descent is used for finding local minima, while the modest ascent is taken for leaving a minimum quickly. Furthermore, Tabu-Search is combined with an adaptive memory design to avoid cycling or returning. The highly accurate exploration of the phase space by Tabu-Search is often too expensive for complex optimization problems. Therefore, an algorithm for diversification of the search is required. After exploration of the proximity of the search space, the algorithm would guide the search to new and hopefully promising parts of the phase space. First application of GOTS to conformational search revealed weaknesses in the diversification search and the modest ascent part. On the one hand, the original methodology for diversification is insufficiently diverse. The algorithm is considerably improved by combining the more local GOTS with the wider searching Basin Hopping (BH) approach. The second weak point is a too inaccurate and inefficient modest ascent strategy. Analysis of common transition state search algorithms lead to the adaption of the Dimer-method to the Tabu-Search approach. The Dimer-method only requires the first derivatives for locating the closest transition state. For conformational search, dihedral angles are usually the most flexible degrees of freedom. Therefore, only those are used in the Dimer-method for leaving a local minimum. Furthermore, the exact localization of the reaction pathway and the transition state is not necessary as the local minimum position should only be departed as fast as possible. This allows for larger step sizes during the Dimer-search. In the following optimization step, all coordinates are relaxed to remove possible strains in the system. The new Tabu-Search method with Dimer-search delivers more and improved minima. Furthermore, the approach is faster for larger systems. For a system with approximately 1200 atoms, an acceleration of 40 was measured. The new approach was compared to Molecular Dynamics with optimization (MD), Simulated Annealing (SA), and BH with the help of conformational search problems of bio-organic systems. In all cases, a better performance was found. A comparison to the Monte Carlo Multiple Minima/Low Mode Sampling (MCMM/LM) method proved the outstanding performance of the new Tabu-Search approach. The solvation of the chignolin protein further revealed the possibility of uncovering discrepancies between the employed theoretical model and the experimental starting structure. Ligand optimization for improvement of x-ray structures was one further new application field. Besides the global optimization, the search for transition states and reaction pathways is also of paramount importance. These points describe different transitions of stable states. Therefore, a new approach for the exploration of such cases was developed. The new approach is based on a global minimization of a hyperplane being perpendicular to the reaction coordinate. Minima of this reduced phase space belong to traces of transition states between reactant and product states on the unchanged hypersurface. Optimization to the closest transition state using the Dimer-method delivers paths lying between the initial and the final state. An iterative approach finally yields complex reaction pathways with many intermediate local minima. The PathOpt algorithm was tested by means of rearrangements of argon clusters showing very promising results. / Die visuelle Darstellung von Energiefunktionen basiert auf der Möglichkeit, verschiedene Freiheitsgrade zu separieren. Die wichtigste Näherung ist dabei die Born-Oppenheimer-Näherung. Sie erlaubt damit die Darstellung der potentiellen Energie als Funktion der Kernkoordinaten. Die daraus entstehende mehrdimensionale Hyperfläche entspricht der Summenformel eines beliebigen Systems. Minima der Fläche entsprechen stabilen Punkten wie Isomeren oder Konformeren. Diese sind wichtig für Aussagen über die Stabilität oder die Thermodynamik eines Systems. Stationäre Punkte erster Ordnung entsprechen Übergangsstrukturen und beschreiben Phasenübergänge, chemische Reaktionen aber auch Konformationsänderungen. Über die Zustandssumme ist die Hyperfläche zudem mit der freien Energie verknüpft. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung neuer Methoden zur effizienten Untersuchung mehrdimensionaler Hyperflächen. Dabei wurde zunächst das Conformational Analysis and Search Tool (CAST)-Programm entwickelt. Die Entwicklung des CAST-Programms in objektorientiertem C++ beinhaltete unter anderem die Implementierung eines Kraftfeldes, verschiedene Schnittstellen zu externen Programmen, Analysealgorithmen und verschiedene Optimierungsmodule. Um Aussagen über eine Energielandschaft treffen zu können, müssen zuerst die stabilsten Minima gefunden werden. Der Gradient Only Tabu Search (GOTS) hat sich als sehr effizient in der Optimierung von mathematischen Funktionen erwiesen. Daher wurde GOTS als Startpunkt verwendet. Tabu-Search basiert auf dem steepest descent – modest ascent Prinzip. Zum Finden neuer Minima wird der steilste Abstieg (steepest descent) verwendet, ein Minimum wird auf dem Weg des geringsten Anstiegs (modest ascent) wieder verlassen. Tabu-Search ist zudem mit einem lernfähigen Speicherdesign kombiniert, wodurch ein Zurück- und im Kreis laufen vermieden wird. Der Phasenraum wird von Tabu-Search sehr genau untersucht, was für komplexere Probleme zu aufwendig wird. Daher bedarf es eines Diversifizierungsschritts, welcher nach Absuchen eines Teils des Phasenraums, die Suche in neue vielversprechende Bereiche bringt. Erste Anwendungen auf Konformationssuchen zeigten, dass GOTS Schwächen im Diversifizierungsschritt und der modest ascent Strategie besitzt. Zum einen ist die ursprünglich verwendete Methodik für die Diversifizierung zu wenig divers. Eine Kombination des mehr lokalen GOTS mit der weiträumiger suchenden Basin Hopping (BH) Methode brachte eine erhebliche Verbesserung. Der zweite Schwachpunkt besteht aus einer zu ungenauen und ineffizienten modest ascent Methode. Daher wurde die Dimer-Methode für Tabu-Search adaptiert. Diese benötigt lediglich die erste Ableitung, um zum Übergangszustand erster Ordnung zu konvergieren. Dabei werden in der Dimer-Methode nur Diederwinkel variiert. Zudem muss der Reaktionspfad und der Übergangszustand nicht exakt getroffen werden, da das Minimum nur möglichst schnell verlassen werden soll. Dies erlaubt größere Schrittweiten in der Dimer-Suche. Im nachfolgenden Optimierungsschritt werden alle Koordinaten relaxiert. Die neue Tabu-Search-Methode mit Dimer-Suche liefert mehr und deutlich verbesserte Minima. Zudem ist sie für größere Systeme deutlich schneller. Für ein System mit circa 1200 Atomen wurde eine Beschleunigung um den Faktor 40 erzielt. Die neue Methode wurde am Beispiel der Konformationssuche von bio-organischen Systemen mit Molekulardynamik mit Optimierung (MD), Simulated Annealing (SA) und BH verglichen, wobei sich in allen Fällen eine bessere Effizienz zeigte. Ein Vergleich zur Monte Carlo Multiple Minima/Low Mode Sampling Methode anhand der Optimierung von peptidischen Ligand-Rezeptor-Komplexen belegte ebenfalls die hervorragende Effizienz des neuen Ansatzes. Die Solvatisierung des Chignolin-Proteins mit Tabu-Search deckte die Möglichkeit auf, Differenzen zwischen der verwendeten theoretischen Methode und der experimentellen Startstruktur aufzudecken. Als weiterer neuer Anwendungsbereich wurde die Optimierung von Ligand-Enzym-Komplexen zur Verbesserung von Röntgenstrukturen untersucht. Neben der globalen Optimierung ist auch die Suche nach Übergangszuständen und Reaktionspfaden von größter Wichtigkeit. Diese beschreiben verschiedene Übergänge zwischen stabilen Zuständen. Daher wurde ein neuer Ansatz zur Untersuchung dieser Fragestellungen entwickelt. Dieser basiert auf einer globalen Minimierung einer Hyperfläche, welche senkrecht zum Reaktionspfad steht. Die Minima des reduzierten Phasenraums gehören zu Spuren zu Übergangszuständen zwischen dem Edukt und dem Produkt. Durch Optimierung dieser Punkte mittels der Dimer-Methode werden also Pfade gefunden, die zwischen Anfangs- und Endpunkt liegen. Ein iteratives Vorgehen liefert letztendlich komplexe Reaktionspfade. PathOpt wurde an Umlagerungen von Argon-Clustern evaluiert, welche sehr vielversprechende Ergebnisse lieferten.

The SARS virus is the etiological agent of the severe acute respiratory syndrome, a deadly disease that caused more than 700 causalities in 2003. One of its viral proteins, the SARS coronavirus main protease, is considered as a potential drug target and represents an important model system for other coronaviruses. Despite extensive knowledge about this enzyme, it still lacks an effective anti-viral drug. Furthermore, it possesses some unusual features related to its active-site region. This work gives atomistic insights into the SARS coronavirus main protease and tries to reveal mechanistic aspects that control catalysis and inhibition. Thereby, it applies state-of-the-art computational methods to develop models for this enzyme that are capable to reproduce and interpreting the experimental observations. The theoretical investigations are elaborated over four main fields that assess the accuracy of the used methods, and employ them to understand the function of the active-site region, the inhibition mechanism, and the ligand binding. The testing of different quantum chemical methods reveals that their performance depends partly on the employed model. This can be a gas phase description, a