Hydrides (deuterides) of the CrB-type Zintl phases AeTt (Ae = alkaline earth; Tt = tetrel) show interesting bonding properties with novel polyanions. In SrGeD4/3–x (γ phase), three zigzag chains of Ge atoms are condensed and terminated by covalently bound D atoms. A combination of in situ techniques (thermal analysis and synchrotron and neutron powder diffraction) revealed the existence of two further hydride (deuteride) phases with lower H (D) content (called α and β phases). Both are structurally related to the parent Zintl phase SrGe and to the ZrNiH structure type containing variable amounts of H (D) in Sr4 tetrahedra. For α-SrGeDy, the highest D content y = 0.29 was found at 575(2) K under 5.0(1) MPa of D2 pressure, and β-SrGeDy shows a homogeneity range of 0.47 < y < 0.63. Upon decomposition of SrGeD4/3–x (γ-SrGeDy), tetrahedral Sr4 voids stay filled, while the Ge-bound D4 site loses D. When reaching the lower D content limit, SrGeD4/3–x (γ phase) with 0.10 < x < 0.17, decomposes to the β phase. All three hydrides (deuterides) of SrGe show variable H (D) content.

folgt

The synthesis and surface modification of upconverting nanoparticles (UCNPs) composed of a host lattice NaYF4 doped with sensitizers (Yb3+, Nd3+) and luminescent emitters (Er3+) were investigated for potential integration in biological applications.The fascination of NaYF4: Nd3+, Yb3+, Er3+ upconverting nanoparticles derives from their capacity to be excited in the biologically transparent window (650-950 nm) enabling deep tissue penetration. In particular, the ability to convert near infrared radiation into visible light (upconversion), which prevents autofluorescence and over-heating effect of biological tissues.In biological applications especially in vivo, morphology and size of the nanoparticles plays a crucial role in determination of cellular responses and fate in living organism. Heterogeneously sized nanoparticles, in contrast to uniform ones, might be distributed unevenly in the organism causing undesirable toxic side effects. Therefore, precise control of the nanoparticle size, distribution, and reproducibility were main tasks in the first part of this work. Colloidal upconverting nanoparticles were synthesized using coprecipitation method. Synthetic parameters such as reaction temperature (280-320 °C), and time (5-30 min) were used to tailor the nanoparticle morphology, crystal phase (cubic or hexagonal) and particle size (sub-10 - 20 nm). Integration of these nanoparticles in biological applications requires dispersibility in aqueous media. Hence hydrophobic UCNPs were surface-modified with low molecular weight ligands including O-phospho-L-threonine, alendronic acid, and PEG-phosphate ligands to generate water-dispersible UCNPs. Furthermore, in this work, photocrosslinking of diacetylenes is presented as an effective way to create robust UCNPs with a crosslinked shell. Finally, the protein corona formation on UCNPs coated with charged, zwitterionic and nearly neutral ligands was investigated. The composition of protein binding to UCNP is notably influenced by the surface charges of the UCNPs. Overall, the results obtained in the frame of this work show that the NaYF4: Nd3+, Yb3+, Er3+ UCNPS have the potential to replace conventional fluorophores in bioimaging applications due to their remarkable optical properties, as well as the derivatization flexibility of their surface

With their three-dimensional macromolecular structure and shape, and with their tuneable properties in both the inner and outer spheres, dendrimers are ideal model compounds in the nanometre range between 1 and 10 nm. The possibility to combine different properties within one macromolecule destines them for use in various high-end research fields such as medicine, pharmacy, biology, supramolecular chemistry, nanotechnology and material sciences. On the basis of their high end-group density and a compact, highly branched molecular structure, dendrimers are successfully investigated as carrier systems for active substances and metal ions (e.g. contrast agents for the visualisation of blood vessels), as templates for metal nanoparticles, as artificial enzymes with defined functions, and as materials for catalysis. / Dendrimere sind aufgrund ihrer dreidimensionalen Makromolekülstruktur und -form und ihrer steuerbaren Eigenschaften sowohl an der Oberfläche als auch im Molekülinneren ideale Modellverbindungen im Nanometerbereich – sie sind zwischen 1 und 10 nm groß –, die vorzugsweise in der Medizin, Pharmazie, Biologie, Supramolekularen Chemie, Nanotechnologie und den Materialwissenschaften eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Endgruppendichte und der kompakten, stark verzweigten Molekülform werden Dendrimere unter anderem als Trägermaterialien und Transportsysteme für Wirkstoffe und Metallionen, zum Beispiel als Kontrastmittel zur Visualisierung von Organen und Blutgefäßen, als Template für metallische Nanopartikel, zur Erzeugung künstlicher Enzymfunktionen und in der Katalyse erfolgreich untersucht.

