TY  - THES
A1  - Rützel, Stefan
T1  - Pulse-Sequence Approaches for Multidimensional Electronic Spectroscopy of Ultrafast Photochemistry
T1  - Pulssequenzmethoden zur multidimensionalen elektronischen Spektroskopie ultraschneller Photochemie
N2  - Observing chemical reactions in real time with femtosecond laser pulses has evolved into a very popular � field of research since it provides fascinating insights into the nature of photochemical transformations. Nevertheless, many photochemical reactions are still too complex for which reason the underlying mechanisms and all engaged species cannot be identi� fied thoroughly. In these cases, conventional time-resolved spectroscopy techniques reach their technical limits and advanced approaches are required to follow the conversion of reactants to their products including all reaction intermediates.

The aim of this work was therefore the development of novel methods for ultrafast spectroscopy of photoreactive systems. Though the concept of coherent multidimensional spectroscopy has so far exclusively been used to explore photophysical phenomena, it also offers great potential for the study of photochemical processes due to its capability of extracting spectroscopic information along several frequency dimensions. This allows resolving the photochemical connectivity between various interconvertible molecular species with ultrafast temporal resolution on the basis of their absorption and emission properties as the spectral correlations are explicitly visualized in the detected spectra.

The ring-open merocyanine form of the photochromic compound 6-nitro BIPS was studied in Chap. 4 of this work. Merocyanines and their associated ring-closed spiropyrans are promising candidates for future applications as, for instance, molecular electronics or optical data storage due to their unique property of being switchable between two stable con� gurations via light illumination. Transient absorption with sub-50 fs temporal resolution and broadband probing was employed to characterize the photodynamics of this system with variable excitation wavelengths. Using global data analysis, it could be inferred that two different merocyanine isomers with differing excited-state lifetimes exist in solution. These isomers differ in the cis/trans con� guration in the last bond of the methine bridge. The minority of isomers exist in the all-trans con� guration (TTT) while the isomer with a cis con� guration of the third dihedral angle (TTC) is dominant. A characteristic band, detected after long pump-probe delays, was attributed to the unidirectional cis->trans photoisomerization reaction of the TTC to the TTT form. The quantum yield of the reaction was estimated to be (18� +-4) %. In addition, pronounced coherent vibrational wave-packet oscillations were observed and it was concluded that these signatures are related to the product formation.

Coherent two-dimensional electronic spectroscopy was successfully implemented using a partially collinear pump-probe beam geometry in combination with a femtosecond pulse shaper. The use of a whitelight probe continuum enabled us to probe contributions far-off the diagonal over the complete visible range. By properly adjusting the relative phase between the � first two laser pulses with the pulse shaper, the principle of phase-cycling was explained and it was demonstrated that the measurement can be carried out in the so-called "rotating frame" in which the observed frequencies detected during the coherence time are shifted to lower values. It was shown that these concepts allow the extraction of the desired background-free photon echo while the amount of necessary data points is highly reduced.

In order to put our proposal of multidimensional spectroscopy of photoreactive systems into practice, third-order two- and three-dimensional spectroscopy was then employed for an in-depth analysis of a photoreactive process, in which the photoisomerization of 6-nitro BIPS served as a model system. The measured two-dimensional spectra revealed the cis->trans photoisomerization after long population times. By collecting a large data set of two-dimensional spectra for short population times and by applying a Fourier transform along the population time axis, the third-order three-dimensional spectrum was obtained. The novelty of this approach compared to coherent two-dimensional spectroscopy is the introduction of a third axis associated with the vibrational frequencies of the molecular system. In this way, the formation of the reaction product was evidenced and it was shown that the product is formed in its fi� rst excited singlet state within 200 fs after excitation. This method hence visualizes the photochemical connections between different reactive molecular species in an intuitive manner and further exposes the normal modes connecting reactant and product. Such conclusions cannot be drawn with conventional third-order techniques such as transient absorption since they are
not capable of capturing the full third-order response, but only a subset of it. The reaction mechanism and the role of the observed vibrational modes were uncovered by comparing the experimental data with the results of high-level quantum-chemical calculations performed by our collaborators in the group of Prof. B. Engels from the
theoretical chemistry department at the University of Würzburg. Specifi� c calculated molecular normal modes could be assigned to the experimentally observed vibrational frequencies and potential energy surfaces of the electronic ground state and of the � first excited state were computed. The technique implemented in this chapter is general and is applicable for the time-resolved analysis of a wide range of chemical reaction networks.

