TY  - THES
A1  - Hirsch, Florian
T1  - IR/UV Double-Resonance Spectroscopy of Reactive Hydrocarbon Species and their Reaction Products in Cold Molecular Jets
T1  - IR/UV Doppelresonanz-Spektroskopie von Reaktiven Kohlenwasserstoffspezies und ihren Reaktionsprodukten in kalten Molekularstrahlen
N2  - Reactive hydrocarbon species are important in a multitude of different scientific areas. In this thesis, the vibrational spectra of hydrocarbon radicals, biradicals and their reaction product have been studied in a gas-phase environment. The specific molecules investigated here, are of particular importance in the field of combustion and astrochemistry. They were produced from suitable precursors in a pyrolytically heated micro-reactor and subsequently seeded in an appropriate carrier gas. As methodology, IR/UV ion dip spectroscopy has been utilized, which delivers massselected gas-phase IR spectra of all ionizable species detectable in the molecular beam. These, with the help of DFT calculations, allow for determination of the fingerprint IR spectra, identification of mass carriers and formulation of potential reaction mechanisms. All studies have been conducted in collaboration with the group of Prof. Dr. Anouk M. Rjis and the necessary potent IR radiation has been provided by the free-electron laser FELIX. Thus, the IR/UV measurements have been executed at the FELIX Laboratory of the Radboud University in Nijmegen. The first study presented in this thesis is the investigation of ortho-benzyne in Chapter 3.1. This molecule is of particular interest due to its uncommon electronic structure and its role in high-temperature reactions. Although, the infrared spectrum of o-C6H4 was not accessible, a number of reaction products were identified via their fingerprint spectra. Masses in the range from 78 - 228 were assigned to their respective carrier. The identified species include typical PAHs like naphthalene, phenanthrene, up to triphenylene. The identified masses further suggest a PAH growth heavily influenced by diradical 1,4-cycloaddition followed by fragmentation, as well as by classical HACA- and PAC-like mechanisms. These results were augmented by threshold photoionization measurements from Engelbert Reusch, who identified lighter reaction products, which have insufficient IR absorption or unsuitable ionization characteristics to be identified in the IR/UV experiment. An interesting observation is the identification of m/z = 152. This carrier has been assigned differently by the IR and TPES experiments. Whereas the IR spectrum clearly identifies the species as 2-ethynylnaphthalene, the TPES evidently is in great agreement with biphenylene. This is a good example how different experimental methodologies can benefit from each other to gain a deeper insight into the actual science of a particular system. Probably, the prime example for an aromatically resonance stabilized radical is benzyl. This radical is of high importance for many combustion studies, as it represents the primary high-temperature decomposition product of toluene. The goal of the study was the identification of the benzyl self reaction products and the results are discussed in Section 3.2. The radical was pyrolytically produced by its respective nitrite precursor. The mass spectrum showed that the benzyl self reaction formed two products with C11 and three with C14 constitution. All mass peaks were evenly spaced by two mass units, respectively, which suggests a close relation in formation. Indeed, the C11 products were identified as diphenylmethane and fluorene, which are simply connected via cyclization. The heaviest product was identified as phenanthrene, which is formed via the cyclization of bibenzyl to 9,10-dihydrophenanthrene and subsequent elimination of hydrogen. This result was quiet interesting as the intermediate of this reaction was often assumed to be stilbene, which was not observed in the study. Hence, the reaction seems to undergo cyclization first before phenanthrene is finally formed via hydrogen elimination. Expanding the molecular frame of benzyl by an additional methyl group leads to the xylyl radicals and its decomposition product the xylylenes. Also important in combustion research, xylyl radicals represent the preferred decomposition products of xylene, a frequently used anti-knock agent in modern gasoline blends. After further hydrogen elimination the xylyl radicals can then form their respective xylylenes. The results of the xylyl experiments are discussed in Section 3.3. Here the gas-phase vibrational spectrum in the fingerprint region for all three isomers has been recorded for the first time in isolation. Although, all isomers have a very similar structure and symmetry, and consequently similar vibrational bands, the resolution of the experimental data was exceedingly sufficient for a clear assignment. Additionally, the dimerization products of meta- and para-xylyl could also be identified. A similar approach was taken to determine the fingerprint spectra for the xylylenes. Here, only para-xylylene could be unambiguously identified as the carrier of mass 104. For both ortho- and meta-xylylene precursors, only isomerization products were observed as the carriers of mass 104; benzocyclobutene and styrene, respectively. A possible explanation is elaborated upon in the troubleshooting Sec- tion 3.4.3.5. In the final experimental section a study on the decomposition of phthalide is presented. The objective of this experiment was mainly focused around the formation of C7 species, particularly the fulvenallenyl radical C7H5. In fact, the first experimental fingerprint spectrum of isolated C7H5 in the gas-phase was measured and is displayed in Fig. 3.45. Furthermore, the experiment demonstrates that the pyrolysis products of phthalide are excellent soot precursors, as many heavier reaction products have been identified. These include typical PAH species like naphthalene and phenanthrene as well as their methylated isomers. A large number of molecules with terminal ethynyl moieties indicate a strong influence of HACA growth in the experimental environment. However, many formation pathways of products have been discussed, which are formed involving experiment specific species, like C5H5 and C7H5, and often include expansion steps from 5- to 6-membered rings.
N2  - Reaktive Kohlenwasserstoffe spielen eine wichtige Rolle in vielen wissenschaftlichen Bereichen. In der vorliegenden Dissertation wurden die schwingungsspektroskopischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoffradikalen, Biradikalen und ihren Reaktionsprodukten in der Gasphase untersucht. Die Spezies, die in den Studien dieser Arbeit untersucht wurden, spielen eine besondere Rolle im Bereich der Verbrennungs- und Astrochemie. Sie wurden aus geeigneten Vorläufern pyrolytisch in einem beheizten Mikroreaktor hergestellt und anschließend mit einem passenden Trägergas in die Gasphase überführt. Als spektroskopische Methode wurde IR/UV Ionen-Dip Spektroskopie verwendet. Diese liefert massenselektive Schwingungsspektren von allen in einem Molekularstrahl ionisierbaren und detektierbaren Spezies. Dies erlaubt es, mit Hilfe von DFT Rechnungen die Schwingungsspektren der isolierten Moleküle zu messen, diese zu identifizieren und auch Rückschlüsse auf die Reaktionsmechanismen zu ziehen. Alle Experimente dieser Thesis wurden in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Anouk M. Rijs durchgeführt. Hierbei wurde als hochbrillante IR-Quelle der Freie-Elektronenlaser FELIX der Radboud University in Nijmegen verwendet. Die erste Studie in Kapitel 3.1 beschäftigte sich mit Untersuchungen des ortho- Benzins. Dieses Molekül ist von besonderer Bedeutung aufgrund seiner ungewöhnlichen elektronischen Struktur und seiner Rolle bei Hochtemperaturreaktionen. Obwohl das IR Spektrum des o-C6H4 nicht ermittelt werden konnte, war es möglich einige Reaktionsprodukte anhand ihrer Schwingungsspektren zu identifizieren. Massensignale im Bereich von 78 - 228 amu wurden hierbei ihren jeweiligen Molekülen zugeordnet. Hierzu zählen typische PAHs wie Naphthalen, Phenanthren, bis zu Triphenylen. Die identifizierten Spezies legten des Weiteren nahe, dass das PAH Wachstum zum größten Teil durch diradikalische 1,4-Cycloaddition mit anschließender Fragmentierung, sowie HACA und PAC Mechanismen dominiert sein dürfte. Diese Ergebnisse wurden mit Photoionisationsstudien von Engelbert Reusch vervollständigt, welcher weitere leichtere Reaktionsprodukte identifizieren konnte, die eine unzureichende IR Absorption oder ungeeignete Ionisationseigenschaften aufweisen. Eine besonders interessante Erkenntnis stellt die Identifizierung von Masse 152 dar. Der Träger dieser Masse wurde durch die IR und TPES Experimente unterschiedlich zugeordnet. Hierbei wurde die Masse durch die Schwingungsspektren der IR/UV Experimente als 2-Ethinylnaphthalen identifiziert. Die TPES Spektren jedoch zeigten eine große Übereinstimmung der experimentellen Daten mit Biphenylen. Somit war diese Studie ein hervorragendes Beispiel dafür, wie unterschiedliche Methoden sich gegenseitig ergänzen können, um einen besseren Einblick in ein bestimmtes System zu erhalten. Benzyl ist womöglich das beste Musterbeispiel für ein aromatisch resonanzstabilisiertes Radikal. Dieses ist von großer Bedeutung in vielen Verbrennungsstudien, da es das primäre hochtemperatur Zerfallsprodukt von Toluol darstellt. Das Ziel dieser Studie war die Identifizierung der Benzyl Selbstreaktionsprodukte und ihre Ergebnisse wurden in Kapitel 3.2 präsentiert. Das Radikal wurde pyrolytisch aus dem jeweiligen Nitritvorläufer hergestellt. Das Massenspektrum zeigte, dass zwei Produkte mit C11 und drei Produkte mit C14 Zusammensetzung entstanden. Alle Massensignale waren gleichmäßig mit einem Abstand von zwei Masseneinheiten verteilt, was eine enge Beziehung der Spezies im Hinblick auf ihre Bildung nahe legt. So wurden die zwei C11 Spezies als Diphenylmethan und Fluoren identifiziert, welche über Zyklisierung miteinander in Verbindung stehen. Das schwerste Produkt im Experiment konnte als Phenanthren identifiziert werden, welches durch die Zyklisierung von Bibenzyl zu 9,10-Dihydrophenantren und anschließender Wasserstoffeliminierung entsteht. Diese Erkenntnis war von besonderer Relevanz, da bisher oft davon ausgegangen wurde, dass das Zwischenprodukt dieser Reaktion Stilben sein müsste; was allerdings in dieser Studie nicht beobachtet wurde. Folglich scheint der erste Schritt dieser Reaktion eine Zyklisierung zu sein und die Wasserstoffeliminierung findet erst im zweiten Schritt statt, wobei Phenanthren gebildet wird. Wenn Benzyl um eine zusätzliche Methyl-Einheit erweitert wird, erhält man die Gruppe der Xylylradikale und ihrer Zerfallsprodukte, den Xylylenen. Diese Moleküle sind ebenfalls von besonderem Interesse in der Verbrennungsforschung, da Xylylradikale das primäre Hochtemperaturprodukt der Wasserstoffeliminierung von Xylolen sind. Xylyole werden häufig in Kraftstoffen als Anti-Klopfmittel eingesetzt und stellen häufig einen großen Anteil dieser dar. Eine weitere Eliminierung von Wasserstoff liefert anschließend die jeweiligen Xylylene. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden in Kapitel 3.3 diskutiert. Hierbei wurde das Gasphasen-IR-Fingerprintspektrum aller Xylyl-Isomere in Isolation zum ersten mal ermittelt. Obwohl alle Isomere eine sehr ähnliche Struktur und Symmetrie aufweisen und die resultieren Schwingungsmoden ebenfalls sehr ähnlich sind, war die Auflösung der experimentellen Daten ausreichend für eine eindeutige Zuordnung. Zusätzlich wurden ebenfalls die Dimerisierungsprodukte von meta- und para-Xylyl beobachtet und identifiziert. Eine ähnliche Herangehensweise wurde angewandt, um die Schwingungsspektren der Xylylene zu bestimmen. Hierbei konnte jedoch nur das IR-Spektrum von para-Xylylen als Träger der Masse 104 bei der Pyrolyse des jeweiligen Vorläufers eindeutig identifiziert werden. Für beide Vorläufer der ortho- und meta-Xylylen Experimente konnten lediglich Isomerisierungsprodukte als Träger von m/z = 104 festgestellt werden: Benzocyclobuten und Stilben. Mögliche Gründe für diese Ergebnisse wurden in Kapitel 3.4.3.5 erläutert. Im letzten Teil wurden die Arbeiten zur Zersetzung von Phthalid präsentiert. Das Ziel dieser Studie war die Erzeugung und Charakterisierung von C7 Spezies, insbesondere das Fulvenallenyl Radikal C7H5. Hierbei konnte das erste Gasphasen- Fingerprint-IR-Spektrum von isoliertem C7H5 ermittelt werden, welches in Fig. 3.45 zu sehen ist. Des Weiteren zeigte die Studie, dass Phthalid ein hervorragender Rußvorläufer ist, da eine große Anzahl weiterer Reaktionsprodukte identifiziert werden konnte. Diese beinhalten typische PAHs wie Naphthalen und Phenanthren, sowie ihre methylierten Isomere. Eine große Vielzahl von Molekülen mit terminalen Ethinylseitenketten deuten auf einen großen Einfluss von HACA ähnlichem PAH Wachstum hin. Hierbei wurden insbesondere Reaktionsmechanismen diskutiert, welche experimentspezifische Reaktionsprodukte, wie C5H5 und C7H5, beinhalten und oft Ringexpansionen von 5- zu 6-gliedrigen Ringen aufweisen.
KW  - Infrarotspektroskopie
KW  - Laserspektroskopie
KW  - Molekularstrahl
KW  - Freie-Elektronen-Laser
KW  - Doppelresonanz
KW  - Reactive Hydrocarbon Species
KW  - Ion-Dip-Spectroscopy
KW  - Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
KW  - REMPI
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251755
ER  - 
TY  - THES
A1  - Flock, Marco
T1  - Velocity Map Imaging-Untersuchung nichtstrahlender Prozesse in polyzyklischen Aromaten und deren van-der-Waals-Clustern
T1  - A Velocity Map Imaging study on nonradiative processes in polycyclic aromatics and their van der Waals clusters
N2  - Das erste Ziel der vorliegenden Dissertation bestand darin, ein bereits bestehendes TOF-MS-Setup dahingehend zu erweitern, um damit Velocity Map Imaging-Experimente durchführen zu können. Dies erforderte zunächst die Konzipierung und Programmierung einiger für die Datenaufnahme, -verarbeitung und -analyse benötigter LabView-Anwendungen. Anschließend konnten erste Kalibrierexperimente an Methyliodid, in denen wichtige experimentelle Parameter identifiziert und optimiert wurden, durchgeführt werden. Außerdem gelang es dadurch, die Messgenauigkeit des Setups auf 0.7 % und dessen Auflösungsvermögen auf 4.4 % zu bestimmen, was im Bereich für VMI-Apparaturen typischer Werte liegt. Zur weiteren Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Setups wurde in ersten zeitaufgelösten Experimenten im Folgenden die Desaktivierung des S1-Zustands von Pyridin untersucht. Neben der Reproduktion einiger bereits literaturbekannter Resultate konnten dabei zusätzlich die im Multiphotonen-Ionisationsschritt populierten Rydberg-Zustände identifiziert werden. Anschließend wurde mit Experimenten an bisher weniger gut untersuchten organischen Aromaten und Heteroaromaten fortgefahren. Das Ziel dieser Studien lag in der Aufklärung der photoinduzierten Dynamiken der Verbindungen, wobei das zur Verfügung stehende ps-Lasersystem die Möglichkeit bot, die Desaktivierung elektronisch angeregter Zustände gezielt in Abhängigkeit von deren Schwingungsenergie zu untersuchen. Der darin bestehende Vorteil zeigte sich vor allem in Studien an Tolan und Phenanthridin, deren erste angeregte, optisch aktive Zustände am Origin Lebensdauern im ns-Bereich aufweisen, die sich mit zunehmender vibronischer Anregung jedoch auf bis zu 10 ps verringern. Als Grund dafür konnten nichtstrahlende Desaktivierungsprozesse, für deren Eintreten eine energetische Barriere überwunden werden muss, identifiziert werden. Während in Tolan nach Photoanregung ein Übergang in einen (πσ∗)-Zustand, der zur Ausbildung einer trans-bent-Struktur führt, erfolgt, ist im Falle von Phenanthridin vermutlich ein El-Sayed-erlaubter ISC-Übergang in einen 3(nπ∗)-Zustand für die drastische Verkürzung der S1-Lebensdauer verantwortlich. Ein solcher konnte weder im zu Phenanthridin isomerischen Benzo[h]quinolin, noch in dessen PAH-Muttermolekül Phenanthren beobachtet werden, was auf die höhere energetische Lage bzw. die Abwesenheit des mittels ISC populierten 3(nπ∗)-Zustands in diesen Molekülen zurückgeführt werden kann. In weiteren im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Experimente wurden zudem die aromatischen Moleküle Acenaphthylen und 4-(Dimethylamino)benzethin (DMABE) untersucht. Zeitaufgelöste Studien zeigten dabei, dass die Desaktivierung der S2-Zustände beider Moleküle auf der sub-ps-Zeitskala stattfindet und mit dem vorhandenen Lasersystem daher nicht aufgelöst werden kann. In Acenaphthylen erfolgt die S2-Relaxation größtenteils über einen sequentiellen IC-Mechanismus, innerhalb dem der S1-Zustand des Moleküls intermediär besetzt wird. Dessen Lebensdauer konnte am Origin auf 380 ps bestimmt werden, fällt mit steigender Schwingungsanregung jedoch auf bis zu 55 ps ab. Für die Desaktivierung des S2-Zustands von DMABE konnte hingegen ein paralleles Relaxationsmodell, in dem neben dem S1-Zustand ein weiterer elektronisch angeregter Zustand populiert wird, nachgewiesen werden. Bei diesem könnte es sich möglicherweise um einen (πσ∗)-Zustand, dessen Besetzung die Ausbildung einer trans-bent-Geometrie innerhalb der Acetylen-Einheit des Moleküls zur Folge hat, handeln. Einen weiteren großen Teil der vorliegenden Dissertation nahmen Experimente an van-der-Waals-gebundenen Clustersystemen ein. Im Fokus der Studien standen dabei Moleküle mit ausgedehnten aromatischen π-Systemen, da solche eine hohe Relevanz für verschiedene materialwissenschaftliche Forschungsgebiete besitzen. Ein Beispiel hierfür ist Tetracen, welches als Modellsystem für die Untersuchung von Singlet Fission-Prozessen angesehen wird. In Kombination mit nichtadiabatischen Surface-Hopping-Simulationen zeigten Experimente an Tetracen-Dimeren, dass nach deren S2-Anregung zunächst ein schneller S1←S2-Übergang (τ < 1 ps), gefolgt von der Ausbildung einer Excimerstruktur, stattfindet. Letztere erfolgt mit einer Zeitkonstante von 62 ps und führt zu einem Anstieg des transienten Ionensignals, wohingegen die Desaktivierung des Excimer-Zustands von einem abklingenden Signalbeitrag mit τ = 123 ps repräsentiert wird. Wenngleich über die weitere Relaxation der Excimerspezies zum gegenwärtigen Zeitpunkt keine Aussage getroffen werden kann, besteht damit die Möglichkeit, dass Excimer-Zustände als Zwischenstufe im SF-Mechanismus isolierter Tetracen-Dimere auftreten. In zeitaufgelösten Experimenten an Phenanthren-Dimeren konnte ebenfalls ein Anstieg des transienten Signals mit einer vergleichbaren Zeitkonstante von τ = 86 ps, der jedoch auf einem konstanten Signaloffset endet, gefunden werden. Dies deutet darauf hin, dass auch Phenanthren-Dimere in der Lage sind, Excimerstrukturen, die im Gegensatz zu denen des Tetracens jedoch deutlich langlebiger sind, auszubilden. Studien an den Dimerspezies der Azaphenanthrene Benzo[h]quinolin und Phenanthridin offenbarten hingegen etwas schnellere Relaxationen mit Zeitkonstanten von 15 bzw. 40 ps. Zudem zeigten beide Spezies eine stark ausgeprägte Fragmentation, sodass für deren Untersuchung auf die VMI-Detektionsmethode zurückgegriffen werden musste. Dadurch wurde deutlich, dass sich Photoionen-Imaging-Experimente hervorragend für Studien an schwach gebundenen Clustersystemen eignen, da diese die Separation verschiedener Signalbeiträge innerhalb eines betrachteten Massenkanals ermöglichen.