In this dissertation, diverse strategic designs of energy storage materials were explored. The main aims were: affordability and high-performances. I) on eco-efficient synthesis of 1D intercalation compounds was described; a low-temperature aqueous solution synthesis of nanostructured 1D (molybdenum trioxide) MoO3 was developed. Subsequent self-assembly of the fibers to form large-scale freestanding films in paper-like structure was achieved without any assistance of organic compounds. Indeed, the whole processes, from synthesis to assembly of obtained materials, do not require toxic organic solvents. As an example of the application of our synthesized materials, 1D MoO3, having the width in 50−100 nm, with the length in micro scale, and with thickness in ~10 nm, and the macroscopic oxide papers consisting of 1D MoO3 and carbon materials were applied as the cathode and anode to lithium-ion batteries, respectively. As a cathode material, the 1D MoO3 showed a high rate capability with a stable cycle performance up to 20 A/g due to a short Li+ diffusion path along [101] and less grain boundaries which were achieved by the precise nanostructure control. As an anode material, the composite paper showed the first specific discharge capacity of 800 mAh/g. These findings above indicate not only an affordable, eco-efficient synthesis and assembly of nanomaterials but also show a new attractive strategy towards a possible whole aqueous process for a large-scale fabrication of freestanding oxide papers without any toxic organic solvent. II) a new energy storage principle using polymeric frameworks was investigated. The new energy storage concept can deliver both high power and high energy. This is because of the novel energy storage nature of designed artificial polymeric frameworks which is different from classical energy storage mechanisms. The main novel discovery was as follows; since CTF-1 is linear stepwise p- and n-dopable polymer, therefore, this framework can store energy as a cathode in the wide working potential with both cation below 3 V versus Li/Li+ and anion above 3 V versus Li/Li+ by Faradaic reaction. Due to this feature, CTF-1 can store high specific capacity of 540 mAh/g. As the result the new energy storage concept which can deliver both high power and high energy was discovered by using a novel polymeric cathode. Unlike typical organic electrodes in sodium battery systems, the CTF-1 has a high specific power of 10 kW/kg, specific energy of 500 Wh/kg, and over 7,000 cycle life retaining 80 % of its initial capacity in half-cells. Indeed, all-organic energy storage devices based on CTF-1 suggested a possibility towards an extremely affordable energy storage device. Recent research on such artificial polymeric frameworks suggests their huge variability to utilize different functional structures which could even further increase power and energy even further when using different starting monomers. This would significantly extend the possibilities of electrical energy storage devices for a sustainable society based on our result. From this point of view, our research strategy which combined the experimental and theoretical study would be a model for further development of this field.

In summation, this thesis provides a panoramic view of the prevailing challenges and potential solutions associated with achieving unparalleled energy and power densities in GDIBs where graphite reigns supreme as the cathode material of choice. By comprehensively tackling these challenges and integrating the recommended strategies, there lies a promising path ahead for the evolution of advanced dual-ion batteries. Such advancements could redefine benchmarks in en-ergy storage, heralding an era of more efficient and versatile applications.

Siliciumhaltige Analoga bekannter Pharmaka sowie Derivate diverser Riechstoffe wurden dargestellt. Darüber hinaus wurden neue siliciumhaltige Synthesebausteine für weitere Wirkstoffsynthesen synthetisiert. / Silicon-containing analogs of well-known drugs and derivatives of several odorants were prepared. Furthermore, new silicon-containing building blocks for the syntheses of drugs and odorants have been synthesized.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von Liganden muscarinerger Rezeptoren, die zur Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren gehören. Die fünf Muscarinrezeptor-Subtypen weisen im Bereich der orthosteren Bindungsstelle, an die u. a. der endogene Ligand Acetylcholin bindet, einen hohen Konservierungsgrad der Aminosäuresequenz auf. Alle Muscarinrezeptoren weisen neben der orthosteren Bindungsstelle auch eine oder mehrere allostere Bindungsstellen auf. Da diese sich im weniger konservierten extrazellulären Bereich des Rezeptors befinden, ist es möglich subtypspezifische Liganden zu entwickeln. Allostere Modulatoren binden an diese topographisch andere Stelle des Rezeptors und sind in der Lage, gezielt die Bindung eines orthosteren Agonisten oder Antagonisten zu modulieren. Dies bedeutet, dass sie die Assoziation und die Dissoziation orthosterer Agonisten und Antagonisten beeinflussen können. Die Gleichgewichtsbindung des Orthosters kann erhöht (d. h. positive Kooperativität), erniedrigt (d. h. negative Kooperativität) bzw. nicht beeinflusst (d. h. neutrale Kooperativität) werden. Das Ziel der Arbeit bestand zunächst darin, die Synthese allosterer Modulatoren des M2-Rezeptors vom Bis(ammonium)alkan-Typ, wie W84 und Naphmethonium, zu optimieren. Da die Synthesen dieser bisquartären Verbindungen zeitaufwändig sind, wurden die Synthesen durch Einsatz einer Synthesemikrowelle optimiert, um neue Bis(ammonium)alkan-Verbindungen effizienter synthetisieren zu können. Der Vergleich beider Synthesemethoden (konventionell bzw. Mikrowellen-unterstützt) zeigt sehr deutlich, dass die Reaktionszeiten durch Einsatz einer Synthesemikrowelle drastisch verkürzt werden konnten, insbesondere bei Verbindungen, die sehr lange Reaktionszeiten beanspruchen. Zusätzlich konnten die Ausbeuten aller synthetisierten Verbindungen durch Mikrowellen-unterstützte Synthese z. T. deutlich gesteigert werden. Im Verlauf der Arbeit wurden unsymmetrisch und symmetrisch nitrosubstituierte Bisnaphthalimide hergestellt. Durch Mikrowellen-unterstützte Hydrierung unter Palladium/Kohle-Katalyse wurden anschließend die analogen aminosubstituierten Derivate erhalten. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, ein Naphmethonium-Derivat herzustellen, das über einen Spacer mit einem geeigneten Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden kann. Ein Farbstoff-markierter allosterer Modulator könnte als ein wichtiges pharmakologisches Werkzeug zur direkten Charakterisierung allosterer Interaktionen und zur Verfolgung des „Rezeptor-Traffickings“ mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie genutzt werden. Als Spacer diente eine Alkylkette mit endständiger primärer Aminofunktion, die mit Alexa-Fluor 532 gekoppelt werden sollte. Zur Einführung des Spacers wurden verschiedene Strategien verfolgt. Schließlich konnte Verbindung 3h über eine Chlorzwischenstufe hergestellt werden, über deren freie primäre Aminogruppe der Fluoreszenzfarbstoff in weiteren Arbeiten gekoppelt werden kann. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Syntheseoptimierung des hochpotenten unselektiven Agonisten Iperoxo, das eine für akademische Zwecke wichtige Substanz in der pharmakologischen Testung und ein wichtiges Zwischenprodukt in der Synthese bivalenter Agonist/Alloster-Hybridverbindungen ist. Die Ausbeuten aller Stufen konnten erhöht und die Gesamtausbeute signifikant von 13% auf 22% gesteigert werden. Außerdem wurden neue Agonisten hergestellt, die sich im Heterozyklus unterscheiden. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Synthese bivalenter Hybridverbindungen nach dem Nachrichten-Adressen-Modell von Schwyzer. Zum einen sollten Agonist/Alloster-Hybridverbindungen synthetisiert werden, wobei die in der Literatur beschriebene Hybridverbindung Hybrid 1 (W84 und Iperoxo) als Leitstruktur diente. So wurde im ersten Schritt eine auf der allosteren Seite verkürzte Substanz ohne Phthalimidopropyl-Rest hergestellt (Hexamethonium und Iperoxo). Danach wurden verschiedene Funktionalitäten an der lateralen quartären Ammoniumfunktion eingeführt. Daneben wurden erstmals Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen hergestellt, die aus einem M2-selektiven allosteren Modulator (W84, Naphmethonium bzw. Hexamethonium) und einem subtypunspezifischen Antagonisten (Atropin bzw. Scopolamin) bestehen. Im ersten Schritt wurde der allostere Molekülteil nach der optimierten Mikrowellen-unterstützten Synthese hergestellt. Die erhaltenen Zwischenstufen 2 wurden im Anschluss mit Atropin und Scopolamin in Acetonitril umgesetzt und die Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen 34 und 35 erhalten. Die pharmakologische Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte durch Radioligandbindungsstudien an Herzventrikelgewebe des Hausschweins. Der allostere Effekt der Testsubstanzen wurde indirekt über die Verzögerung der Dissoziation des radioaktiv markierten orthosteren Antagonisten [3H]N-Methylscopolamin. / The present work focussed on the synthesis and characterisation of ligands of muscarinic receptors belonging to the superfamily of G-protein-coupled receptors. The five known subtypes of muscarinic receptors (M1-M5) are located ubiquitary in the mammalian organism and participate in many physiological procedures. The endogenous ligand acetylcholine and classical antagonists bind to the orthosteric binding site, which is located deeply in the receptor channel and exhibit a highly conserved amino acid sequence. Allosteric modulators bind to a topographically different site than classical orthosteric ligands. The allosteric binding sites are located in the external loops of the receptor protein. Since these regions exhibit a less conserved structure it is possible to design allosteric modulators capable of binding selectively to specific subtypes and modulating the efficiency of the orthosteric ligand. An allosteric modulator has the ability to affect equilibrium binding of the orthosteric agonist or antagonist: equilibrium binding can either be increased (= positive cooperativity), decreased (= negative cooperativity) or left unaltered (= neutral cooperativity). One intention of this work was to optimize the synthetic pathway to bis(ammonio)alkane-type allosteric modulators of the M2-receptor, like W84 or naphmethonio. The syntheses to these bisquaternary compounds are time