In the fi� rst part of Chap. 5, coherent two-dimensional spectroscopy was employed to track the reaction paths of the related 6,8-dinitro BIPS after S1 excitation. Several differences to the photochemical properties of 6-nitro BIPS were found. From the 2D spectra, the cis-trans isomerization between the two merocyanine isomers could be excluded as a major reaction path for this compound. To explore the dynamics after reexcitation to higher-lying electronic states, pump-repump-probe spectroscopy was implemented and the formation of a new species, a radical cation, was observed. To identify the precursor isomer, triggered-exchange two-dimensional spectroscopy, a � fifth-order technique previously only available in the infrared regime for vibrational transitions, was implemented for the fi� rst time for electronic excitations in the visible. This approach combines the properties of the pump-repump-probe technique with the potential of coherent two-dimensional spectroscopy. It correlates the absorption frequency of a reactive molecular species with the emission signatures of the product formed from this species after an additional absorption of a photon. Using this method, it was unambiguously proven that only the TTC isomer reacts to the radical cation thus forming the precursor species of the reaction. Electronic triggered-exchange two-dimensional spectroscopy is hence another improved technology for time-resolved spectroscopy with applications in the study of multistep photoreactions and higher-lying electronic states. While in the two preceding chapters third- and � fifth-order experiments were discussed that neglect the vectorial character of light-matter interactions, Chap. 6 focused on a novel theoretical formalism enabling the description of light fi� elds optimized for polarization-sensitive higher-order nonlinearities. This formalism is based on the von Neumann time-frequency representation of shaped femtosecond laser pulses which permits the defi� nition of multipulse sequences on a discrete time-frequency lattice. Hence, not only the temporal spacing between subpulses is adjustable, but also the center frequencies may be adapted such that they � fit the experimental requirements. This method was generalized to the description of pulse sequences with time-varying polarization states. It was shown that by using this description, the polarization ellipticity, orientation angle, relative phase and intensity, and the time-frequency location of each subpulse is explicitly controllable. The accuracy of the transformations from Fourier space to von Neumann domain and vice versa was demonstrated. Moreover, a strict accordance between the von Neumann polarization parameters with the conventional parameters in time domain was found for well separated subpulses. A potential future application of this approach is polarization-sensitive multidimensional spectroscopy in which hidden cross peaks may be isolated by de� fining the pulses in the von Neumann picture with suitable polarization sequences. This method could also be used in quantum control experiments in which the polarization of the light fi� eld is used as a major control knob.

This thesis summarizes our efforts to open the � field of femtochemistry to the concept of coherent multidimensional electronic spectroscopy. Making use of femtosecond pulse shaping, sub-50 fs temporal resolution, broadband spectral probing, higher-order nonlinearities, and new types of laser pulse descriptions, the presented methods might stimulate further future advancements in this research area.
N2  - Mit Hilfe von Femtosekundenlaserpulsen lassen sich chemische Reaktionen in Echtzeit beobachten, was sich zu einem äußerst populären Forschungsgebiet entwickelt hat, welches faszinierende neue Einblicke in die Natur von photochemischen Transformationen ermöglicht. Nichtdestotrotz sind nach wie vor viele photochemische Reaktionen zu komplex, um die zugrunde liegenden Mechanismen entschlüsseln und alle beteiligten Spezies einwandfrei identifizieren zu können. In diesen Fällen stoßen die konventionellen zeitaufgelösten Techniken an ihre Grenzen, sodass verbesserte Ansätze notwendig sind um der Konversion der Edukte zu den Produkten mit allen reaktiven Zwischenprodukten in Gänze folgen zu können.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war deshalb die Entwicklung neuartiger Methoden in der Ultrakurzzeitspektroskopie photoreaktiver Systeme. Obwohl das Konzept der kohärenten multidimensionalen Spektroskopie bisher ausschließlich zur Erforschung photophysikalischer Phänomene eigesetzt wurde, birgt es angesichts seiner Fähigkeit, spektroskopische Informationen entlang mehrerer Frequenzachsen zu extrahieren, auch großes Potenzial für die Untersuchung photochemischer Prozesse. Diese Eigenschaft ermöglicht die Auflösung des photochemischen Austauschs zwischen untereinander verknüpften molekularen Spezies durch ihre Emissions- und Absorptionseigenschaften, da die spektralen Korrelationen in den gemessenen Spektren unmittelbar visualisiert werden.