continuum solvent model, or a hybrid QM/MM approach. The latter represents the preferred method for the atomistic modeling of biochemical reactions. A benchmarking uncovers some serious problems for semi-empirical methods when applied in proton transfer reactions. To understand substrate cleavage and inhibition of SARS coronavirus main protease, proton transfer reactions between the Cys/His catalytic dyad are calculated. Results show that the switching between neutral and zwitterionic state plays a central role for both mechanisms. It is demonstrated that this electrostatic trigger is remarkably influenced by substrate binding. Whereas the occupation of the active-site by the substrate leads to a fostered zwitterion formation, the inhibitor binding does not mimic this effect for the employed example. The underlying reason is related to the coverage of the active-site by the ligand, which gives new implications for rational improvements of inhibitors. More detailed insights into reversible and irreversible inhibition are derived from in silico screenings for the class of Michael acceptors that follow a conjugated addition reaction. From the comparison of several substitution patterns it becomes obvious that different inhibitor warheads follow different mechanisms. Nevertheless, the initial formation of a zwitterionic catalytic dyad is found as a common precondition for all inhibition reactions. Finally, non-covalent inhibitor binding is investigated for the case of SARS coranavirus main protease in complex with the inhibitor TS174. A novel workflow is developed that includes an interplay between theory and experiment in terms of molecular dynamic simulation, tabu search, and X-ray structure refinement. The results show that inhibitor binding is possible for multiple poses and stereoisomers of TS174. / Das Schwere Akute Respiratorische Syndrom (SARS) wird durch eine Infektion mit dem SARS Virus ausgelöst, dessen weltweite Verbreitung 2003 zu über 700 Todesfällen führte. Die SARS Coronavirus Hauptprotease stellt ein mögliches Wirkstoffziel zur Behandlung dar und hat Modellcharakter für andere Coronaviren. Trotz intensiver Forschung sind bis heute keine effektiven Wirkstoffe gegen SARS verfügbar. Die vorliegende Arbeit gibt Einblicke in die mechanistischen Aspekte der Enzymkatalyse und Inhibierung der SARS Coronavirus Hauptprotease. Hierzu werden moderne computerchemische Methoden angewandt, die mittels atomistischer Modelle experimentelle Ergebnisse qualitativ reproduzieren und interpretieren können. Im Zuge der durchgeführten theoretischen Arbeiten wird zunächst eine Fehlereinschätzung der Methoden durchgeführt und diese nachfolgend auf Fragestellungen zur aktiven Tasche, dem Inhibierungsmechanismus und der Ligandenbindung angewandt. Die Einschätzung der quantenchemischen Methoden zeigt, dass deren Genauigkeit teilweise von der Umgebungsbeschreibung abhängt, welche als Gasphasen, Kontinuum, oder QM/MM Modell dargestellt werden kann. Letzteres gilt als Methode der Wahl für die atomistische Modellierung biochemischer Reaktionen. Die Vergleiche zeigen für semi-empirische Methoden gravierende Probleme bei der Beschreibung von Proton-Transfer Reaktionen auf. Diese wurden für die katalytische Cys/His Dyade betrachtet, um Einblicke in Substratspaltung und Inhibierung zu erhalten. Dem Wechsel zwischen neutralem und zwitterionischem Zustand konnte hierbei eine zentrale Bedeutung für beide Prozesse zugeordnet werden. Es zeigt sich, dass dieser „electrostatic trigger“ von der Substratbindung, nicht aber von der Inhibitorbindung beeinflusst wird. Folglich beschleunigt ausschließlich die Substratbindung die Zwitterionbildung, was im Zusammenhang mit der Abschirmung der aktiven Tasche durch den Liganden steht. Dies gibt Ansatzpunkte für die Verbesserung von Inhibitoren. Aus in silico screenings werden genauere Einblicke in die reversible und irreversible Inhibierung durch Michael-Akzeptor Verbindungen gewonnen. Es wird gezeigt, dass unterschiedlichen Substitutionsmustern unterschiedliche Reaktionsmechanismen in der konjugierten Additionsreaktion zugrunde liegen. Die vorangehende Bildung eines Cys-/His+ Zwitterions ist allerdings für alle Inhibierungsmechanismen eine notwendige Voraussetzung. Letztendlich wurde die nicht-kovalente Bindung eines Inhibitors am Beispiel des TS174-SARS Coronavirus Hauptprotease Komplexes untersucht. Im Zusammenspiel von Theorie und Experiment wurde ein Prozess, bestehend aus Molekulardynamik Simulation, Tabu Search und Röntgenstruktur Verfeinerung ausgearbeitet, der eine Interpretation der Bindungssituation von TS174 ermöglicht. Im Ergebnis zeigt sich, dass der Inhibitor gleichzeitig in mehreren Orientierungen, als auch in beiden stereoisomeren Formen im Komplex vorliegt.