N2  - In the first part of this thesis an already existing TOF-MS setup was modified in order to enable Velocity Map Imaging experiments. Therefore, LabView programs for the aquisition, processing and evaluation of the experimental data had to be written. Afterwards, calibration experiments on methyl iodide were carried out to characterize and to optimize important experimental parameters. The experiments yielded values of 4.4 % and 0.7 % for the spectral resolution and the accuracy of the setup, respectively, in good agreement with reported values for typical VMI setups. In the next step, time-resolved experiments on the S1 state deactivation in pyridine were performed in order to further verify the functionality of the setup. In these experiments, several results from literature could be reproduced and additional information on the Rydberg states being populated during the multiphoton ionization of the molecules were obtained. Thus, the experiments proved the suitability of the setup and experiments on less well studied systems were carried out in the following. The goal of these studies was to elucidate the light-induced relaxation mechanisms of selected organic aromatics and heteroaromatics. Due to the spectral bandwidth of the available ps laser setup, dynamics of electronically excited states could be studied as a function of their vibronic energy. This advantage became obvious especially in studies on tolane and phenanthridine: In both molecules, the lifetime of the first excited bright state is in the ns range at its origin, but drops to around 10 ps at higher excitation energies. The reason therefore are nonradiative relaxation processes which can only take place when an energetic barrier is surmounted. In case of tolane, a transition to a (πσ∗) state, leading to the formation of a trans-bent structure, was found to occur at higher excitations. In contrast, an El-Sayed allowed ISC process to a (nπ∗) triplet state seems to be responsible for the drop of the S1 state lifetime in phenanthridine. Interestingly, neither in the isomeric azaphenanthrene benzo[h]quinoline, nor in the PAH parent molecule phenanthrene itself, such a behavior was observed. This is attributed to the higher energy of the first excited (nπ∗) triplet state in benzo[h]quinoline and its absence in phenanthrene, respectively. Further experiments presented in this thesis aimed to elucidate the excited-state dynamics of acenaphthylene and 4-(dimethylamino)benzethyne (DMABE). Time-resolved studies on both molecules revealed S2 state deactivations on the sub-picosecond timescale which thus can not be resolved with the available ps laser setup. In acenaphthylene, a subsequent IC relaxation back to the electronic ground state was found to occur upon S2 excitation and the lifetime of the intermediately populated S1 state was determined to 380 ps at its origin and to 55 ps at higher excitation energies. The S2 state of DMABE relaxes to the S1 state as well, but in addition, the population of another electronic state, which might possibly be a trans-bent (πσ∗) state, was observed. Another large part of the experimental work within this thesis was covered from studies on van der Waals clusters of different aromatic and heteroaromatic compounds. The investigations focused on molecules with extended π -systems, since those possess photophysical properties with high relevance for various applications in material science. As an example, tetracene dimers can be seen as a prototype for the singlet fission process and thus were studied in the scope of this work. In time-resolved experiments, a sequential relaxation with time constants of 62 and 123 ps was observed upon excitation of their S2 state. Based on non-adiabatic surface hopping simulations the time constants could be assigned to the formation and the following decay of an excimer species. Thus, the excimer state could act as an intermediate in the SF mechanism of isolated tetracene dimers, although no information on its further deactivation are available so far. Interestingly, the formation of the excimer state leads to a rise in the transient ion signal, whereas its deactivation correlates with a decaying contribution. A similar behavior was found in experiments on phenanthrene dimers, which relax to a long-lived electronic state with a rising time constant of 86 ps. This indicates that excimer structures are formed upon photoexcitation in phenanthrene dimers as well. However, since their deactivation was not observed on the timescale of the experiment, the phenanthrene excimers seem to possess a much longer lifetime than their tetracene analogues. Studies on the dimeric species of the phenanthrene aza-derivatives benzo[h]quinoline and phenanthridine revealed slightly faster deactivation processes with time constants of 15 and 40 ps, respectively. Furthermore, the multimers of both compounds showed strong fragmentations and thus had to be studied via VMI detection. Thereby it became obvious that photoion imaging experiments are an excellent tool for investigations on weakly bound van der Waals clusters, since they allow to distinguish between different signal contributions in a given mass channel.
KW  - Strahlungslose Desaktivierung
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Molekularstrahl
KW  - REMPI
KW  - Pump-Probe-Technik
KW  - Velocity Map Imaging
KW  - Zeitaufgelöste Spektroskopie
KW  - Polycyclische Aromaten
KW  - Photophysik
KW  - Physikalische Chemie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240786
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gerbich, Thiemo M. P.
T1  - Pikosekunden-zeitaufgelöste Deaktivierungsprozesse in isolierten Molekülen - Fluorenon, NDCA, Me-NI und NTCDA
T1  - Picosecond time-resolved deactivation processes in isolated molecules - Fluorenone, NDCA, Me-NI and NTCDA
N2  - Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die Dynamiken von strahlungslosen Deaktivierungsprozessen von vier verschiedenen Molekülen im elektronisch angeregten Zustand untersucht. Ein fundiertes Verständnis der intramolekularen Energieumverteilung in isolierten pi-konjugierten Systemen ist neben dem Modellcharakter auch für Anwendungen in der organischen Elektronik von Interesse. Die Untersuchungen dienen zudem als optimaler Maßstab für theoretische Simulationen, die auf eine Nachbildung der molekularen Dynamik ausgerichtet sind. 
Die Inbetriebnahme des Pikosekunden-Lasersystems stellt in der Arbeitsgruppe ein großes Potential für die Untersuchung der Dynamik von isolierten pi-konjugierten Molekülen zur Verfügung. Erste Experimente konnten an unterschiedlichen Heterocyclen mit interessantem zeitlichen Verhalten erfolgreich durchgeführt werden und lieferten bereits wichtige Erkenntnisse über die strahlungslose Deaktivierung auf der ps-Zeitskala. Selbst für große Moleküle mit geringem Dampfdruck, die nur mit hohem experimentellen Aufwand im isolierten Zustand charakterisierbar sind, konnten Relaxationszeiten der angeregten Zustände ermittelt werden.
Der Fokus der einzelnen Studien lag in der Erforschung der isolierten Moleküle, welche durch Anwendung der Molekularstrahl-Technik mit zeitaufgelöster REMPI-Spektroskopie anhand des ps-Systems untersucht werden sollten. Zur Kontrolle der experimentellen Ergebnisse wurden zudem Vergleichsmessungen der transienten Absorptionsspektroskopie (TA) in der Flüssigphase herangezogen, wodurch eine fundierte Interpretation der Dynamik möglich wurde. Zu den wichtigen Zielen gehörten jedoch die Vergleiche der experimentellen Ergebnisse von isolierten Molekülen mit Berechnungen der Zustandsenergien sowie Simulationen der Moleküldynamik aus dem Theorie-Arbeitskreis von Prof. Mitric. Auf diese Weise konnten wichtige Erkenntnisse über die Dynamik der Deaktivierungsprozesse gewonnen werden.