In Kap. 4 dieser Arbeit wurde die ringgeöffnete Merocyaninform der photochromen Verbindung 6-nitro BIPS untersucht. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaft, durch Lichteinstrahlung zwischen zwei stabilen Konfigurationen umschalten zu können, sind Merocyanine und ihre assoziierten ringgeschlossenen Spiropyrane vielversprechende Kandidaten für zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik und der optischen Datenspeicherung. Die Photodynamiken dieses Systems wurden mit Hilfe der transienten Absorptionstechnik mit einer zeitlichen Auflösung von unter 50 fs und spektral breitbandiger Abfrage charakterisiert. Die globale Datenanalyse ergab hierbei, dass in Lösung zwei unterschiedliche Merocyaninisomere mit unterschiedlichen Lebensdauern der angeregten Zustände vorliegen. Diese Isomere unterscheiden sich in der cis/trans-Anordnung der letzten Bindung der Methinbrücke. Hierbei stellt das Isomer mit trans-trans-trans Konfiguration (TTT) die Minderheit dar, während die Mehrzahl der Moleküle eine cis-Stellung im dritten Diederwinkel aufweist (TTC). Eine charakteristische spektrale Bande, welche nach langen Pump-Probe-Verzögerungszeiten detektiert wurde, konnte der einfachgerichteten cis->trans Photoisomerisierungsreaktion der TTC Form zum TTT zugeordnet werden. Die Quantenausbeute dieser Reaktion wurde auf (18+-4) % bestimmt. Darüber hinaus wurden stark ausgeprägte Oszillationen eines kohärenten Vibrationswellenpakets beobachtet wobei geschlussfolgert wurde, dass diese Signaturen mit der Entstehung des Reaktionsprodukts zusammenhängen.
Die Technik der kohärenten zweidimensionalen elektronischen Spektroskopie wurde auf Basis einer partiell kollinearen Pump-Probe Strahlgeometrie und in Kombination mit einem Femtosekundenpulsformer erfolgreich implementiert. Dabei ermöglichte die Verwendung eines Weißlichtkontinuums als Abfragepuls auch die Erfassung von Beiträgen, welche weit entfernt von der Diagonalen lokalisiert sind und sich über den gesamten sichtbaren Spektralbereich erstrecken. Durch eine geeignete Anpassung der relativen Phase zwischen den ersten beiden Laserpulsen mit Hilfe des Pulsformers konnte das Prinzip des „phase cyclings" umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde demonstriert, dass die Messung im sogenannten „rotating frame" durchgeführt werden kann wobei die Oszillationsfrequenzen, welche während der Kohärenzzeit detektiert werden, zu niedrigeren Werten verschoben werden. Es wurde gezeigt, dass mit diesen Konzepten das erwünschte hintergrundfreie Photonenecho extrahiert und darüber hinaus das Signal mit einer deutlich niedrigeren Anzahl an notwendigen Datenpunkten erfasst werden kann.
Um unsere Idee der multidimensionalen Spektroskopie an photoreaktiven Systemen in die Praxis umzusetzen, wurde anschließend die zwei- und dreidimensionale Spektroskopie dritter Ordnung zur eingehenden Untersuchung eines photoreaktiven Prozesses angewandt, wobei die Photoisomerisierungsreaktion von 6-nitro BIPS als Modellreaktion herangezogen wurde. Die gemessenen zweidimensionalen Spektren offenbarten unmittelbar die cis->trans Photoisomerisierung nach längeren Populationszeiten. Das dreidimensionale Spektrum dritter Ordnung konnte generiert werden, indem ein großer Datensatz an zweidimensionalen Spektren für kleine Populationszeiten aufgenommen und anschließend die Fouriertransformation entlang der Populationszeitachse bestimmt wurde. Die Neuartigkeit dieses Verfahrens besteht darin, dass eine dritte Achse eingeführt wird, welche mit der Schwingungsfrequenz des molekularen Systems assoziiert ist. Dadurch konnte die Entstehung des Reaktionsprodukts eindeutig belegt werden. Außerdem konnte so gezeigt werden, dass es innerhalb von 200 fs im ersten angeregten Singulettzustand erzeugt wird. Somit vermag diese Methode einerseits die photochemischen Beziehungen zwischen unterschiedlichen reaktiven Spezies auf intuitive Art und Weise zu visualisieren und andererseits ermöglicht sie die Enthüllung derjenigen Normalschwingungen, welche Edukt und Produkt miteinander verbinden. Derartige Schlussfolgerungen können nicht mit konventionellen Techniken dritter Ordnung, wie beispielsweise der transienten Absorption, gezogen werden, da sie nicht in der Lage sind die vollständige Antwortfunktion dritter Ordnung, sondern lediglich ein Teil davon, zu erfassen. Durch Abgleich der experimentellen Daten mit den Resultaten von umfassenden quantenchemischen Berechnungen unserer Kollaborationspartner der Gruppe von Prof. B. Engels aus dem Fachbereich der theoretischen Chemie der Universität Würzburg, konnten der Reaktionsmechanismus sowie die Rolle der beobachteten Vibrationsmoden entschlüsselt werden. Dabei konnten spezifische berechnete Normalschwingungen den experimentell beobachteten Frequenzen zugeordnet und die Potentialhyperflächen des elektronischen Grundzustands und des ersten angeregten Zustands bestimmt werden. Die Technik, welche in diesem Kapitel eingesetzt wurde, ist universell und zur zeitaufgelösten Untersuchung einer großen Zahl an chemischen Reaktionsnetzwerken anwendbar.