Dockingbasierte Ansätze zählen zu den wichtigsten Komponenten im virtuellen Screening. Sie dienen der Vorhersage der Ligandposition und -konformation in der Bindetasche sowie der Abschätzung der Bindungsaffinität zum Protein. Bis heute stellt die korrekte Identifizierung proteingebundener Ligandkonformationen ein noch nicht vollständig gelöstes Problem für Scoringfunktionen dar. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit ist daher der Entwicklung computergestützter Methoden zur Bewertung von Docking-Lösungen gewidmet. Der Fokus eines ersten Teilprojektes lag auf der Berücksichtigung der Absättigung vergrabener Wasserstoffbrückenakzeptoren (HBA) und -donoren (HBD) bei der Bewertung von Docking-Lösungen. Nicht-abgesättigte vergrabene HBA und HBD stellen einen der Bindungsaffinität abträglichen Beitrag dar, der bis dato aufgrund fehlender Struktur- bzw. Affinitätsdaten in Scoringfunktionen vernachlässigt wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde auf der Basis einer detaillierten Untersuchung zur Häufigkeit vergrabener nicht-abgesättigter HBA und HBD in hochaufgelösten Protein-Ligand-Komplexen des Hartshorn-Datensatzes eine empirische Filterfunktion („vnaHB“-Filterfunktion) entwickelt, die unerwünschte Ligandbindeposen erkennt und von der Bewertung mittels Scoringfunktionen ausschließt. Der praktische Nutzen der empirischen Filterfunktion wurde für die Scoringfunktionen SFCscore und DSX anhand vorgenerierter Docking-Lösungen des Cheng-Datensatzes untersucht. Die Häufigkeitsuntersuchung zeigt, dass eine Absättigung vergrabener polarer Gruppen in Protein-Ligand-Komplexen für eine hochaffine Protein-Ligand-Bindung notwendig ist, da vergrabene nicht-abgesättigte HBA und HBD nur selten auftreten. Eine vollständige Absättigung durch entsprechende Proteinpartner wird für ca. 48 % der untersuchten Komplexe beobachtet, ca. 92 % weisen weniger als drei hauptsächlich schwache, nicht-abgesättigte HBA bzw. HBD (z. B. Etherfunktionen) auf. Unter Einbeziehung von Wassermolekülen in die Häufigkeitsanalyse sind sogar für ca. 61 % aller Komplexe alle wasserstoffbrückenbindenden Gruppen abgesättigt. Im Gegensatz zu DSX werden für SFCscore nach Anwendung der empirischen Filterfunktion erhöhte Erfolgsraten für das Auffinden einer kristallnahen Pose (≤ 2.0 Å Abweichung) unter den am besten bewerteten Docking-Posen erzielt. Für die beste SFCscore-Funktion (SFCscore::229m) werden Steigerungen dieses als „Docking Power“ bezeichneten Kriteriums für die Top-3-Posen (Erfolgsrate für die Identifizierung einer kristallnahen 2.0 Å Pose unter den besten drei Docking-Lösungen) von 63.1 % auf 64.2 % beobachtet. In einem weiteren Teilprojekt wurden repulsive Protein-Ligand-Kontakte infolge sterischer Überlappungen der Bindungspartner bei der Bewertung von Docking-Lösungen berücksichtigt. Die adäquate Einbeziehung solcher repulsiver Kontakte im Scoring ist für die Identifizierung proteingebundener Ligandkonformationen entscheidend, jedoch aufgrund fehlender Affinitäts- bzw. Strukturdaten problematisch. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde auf der Basis des Lennard-Jones-Potentiales des AMBER-Kraftfeldes zunächst ein neuer Deskriptor zur Beschreibung repulsiver Kontakte („Clash“-Deskriptor) entwickelt und zur Untersuchung der Häufigkeit ungünstiger Protein-Ligand-Kontakte in hochaufgelösten Protein-Ligand-Komplexen des Hartshorn-Datensatzes herangezogen. Eine aus der Häufigkeitsverteilung abgeleitete empirische Filterfunktion („Clash“-Filterfunktion) wurde anschließend der Bewertung von Docking-Lösungen des Cheng-Datensatzes mittels der Scoringfunktionen SFCscore und DSX vorgeschaltet, um unerwünschte Ligandbindeposen auszuschließen. Die Häufigkeitsuntersuchung zeigt, dass vorwiegend schwache repulsive Kontakte in Protein-Ligand-Komplexen auftreten. So werden in 75 % der Komplexe des Hartshorn-Datensatzes abstoßende Potentiale unter 0.462 kcal/mol beobachtet. Zwar betragen die ungünstigen Beiträge pro Komplex für 50 % aller Strukturen ca. 0.8 kcal/mol bis 2.5 kcal/mol, jedoch können diese auf Ungenauigkeiten der Kristallstrukturen zurückzuführen sein bzw. durch günstige Protein-Ligand-Wechselwirkungen kompensiert werden. Die Anwendung der „Clash“-Filterfunktion zeigt signifikante Verbesserungen der Docking Power für SFCscore. Für die beste SFCscore-Funktion (SFCscore::frag) werden Steigerungen der Erfolgsraten für das Auffinden einer kristallnahen Pose unter den drei am besten bewerteten Docking-Lösungen von 61.4 % auf 86.9 % erzielt, was an die Docking Power der bis dato besten Scoringfunktionen aus der Literatur (z. B. DSX, GlideScore::SP) heranreicht (Docking Power (DSX): 92.6 %; Docking Power (GlideScore::SP): 86.9 %). Die „Clash“-Filterfunktion allein ist auch der Kombination der „Clash“- und der „vnaHB“-Filterfunktion überlegen. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit wurde auf die Einbeziehung von Decoy-Daten (Struktur- und Affinitätsdaten schwach affiner und inaktiver Liganden) im Zuge der Entwicklung computergestützter Methoden zur Bewertung von Docking-Lösungen gelegt. Dadurch soll eine adäquate Berücksichtigung ungünstiger Beiträge zur Bindungsaffinität ermöglicht werden, die für die Richtigkeit und Zuverlässigkeit ermittelter Vorhersagen essentiell ist. In der vorliegenden Arbeit wurden binäre Klassifizierungsmodelle zur Bewertung von Docking-Lösungen entwickelt, die die Einbeziehung von Decoy-Daten ohne die Verfügbarkeit von Affinitätsdaten erlauben. Der Random-Forest-Algorithmus (RF), SFCscore-Deskriptoren, der neu entwickelte „Clash“-Deskriptor, und die Decoy-Datensätze von Cheng und Huang (Trainingsdaten) bilden die Grundlage des leistungsfähigsten Klassifizierungsmodells. Der praktische Nutzen des „besten“ RF-Modells wurde nach Kombination mit der Scoringfunktion DSX anhand der Docking Power für das Auffinden einer kristallnahen Pose auf Rang 1 am unabhängigen Cheng-/Huang- (Komplexe, die nicht in den Trainingsdaten enthalten sind) und CSAR-2012-Testdatensatz untersucht. Gegenüber einer alleinigen Anwendung von DSX werden an beiden Testdatensätzen weitere Verbesserungen der Docking Power erzielt (Cheng-/Huang-Testdatensatz: DSX 84.24 %, RF 87.27 %; CSAR-2012-Testdatensatz: DSX 87.93 %, RF 91.38 %). Das „beste“ Modell zeichnet sich durch die zuverlässige Vorhersage richtig-positiver Docking-Lösungen für einige wenige Komplexe aus, für die DSX keine kristallnahe Ligandkonformation identifizieren kann. Ein visueller Vergleich der jeweils am besten bewerteten RF- und DSX-Pose für diese Komplexe zeigt Vorteile des RF-Modells hinsichtlich der Erkennung für die Protein-Ligand-Bindung essentieller Wechselwirkungen. Die Untersuchung der Bedeutung einzelner SFCscore-Deskriptoren für die Klassifizierung von Docking-Lösungen sowie die Analyse der Misserfolge nach Anwendung des Modells geben wertvolle Hinweise zur weiteren Optimierung der bestehenden Methode. Hinsichtlich der zu bewertenden Eigenschaften ausgeglichenere Trainingsdaten, Weiterentwicklungen bestehender SFCscore-Deskriptoren sowie die Implementierung neuer Deskriptoren zur Beschreibung bis dato nicht-berücksichtigter Beiträge zur Bindungsaffinität stellen Ansatzpunkte zur Verbesserung dar. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit umfasst die Anwendung dockingbasierter Methoden im Rahmen der Entwicklung neuer Inhibitoren des „Macrophage Infectivity Potentiator“-(MIP)-Proteins von Legionella pneumophila und Burkholderia pseudomallei. Das MIP-Protein von Legionella pneumophila stellt einen wichtigen Virulenzfaktor und daher ein attraktives Zielprotein für die Therapie der Legionellose dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgten systematische Optimierungen des Pipecolinsäure-Sulfonamides 1, des bis dato besten niedermolekularen MIP-Inhibitors (IC50 (1): 9 ± 0.7 µM). Nach Hot-Spot-Analysen der Bindetasche wurden Docking-Studien zur Auswahl aussichtsreicher Kandidaten für die Synthese und Testung auf MIP-Inhibition durchgeführt. Die Ergebnisse der Hot-Spot-Analysen zeigen günstige Wechselwirkungsbereiche für Donorgruppen und hydrophobe Substituenten in meta-Position sowie Akzeptorgruppen in para-Position des Benzylringes von 1 auf. Die Einführung einer Nitrofunktion in para-Position des Benzylringes von 1 (2h) resultiert in einer erhöhten MIP-Inhibition (IC50 (2h): 5 ± 1.5 µM), was wahrscheinlich auf die Ausbildung einer zusätzlichen Wasserstoffbrücke zu Gly116 zurückzuführen ist. Selektivitätsverbesserungen gegenüber dem strukturverwandten humanen FKBP12-Protein werden insbesondere für das para-Aminoderivat von 1 (2n) erzielt (Selektivitätsindex (1): 45, Selektivitätsindex (2n): 4.2; mit Selektivitätsindex = IC50 (MIP)/IC50 (FKBP12)). Der Ersatz des hydrophoben Trimethoxyphenylrestes von 1 durch einen Pyridinring (2s) führt zu einer verbesserten Löslichkeit bei vergleichbarer MIP-Inhibition. Das MIP-Protein von Burkholderia pseudomallei spielt eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Melioidose und stellt daher ein attraktives Zielprotein für die Entwicklung neuer Arzneistoffe dar. In der vorliegenden Arbeit erfolgten Optimierungen des bis dato besten niedermolekularen MIP-Inhibitors 1. Ausgehend von einem Strukturvergleich von Burkholderia pseudomallei MIP mit Legionella pneumophila MIP und einer Hot-Spot-Analyse der Burkholderia pseudomallei MIP-Bindetasche wurden Docking-Studien zur Auswahl aussichtsreicher Kandidaten für die Synthese und Testung auf MIP-Inhibition durchgeführt. Der Strukturvergleich zeigt eine hohe Homologie beider Bindetaschen. Größere konformelle Änderungen werden lediglich für den von Ala94, Gly95, Val97 und Ile98 geformten Bindetaschenbereich beobachtet, was unterschiedliche Optimierungsstrategien für 1 erforderlich macht. Günstige Wechselwirkungsbereiche der Burkholderia pseudomallei MIP-Bindetasche finden sich einerseits für Donorgruppen oder hydrophobe Substituenten in para-Position des Benzylringes (Region A) von 1, andererseits für Akzeptor- bzw. Donorgruppen in para- bzw. meta-/para-Position des Trimethoxyphenylringes (Region B). Anhand von Docking-Studien konnten sowohl für Variationen in Region A als auch