Die Kombination der Gasphasen-Experimente mit TA-Messungen in der Flüssigphase hat sich als besonders nützlich erwiesen, um bei mehrstufigen Deaktivierungsprozessen einen erweiterten Einblick in die Dynamik der Moleküle zu erhalten.
-	So konnte bei Fluorenon in Cyclohexan und Acetonitril durch Vergleich der Anregungen des S3- und S1-Zustands eine zusätzliche Zeitkonstante von 8-16 ps beobachtet werden, welche die innere Umwandlung zum S1-Zustand dokumentiert und die Ergebnisse der Gasphasen-Messungen bestätigt.
-	Durch Verwendung von Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität und der damit verbundenen Verschiebung der elektronischen Zustände von Fluorenon konnte zudem der zweite Deaktivierungsprozess eindeutig einem ISC-Prozess mit Zeitkonstanten von 120-154 ps zugeordnet werden. In der Gasphase wurde dieser Prozess lediglich als langlebiger Offset wahrgenommen.
-	Unterschiedliche Anregungsenergien zeigten bei TA-Messungen von NDCA eine nahezu identische Moleküldynamik mit ca. 200 ps, während für isoliertes NDCA ein starker Abfall der Lebensdauer mit zunehmender Schwingungsenergie beobachtet wurde. In der Gasphase wird somit von einer Deaktivierung über eine Energiebarriere ausgegangen, während in Lösung eine zu schnelle Abkühlung durch Schwingungsrelaxation diesen Prozess verhindert.
-	Bei NTCDA konnten in den TA-Messungen nach Anregung des S1-Zustands eine Relaxation in die Triplett-Umgebung innerhalb von wenigen Pikosekunden beobachtet werden, was im Einklang mit der sehr schnellen Deaktivierung in der Gasphase betrachtet werden kann.
 
Eine ausführliche Vergleichsstudie von isolierten Molekülen mit computergestützten
Rechnungen und Simulationen wurde für die Moleküle NDCA und Me-NI durchgeführt. Dabei wurde explizit auf den Einfluss von Spin-Bahn-Kopplungen und konischen Durchschneidungen eingegangen, welche zu konkurrierenden Deaktivierungsprozessen des S1-Zustands führen können.
-	Durch Simulationen der Surface-Hopping-Dynamik wurde deutlich, dass bei NDCA und Me-NI im ersten angeregten Zustand eine konische Durchschneidung (CI) zwischen dem S1- und S0-Zustand erreicht werden kann.
-	Während die Dynamik von NDCA bei höherer Schwingungsanregung stark durch die CI dominiert wird, spielt die direkte Relaxation in den elektronischen Grundzustand bei Me-NI offenbar keine Rolle.
-	In Abwesenheit der CI zeigen NDCA und Me-NI in einer mit Spin-Bahn-Kopplung erweiterten Simulation der Populationsdynamik einen signifikanten Populationstransfer in die Triplett-Umgebung (T1-T4). Eine innere Umwandlung in den Grundzustand konnte jedoch nur bei Erreichen der CI beobachtet werden.

Eine weitere Verbesserung der ps-Experimente kann durch Aufbau eines Photoelektronen-Spektrometers erreicht werden, da durch diese Technik eine präzisere Aussage darüber getroffen werden kann, aus welchem elektronischen Zustand die Moleküle ionisiert wurden. Eine Unterscheidung von ISC- und IC-Prozessen könnte somit gewährleistet werden.
N2  - In this thesis the dynamics of radiationless deactivation of electronic excited states of four different molecules were investigated. A solid understanding of the intramolecular energy redistribution in excited isolated pi-conjugated molecules becomes increasingly important for applications of organic electronics and additionally is a key to understand molecular models. Such studies serve as benchmarks for computational studies for accurately simulating the molecular dynamics.
The new ps laser system offers a great potential for experiments on the dynamics of isolated pi-conjugated molecules. Isolated molecules were examined by applying the molecular beam technique in combination with time-resolved REMPI spectroscopy. First experiments on several heterocycles were carried out, providing important insights on the radiationless deactivation on a ps time scale. Despite experimental difficulties in the characterization of isolated large molecules with very low vapor pressure, relaxation time constants of their excited states could be obtained.
To verify the experimental results additional measurements of transient absorption spectroscopy (TA) in solution were carried out for comparison, enabling a solid interpretation of the dynamics. However, one of the main objectives was to compare the experimental results of the isolated molecules with calculated excitation energies and simulations of the molecular dynamics provided by the theoretical working group of Prof. Mitric. In this manner, important insights into
the dynamics of deactivation processes could be obtained. 
The combination of gas phase experiments and solution phase TA measurements has provided improved insight in the molecular dynamics in the case of multistage deactivation processes, as emphasized by the following examples.

-	By comparing the dynamics of the S3 and S1 states of fluorenone in solution a time constant of 8 – 16 ps could be observed which is only present after excitation in the S3 state. This lifetime represents the internal conversion into the S1 state and validates the results of the gas phase measurements. 
-	Using solutions with different polarities related in a shift of the electronic excited states of fluorenone, which could be utilized to assign time constants of 120 - 154 ps to an intersystem crossing. In the gas phase the corresponding process could only be perceived as a long-living offset.
-	TA measurements of NDCA in solution with different excitation energies showed nearly identically dynamics, while a sharp drop of the lifetimes was observed in the gas phase when increasing the vibrational energy. This process is associated with a deactivation over an energy barrier while it is prevented in solution due to rapid cooling by vibrational relaxation. 
-	After excitation into the S1 state of NTCDA the TA measurements yielded a fast relaxation in the triplet manifold within a few picoseconds. This observation is in accordance with the fast time constants of the gas phase experiments.

A detailed comparative study of isolated molecules and computational calculations and simulations was carried out for NDCA and Me-NI. The influence of spin-orbit couplings and conical intersections (CI) and the associated competition of different deactivation channels in the S1 state were discussed thoroughly. The main results are depicted in the following.
-	Surface hopping dynamics simulations for NDCA and Me-NI showed the presence of a conical intersection between the S1 and the S0 state which can be reached from the first excited singlet state.
-	While for higher vibrational excitation the dynamics of NDCA is strongly dominated by the CI, a direct relaxation into the electronic ground state is apparently not relevant for Me-NI.
-	Simulating the population dynamics in absence of the CI, a significant population transfer into the triplet manifold (T1-T4) could be observed for both NDCA and Me-NI. A deactivation into the electronic ground state via internal conversion could only be observed when the CI was present.

Further improvements of the ps experiments could be achieved by constructing a photoelectron spectrometer, which allows more detailed information about the type of the electronic states. Thus it would be possible to distinguish between ISC and IC processes.