Im ersten Teil von Kap. 5 wurden die Reaktionspfade der sehr ähnlichen Verbindung 6,8-dinitro BIPS nach S1-Anregung mittels kohärenter zweidimensionaler Spektroskopie untersucht. Dabei zeigten sich zahlreiche Unterschiede zu den photochemischen Eigenschaften von 6-nitro BIPS. Auf Basis der 2D Spektren konnte für diese Verbindung die cis-trans Isomerisierung zwischen den beiden Merocyaninisomeren als bedeutender Reaktionspfad ausgeschlossen werden. Zur Erforschung der Dynamik nach der Wiederanregung in höher angeregte elektronische Zustände, wurde die Anrege-Wiederanrege-Abfrage Spektroskopie implementiert, wobei die Bildung einer neuen Spezies – des
Radikalkations – beobachtet wurde. Zur Identifikation des Vorläuferisomers wurde die Technik der zweidimensionalen Spektroskopie mit ausgelöster Umwandlung ("triggered-exchange 2D", TE2D) erstmals mit elektronischen Anregungen im Sichtbaren realisiert. Bisher stand diese Technik ausschließlich im infraroten Spektralbereich für Vibrationsübergänge zur Verfügung. Diese Methode vereinigt die Eigenschaften der Anrege-Wiederanrege-Abfrage Technik mit dem Leistungsvermögen der kohärenten zweidimensionalen Spektroskopie. Sie stellt die Korrelation zwischen der Absorptionsfrequenz einer reaktiven molekularen Spezies mit der Emissionssignatur eines Produkts dar, welches von der ersten Spezies durch die zusätzliche Absorption eines weiteren Photons erzeugt wurde. Durch die Zuhilfenahme dieser Methode konnte eindeutig gezeigt werden, dass nur das TTC Isomer zum Radikalkation reagiert, weshalb es somit als Vorläuferisomer der Reaktion aufgefasst werde kann. Die elektronische TE2D Spektroskopie stellt somit eine weitere verbesserte Technologie in der zeitaufgelösten Spektroskopie mit möglichen Anwendungen bei der Untersuchung von mehrstufigen Photoreaktionen und höher angeregten elektronischen Zuständen dar.
Während in den beiden vorhergehenden Kapiteln Experimente dritter und fünfter Ordnung unter Vernachlässigung des vektoriellen Charakters von Licht-Materie-Wechselwirkungen diskutiert wurden, befasste sich Kap. 6 mit einem neuartigen theoretischen Formalismus, welcher die Beschreibung von Lichtfeldern ermöglicht, welche für polarisationssensitive Nichtlinearitäten höherer Ordnung optimiert sind. Dieser Formalismus basiert auf der von Neumann Zeit-Frequenz Darstellung von geformten Laserpulsen, welche es gestattet, Mehrfachpulssequenzen auf einem diskreten Zeit-Frequenz Gitter zu definieren. Somit kann nicht nur der zeitliche Abstand zwischen den Teilpulsen eingestellt, sondern auch die Zentralfrequenz derart angepasst werden, dass sie den experimentellen Ansprüchen gerecht wird. Diese Methode wurde für die Beschreibung von Pulsformen mit einem zeitabhängigen Polarisationsprofil verallgemeinert. Es wurde gezeigt, dass mit Hilfe dieser Darstellung die Elliptizität, der Orientierungswinkel, die relative Phase und Intensität der Polarisationsellipse, sowie die Zeit-Frequenz Position jedes einzelnen Teilpulses explizit kontrolliert werden können. Die Genauigkeit der Transformationen vom Fourier- in den von Neumann Raum und wieder zurück wurde demonstriert. Überdies wurde festgestellt, dass im Falle von deutlich getrennten Teilpulsen die von Neumann Parameter exakt mit den konventionellen Polarisationsparametern im Zeitraum übereinstimmen. Eine der möglichen zukünftigen Anwendungen dieser Methode ist die polarisationssensitive multidimensionale Spektroskopie, mit deren Hilfe verborgene Cross Peaks durch die Definition der Pulssequenz in der von Neumann Darstellung unter Verwendung geeigneter Polarisationsabfolgen isoliert werden können. Dieser Formalismus könnte außerdem bei Quantenkontrollexperimenten Anwendung finden, bei denen die Polarisation des Lichtfelds der entscheidende Kontrollparameter darstellt.