in Region B aussichtsreiche Kandidaten identifiziert werden. Initiale MIP-Inhibitionsmessungen der bis dato synthetisierten Derivate deuten auf erhöhte Hemmungen im Vergleich zu 1 hin. Der Ersatz des hydrophoben Trimethoxyphenylrestes von 1 durch einen Pyridinring führt auch hier zu vergleichbarer MIP-Inhibition bei verbesserter Löslichkeit. Derzeit sind weitere Synthesen und Testungen aussichtsreicher Liganden durch die Kooperationspartner geplant. Die Ergebnisse der Inhibitionsmessungen sollen deren Nutzen als MIP-Inhibitoren aufzeigen und wertvolle Informationen für weitere Zyklen des strukturbasierten Wirkstoffdesigns liefern. / Docking-based approaches belong to important virtual screening components and aim at predicting both the ligand position and conformation within the protein binding site as well as the binding affinity. To date scoring functions are still not fully reliable in correctly identifying near-native ligand conformations generated by docking. Thus, the first part of the current work is dedicated to the development of computer-aided methods for the evaluation of docking poses. A first project focused on considering the saturation of hydrogen bond acceptors (HBA) and donors (HBD) for the evaluation of docking poses. Since structural and affinity data are missing, current scoring functions neglect unpaired buried HBA and HBD, which strongly disfavour high-affinity binding. Based on a detailed frequency analysis of unpaired buried HBA and HBD within high-quality protein-ligand complexes of the Hartshorn dataset, an empirical filter function (“vnaHB” filter function) was developed to remove unfavourable ligand binding poses prior to the ranking with scoring functions. The practical benefit of the filter function was investigated for the scoring functions SFCscore and DSX using pre-generated docking poses of the Cheng dataset. As shown in the frequency analysis, the saturation of buried polar groups is of utmost importance for high-affinity binding, as unpaired buried HBA and HBD are extremely rare. A complete saturation by proper protein counterparts is observed for about 48 % of all complexes under study, whereas approximately 92 % have less than three, mostly weak unpaired buried HBA or HBD (e.g. ether functions). Including also the saturation by water molecules reveals that actually for about 61 % of all complexes every hydrogen bonding group is saturated. Unlike DSX, the application of the filter function with SFCscore results in higher success rates for identifying a near-native 2.0 Å pose under the top scored poses, a criterion termed “Docking Power”. For the best SFCscore function (SFCscore::229m) the Docking Power with respect to the top three poses increases from 63.1 % to 64.2 %. A further project focused on considering repulsive intermolecular contacts due to sterical overlap of the protein-ligand binding partners for the evaluation of docking poses. Although an inclusion of such repulsive contacts in scoring is of utmost importance for the identification of protein-bound ligand conformations, it remains challenging because of missing structural and affinity data. Based on the Lennard-Jones potential of the AMBER force field a new descriptor accounting for repulsive protein-ligand contacts (“clash” descriptor) was developed and used for analysing the frequency of unfavourable protein-ligand contacts among high-quality structures of the Hartshorn dataset. An empirical filter function (“clash” filter function) derived from the frequency distribution was applied to pre-generated docking poses of the Cheng dataset to remove unfavourable ligand binding poses prior to the ranking with SFCscore and DSX. As shown in the frequency analysis, mostly weakly repulsive contacts occur within protein-ligand complexes. For 75 % of the complexes of the Hartshorn dataset repulsive potentials of less than 0.462 kcal/mol are observed. Indeed, unfavourable contributions add up to not more than 0.8 kcal/mol to 2.5 kcal/mol per complex for 50 % of all structures; values in this range may be attributed to inaccuracies of crystal structures or could be counterbalanced by favourable protein-ligand interactions. The application of the “clash” filter function shows significant improvements of the Docking Power of SFCscore. For the best SFCscore function (SFCscore::frag) the success rates for identifying a near-native 2.0 Å pose under the three top scored poses increases from 61.4 % to 86.9 %, which is comparable to the Docking Power of the best scoring functions (e.g. DSX, GlideScore::SP) currently available in literature (Docking Power (DSX): 92.6 %; Docking Power (GlideScore::SP): 86.9 %). The “clash” filter function alone is also superior to the combination of the “clash” and the “vnaHB” filter function. Another focus of the work was the inclusion of decoy data (structure and affinity data of weakly active and inactive ligands) in scoring function development. Thus, unfavourable contributions to the binding affinity should be adequately considered, which appears essential for