consuming. In order to obtain new potent bis(ammonio)alkane-compounds the syntheses were optimized by using a microwave oven. Comparing the conversion times of conventional and microwave-assisted heating revealed a substantially speed up in the synthetic pathway particularly for the reactions which took the longest under conventional reflux conditions. Additionally, the yields of all synthesized compounds could be increased by means of microwave-assisted synthesis. In this work symmetrical and non-symmetrical nitro-substituted bisnaphthalimides were synthesized and the analogue amino-substituted compounds were obtained by microwave-assisted hydrogenation afterwards. A further aim of this work was to synthesize a naphmethonio-derivative which is suitable for a connection to a fluorescent dye. A fluorescent naphmethonio-derivative may help to characterize allosteric interactions directly and trace receptor trafficking by means of fluorescence correlation spectroscopy. Firstly, a primary amino group should be connected via an alkyl-spacer to the allosteric modulator and secondly, this intermediate should be combined with the fluorescent dye alexa-fluor-532. Several strategies were prosecuted. Finally, the synthesis of compound 3h via a chloride-intermediate was successful. Another intention of this work was to optimize the synthetic pathway to the non-selective muscarinic agonist iperoxo, which is an important reference compound in the pharmacological testing and an intermediate in the synthetic pathway of bivalent agonist/allosteric modulator hybrid compounds. The yields in each reaction step were enhanced and the total yield was increased from 13 % to 22 %. Furthermore, other muscarinic agonists differing in the substitution pattern of the heterocycle were synthesized. A further aim of this work was to synthesize bivalent hybrid compounds combining an orthosteric and an allosteric ligand in one molecule. Following Schwyzer´s concept of hybrid compounds containing an “address” skeleton that binds selectively to a receptor subtype and a non-selective “message” moiety inducing agonism or antagonism, a group of hybrid hexamethonio-type derivatives has been designed as subtype selective agonists and antagonists. Hybrid 1 served as a lead for the agonist/allosteric modulator-hybrid compounds synthesized in this work. Firstly, the goal was to combine the agonist iperoxo with hexamethonio and secondly, to introduce a different substitution pattern at the lateral quaternary ammonio-group in the obtained iperoxo/hexamethonio-hybrid compound 27a. Another aim of this work was to synthesize antagonist/allosteric modulator hybrid compounds. Therefore, the classical antagonists atropine and scopolamine were connected with the allosteric agents W84, naphmethonio and hexamethonio via hexyl-spacer. The pharmacological testing of all compounds was accomplished by radioligand binding studies in homogenates of porcine heart ventricles. The resulting allosteric effect was determined by measuring the inhibition of the dissociation of the radioactive marked orthosteric antagonist [3H]N-methylscopolamine ([3H]NMS). In equilibrium binding studies information about the affinity of the allosteric modulators to the free receptor and about the cooperativity between the allosteric and the orthosteric ligand was obtained.

Within this thesis, the analysis and hence the better comprehension of the chemical bond within metal–element compounds is the central topic. By use of various DFT methods a selection of M–E interactions have been modeled and analyzed via Bader’s QTAIM, the ELF and NBO techniques. Special focus was set on a series of transition metal borylene and carbene complexes, and the Li–C bonds as representatives for main group organometallics. Therefore, this thesis is split into three parts:(I) An introduction reviewing the quantum chemical machinery as well as the analysis tools applied for the evaluation of chemical bonds. (II) Within the second part the chemical interactions taking place in transition metal complexes are studied focusing on borylenes and cognate carbenes. (III) In Part III, a broad overview of the appropriate modeling and nature of the Li–C bond as well as intermolecular interactions in methyllithium is provided. / Im Zentrum dieser Arbeit stand die Analyse von Metall–Element Wechselwirkungen, um ein tieferes Verständnis der chemischen Bindung zu erlangen. Unter Verwendung verschiedener DFT Methoden wurde eine Serie von M–E Bindungen modelliert und anschließend mittels Baders QTAIM, der ELF und dem NBO Ansatz analysiert. Im Fokus standen hierbei besonders Borylen und Carben Komplexe, sowie die Li–C Bindung stellvertretend für Organometallverbindungen der Hauptgruppen. Folglich gliederte sich die vorliegende Arbeit sich in drei Teile: (I) In einem einführenden Kapitel wurden die quantenchemischen Methoden sowie die verwendeten Techniken zur Bindungsanalyse vorgestellt. (II) Innerhalb des zweiten Teils wurden chemische Wechselwirkungen in Übergangsmetallkomplexen untersucht, im Besonderen in Borylen und gleichartigen Carben Verbindungen. (III) Teil III bot einen weitgefächerten Überblick über Modellierung und Natur der Li–C Bindung sowie der intermolekularen Wechselwirkungen in Methyllithium als Beispielverbindung.

