Theory of Selective Preparation of Enantiomers by Laser Pulses

Abstract

The work at hand deals with the simulation of the laser pulse-controlled preparation of pure enantiomers starting from a racemate. The simulations are based on one- and two-dimensional ab initio potentials and dipole functions of the model systems H2POSH and (4-methyl-cyclohexylidene)fluoromethane. Both molecules possess a chiral axis, but they differ in stability with respect to racemization. The isomerization along the chiral axis, described by a symmetric ab initio double minimum potential, allows the conversion of one enantiomer into the other. The initial state of the quantum dynamical calculations is defined by a racemic mixture of pre-oriented molecules at low temperature. Several control mechanisms were developed which allow the discrimination of the enantiomers in the racemate and the selective enhancement of the population of one enantiomer over the other by means of analytical utrashort laser pulses. To control the chirality of the system, laser coupling to two dipole components of different symmetry are used, i.e. one of the dipole components needs to be gerade and the other ungerade with respect to the center of inversion of the conversion path from one enantiomer to the other. In addition, an intermediate quantum state in the electronic ground or electronic excited state with either gerade or ungerade symmetry is required. The enantio-selectivity of the laser pulses is significantly controlled by their polarization direction, whereas the orientation of the molecules with respect to the polarization direction plays an important role for the efficiency of the laser control.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der Laserpuls- kontrollierten Präparation reiner Enantiomere ausgehend von einem Razemat. Die Simulationen basieren auf ein- und zweidimensionalen ab initio Potentialen und Dipolfunktionen der Modellsysteme H2POSH und (4-Methyl- cyclohexyliden)fluoromethan. Beide Moleküle besitzen eine chirale Achse, unterscheiden sich aber in ihrer Stabilität gegenüber Razemisierung. Die Isomerisierung um die chirale Achse, beschrieben durch ein symmetrisches Doppelminimumpotential, ermöglicht die Überführung eines Enantiomers in das andere. Der Anfangszustand der quantendynamischen Berechnungen ist definiert durch ein razemisches Gemisch aus vororientierten Molekülen bei niedriger Temperatur. Verschiedene Kontrollmechanismen werden entwickelt, die die Unterscheidung der Enantiomere im Razemat und die selektive Anreicherung der Population des einen Enantiomers gegenüber dem anderen mittels analytischer ultrakurzer Laserpulse ermöglichen. Zur Kontrolle über die Chiralität des Systems wird die Kopplung der Laserfelder mit zwei Dipolkomponenten unterschiedlicher Symmetrie genutzt, d.h. die eine Dipolkomponente muss gerade und die andere ungerade bezüglich des Inversionszentrums des Umwandlungspfades von einem Enantiomer zum anderen sein. Des weiteren wird ein intermediärer Quantenzustand mit gerader oder ungerader Symmetrie, der sich im elekronischen Grund- oder elektronischen angeregten Zustand befinden kann, für die Kontrollmechanismen benötigt. Die Enantioselektivität der Laserpulse wird maßgeblich durch ihre Polarisierungsrichtung kontrolliert, wobei die Orientierung der Moleküle bezüglich der Polarisierungsrichtung eine entscheidene Rolle für die Effizienz der Laserkontrolle spielt.