improving accuracy and reliability of the predictions. Within the scope of this work a binary classification model was developed for the evaluation of docking poses, allowing the inclusion of decoy poses without affinity data. The random forest algorithm (RF), SFCscore descriptors, the new “clash” descriptor, and the decoy datasets of Cheng and Huang (training data) provide the basis of the best-performing model. The practical benefit of the “best” RF model was investigated after combination with the scoring function DSX based on the Docking Power for identifying a near-native pose on rank 1 using the independent Cheng/Huang (only complexes not used for training) and the CSAR-2012 dataset. With respect to the standalone application of DSX, improvements of the Docking Power regarding both test sets are achieved (Cheng/Huang test set: DSX 84.24 %, RF 87.27 %; CSAR-2012 test set: DSX 87.93 %, RF 91.38 %). A key feature of the “best” model are reliable predictions of true positive docking poses for those complexes for which DSX fails to identify a near-native ligand conformation. A visual comparison of the best RF and DSX pose highlights advantages of the RF model regarding the recognition of interactions crucial for protein-ligand binding. The importance analysis of SFCscore descriptors for the classification of docking poses as well as the investigation of failures after model application provide useful hints for further improvements. Thus, more property-balanced training data, the further development of established SFCscore descriptors, and the implementation of new descriptors accounting for neglected contributions to the binding affinity constitute possible starting points for future improvements. The second part of this work is dedicated to the application of docking-based methods for the development of new inhibitors of the "`Macrophage Infectivity Potentiator"'-(MIP) proteins of Legionella pneumophila and Burkholderia pseudomallei. The MIP protein of Legionella pneumophila constitutes an important virulence factor and thus an attractive target for the treatment of legionellosis. Within the scope of this work the pipecolic acid sulfonamide 1, one of the best small-molecule MIP inhibitors to date (IC50 (1): 9 ± 0.7 µM), was systematically optimised. After hot spot analysis of the binding pocket, docking studies were conducted to select promising candidates for synthesis and testing MIP inhibition. The results of the hot spot analysis show favourable interaction fields for donor groups and hydrophobic substituents in meta position as well as acceptor groups in para position of the benzyl ring of 1. Introducing a nitro function in para position of the benzyl ring of 1 (2h) results in an increased MIP inhibition (IC50 (2h): 5 ± 1.5 µM), which is likely due to the formation of an additional hydrogen bond to Gly116. An improvement in the selectivity compared to the structurally related human FKBP12 protein is achieved particularly with the para amino derivative of 1 (2n) (selectivity index (1): 45, selectivity index (2n): 4.2, where the selectivity index = IC50 (MIP)/IC50 (FKBP12)). Replacing the hydrophobic trimethoxyphenyl residue of 1 with a pyridine ring (2s) leads to improved solubility and comparable MIP inhibition. The MIP protein of Burkholderia pseudomallei plays an important role in the pathogenesis of melioidosis and thus constitutes an attractive target for the development of new drugs against this disease. Within the scope of this work the currently best small-molecule MIP inhibitor 1 was optimised. Starting with a structural comparison of Burkholderia pseudomallei MIP and Legionella pneumophila MIP, as well as a hot spot analysis of the Burkholderia pseudomallei MIP binding pocket, docking studies were conducted to select promising candidates for synthesis and testing for MIP inhibition. The structural comparison reveals a high homology of the two binding pockets. Major conformational changes are observed for the binding pocket region formed by Ala94, Gly95, Val97 and Ile98, which necessitates different optimisation strategies for 1. Favourable interaction fields for the Burkholderia pseudomallei MIP binding pocket are found for donor groups or hydrophobic substituents in para position of the benzyl ring (region A) of 1 as well as for acceptor or donor groups in para or meta/para position of the trimethoxyphenyl ring (region B). On the basis of the docking studies promising candidates could be identified for variations in both regions. Initial MIP inhibition measurements of synthesised derivatives indicate increased inhibition compared to 1. Replacing the hydrophobic trimethoxyphenyl residue of 1 with a pyridine ring (yielding a more soluble derivative) leads again to comparable MIP inhibition. Further syntheses and tests of promising ligands are currently being planned by the collaboration partners. The results of the inhibition measurements should demonstrate their suitability as MIP inhibitors and provide useful information for future structure-based drug design cycles.