In order to describe complex molecular systems theoretically, an efficient and reliable solution to the underlying quantum mechanical equations of motion is required. Density functional theory (DFT) represents in most cases the best compromise between accuracy and efficiency for the treatment of electronic interactions. In Kohn-Sham DFT, the non-classical contribution to electron-electron interactions is gathered in the exchange-correlation functional, which has to be approximated in practice. While a large number of exchange-correlation functionals are of semi-empirical nature, some have been derived from physical considerations exclusively. In so-called global hybrid functionals a constant amount of the integrated DFT exchange-energy density is replaced by the exact-exchange energy from Hartree-Fock theory. The most popular functional, B3LYP, contains 20 % exact exchange and several empirical parameters. It has been discovered that the optimal amount of exact exchange depends to a large extent on the molecular property to be computed. A possible solution to this problem is to use local hybrid functionals. Therein, the admixture of exact exchange is controlled by a position-dependent local mixing function (LMF), leading to molecule-specific amounts of exact exchange. In this work a semi-empirical approach is pursued for the development of new local hybrid functionals. Parameterized LMFs are introduced in the exchange-energy density integrals, for which the DFT contributions are taken from established approximations to the exchange-correlation functional. The LMFs developed here contain at least one empirical parameter and a variable that depends on the ratio of the von-Weizsäcker single-particle kinetic energy density to the correlated kinetic-energy density (the so-called t-LMFs), or on the reduced density gradient (referred to as s-LMF). Additional LMFs are obtained by inclusion of the spin polarization. All parameters are fitted to atomization energies and reaction barriers of well-established test sets. Visualization of the LMFs provides an additional tool for analyzing their physical and chemical behavior, potentially leading to further developments. As a general trend, an increasing exact-exchange admixture is observed upon bond stretching for all LMFs, with a more pronounced effect for t-LMFs. This observation correlates with a better performance for reaction barriers of t -LMF-based local hybrid functionals. Most of the local hybrid functionals discussed in this work are based on the exchange and correlation functional from the local spin density approximation (LSDA) and contain therefore no gradient correction such as in the generalized gradient approximation (GGA). The new functionals were initially implemented non-self-consistently into a development version of the quantum chemical Turbomole program package. That is, only the total energy is calculated for a given set of molecular orbitals or electron density, respectively. This is a reliable approximation that allows for significant time savings especially during parameter optimizations. In order to calculate orbital-dependent molecular properties, the local hybrid potential corresponding to the local hybrid energy is required as well. It is obtained as a functional derivative of the exchange-correlation energy with respect to the orbitals. Some of the resulting integrals contain the LMF-weighted non-local exact-exchange potential. These terms as well as the exact-exchange energy density itself cannot be calculated analytically. Following a well-established approach, they have been approximated using a basis set expansion of the exact-exchange potential. For simplicity, the underlying atomic basis set is employed in this resolution of the identity (RI) approximation. For comparison and in view of the optimization of auxiliary basis sets, the optional calculation of the potential by numerical integration has also been implemented in this work. The computational cost of local hybrid calculations for a given basis set, using the RI approximation is comparable to the one of gobal hybrid functionals: a slightly larger prefactor applies to a calculation with a local hybrid functional as compared to a meta-GGA global hybrid, while the scaling of computational effort as a function of system size is the same. Several molecular test sets including atomization energies, barrier heights, dissociation energies and equilibrium distances have been considered for the assessment. Some of them represent particular challenges for current density functional approximations. All of the discussed local hybrid functionals yield significantly better results for the 223 atomization energies of the G3 test set than the B3LYP functional. Especially local hybrid functionals with spin-polarized t -LMFs gives impressively