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Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der strukturellen Untersuchung von photochemisch reaktiven Molekülen. Hierzu wurden verschiedene kombinierte IR/UV-Techniken in Molekularstrahlexperimenten verwendet.
Es wurde 3-Hydroxyflavon mit zwei angelagerten Wassermolekülen, 3-Hydroxychromon und als metallorganische Verbindung Bis(benzol)chrom im elektronisch angeregten Zustand untersucht. Mit 7-Hydroxy-4-methylcoumarin stand auch ein mikrosolvatisiertes, photochemisch aktives System im elektronischen Grundzustand im Fokus.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue spektroskopische Methode entwickelt, welche die isomerenselektive Messung des IR-Spektrums im elektronisch angeregten Zustand ermöglicht. Diese Quadrupelresonanztechnik wird angewendet, sollte es durch isoenergetische Anregungsenergien zum Verlust der Isomerenselektivität der R2PI-Methode kommen.
Durch Anwendung einer IR/IR-Lochbrennmethode für den elektronischen Grundzustand sowie der neuen Quadrupelresonanztechnik für den elektronisch angeregten Zustand an 3-Hydroxyflavon mit zwei angelagerten Wassermolekülen, konnte erstmals der experimentelle Beweis erbracht werden, dass es im Molekularstrahlexperiment zur Anregung und Ionisation der beiden stabilsten Isomere kommt. Desweiteren wurden für die untersuchten elektronischen Zustände sowohl die IR-Banden zugeordnet als auch eine eindeutige strukturelle Zuordnung der Isomere getroffen.
Die Studien zu 3-Hydroxychromon belegen im Vergleich mit (TD-)DFT-Rechnungen, dass es nach elektronischer Anregung zu einer Protonentransferreaktion kommt. Es konnten direkte strukturelle Informationen des Monomers sowie der protonentransferierten Struktur gewonnen werden.
Mit den spektroskopischen Untersuchungen an Bis(benzol)chrom wurde gezeigt, dass sich die massen- und isomerenselektiven Methoden auch auf die Substanzklasse der metallorganischen Verbindungen anwenden lassen. Es gelang erstmals, direkte strukturelle Informationen von Organometallverbindungen im elektronischen Grundzustand als auch nach photochemischer Anregung mittels kombinierter IR/UV-Techniken zu gewinnen. Somit ist eine strukturelle Untersuchung von katalytisch aktiven Organometallverbindungen im elektronischen Grundzustand, wie auch nach photochemischer Anregung, möglich.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung von Mikrosolvatationseffekten. Hierzu wurden Wassercluster von 7-Hydroxy-4-methylcoumarin mit vier bis sechs schrittweise angelagerten Solvatmolekülen im elektronischen Grundzustand analysiert. Mithilfe von DFT-basierten Rechnungen wurden für jede Clustergröße verschiedene Bindungsmotive diskutiert und eine mögliche strukturelle Zuordnung getroffen.
Photochemical reactions are of great interest due to their importance in chemical and biological processes. Highly sensitive IR/UV double and triple resonance spectroscopy in molecular beam experiments in combination with ab initio and DFT calculations yields information on reaction coordinates and Intersystem Crossing (ISC) processes subsequent to photoexcitation. In general, molecular beam experiments enable the investigation of isolated, cold molecules without any influence of the environment. Furthermore, small aggregates can be analyzed in a supersonic jet by gradually adding solvent molecules like water. Conclusions concerning the interactions in solution can be derived by investigating and fully understanding small systems with a defined amount of solvent molecules. In this work the first applications of combined IR/UV spectroscopy on reactive isolated molecules and triplet states in molecular beams without using any messenger molecules are presented. Special focus was on excited state proton transfer reactions, which can also be described as keto enol tautomerisms. Various molecules such as 3-hydroxyflavone, 2-(2-naphthyl)-3-hydroxychromone and 2,5-dihydroxybenzoic acid have been investigated with regard to this question. In the case of 3-hydroxyflavone and 2-(2-naphthyl)-3-hydroxychromone, the IR spectra have been recorded subsequent to an excited state proton transfer. Furthermore the dihydrate of 3-hydroxyflavone has been analyzed concerning a possible proton transfer in the excited state: The proton transfer reaction along the water molecules (proton wire) has to be induced by raising the excitation energy. However, photoinduced reactions involve not only singlet but also triplet states. As an archetype molecule xanthone has been analysed. After excitation to the S2 state, ISC occurs into the triplet manifold leading to a population of the T1 state. The IR spectrum of the T1 state has been recorded for the first time using the UV/IR/UV technique without using any messenger molecules. Altogether it is shown that IR/UV double and triple resonance techniques are suitable tools to analyze reaction coordinates of photochemical processes.
