Complex hydrogen bonded liquids with different philicities from molecular dynamics simulations [kumulative Dissertation]

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Struktur und Dynamik verschiedener komplexer, wasserstoffbrückenbildender Systeme untersucht. Hierbei wurden Molekulardynamiksimulationen verschiedener Genauigkeit genutzt. Zusätzlich wurden theoretische Spektroskopie sowie Methoden zum Ermitteln der freien Energie genutzt. Die untersuchten Systeme können in folgenden Gruppenen zusammengefasst werden: In einem ersten Projekt wurde der Einfluss Lösungsmittel unterschiedlicher "Philizitäten" - hydophil und neutral - auf die Struktur eines Farbstoffmoleküls untersucht. In einer zweiten Gruppe von Systemen wurden räumlich auf Nanoskalen eingeschränkte Systeme in sogenannten "Confinements" untersucht. Hierbei wird ein Wirtsmaterial mit Poren im Durchmesser von wenigen Nanometern genutzt, um die Eigenschaften des Gastmaterials stark zu beeinflussen. Die auftretenden Effekte können Dichteschwankungen oder Schichtbildung von eingeschlossenem Wasser bis hin zu partieller Entmischung einer Wasser-Ethanol-Mischung reichen. In einer letzten Klasse von Systemen haben wir neu synthetisierte polyphile Moleküle in Phospholipidmembranen untersucht. Hierzu wurden neue Kraftfeldparameter errechnet und genutzt, um einfache Perflouroalkane bis hin zu kleinen Ansammlungen polyphiler Transmembranmoleküle zu simulieren und ihr Verhalten in und ihren Effekt auf Membranen zu untersuchen.

In this thesis the structure and dynamics of different complex, hydrogen bonding systems is investigated. Molecular dynamics simulations with different levels of theory and supplementing calculations with spectroscopic and free energy methods have been applied. The investigated systems can be grouped in the following broader classes: In a first project we investigated the influence of solvents of different philicity – hydrophilic and neutral – on the conformation of a chromophore. In a second class of systems, we investigated solvents in confinement. Here, a confining host material with pores with diameters of only some nanometers strongly modifies the behavior of guest molecules in this confinement. These modifications can range from density fluctuations in and layer formation near the surface in water up to partial demixing of a water-methanol mixture. In the last system class, we investigated newly synthesized polyphilic molecules and their interaction with phospholipid bilayer membranes. To this end we calculated new force field parameters and used them to investigate systems ranging from simple perfluoroalkanes up to small clusters of polyphilic transmembrane molecules and simulated their behavior in and effect on membranes.