KW  - REMPI
KW  - Molekulardynamik
KW  - Strahlungsloser Übergang
KW  - Abstimmbarer Laser
KW  - konische Durchschneidung
KW  - innere Umwandlung
KW  - Intersystem Crossing
KW  - isolierte Moleküle
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118654
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steinbauer, Michael Christoph
T1  - Ionen- und Elektronenimaging reaktiver Moleküle: Ethyl, Propargylen und Fulvenallenyl
T1  - Ion- and electron imaging of reactive molecules: Ethyl, propargylen and fulvenallenyl
N2  - Bei Verbrennungsprozessen im Otto-Motor, beim Raffinationsprozess in Erdölraffinerien, im interstellaren Raum oder in der Chemie der Erdatmosphäre spielen Moleküle, wie sie in dieser Arbeit untersucht wurden, eine wichtige Rolle. Allerdings stellt es eine große Herausforderung dar, solch reaktive Substanzen zu erzeugen und zu handhaben. Um das Ethyl-Radikal, ein wichtiges Intermediat z.B. in der Erzeugung von Ethylen, zu untersuchen, wurde eine bestehende Apparatur modifiziert. Diese ermöglicht es, die Geschwindigkeitsverteilung der Fragmente (Ionen oder Elektronen) zweidimensional aufzuzeichnen, die nach der Anregung mittels Laserlicht durch Photodissoziation entstehen. Diese velocity-map imaging Apparatur wurde in einem ersten Schritt mittels der Photodissoziation von Pyrrol bei 240 nm kalibriert. Cycloheptatrien konnte erfolgreich auf seine Photodissoziation untersucht werden, was als Test des VMI-Experiment genutzt wurde. Die gewonnenen Ergebnisse stimmten mit Resultaten überein, welche durch Doppler-Fragmentspektroskopie in dieser und früheren Arbeiten gewonnen wurden. Zwischen 11 und 13 % der Überschussenergie gehen dabei in die Translation des H-Atoms. • Das Ethyl-Radikal zeigte, als das erste mit unserer VMI-Apparatur untersuchte Radikal, eine interessante Photodissoziation: Wird es bei 250 nm angeregt, ergeben sich zwei Dissoziationskanäle, wobei ein bekannter Kanal nach schneller interner Konversion in den Grundzustand Fragmente mit geringer Translationsenergie erzeugt. Der zweite Kanal zeigt anisotropes Verhalten und erzeugt Wasserstoffatome mit hoher Translationsenergie, die mehr als die Hälfte der Überschussenergie abführen. Die Erklärung dieses Prozesses erweist sich schwierig in Anbetracht von durchgeführten Isotopenmarkierungsexperimenten sowie der beobachteten Ratenkonstanten für die Photodissoziation. Eine Interaktion von Valenz- und Rydbergzuständen im Ethyl-Radikal könnte eine Erklärung darstellen. In Zukunft kann beim VMI-Experiment in Würzburg versucht werden, die Auflösung weiter zu verbessern. Dabei ergäben sich im Idealfall zwei scharfe Ringe der H-Atome durch die Spin-Bahn-Aufspaltung von Brom, welche eine sehr genaue Kalibrierung ermöglichen. Neben den Ergebnissen auf dem Gebiet der Photodissoziation, die mit der VMI-Apparatur erzielt wurden, konnten mittels Synchrotronstrahlung und Aufzeichnen der Photoelektronen mittels VMI und der TPEPICO-Technik die folgenden Ergebnisse erhalten werden: • Von Propargylen, einem von drei C3H2 Isomeren, konnte die adiabatische Ionisierungsenergie (IEad) mit 8.99 eV bestimmt werden. Der Vorläufer Diazopropin, eine sehr instabile Substanz, wurde dazu synthetisiert und mit Synchrotronlicht untersucht. Allerdings war es nicht möglich, die Schwingungen im Kation oder die dissoziative Photoionisation (DPI) des Carbens zu untersuchen, da Diazopropin seinerseits bereits bei Energien von 9 eV durch DPI zerfällt. Allerdings konnte ein Peak im TPES des zyklischen Isomers aus einer früheren Messung eindeutig dem Propargylen zugeordnet werden. Ein Ausweg die DPI zu umgehen stellt die Verwendung eines anderen Vorläufers dar. Beispielsweise wurde dazu Propargylchlorid getestet, welches aber nicht das Propargylen erzeugt, sondern das zyklische Isomer Cyclopropenyliden. Daneben können durch ein Doppel-Imaging Experiment, bei dem die Ionen genauso wie die Elektronen mit einem bildgebenden Detektor aufgezeichnet werden, Ionen mit kinetischer Energie aus DPI von Ionen aus der Ionisation ohne kinetischer Energie unterschieden werden. • Von den substituierten Methyl-Radikalen Brommethyl sowie Cyanomethyl konnte die IEad (8.62 bzw. 10.28 eV) und vom Brommethyl die DPI (AE0K = 13.95 eV) bestimmt werden. Daraus konnte der Einfluss der Substituenten auf die IEad im Vergleich zum Methyl-Radikal (IE = 9.84 eV) gezeigt werden. Das zeigt, dass der Brom-Substituent das Kation, der Cyano-Rest dagegen das Radikal stabilisiert. Ebenso konnten aus den Ergebnissen beim Brommethyl thermodynamische Daten wie die Standardbildungsenthalpie des Radikals (ΔH0f= 174.5 kJ/mol) oder Bindungsenergien gewonnen werden. Letztere betragen 334 kJ/mol für die C-Br Bindung im Brommethyl-Radikal sowie 505 kJ/mol im Kation. • Das Fulvenallen (C7H6) wurde aus Phthalid durch Pyrolyse erzeugt und dessen IEad mit 8.22 eV bestimmt. Schwingungen konnten im Kation aufgelöst und zugeordnet werden. Außerdem konnte erstmals die IEad des Fulvenallenyl-Radikals (C7H5) mit 8.19 eV festgelegt werden. Im Vergleich zu früheren Messungen zeigte sich, dass aus Toluol in der Pyrolyse ebenfalls die beiden C7H5/C7H6 Isomere entstehen. Um verschiedene C7H5/C7H6 Isomere in einem Verbrennungsprozess zu unterscheiden, wäre es vorteilhaft, experimentell bestimmte Ionisierungsenergien von anderen Isomeren zu kennen.
N2  - In the present work several hydrocarbons have been studied for their intrinsic properties like photoionization, photodissociation or dissociative photoionization. These radicals and carbenes are important in several fields of research: combustion processes (Otto engine), refining processes in oil refineries, interstellar space or chemistry in the Earth’s atmosphere. Molecules like the ones presented in this work play an important role in all these fields of science. However, it poses a great challenge to produce and handle such reactive substances. An apparatus was modified to study the ethyl radical, an important intermediate e.g. in the production of ethylene, in more detail. This experiment allows to record the velocity distribution of the fragment ions, which are produced after excitation with laser light. In a first step this VMI machine was calibrated by the measurement of pyrrol’s photodissociation at an excitation wavelength of 240 nm. In a second step the setup was tested with the photodissociation of cycloheptatriene. Results obtained by Doppler fragment spectroscopy in this and older piece of work were confirmed. About 11 to 13 % of the excess energy are converted to translational energy of the H atom. • The ethyl radical’s photodissociation after excitation at 250 nm was quite interesting. This radical, being the first one studied with this VMI apparatus, showed two dissociation channels: One produces slow H-atoms with an isotropic distribution. This channel was known to the literature and explained by a redistribution of energy on the ground state potential energy surface after fast internal conversion. A second dissociation channel was also observed. Fast H atoms with an anisotropic distribution carry away the vast majority of excess energy. Considering some isotopic labeling experiments and rate constants of the dissoziation the explanation of the second channel is quite challenging. An interaction of Rydberg- and valence states could be a possible explanation. In the future, one can try to improve the resolution of the VMI-experiment in Würzburg further. Besides the results obtained with the VMI machine on the photodissociation some more results were obtained with the help of photoelectron VMI, synchrotron radiation and the TPEPICO imaging technique: The adiabatic ionization energy of propargylene - one of three C3H2 isomers - could be determined to be 8.99 eV. Its precursor diazopropyne could be synthesized, but it came out that this substance is very unstable. The experiments were carried out with synchrotron radiation. Because of the precursor’s DPI, the vibrations of the proparglyene cation could not be resolved. However, one peak could be explained in the threshold electron spectrum of cyclopropenylidene in an earlier experiment, which was assigned the propargylene. One way to circumvent the DPI is to use a different precursor. Therefore, propargyl chloride was tested. Unfortunately, it produced the cyclic isomer cyclopropenylidene. If a doubleimaging experiment would be used, in which ions and electrons are detected by VMI, one could distinguish ions with kinetic energy (by DPI) from those without kinetic energy. • The IEad of two substituted methyl radicals could be determined. The cyanomethyl (10.28 eV) and the bromomethyl radical (8.62 eV) showed differences in their photoionization compared to the methyl radical (9.84 eV). This shows the stabilization effect of the cyano substituent on the radical and of the bromine on the cation. The DPI of bromomethyl could be allocated to 13.95 eV. This allowed us to calculate thermodynamic data like the radical’s heat of formation (ΔH0f =174.5 kJ/mol) or dissociation energies of the C-Br bonding. The latter are 334 kJ/mol in the bromomethyl radical respectively 505 kJ/mol in the cation. • Fulvenallen (C7H6) was produced from phthalide by pyrolysis. The IEad of the stable species was determined to be 8.22 eV. A vibrational progression of the cation could be resolved and assigned. Furthermore, the IEad of the radical fulvenallenyl (C7H5) could be determined to be 8.19 eV. Compared to earlier results obtained on the pyrolysis products of toluene it showed that both C7H5/C7H6 isomers are produced. To distinguish different C7H5/C7H6 isomers in combustion processes, experimentally determined IEs of other isomers would be useful. Unfortunately, the precursors for these are connected to time-consuming synthesis. Although fulvenallenyl is of great interest for scientists, only little has been published in literature. Besides the photoionization, a VMI-experiment could allow a closer look on the photodissociation of this radical to verify and improve kinetic models and calculations in the near future. However, one has to know the properties of its excited states.