Hydrogen storage has been identified as a primary bottleneck in the large-scale implementation of a hydrogen-based economy. Many research efforts are underway to both improve the capacity of existing hydrogen storage systems and develop new systems. One promising area of research is hydrogen physi-sorbed into carbonbased structures such as nanotubes and graphene. Two novel systems consisting of a phthalocyanine salt with a large cation were studied. Ab initio, density functional theory, and molecular dynamics simulations of tetramethylammonium lithium phthalocyanine (TMA-LiPc) and trimethyl-(2-trimethylazaniumylethyl) azanium phthalocyanine (TMA2-Pc) were undertaken to estimate the H2 gas-solid adsorption uptake (wt/wt) as a function of pressure and temperature. For TMA-LiPc, the maximum H2 binding energy was approximately 0.9 kcal/mol for an isolated system and 1.2 kcal/mol for a crystal. H2 adsorption at the optimal inter-layer distance of 8.49 Å ranged from 2.1% to 6.0% (wt/wt) at 300 K, 2.5% to 6.5% at 273K, 3.3% to 7.2% at 236K, 5.2% to 8.6% at 177K, and 10.4% to 11.7% at 77K. At ILD 10 Å H2 adsorption was about 1.5% (wt/wt) higher at all points. For TMA2-Pc, the maximum H2 binding energy was approximately 1.3 kcal/mol for an isolated system and 1.2 kcal/mol for a crystal. H2 adsorption at the optimal inter-layer distance of 8.12 Å ranged from 0.5% to 2.6% (wt/wt) at 300 K, 0.6% to 2.8% at 273K, 0.8% to 3.2% at 236K, 1.4% to 3.9% at 177K, and 4.5% to 6.0% at 77K. At ILD 10 Å H2 adsorption ranged from about 0.1% (wt/wt) at 40 bar to 0.5% higher at 250 bar. The behavior of H2 adsorption for both TMA-LiPc and TMA2-Pc were compared. The adsorbed H2 probability density was compared to pair correlation function data and surfaces of constant binding energy. Regions of relatively high H2 density appear to correlate well with the binding energy, but the total adsorption does not, indicating that the adsorption is driven by factors other than binding energetics. Lithium ion transport in TMA2-Pc was also investigated for suitability as an electrolyte medium for use in lithium ion battery systems.

Reactive chemicals are presented widely in the chemical and petrochemical process industry. Their chemical reactivity hazards have posed a significant challenge to the industries of manufacturing, storage and transportation. The accidents due to reactive chemicals have caused tremendous loss of properties and lives, and damages to the environment. In this research, three classes of reactive chemicals (unsaturated hydrocarbons, self-reacting chemicals, energetic materials) were evaluated through theoretical and experimental methods. Methylcyclopentadiene (MCP) and Hydroxylamine (HA) are selected as representatives of unsaturated hydrocarbons and self-reacting chemicals, respectively. Chemical reactivity of MCP, including isomerization, dimerization, and oxidation, is investigated by computational chemistry methods and empirical thermodynamic–energy correlation. Density functional and ab initio methods are used to search the initial thermal decomposition steps of HA, including unimolecular and bimolecular pathways. In addition, solvent effects are also examined using water cluster methods and Polarizable Continuum Models (PCM) for aqueous solution of HA. The thermal stability of a basic energetic material, Nitroethane, is investigated through both theoretical and experimental methods. Density functional methods are employed to explore the initial decomposition pathways, followed by developing detailed reaction networks. Experiments with a batch reactor and in situ GC are designed to analyze the distribution of reaction products and verify reaction mechanisms. Overall kinetic model is also built from calorimetric experiments using an Automated Pressure Tracking Adiabatic Calorimeter (APTAC). Finally, a general evaluation approach is developed for a wide range of reactive chemicals. An index of thermal risk is proposed as a preliminary risk assessment to screen reactive chemicals. Correlations are also developed between reactivity parameters, such as onset temperature, activation energy, and adiabatic time to maximum rate based on a limited number, 37 sets, of Differential Scanning Calorimeter (DSC) data. The research shows broad applications in developing reaction mechanisms at the molecular level. The methodology of reaction modeling in combination with molecular modeling can also be used to study other reactive chemical systems.

The chemical bonds that hold molecules together are composed of electrons, and in order to study these microscopic systems, electronic structure calculations are often employed. This thesis describes the results from several studies that use computational techniques to investigate a variety of bonding interactions. The systems presented range from small water clusters to large DNA quadruplexes. High-level computational techniques, such as ab initio and density functional theory methods, were applied as well as the quantum theory of atoms in molecules (AIM). AIM uses the gradient to analyze the electron density, partitioning the molecule into atomic fragments. Once the system is partitioned, individual atomic contributions to molecular properties can be determined. Furthermore, bonding interactions can be identified by the presence of a specific type of critical point within the topology. These two facets of AIM are exploited throughout this thesis. The first project presented is a theoretical investigation of the exact electronic structure of hydrated electrons. Whether the excess electron resides within a central cavity or is smeared out over the surface of the cluster remains a contentious issue. In an attempt to investigate this dilemma from a novel viewpoint, AIM was used to analyze the electron density of small anionic water clusters up to ten water molecules. The results suggest that the preferred site of binding is dictated by the relative orientation of the non-hydrogen-bonded hydrogen atoms. At the other end of the spectrum, the largest systems investigated were several guanine quadruplexes that can form in telomeric regions of DNA. In light of the attention these structures have received as potential therapeutic agents, a clear understanding of their formation is mandatory. The study presented here is a detailed investigation of the electronic energy changes associated with the folding of the quadruplex from the single-stranded telomere. After devising a novel method to display the atomic energy data, several interesting trends in the energy changes were identified. Ultimately, the data presented could help to guide future drug development endeavours, highlighting one of the many practical applications of computational methods.