Diese Dissertation fasst unsere Bemühungen zusammen, das Feld der Femtochemie auch für das Konzept der multidimensionalen Spektroskopie zu eröffnen. Durch die Verwendung der Femtosekundenpulsformung, einer zeitlichen Auflösung von unter 50 fs, spektral breitbandiger Abfrage, Nichtlinearitäten höherer Ordnung sowie das Ausnutzen neuartiger Beschreibungen von Laserpulsen könnten die präsentierten Methoden Anreize für weitere zukünftige Entwicklungen auf diesem Forschungsgebiet schaffen.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - femtosecond spectroscopy
KW  - multidimensional spectroscopy
KW  - ultrafast photochemistry
KW  - quantum control
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Ultraschnelle Photochemie
KW  - Quantenkontrolle
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-98993
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rudolf, Philipp Benjamin
T1  - Uncovering photoinduced chemical reaction pathways in the liquid phase with ultrafast vibrational spectroscopy
T1  - Untersuchungen von photoinduzierten chemischen Reaktionspfaden in flüssiger Phase mittels ultraschneller Schwingungsspektroskopie
N2  - The experimental technique predominantly employed within the scope of this Thesis constitutes one subarea of femtochemistry: the time-resolved spectroscopy of photoin-
duced chemical reactions in the liquid phase by means of molecular signatures in the mid-infrared (MIR) spectral range. Probing transient vibrational states, i.e., dynamic
changes in the vibrational motion of speci� c molecular subunits or functional Groups allows for a distinct separation and assignment of measured signals to emerging molecular species. For this purpose, one key building block is indispensable, which most of the investigations carried out within the � eld of femtochemistry have in common: a coherent light source delivering ultrashort laser pulses with a temporal duration that matches the femtosecond time scale on which molecular motions typically occur. This instrumentation enables the observation of photoinduced chemical reactions from the
starting point|the excitation event to the appearance of intermediates to the nal formation of stable photoproducts after several pico- or nanoseconds.
This work comprises the acquisition and presentation of time-resolved spectroscopic data related to promising molecular systems upon photoexcitation as well as the im-
plementation and testing of experimental optical techniques both for the presented experiments but as well for experiments conceivable in the future. In addition, linear spectroscopy measurements and quantum-chemical simulations on the emerging chemical species have been carried out. In so doing, the primary processes and subse-
quently emerging reaction products of two compounds on a timescale of several nanoseconds after photoexcitation have been elucidated in great detail. Both compounds, the
[Mn(CO)3(tpm)]+ (tpm = tris(2-pyrazolyl)methane) CO-releasing molecule (CORM) and the 5-diazo Meldrum's acid (DMA), are of academic interest but in addition belong
to molecular classes that might be utilized in the near future as dark-stable prodrugs under physiological conditions or that are already utilized in industrial chemistry procedures, respectively. The � ndings of both studies gave rise to implement and examine two techniques for prospective transient absorption experiments, namely the shaping and characterization of ultraviolet (UV) laser pulses and the recording of two-photon excitation spectra. Beyond that, since each of the depicted experiments is based on the detection of weak transient absorption signals in the MIR spectral region, two dif-
ferent detection schemes, via chirped-pulse upconversion (CPU) on the one hand and via direct multichannel MCT detection on the other hand, have been juxtaposed at the
conclusion of this work. Since both techniques are suitable in femtosecond pump-probe measurements but thereby exhibit individual strengths and weaknesses, a comparative study provides clari� cation of the respective pros and cons. The � first study introduced within this work investigates the complex photochemistry
of DMA, a photoactive compound used in lithography and industrial chemistry. By femtosecond MIR transient absorption spectroscopy covering several nanoseconds, the
light-induced dynamics and ultrafast formation of several photoproducts from the manifold of reaction pathways have been disclosed to form a coherent picture of the overall
reaction scheme. After UV excitation of DMA dissolved in methanol to the second excited state S2, 70% of excited molecules relax back to the S0 ground state. In compet-
ing processes, they can either undergo an intramolecular Wolff rearrangement to form ketene, which reacts with a solvent molecule to an enol intermediate and further to carboxylate ester, or they � rst relax to the DMA S1 state, from where they can isomerize to a diazirine. The third competing reaction channel, having the lowest quantum efficiency with respect to the � rst two channels, is the formation of a singlet carbene out of the S1 state. From there an ylide can arise or, via an intersystem crossing, the triplet form of the carbene follows. Whereas the primary reaction steps occur on a picosecond timescale, the subsequently arising intermediates and stable photoproducts are formed
within a few hundreds to thousands of picoseconds. For a reliable identi� cation of the involved compounds, density functional theory calculations on the normal modes and
Fourier-transform infrared spectroscopy of the reactant and the photoproducts in the chemical equilibrium accompany the analysis of the transient spectra. Additional experiments in ethanol and isopropanol led to slight spectral shifts as well as elongated time
constants due to steric hindrance in transient spectra connected with the ester Formation channel, further substantiating the assignment of the occurring reaction pathways and photoproducts.