KW  - Radikal <Chemie>
KW  - Photodissoziation
KW  - Ionisationsenergie
KW  - REMPI
KW  - Synchrotron
KW  - Abstimmbarer Laser
KW  - Ultraviolettlaser
KW  - Laser
KW  - Pyrolyse
KW  - Velocity-Map-Imaging
KW  - dissoziative Photoionisation
KW  - Vakuum Jet-Flash Pyrolyse
KW  - Velocity-Map-Imaging
KW  - dissoziative Photoionisation
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75649
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schon, Christof
T1  - Spektroskopie an substituierten [2.2]Paracyclophanen
T1  - Spectroscopy of substituted [2.2]paracyclophanes
N2  - In dieser Arbeit wurde der elektronische Grundzustand und der erste angeregte Zustand sowie der Zustand des Ions von substituierten [2.2]Paracyclophanen untersucht. Um die Wechselwirkungen zwischen konjugierten pi-Systemen besser zu verstehen wurden die Moleküle mit Hilfe von Resonance Enhanced Multiphoton Ionization Spektroskopie (REMPI), VUV-Synchrotronstrahlung und quantenchemischen Rechnungen untersucht. Die Experimente wurden im Molekularstrahl durchgeführt. In den [1+1]-REMPI-Spektren von pseudo-para-Dibrom[2.2]paracyclophan, pseudo-para-Dicyano[2.2]paracyclophan, pseudo-ortho-Dicyano[2.2]paracyclophan, pseudo-para-Diphenyl[2.2]paracyclophan und pseudo-para-Di(trimethylsilyl)[2.2]paracyclophan wird ein kontinuierlicher Signalanstieg beobachtet. Individuelle Schwingungsbanden konnte nicht aufgelöst werden. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Schwingungszustände im S1-Zustand sehr eng beieinanderliegen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Untersuchung der hydroxysubstituierten [2.2]Paracyclophane pseudo-ortho-Dihydroxy[2.2]paracyclophan (o-DHPC), pseudo-para-Dihydroxy[2.2]paracyclophan (p-DHPC) und racemisches-4-Hydroxy[2.2]paracyclophan (MHPC). Die adiabatischen Ionisierungsenergien der Moleküle wurden aus der Ionenstromkurve mit Hilfe eines Wannier-Fits bestimmt: 7.56eV (o-DHPC), 7.58eV (p-DHPC) und 7.63eV (MHPC). In den Schwellenphotoelektronenspektren (TPES) werden Signalmodulationen im Photonenenergiebereich von 7.8-11eV beobachtet. Hierbei handelt es sich um angeregte Zustände des Kations. Bei ca. 10.5eV wird in den Spektren von allen drei hydroxysubstituierten Molekülen dissoziative Photoionisation (DPI) beobachtet. Hierbei werden die Bindungen zwischen den aliphatischen Kohlenstoff-Atomen gebrochen. Im [1+1]-REMPI-Spektrum des o-DHPCs wird der S1<-S0-Übergang bei 31483cm^-1 (3.903eV) beobachtet. Die berechnete adiabatische Anregungsenergie liegt bei 3.87eV (SCS-CC2). Der elektronische Ursprung des o-DHPCs ist +722cm^-1 blauverschoben im Vergleich zum unsubstituierten [2.2]Paracyclophan (PC). Im REMPI-Spektrum werden viele Schwingungsbanden beobachtet. Cluster des o-DHPCs mit Wasser werden ebenfalls beobachtet. Die elektronischen Ursprünge der Cluster mit Wasser sind rotverschoben im Vergleich mit dem Monomer. Im o-DHPC(H2O)-Cluster ist das Wassermolekül zwischen den beiden OH-Gruppen des Cyclophans über Wasserstoffbrückenbindungen fixiert. In den REMPI-Spektren des o-DHPCs und o-DHPC(H2O)-Clusters wird die Atmungsmode mit hoher Intensität beobachtet. Außerdem tritt eine Twist- und Tilt-Mode in den Spektren auf. Viele Kombinationsbanden der Atmungs, Twist- und Tilt-Mode werden in den Spektren beobachtet. Im [1+1]-REMPI-Spektrum des p-DHPCs werden nur kleine Signalmodulationen mit niedrigen Intensitäten im roten Spektralbereich im Vergleich mit dem Ursprung des o-DHPCs beobachtet. Bei der Anregung des p-DHPCs kommt es zu einer großen Änderung der Struktur. Dies führt dazu, dass die Franck-Condon-Faktoren für den S1<-S0-Übergang des p-DHPCs deutlich kleiner sind im Vergleich mit dem o-DHPC (1:10^7). Daher treten die Signale des p-DHPCs im REMPI-Spektrum nur mit geringer Intensität auf. Der Ursprung des S1<-S0 Übergangs des MHPCs wird im [1+1]-REMPI-Spektrum bei 30772cm^-1 (3.815eV) beobachtet. Die berechnete Anregungsenergie liegt bei 3.79eV (SCS-CC2). Im Vergleich zum unsubstituierten PC wird keine wesentliche Energieverschiebung des S1<-S0-Übergangs beobachtet. Im REMPI-Spektrum des MHPCs wird die Twist-Mode beobachtet. Die Banden zeigen eine inverse Anharmonizität. Die ab-initio-Rechnungen beschreiben die Potentialkurve des S1-Zustands mit einem Doppelminimum. Die Höhe der Barriere zwischen den beiden Minima hängt vom Basissatz ab. Empirisch wurde entlang der Twist-Mode ein flaches Potential bestimmt. Die aus diesem Potenzial resultierenden Banden und Intensitäten der Twist-Mode stimmen mit den experimentellen Beobachtungen sehr gut überein. Die [1+1]-REMPI-Spektren des MHPCs mit einem und zwei Wassermolekülen zeigen einen kontinuierlichen Signalanstieg. Einzelne Schwingungsbanden konnten unter den experimentellen Bedingungen nicht aufgelöst werden. Der Ursprung des MHPC-Clusters mit einem Wassermolekül beginnt bei ca. -180cm^-1 und mit zwei Wassermolekülen bei ca. -290cm^-1 im Vergleich mit dem Ursprung des Monomers.
N2  - This thesis examines the electronic ground state, first excited state and ion state of substituted [2.2]paracyclophanes. In order to unterstand the interactions between the two conjugated pi systems, the molecules were investigated by resonance-enhanced multiphoton ionization spectroscopy (REMPI), VUV-synchrotron radiation and quantum chemical calculations. The experiments were carried out in a supersonic jet. In the [1+1]REMPI spectra of pseudo-para-dibromo[2.2]paracyclophane, pseudo-para-dicyano[2.2]paracyclophane, pseudo-ortho-dicyano[2.2]paracyclophane, pseudo-para-diphenyl[2.2]paracyclophane and pseudo-para-di(trimethylsilyl)[2.2]paracyclophane, the signals are increasing almost continuously. Individual vibrational bands could not be resolved. This indicates that there are many closely spaced vibrational transitions. The main focus of this work was the examination of the hydroxysubstituted [2.2]paracyclophanes pseudo-ortho-dihydroxy[2.2]paracyclophane (o-DHPC), pseudo-para-dihydroxy[2.2]paracyclophane (p-DHPC) and racemic-4-hydroxy[2.2]paracyclophane (MHPC). The adiabatic ionization energies of the molecules were determined from a photoionization efficiency curve (PIE), using synchrotron radiation with a Wannier-type fitting procedure: 7.56eV (o-DHPC), 7.58eV (p-DHPC) and 7.63eV (MHPC). In the threshold photoelectron spectra (TPES), signal modulations were observed in the photon energy range of 7.8-11eV. These broad bands were assigned to excited states of the cation. At approximately 10.5eV, dissociative photoionization was observed in the spectra of all three hydroxysubstituted molecules and the bonds between the aliphatic carbon atoms were broken in [2.2]paracyclophanes. In the [1+1]REMPI spectrum of o-DHPC, the origin of the S1<-S0 transition lies at 31483cm^-1 (3.903eV). An adiabatic excitation energy of 3.87eV was computed on SCS-CC2 level. The electronic origin of o-DHPC is 722cm^-1 blue shifted in comparison with the unsubstituted [2.2]paracyclophane (PC). The REMPI spectra of o-DHPC-waterclusters were also recorded. The electronic origins of the clusters are red shifted in comparison with the monomer. In the o-DHPC(H2O)cluster, the water molecule is inserted between the two OH groups of the cyclophane via hydrogen bonds. The number of vibration bands is very high in the [1+1]REMPI spectra. Moreover, considerable activity in a breathing vibration is found in the S1 state of o-DHPC and o-DHPC(H2O). Further vibrations appear in the REMPI spectra of o-DHPC and o-DHPC(H2O) (twist mode and tilt mode). Many combination bands of the breathing, twist and tilt mode also occur in the spectra. In the [1+1]REMPI spectrum of p-DHPC, only small signal modulations with low intensities were observed in the red part, in comparison with the origin of o-DHPC. Drastic structural relaxation upon excitation was found in p-DHPC. Due to a strong structural change, the Franck-Condon factors of p-DHPC were found to be significantly smaller than those in o-DHPC (1:10^7). Therefore, only signals with low intensity were observed in the REMPI spectrum of p-DHPC. The origin of the S1<-S0 electronic transition was located at 30772cm^-1 (3.815eV) in the [1+1]REMPI spectrum of MHPC. The computed excitation energy on SCS-CC2 level is 3.79eV. In comparison with PC, no substantial energy shift of the S1<-S0 origin was observed. A significant geometry change upon electronic excitation indicated by the computations was confirmed by a twist and shift mode in the spectrum. The spacings of the twist bands show an inverse anharmonicity. The ab initio data predict a potential energy curve with a double minimum in the S1 state. The calculated barrier between the two minima depends on the basis set. A shallow potential along the twist coordinate was derived empirically. Good agreement of the resulting bands and intensities of the twist mode with experimental observations was achieved. The [1+1]REMPI spectra of MHPC with one and two water molecules show closely spaced transitions. Individual vibrational bands, however, could not be resolved under the experimental conditions. The signal onset in the cluster channel starts at approximately -180cm^-1 (one H2O) and -290cm^-1 (two H2O) to the red of the monomer origin.