Organische Moleküle lösen zunehmend anorganische Verbindungen wegen ihrer schnelleren bzw. kostengünstigeren Herstellung sowie der leichteren Modifikation ihrer Eigenschaften als Grundlage neuer hocheffizienter Materialien mit optischen und dielektrischen Anisotropien in der technischen Anwendung ab. Zusätzlich bieten Prozesse der supramolekularen Chemie zur Selbstorganisation niedermolekularer Bausteine nach dem Vorbild der Natur neue Möglichkeiten makroskopische Systeme mit maßgeschneiderter Funktionalität zu erzeugen. Diese supramolekularen Aggregate bilden sich auf Grund unspezifischer und spezifischer Wechselwirkungen ihrer Bausteine, die sich in Veränderungen der elektronischen Struktur sowie anderer molekularer Eigenschaften widerspiegelt. Mittels elektrooptischer Absorptionsmessung (EOAM) können die Dipolmomente des Grund- und Anregungszustandes von Verbindungen in Lösung bestimmt sowie die Anisotropie der (Hyper-)Polarisierbarkeit abgeschätzt werden. Die EOA-Spektroskopie stellte die Methode der Wahl dar, organische Moleküle bzw. ihre supramolekularen Aggregate für Materialien mit gewünschter Funktionalität zu identifizieren Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein vollautomatisiertes Spektrometer zur Bestimmung der Elektrochromie von Molekülen in Lösung erfolgreich konstruiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Die computergestützte Automatisierung der Apparatur ermöglichte die schnellere und bessere Charakterisierung einer Vielzahl unterschiedlichster Verbindungen. Durch die höhere spektrale Auflösung konnten überlagerte Absorptionsbanden einer bzw. verschiedener Spezies in Lösung durch neu entwickelte bzw. verfeinerte Analyseverfahren identifiziert und erstmal quantitativ ausgewertet werden. Hierdurch konnte erfolgreich demonstriert werden, dass die EOA-Spektroskopie zahlreiche Beiträge zur Analyse vielfältiger Fragestellungen liefern kann, die mittels anderer Techniken unter den experimentellen Bedingungen nicht zugänglich sind. Neben der Charakterisierung zahlreicher Verbindungen für die Anwendung in organischen Solarzellen, bei der Frequenzverdopplung und für die holographische Speicherung lag der Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten im Nachweis und der Untersuchung der Interaktion von organischen Molekülen durch spezifische und unspezifische Wechselwirkungen. Dabei konnten Veränderungen der Konformation bei Rezeptoren durch die Komplexierung eines Gast-Moleküles nachgewiesen werden. Darüber hinaus gelang es erstmals mit Hilfe der EOA-Spektroskopie, Strukturparameter von Komplexen in flüssiger Lösung zu erhalten. Durch konkurrierende Wechselwirkung der Orientierung dipolarer Merocyanine konnten Komplexe mit sehr kleinen und den derzeit größten bekannten Dipolmomenten erzeugt werden. Die Variation der Feldstärken interner und externer elektrischer Felder bzw. die Konzepte der supramolekularen Chemie bieten in Zukunft neben den bestehenden Verfahren zur Modifikation organischer Moleküle neue Möglichkeiten, effiziente und funktionelle Materialien zu erzeugen.