small mean absolute errors for the G3 set. Most of our functionals are in addition significantly superior to B3LYP for the calculation of barrier heights. Some other global hybrid functionals perform even better than our functionals for barriers, but their intrinsic amount of exact exchange is inappropriately high for thermochemical property calculations. For the first time, LSDA-based local hybrid functional have thus been presented that gives accurate results for thermochemistry and reaction barriers simultaneously. The dissociation behavior of symmetric radical cations remains a challenge for the local hybrid functionals presented here. Dissociation energies are significantly overestimated, and the equilibrium distances are too short. The results are overall only slightly better than those obtained using the B3LYP functional. A larger amount of exact exchange is most likely needed for these systems to reduce self-interaction errors. Additionally, the performance of local hybrid functionals for 3d transition metal dimers and monohydrides has been studied. An accurate description of dynamical and nondynamical correlation is essential for the former. The poor performance of most exchange-correlation functionals for transition metal monohydrides can be attributed to self-interaction errors. Our local hybrid functionals perform similarly to B3LYP for the dimers and marginally better for the monohydrides. They do not provide any improvement for the atomic s-d transfer energies of 3d metals. The most suitable local hybrid functional for this particular property uses a s-LMF in the exchange functional and the LYP correlation functional. It yields, however, only average-quality results for thermochemistry and kinetics. Satisfactory results similar to B3LYP are obtained for the isotropic hyperfine coupling constants (HFCCs) of small main group compounds with a t-LMF-based local hybrid functional. The RI approximation to the local hybrid potential has been validated by comparing it to the numerically exact potential for the calculation of total energies, isotropic HFCCs and orbital energies. The error in total energies due to the RI approximation is comparatively small considering the rather large deviations from experimental values. Comparison of mean absolute errors from experimental values of the 26 isotropic HFCCs reveals only small differences between the RI and the numerically exact local hybrid potential. Further analysis shows that inaccuracies in the RI potential may have a larger impact on the isotropic HFCCs or the orbital energies of a particular molecule, especially if only small or medium-sized basis sets are employed. Several of the local hybrid functionals are suitable for the calculation of thermochemical and kinetic properties. Different functionals yield also results similar to other commonly used functionals for isotropic HFCCs of small main group compounds, as well as for the dissociation energies and equilibrium distances of 3d transition metal dimers and monohydrides. The local hybrid functionals studied in this work represent therefore an important step towards the development of universal approximations to the exchange-correlation functional. For a more accurate description of certain transition metal properties and the dissociation behavior of symmetric radical cations while maintaining a good performance for thermochemistry and kinetics, more complex LMFs will have to be considered. Ultimately a local hybrid functional with meta-GGA exchange and correlation energy densities that fulfills more exact constraints is desirable. Therefore further studies on the different gauges of the exchange energy densities are necessary. Another possibility would be the development of a specifically designed correlation functional to be combined with a local hybrid exchange functional based on the LSDA. More detailed studies on the quality of the RI approximation are recommended. Possible properties for this purpose include, e.g., ionization energies and electron affinities. Auxiliary basis sets should be implemented and optimized for the expansion of the exact-exchange potential in order to avoid additional deviations due to the RI-approximation or even fortuitously good results in the assessment of local hybrid functionals with normally contracted basis sets. Since density functional methods are applied extensively for structure optimizations, the gradient of the local hybrid energy with respect to the nuclear coordinates should be implemented to enable this feature in future versions of the code. / Für die Lösung der quantenmechanischen Bewegungsgleichungen, die komplexe, molekulare Systeme beschreiben, sind effiziente und verlässliche Näherungsverfahren erforderlich. Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) stellt für die Behandlung der Elektronenwechselwirkung in vielen Fällen den besten Kompromiss zwischen Effizienz und Genauigkeit dar. Im Rahmen der DFT wird die gesamte nicht-klassische Elektron-Elektron-Wechselwirkung im so genannten Austausch-Korrelationsfunktional angenähert. Viele solcher Näherungen sind semi-empirischer Natur, andere wurden ausschließlich von physikalischen Überlegungen abgeleitet. In globalen Hybridfunktionale wird ein konstanter Anteil der integrierten DFT-Austauschenergiedichte durch exakten Austausch aus der Hartree-Fock Näherung ersetzt. Das populärste Funktional B3LYP enthält 20 % exakten Austausch und mehrere empirische Parameter. Der optimale Prozentsatz hängt allerdings sehr stark von den zu berechnenden Systemen und molekularen Eigenschaften ab. Eine Lösung dieses Problems sollten lokale Hybridfunktionale liefern, in denen die Beimischung der exakten Austauschenergiedichte über eine lokale Mischfunktion (LMF) gesteuert wird und daher positions- und molekülabhängig ist. In dieser Arbeit wird ein semi-empirischer Ansatz für die Entwicklung neuer lokaler Hybridfunktionale verfolgt: während die Energiedichten unverändert aus etablierten Näherungen zum Austauschkorrelationsfunktional übernommen werden, stehen parametrisierte LMFs im Zentrum der Untersuchungen. Die verschiedenen LMFs beinhalten neben mindestens einem empirischen Parameter eine Variable die vom Quotienten der von-Weizsäcker kinetischen Energiedichte und der korrelierten kinetischen Energiedichte (sogenannte t-LMFs) bzw. dem reduzierten Dichtegradienten (bezeichnet als t-LMFs) abhängt. Weitere LMFs werden durch zusätzliche Berücksichtigung der Spinpolarisation erhalten. Alle Parameter werden an Atomisierungsenergien bzw. Reaktionsbarrieren bekannter molekularer Testsätze gefittet. Durch Visualisierung der LMFs können zusätzlich Einblicke in den physikalischen Hintergrund und in Möglichkeiten der Weiterentwicklung gewonnen werden. Es wurde beispielsweise beobachtet, dass entlang einer gedehnten Bindung höhere Werte der LMF und damit größere Beimischungen exakter Austauschenergie in Übergangszuständen einhergehen. Dieser Effekt ist für t-LMFs am ausgeprägtesten und korreliert mit besseren Ergebnissen für Reaktionsbarrieren mit lokalen Hybridfunktionalen, die auf einer t-LMF basieren. Bis auf wenige Ausnahmen leiten sich die lokalen Hybridfunktionale in dieser Arbeit aus dem Austausch- und Korrelationsfunktional der lokalen Dichtenäherung (LSDA) ab und enthalten keine Gradientenkorrektur im Sinne der GGA (generalized gradient approximation). Die neuen Funktionale wurden zunächst nicht-selbstkonsistent in eine Entwicklerversion des quantenchemischen Programmpaketes Turbomole implementiert. Das bedeutet, für gegebene Molekülorbitale bzw. eine gegeben Elektronendichte kann lediglich die Gesamtenergie berechnet werden. Dies ist eine anerkannte Näherung, die vor allem für die Optimierung der Parameter eine große Zeitersparnis darstellt. Um letztlich orbitalabhängige, molekulare Eigenschaften berechnen zu können wird neben der Gesamtenergie auch noch das zugehörige lokale Hybridpotential benötigt. Für die selbstkonsistente Implementierung wird die funktionale Ableitung der Austauschkorrelationsenergie nach den Orbitalen bestimmt. Daraus resultierend müssen neben den üblichen lokalen Austauschkorrelationspotentialtermen auch Integrale berechnet werden, die das mit der LMF gewichtete nicht-lokale exakte Austauschpotential enthalten. Die entsprechenden Terme kann man, genauso wie die exakte Austauschenergiedichte an sich, nicht analytisch berechnen. Früheren Ansätzen folgend wurden sie in der vorliegenden Arbeit in einer Basissatzentwicklung angenähert, wobei der Einfachheit halber die atomaren Basisfunktionen verwendet wurden. Um die Genauigkeit dieser sogenannten RI (resolution of the identity)-Näherung validieren zu können und auch schon im Hinblick auf die Anpassung einer Hilfsbasis, wurde darüber hinaus die numerische Berechnung aller Integrale, die das exakte Austauschpotential und die entsprechende Energiedichte enthalten, implementiert. Unter Verwendung der RI-Näherung ist der Rechenaufwand lokaler Hybride vergleichbar mit dem globaler Hybridfunktionale: Während die formale Skalierung in Abhängigkeit der Systemgröße gleich ist, ergab sich ein etwas höherer Vorfaktor für die lokalen Hybride. Verschiedene Literaturbekannte Testsätze mit Atomisierungsenergien, Reaktionsbarrieren, Dissoziationsenergien oder Gleichgewichtsabständen, die teilweise einige Schwächen bisheriger Dichtefunktionalnäherungen aufdecken, wurden berücksichtigt. Für die 223 Atomisierungsenergien des G3 Testsatzes stellen alle unsere Funktionale eine signifikante Verbesserung gegenüber B3LYP dar. Atomisierungsenergien sind insofern ein sensibler Test, da alle Bindungen gebrochen werden und Fehlerkompensation eine untergeordnete