KW  - Paracyclophane
KW  - REMPI
KW  - pi-pi-Wechselwirkung
KW  - Cyclophane
KW  - Photoionisation
KW  - Elektronische Anregung
KW  - Zwischenmolekulare Kraft
KW  - Gasphase
KW  - cyclophanes
KW  - photoionization
KW  - electronic excitation
KW  - pi-pi interaction
KW  - gas phase
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65374
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pfister, Johannes
T1  - On the correlation between the electronic structure and transport properties of [2.2]paracyclophanes and other aromatic systems
T1  - Über die Korrelation zwischen der elektronischen Struktur und den Transporteigenschaften von [2.2]Paracyclophan und anderen aromatischen Systemen
N2  - Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Untersuchungen zu Energie- und Ladungs-Transporteigenschaften in organischen Kristallen. Kapitel 4 behandelt Exzitonentransport in Anthracen bei dem der Fall einer schwachen Kopplung zwischen den π-Systemen vorliegt. Die elektronische Kopplung wird mit dem „monomer transition density“ (MTD) Ansatz berechnet. Aus den Kopplungen und Reorganisationsenergien werden mit der Marcus-Theorie Hüpfraten berechnet. Mit Kenntnis der Kristallstrukturen werden daraus in die experimentell zugänglichen Exzitonendiffusionslängen berechnet, deren isotroper Anteil im Rahmen der Streuung der experimentell zugänglichen Daten reproduziert werden. Auch die Anisotropie der Exzitonendiffusionslängen wird qualitativ und quantitativ im Rahmen der zu erwartenden Messgenauigkeit richtig wiedergegeben. Weiterhin enthält Kapitel 4 Untersuchungen zum Elektronen- und Lochtransport in den zwei verschiedenen Modifikationen (α und β) von Perylen. Reorganisationsenergien sowie Diffusionskonstanten wurden für beide beide Kristallstrukturen und Typen des Ladungstransports berechnet. Den besten Transport stellt dabei Lochtransport in β-Perylen dar, jedoch ist dieser stark isotrop. Die bevorzugte Transportrichtung is entlang der b-Achse der Einheitszelle mit elektronischen Kopplungen von größer als 100 meV. Allerdings gibt es hier keinerlei Lochtransport in Richtung der c-Achse. Die Diffusionskonstante in Richtung der b-Achse ist um zwei Größenordnungen größer als die in c-Richtung (62.7•10-6 m2/s vs. 0.4•10-6 m2/s). Der Ladungstransport wird sowohl für Löcher, als auch für Elektronen in beiden Perylenmodifikationen immer stark anisotrop berechnet. Um diese Resultate zu verifizieren wurden experimentelle Elektronenmobilitäten in α-Perylen mit den Simulationen verglichen. Es stellte sich eine sehr gute Übereinstimmung heraus mit Fehlern von nur maximal 27%. Wie oben gezeigt, ist es möglich Transporteigenschaften in zwischen schwach wechselwirkenden Systemen zu berechnen und zu messen. Allerdings ist es hier schwierig, die Güte der zu Grunde liegenden Kopplungsparameter genau anzugeben. Aus diesem Gunde wurde eine Zusammenarbeit über stark wechselwirkede Systeme zwischen uns sowie den Arbeitskreis von Prof. Ingo Fischer begonnen. Dort wurden [2.2]Paracyclophane und dessen Derivate untersucht um zu zeigen, wie Substitution mit Hydroxylgruppen deren Absorptionseigenschaften beeinflusst. Eine Kombination der SCS-MP2 und SCS-CC2-Methoden liefert hierbei insgesamt die besten Ergebnisse um die geometrischen und elektronischen Strukturen für Grund- und angeregte Zustände dieser Modellsysteme sowie deren Stammmolekülen Benzol und Phenol zu beschreiben. Strukturell weist nur [2.2]Paracyclophan im Grundzustand ein Doppelminimumspotenzial bzgl. Verschiebung und Verdrillung der Benzol/Phenol-einheiten untereinander auf. Alle anderen Systeme sind aufgrund ihrer Substitution weniger flexibel. Fast alle untersuchten [2.2]Paracyclophane zeigen nur geringe Strukturänderungen bei der Anregung in den S1 Zustand: Der Abstand zwischen den Ringen wird kürzer, aber qualitativ behalten sie ihre Verdrillung und Verschiebung bei, wenn auch das Ausmaß dieser Verzerrungen reduziert wird. Die Ausnahme hierbei ist p-DHPC, welches von einer verschoben Struktur im Grundzustand in eine verdrillte Struktur im angeregten Zustand übergeht. Dies hat zur Konsequenz, dass die Intensität des 0-0-Übergangs aufgrund der Franck-Condon Faktoren für p-DHPC experimentell nicht mehr beobachtet werden kann und von Verunreinigungen durch o-DHPC überdeckt wird. Die Strukturen der Paracyclophane und deren Änderung durch elektronische Übergänge werden in dieser Arbeit durch elektrostatische Potenziale sowie den antibindenen (bindenden) HOMO (LUMO) Orbitalen erklärt. Adiabatische Anregungsenergien wurden mit Nullpunktsschwingungsenergien korrigiert und liefern Genauigkeiten deren Fehler weniger als 0,1 eV beträgt. Hierbei ist zu beachten, dass eine Korrektur auf B3LYP Niveau die Ergebnisse verschlechtert und man die Berechnung der Schwingungsfrequenzen auf SCS-CC2 durchführen muss um diese Genauigkeit zu erhalten. Aufgrund dieser Rechnungen wurde eine Interpretation der experimentellen [1+1]REMPI Spektren möglich. Bandenprogressionen für die Schwingungen der Verschiebung, der Verdrillung und einer Atmung im [2.2]Paracyclophanskelett wurden identifiziert und zeigen gute Übereinstimmung zum Experiment. Diese Arbeiten zeigen, dass das Substitutionsschema von [2.2]Paracyclophanen eine erhebliche Auswirkung auf die spektroskopischen Eigenschaften haben kann. Da diese Eigenschaften direkt mit den Transporteigenschaften dieser Materialien verbunden ist, kann das hier gewonnene Verständnis der spektroskopischen Eigenschaften genutzt werden, um Materialien mit maßgeschneiderten Transporteigenschaften zu designen. Es konnte gezeigt werden, dass die SCS-CC2-Methode sehr gut geeignet ist, die zu Grunde liegende Wechselwirkung zwischen den π-Systemen vorherzusagen.
