Classical Magnetic Dipole Moments for the Simulation of Vibrational Circular Dichroism by ab Initio Molecular Dynamics

Abstract

We present a new approach for calculating vibrational circular dichroism spectra by ab initio molecular dynamics. In the context of molecular dynamics, these spectra are given by the Fourier transform of the cross-correlation function of magnetic dipole moment and electric dipole moment. We obtain the magnetic dipole moment from the electric current density according to the classical definition. The electric current density is computed by solving a partial differential equation derived from the continuity equation and the condition that eddy currents should be absent. In combination with a radical Voronoi tessellation, this yields an individual magnetic dipole moment for each molecule in a bulk phase simulation. Using the chiral alcohol 2-butanol as an example, we show that experimental spectra are reproduced very well. Our approach requires knowing only the electron density in each simulation step, and it is not restricted to any particular electronic structure method.

Recent Trends in Chiroptical Spectroscopy: Theory and Applications of Vibrational Circular Dichroism and Raman Optical Activity

“…In this way, part of the anharmonic effects is obtained as well . Interesting AIMD applications appeared for solute‐solvent chirality transfer or modeling VCD spectra of a flexible molecule, 2‐butanol . The AIMD technique can also be extended to Raman scattering and Raman optical activity simulations …”

Regional Susceptibility in VCD Spectra to Dynamic Molecular Motions: The Case of a Benzyl α‐Hydroxysilane

“…In particular, one would like to “unbias” molecular motions and take the entire explored structural phase space into account. Molecular Dynamics calculations are in this respect an attractive path to pursue . Such calculations are indeed presently being explored by us.…”

“…Molecular Dynamics calculations are in this respect an attractive path to pursue. [21,22] Such calculations are indeed presently being explored by us.…”

VCD‐Verstärkung durch chirale Packungseffekte in molekularen Kristallen

“…[22,23] Ein Schlüssel liegt daher offenbar im Verständnis der Entstehung von VCD in chiralen Kristallsystemen. [27][28][29][30][31] Darüber hinaus hängt der Erfolg der Berechnung von einer hinreichenden Erfassung der thermischen Fluktuationen der Moleküle ab,w eil gerade die verschiedenen Konformere das Spektrum im Wesentlichen bestimmen. [27][28][29][30][31] Darüber hinaus hängt der Erfolg der Berechnung von einer hinreichenden Erfassung der thermischen Fluktuationen der Moleküle ab,w eil gerade die verschiedenen Konformere das Spektrum im Wesentlichen bestimmen.…”

“…[18,[24][25][26] Die theoretische VCD-Beschreibung stellt in supramolekularen Systemen vor Herausforderungen, da die Grçße des Molekülmodells je nach Rechenkosten der Ab-initio-Methode limitiert ist. [27][28][29][30][31] Darüber hinaus hängt der Erfolg der Berechnung von einer hinreichenden Erfassung der thermischen Fluktuationen der Moleküle ab,w eil gerade die verschiedenen Konformere das Spektrum im Wesentlichen bestimmen. [1] Der weithin genutzte Ansatz, dies anhand repräsentativer Minimumenergiestrukturen eines Moleküls zu tun, erweist sich oftmals als schwierig und nicht zwangsläufig zielführend in einem (hochkorrelierten) supramolekularen System.…”