Rolle spielt. Vor allem lokale Hybridfunktionale, deren LMFs neben der kinetischen Energiedichte explizit von der Spinpolarisation abhängen, lieferten hervorragende Resultate. Obwohl im Vergleich zu Atomisierungsenergien für die korrekte Berechnung von Reaktionsbarrieren im Allgemeinen mehr exakter Austausch benötigt wird, sind unsere Funktionale auch für zwei Testsätze mit jeweils 38 Reaktionsbarrieren besser als B3LYP. Zwar kann mit einem globalen Hybrid mit 50 % exaktem Austausch eine geringere Abweichung von den Richtwerten erzielt werden, aber ein solches Funktional ist für thermochemische Daten unzureichend. Hier wurde erstmals gezeigt, dass lokale Hybridfunktionale ohne Gradientenkorrektur sowohl für Thermochemie als auch für Kinetik zufrieden stellende Ergebnisse liefern können. Das Dissoziationsverhalten symmetrischer Radikalkationen stellt für die hier diskutierten Dichtefunktionale nach wie vor eine Herausforderung dar: Die Dissoziationsenergien von sieben Modellsystemen werden mit unseren Funktionalen stark überschätzt und Gleichgewichtsabstände unterschätzt. Insgesamt sind die Werte nur marginal besser als mit B3LYP. Neben Eigenschaften von Hauptgruppenverbindungen wurden zudem Übergangsmetalldimere und -monohydride untersucht. Für erstere ist eine gute Beschreibung dynamischer sowie statischer Elektronenkorrelation ausschlaggebend. In den Hydriden andererseits dominiert mit gängigen Dichtefunktionalen die unphysikalische Selbstwechselwirkung eines Elektrons mit sich selbst. Für die 3d-Übergangsmetalldimere sind die getesteten Funktionale genauso gut wie B3LYP und für die Hydride etwas besser. Atomare s-d Transferenergien von 3d Übergangsmetallen verbleiben auch für unsere lokalen Hybridfunktionale, die insgesamt schlechtere Ergebnisse erzielen als B3LYP, noch problematisch. Das hierfür geeignetste lokale Hybridfunktional basiert auf einer s-LMF und beinhaltet LYP Korrelation. Für die isotropen Hyperfeinkopplungskonstanten (HFCCs) kleiner Hauptgruppenverbindungen wurden zufriedenstellende Ergebnisse (ähnlich wie B3LYP) mit einem t-LMF basierten lokalen Hybrid erzielt. Die RI Näherung zum lokalen Hybridpotential wurde dem numerisch exakten Potential für die Berechnung von Gesamtenergien, isotrope HFCCs und Orbitalenergien für verschiedene Basissätze gegenübergestellt. Wie erwartet ist der Fehler für Gesamtenergien mit der RI-Näherungen vergleichsweise gering, vor allem relativ zu den verbleibenden Abweichungen von experimentellen Energien. Der Vergleich der mittleren absoluten Abweichung von experimentellen Werten für 26 isotrope HFCCs zeigt sogar für mittelgroße und kontrahierte IGLO Basissätze nur geringe Unterschiede zwischen dem RI-Potential und dem numerisch exakten lokalen Hybridpotential. Die Analyse der HFCCs einzelner Moleküle und der Orbitalenergien des CN Moleküls offenbart allerdings, dass Ungenauigkeiten aufgrund der RI-Näherung hier eine größere Rolle spielen, vor allem wenn zu kleine atomare Basissätze verwendet werden. Von den untersuchten lokalen Hybriden stellen sich einige als hervorragende Kandidaten für die Berechnung thermochemischer und kinetischer Eigenschaften heraus. Jeweils unterschiedliche Funktionale erzielen darüber hinaus mit den besten bekannten Funktionalen vergleichbare Ergebnisse für isotrope Hyperfeinkopplungskonstanten und ausgewählte Eigenschaften kleiner Übergangsmetallverbindungen. Die in dieser Arbeit präsentierten lokalen Hybridfunktionale stellen daher einen wichtigen Schritt in der Entwicklung universeller Näherungen zum Austauschkorrelationsfunktional dar. Zur akkuraten Beschreibung molekularer Eigenschaften von Übergangsmetallkomplexen und dem Dissoziationsverhalten von Radikal-Kation-Dimeren neben Thermochemie und Kinetik, werden in Zukunft wohl komplexere LMFs benötigt. Um konkurrenzfähige lokale Hybride mit gradientenkorrigierter Austausch- und Korrelationsenergiedichte zu entwickeln, müssen darüber hinaus weitere Studien zum Einfluss des abweichenden Eichursprungs der miteinander kombinierten Austauschenergiedichten durchgeführt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Entwicklung speziell abgestimmter Korrelationsfunktionale für lokale Hybride. Außerdem sollte die Qualität der RI-Näherung zum lokalen Hybridpotential detaillierter untersucht werden. Hierfür könnten zum Beispiel Ionisierungsenergien und Elektronenaffinitäten herangezogen werden. Um zusätzliche Abweichungen oder sogar fälschlicherweise "zu gute" Ergebnisse bei Validierungsrechnungen zu vermeiden, sollten Hilfsbasen für die Entwicklung des nicht-lokalen exakten Austauschpotentials implementiert und optimiert werden. Einer der nächsten Implementierungsschritte sollte auch Gradienten bezüglich der Kernkoordinaten beinhalten, um die Validierung der neuen lokalen Hybridfunktionale auf Strukturoptimierungen auszuweiten.