The study demonstrated that the combination of linear and time-resolved spectroscopic measurements in conjunction with quantum-chemical calculations constitutes a powerful tool to unravel even highly complex photoreactions exhibiting multiple consecutive intermediate states within parallel reaction pathways. Although some of the individual reaction steps, for example the ketene formation via Wolff rearrangement, have been observed on ultrashort time scales before, this work encompassed the Observation of the whole set of appearing photoproducts of DMA in different alcohol solutions within several nanoseconds. In this sense, the ultrafast photochemistry of DMA represents a prototype example for a multisequential reaction scheme, elucidated by the capabilities of femtosecond MIR spectroscopy.
With a modi� fied instrumentation concerning amongst others the system delivering the fundamental laser pulses or the generation of the UV pump pulses, the next ob-
jective within this work was to elucidate the primary processes upon UV Irradiation of a manganese tricarbonyl CORM in aqueous environment. The time-resolved
experiment was performed with two different pump wavelengths and furthermore supported by linear spectroscopy methods and time-dependent density functional theory (TDDFT) calculations on the excited states as well as DFT calculations on the ground
states. The measurements revealed that irradiating the compound with UV excitation pulses primarily leads to ultrafast photolysis of one CO ligand. Geminate recombination may occur within one picosecond but it remains a minor process as the photolyzed CO
group is liberated and the unoccupied coordination site is predominantly fi� lled by an incoming solvent molecule. There was no evidence for hot CO bands, i.e., the remaining CO ligands|in the dicarbonyl photoproduct as well as in the intact CORM are not vibrationally excited through the UV excitation of the CORM. According to this, the excess energy merges into low-frequency vibrational modes associated with the molecule as a whole. Since studies on a macroscopic scale at irradiation times of several minutes prove that UV irradiation eventually leads to the release of two or even all three CO
ligands, further loss of CO most likely necessitates manganese oxidation or another interaction with light. To clarify the latter, a consecutive UV pulse was employed in order to excite the photoproducts subsequent to the initial pump interaction. However, the data obtained was not instructive enough to de� nitely exclude the manganese oxidation being responsible for the loss of further CO groups. Besides the exchange of a CO Group by a solvent molecule or the geminate recombination, the employment of two different excitation wavelengths in combination with � ndings derived from the TDDFT calculations suggested another reaction process, namely the possibility that the excitation does not lead to any bond cleavage at all. As the CORM under investigation is tissue-selective and cytotoxic against cancer cells, knowledge of these � rst photoinduced reaction steps is essential for a full understanding of its biological activity. Inspired by these two studies, experimental techniques for prospective transient absorption measurements have been implemented and tested within preparative measure-
ments. First, in the course of a UV-pump-MIR-probe experiment with speci� cally tailored excitation pulses, one could pursue the aim of coherently controlling the outcome of a photoreaction in the liquid phase. Out of the rich photochemistry of DMA the vibrational signature of a particular molecular species might thereby serve as a feedback signal, which is a central part of a learning loop that adaptively determines the pulse shape that steers the quantum mechanical system upon photoexcitation into a desired direction. This motivated the installation and testing of devices by means of which the shaping and characterization of ultrashort laser pulses in the UV could be performed. Second, motivated by the biological applications of CORMs, one can imagine a scenario where a certain amount of CORMs is deposited inside cancerous tissue. Since the activation of CO loss by means of UV pulses is not possible due to the absorption characteristics of biological tissue, the simultaneous excitation via two photons from the visible spectral regime seems appealing. However, success or failure of such an application depends on whether the deposited compound efficiently absorbs two photons simultaneously, i.e., whether the two-photon absorption cross section is large enough. Therefore, a setup to record two-photon excitation spectra under full consideration of
the crucial laser pulse parameters like the pulse duration, energy and central wavelength was arranged and tested. The � rst results were obtained with a commercially available reference system (Mn2CO10) but the setup as well as the described measurement and
data analysis procedure can easily be applied to record the two-photon absorption cross section of more promising molecular systems. Third, as the detection of probe pulses
in the MIR spectral region is part of each time-resolved measurement throughout this thesis, a comparison between the newly established technique of CPU and direct multi-
channel MCT detection is presented by means of pump{probe experiments on Mn2CO10 and Co4CO12 with a 1 kHz shot-to-shot data acquisition. It was shown that the CPU detection technique scores with its high spectral resolution and coverage of the easy-to-handle and more cost-effective CCD detectors. On the other hand, in the course of the additional nonlinear upconversion process intensity fluctuations of the chirped fundamental pulses are transferred to the probe spectrum in the visible regime. This entails a lower signal-to-noise ratio than the direct MCT detection, which can be compensated by an additional normalization procedure applied to the CPU probe pulses. As a consequence, the CPU detection scheme offers more flexibility for future investigations
employing MIR probe pulses. This is of great importance for many applications within the presented � eld of femtochemistry as a huge variety of time-resolved investigations on a multitude of systems in the liquid phase is based on the detection of weak transient
absorption signals in the MIR spectral region.