N2  - The present work presents investigations on energy and charge transport properties in organic crystals. Chapter 4 treats exciton transport in anthracene, which is an example for weakly coupled π-systems. The electronic coupling parameter is evaluated by the monomer transition density approach. With these and the reorganization energy hopping rates are calculated in the framework of the Marcus theory. Together with the knowledge of the crystal structure, these allow us to calculate the experimental accessible exciton diffusion lengths, whose isotropic part fits nicely within the scattering of experimental values found in the literature. Furthermore, the anisotropy of the exciton diffusion lengths is reproduced qualitatively and quantitatively correct. This chapter also contains studies about electron and hole transport in both polymorphs (α and β) of perylene. Reorganization energies as well as diffusion coefficients for both crystal structures and types of charge transport were calculated. The best transport is hole transport in β-perylene, but it is strongly isotropic. The preferred transport direction is along the b-axis of the unit cell with couplings of greater than 100 meV. However, there is no transport along the c-axis. The diffusion constant in b-direction is bigger by two orders of magnitude than in c-direction (62.7•10-6 m2/s vs. 0.4•10-6 m2/s). Charge transport is calculated to be strongly anisotropic for holes as well as electrons in both modifications. To verify these results experimental electron mobilities have been compared to the simulations. Good agreement was found with errors of less than 27%. As it was shown above, the calculation and measurement of transport properties between weakly coupled systems is possible. However, it is difficult to exactly determine the quality of the electronic coupling. For this reason a collaboration about strongly interacting π-systems was started between us and the research group of Prof. Ingo Fischer. There, [2.2]paracyclophanes and its derivates were investigated to show how hydroxyl substitution influences absorption properties. Overall, a combination of SCS-MP2 and SCS-CC2 performs best to address the description of geometric and electronic structures for both ground and excited states of these model systems as well as their parent compounds benzene and phenol. Only [2.2]paracyclophane shows a double minimum potential regarding a twist and shift motion between the benzene/phenol subunits towards each other. All other systems are less flexible due to their substitution pattern. Almost all [2.2]paracyclophanes display minor changes in their geometric structure upon excitation to the S1 state: The inter-ring distance shortens, but qualitatively they keep their shift and twist characteristics, although the extent of these deformations diminishes. The exception is p-DHPC, which turns from a shifted ground state structure into a twisted excited state structure. Consequently, the intensity of the 0-0 transition cannot be observed experimentally due to small Franck-Condon factors and impurities of o-DHPC. In the present thesis, the structures and their changes due to excitation are explained by electrostatic potentials as well as antibonding (bonding) HOMO (LUMO) orbitals. Adiabatic excitation energies have been corrected by ZPEs and result in accuracies with errors smaller than 0.1 eV. Note that corrections on the B3LYP level worsen the results and one has to apply SCS-CC2 to achieve this accuracy. These calculations allow an interpretation of the experimental [1+1]REMPI spectra. Band progressions of the twist, shift and breathing of the [2.2]paracyclophane skeleton vibrations have been identified and show good agreement to the experiment. This work shows that the substitution pattern in [2.2]paracyclophanes can have a significant impact on spectroscopic properties. Because these properties are directly linked to the transport properties of these materials, the hereby gained insight can be used to design materials with customized transport properties. It was shown that the SCS-CC2 method is very appropriate to predict the interaction between the π-systems
KW  - Ladungstransport
KW  - Exziton
KW  - Paracyclophane
KW  - Exzitonentransport
KW  - schwach gekoppelte Regime
KW  - Anthracen
KW  - Theoretische Chemie
KW  - REMPI
KW  - Coupled Cluster
KW  - MP-Störungstheorie
KW  - PI-System
KW  - exciton transport
KW  - weak coupling regime
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65362
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zierhut, Matthias
T1  - Wasserstoffatomdynamik in Radikalen, Clustern und Biomolekülen
T1  - Hydrogen atom dynamics in radicals, clusters and biomolecules
N2  - Die Untersuchung der molekularen Dynamik elektronisch angeregter Moleküle stand im Zentrum dieser Arbeit. In vielen Fällen ist die Dynamik dieser Zustände mit einer Bewegung von Wasserstoffatomen assoziiert. Mittels zeit- und frequenzaufgelöster Photofragmentspektroskopie lassen sich Aussagen über die Energieumverteilung während der Dissoziation und über die Geschwindigkeit der Wasserstoffatomabstraktion treffen. Die Ergebnisse solcher Messungen können als Grundlage für die Diskussion der molekularen Reaktionsdynamik und als Prüfstein für theoretische Berechnungen dienen. Theoretische Vorhersagen weisen der Wasserstoffatomdynamik eine enorme Bedeutung für die Photochemie von Biomolekülen zu. Unter den Biomolekülen nimmt die Untersuchung der Photochemie und der Photophysik isolierter DNA-Basen eine herausragende Stellung ein. Diese Untersuchungen sind dabei stark von der Hoffnung auf ein besseres Verständnis der Entstehung von Strahlungsschäden motiviert, die letztendlich zu Hautkrebs führen können. Die Frage, ob jeder Baustein der DNA potentiell photostabil ist, wurde im Rahmen dieser Arbeit für die DNA-Base Adenin untersucht. Die Experimente erfolgten an isolierten Molekülen in der Gasphase, so dass es möglich war, die intrinsischen Eigenschaften von Adenin zu untersuchen. Es konnte dabei gezeigt werden, dass Adenin nach Bestrahlung mit UV-Licht vornehmlich das N9-H-Wasserstoffatom abspaltet und diese Abspaltung extrem schnell verläuft. Dies steht in Einklang mit einem Deaktivierungsprozess über eine repulsive Potentialkurve, wie er theoretisch vorhergesagt worden war. In natürlicher Umgebung, d.h. in wässriger Lösung, sind Wasserstoffatome, die in der Gasphase unter UV-Stress abdissoziieren, in Wasserstoffbrückenbindungen zu Solvensmolekülen oder in das Makromolekül eingebunden. Daher kann Bestrahlung zu Wasserstoffatom- oder Protonentransfer führen. Die Frage, ob nach UV-Anregung photoacide Verbindungen wie Phenol oder Naphthol ein Wasserstoffatom oder ein Proton an Solvensmoleküle übergeben, steht derzeit im Mittelpunkt lebhafter wissenschaftlicher Diskussion. Für das Verständnis der Photoacidität ist die Kenntnis der Schwingungsstruktur, v.a. der intermolekularen Schwingungen, von Phenol- bzw. Naphthol-Wasser-Clustern unerlässlich. Für den Naphthol/(H2O)1-Cluster konnten für den ersten elektronisch angeregten Zustand alle intermolekularen in plane Schwingungen nachgewiesen werden. Wasserstoffatomdynamik ist nicht nur für geschlossenschalige Biomoleküle wie Adenin oder wasserstoffbrückengebundene Cluster von Bedeutung, sondern auch für offenschalige organische Radikale. Alkylradikale sind dabei als reaktive Intermediate u.a. in chemischenVerbrennungsprozessen äußerst wichtig. Für das hier untersuchte tert-Butylradikal konnte ein Wasserstoffverlust beobachtet werden. Dieser verlief bei niedrigen Anregungsenergien gemäß statistischer Vorhersagen, bei höheren Anregungsenergien jedoch deutlich langsamer als aus einfachen statistischen Modellen zu erwarten wäre. Diese Ergebnisse könnten sich mit einem bisher nicht identifizierten elektronischen Zustand erklären lassen, der eine Rolle in der Photochemie bzw. Photodissoziationsdynamik spielt und möglicherweise von allgemeiner Bedeutung für die Photophysik von Alkylradikalen ist. Zukünftige Arbeiten werden die Untersuchungen der Wasserstoffatomdynamik der im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Systeme vertiefen und auf weitere relevante Moleküle (Thymin, Cytosin, Guanin, Uracil, primäre und sekundäre Alkylradikale) ausdehnen.
N2  - The investigation of the molecular dynamics of electronically excited molecules was the main subject of this work. The dynamics of these states is often associated with a motion of hydrogen atoms. Time- and frequency-resolved H-atom photofragment spectroscopy is able to provide information about the energy redistribution during the dissociation and about the rate of the hydrogen abstraction. The results of such measurements can be used as a basis for the discussion of molecular reaction dynamics and for testing theoretical calculations. Theoretical predictions assume, that the dynamics of hydrogen atoms is very important for the photochemistry of biomolecules. Among biomolecules the investigation of the photochemistry and photophysics of isolated DNA-bases is of outstanding importance. The investigations are motivated by the hope to understand better, how radiation damage takes place that finally leads to skin cancer. The question, whether every building block of the DNA is itself photostabile, was studied in the case of adenine. Within this work the photodissociation dynamics of the DNA base adenine was investigated. The experiments were carried out on isolated molecules in the gas phase, which allowed to study the intrinsic properties of adenine. It was shown that adenine looses preferentially the N9-hydrogen atom upon UV-irradation and that the dissociation is extremely fast. These results are consistent with a decay mechanism proceeding via a repulsive potential energy curve as theoretically predicted. In natural environment, i.e. in aqueous solution, the H-atoms that dissociate in the gas phase upon UV-irridation are bound via hydrogen bonds to the solvent molecules or to neighbouring building blocks like in the case of DNA bases. Thus UV excitation can lead to H-atom or proton transfer reactions. The question, whether photoacidic molecules like phenol or naphthol give a H-atom or a proton to the solvent, is a topic of current interest. To understand photoacidity the knowledge of the vibrational structure of phenol or naphthol clusters, in particular the intermolecular vibrations, is essential. For the naphthol/(H2O)1 cluster all of the inter-molecular in plane vibrations of the first electronic excited state were identified. H-atom or proton transfer dynamics is not only relevant in biomolecules or hydrogen-bonded clusters, but also in open shell organic radicals. Alkyl radicals are for example important intermediates in combustion processes. For the tert-butyl radical studied here, hydrogen loss was observed. At low excitation energies the rates of the H-atom loss were in agreement with statistical predictions, however at higher energies the rates were slower than expected from statistical considerations. These results might be explained with a still unidentified electronic state that plays a role in the photochemistry and photodissociation dynamics. It could also be possible that this state is of general importance for the photophysics of alkyl radicals. Future work will provide a deeper insight in the H-atom dynamics of the molecules examined within the scope of this work and extend to other relevant molecules (thymine, cytosine, guanine, uracile, primary and secondary alkyl radicals).
KW  - Wasserstoffatom
KW  - Molekulardynamik
KW  - REMPI
KW  - ZEKE
KW  - SHB
KW  - Photodissoziation
KW  - REMPI
KW  - ZEKE
KW  - SHB
KW  - photodissociation
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11941
ER  -