N2  - Die vorrangig im Rahmen dieser Arbeit eingesetzte experimentelle Technik stellt ein Teilgebiet der Femtochemie dar: die zeitaufgelöste Spektroskopie photoinduzierter chemischer Reaktionen in flüssiger Phase durch molekulare Charakteristika im mittleren infraroten (MIR) Spektralbereich. Die Detektion transienter Vibrationszustände, das heißt sich zeitlich verändernder Kernbewegungen von bestimmten molekularen Untereinheiten oder funktionellen Gruppen, ermöglicht es, Messsignale zu differenzieren und auftretenden Molekülspezies genau zuzuordnen. Zu diesem Zweck ist ein zentrales Element unabdingbar, das die meisten Experimente im Forschungsgebiet der Femtochemie gemein haben: eine kohärente Lichtquelle, die ultrakurze Laserpulse generiert, welche eine zeitliche Dauer auf der Femtosekunden-Zeitskala besitzen auf welcher sich Kernbewegungen typischerweise abspielen. Dieses Instrument ermöglicht die Beobachtung von photoinduzierten chemischen Reaktionen von dem Startpunkt an -- der eigentlichen Anregung -- über das Auftreten von Zwischenprodukten bis hin zu der abschließenden Herausbildung von stabilen Photoprodukten nach mehreren Piko- oder Nanosekunden.

Die vorliegende Arbeit umfasst die Beschreibung der Aufnahme und die Darstellung von zeitaufgelösten spektroskopischen Daten an molekularen Systemen, die vielversprechende Eigenschaften nach einer optischen Anregung zeigen. Darüber hinaus beschreibt sie den Aufbau und die Prüfung von experimentellen optischen Messmethoden, die sowohl für die hier präsentierten als auch für zukünftige, erweiterte Experimente der Anrege-Abfrage-Spektroskopie dienen. Zusätzlich wurden lineare Absorptionsmessungen und quantenchemische Simulationen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt, um auftretende chemische Spezies eindeutig identifizieren zu können. Auf diese Weise wurden sowohl die anfänglichen Reaktionsschritte als auch die darauffolgenden Reaktionsprodukte zweier Stoffe auf einer Zeitskala von mehreren Nanosekunden nach einer Photoanregung sehr detailliert dargestellt. Die untersuchten Substanzen sind zum einen [Mn(CO)3(tpm)]+ (tpm = tris(2-pyrazolyl)methan), das zur Gruppe der sogenannten CO-releasing molecules (CORM) gehört, und zum anderen 5-Diazo-Meldrumsäure (DMA). Beide sind von akademischem Interesse, gehören darüber hinaus aber zu anwendungsbezogenen Stoffgruppen, die im Falle der CORMs in naher Zukunft als Prodrug unter physiologischen Bedingungen eingesetzt werden könnten. Im Falle des DMA gibt es bereits Anwendungen in der chemischen Industrie. Die Erkenntnisse dieser beiden Untersuchungen führten hinsichtlich zukünftiger Anrege-Abfrage-Studien zu dem Aufbau und der Inbetriebnahme zweier weiterer experimenteller Techniken, die einerseits der Formung und Charakterisierung von Femtosekundenlaserpulsen im ultravioletten (UV) Spektralbereich und andererseits zur Aufnahme von Zwei-Photonen-Anregespektren dienen. Da jedes der dargestellten Experimente auf der Detektion von schwachen transienten Absorptionssignalen im MIR Spektralbereich beruht, wurden des Weiteren am Ende dieser Arbeit zwei verschiedene Aufnahmemethoden gegenübergestellt: die Detektion mittels der Aufkonversion durch gechirpte Laserpulse (chirped-pulse upconversion, CPU) und die direkte Detektion von MIR-Laserpulsen mittels eines Arrays von Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektoren (mercury cadmium telluride, MCT). Da beide Detektionstechniken für die Anrege-Abfrage-Spektroskopie geeignet sind, dabei jedoch unterschiedliche Stärken und Schwächen zeigen, schaffte die vergleichende Untersuchung diesbezüglich Klarheit.

In der ersten Studie wurde die komplexe Photochemie von DMA untersucht, das als photoaktive Substanz in lithographischen Prozessen verwendet wird. Mit transienter MIR-Absorptionsspektroskopie wurden die lichtinduzierte Bildung und ultraschnellen Dynamiken von zahlreichen Photoprodukten innerhalb eines Zeitfensters von einigen Nanosekunden enthüllt. Dies lieferte ein stimmiges Bild des gesamten Reaktionsschemas, welches aus mehreren Reaktionspfaden besteht. Durch einen UV-Laserpuls wird in Methanol gelöstes DMA in den zweiten elektronischen Zustand S2 angeregt. 70% dieser Moleküle relaxieren wieder in den Grundzustand S0, die restlichen 30% verteilen sich auf drei konkurrierende Reaktionspfade. Zum einen können die angeregten Moleküle über eine intramolekulare Wolff-Umlagerung zu Keten umgeformt werden. Dieses wiederum lagert ein Lösungsmittelmolekül an und bildet damit ein Enol als vorübergehenden Zwischenzustand. Schließlich tautomerisiert daraus Carbonsäureester. Zum anderen relaxiert ein Teil der angeregten Moleküle zunächst in den S1-Zustand des DMA, von wo aus eine Isomerisierung zu Diazirin stattfindet. Der dritte parallele Reaktionspfad weist im Vergleich zu den ersten beiden die geringste Quanteneffizienz auf und führt über den S1-Zustand zu einem Singulett-Carben. Dieses kann sich einerseits zu einem Ylid umwandeln, oder mittels eines Intersystem Crossing in ein Triplett-Carben übergehen. Während die primären Reaktionsschritte innerhalb einiger Pikosekunden ablaufen, werden die daraufhin erscheinenden Zwischenzustände und Endprodukte innerhalb einiger hundert bis tausend Pikosekunden gebildet. Für eine zuverlässige Identifizierung der involvierten Molekülspezies wurde die Analyse der zeitaufgelösten Daten sowohl durch DFT-Simulationen als auch durch lineare Absorptionsmessungen ergänzt. Beide Methoden lieferten wichtige Informationen über die Absorptionscharakteristika des Edukts sowie der auftretenden Zwischen- und Endprodukte. Wegen der sterischen Hinderung zeigten weitere zeitaufgelöste Absorptionsmessungen an in Ethanol oder Isopropanol gelöstem DMA geringe spektrale Verschiebungen und auch verlängerte Zeitkonstanten im Falle der Reaktionsprodukte, die mit der Bildung des Ester verbunden waren. Dies untermauerte um ein Weiteres die Zuordnung der jeweiligen Reaktionspfade und Photoprodukte. 

Die Studie an DMA zeigte, dass die Kombination aus linearer und zeitaufgelöster Spektroskopie in Verbindung mit quantenchemischen Berechnungen ein mächtiges Werkzeug darstellt, um sogar äußerst komplexe Photoreaktionen zu entschlüsseln, die mehrere aufeinanderfolgende Zwischenzustände innerhalb parallel verlaufender Reaktionspfade aufweisen. Obwohl einige der einzelnen Reaktionsschritte wie zum Beispiel die Bildung des Ketens nach der Wolff-Umlagerung bereits auf ultrakurzen Zeitskalen untersucht wurden, umfasst diese Arbeit die Beobachtung aller auftretenden Photoprodukte des DMA gelöst in verschiedenen Alkoholen innerhalb einiger Nanosekunden nach der Photoanregung. In diesem Sinne stellt die ultraschnelle Photochemie von DMA ein Musterbeispiel für ein multisequentielles Reaktionsschema dar, das dank der Stärken der zeitaufgelösten MIR-Absorptionsspektroskopie entschlüsselt werden konnte.

Mit einer modifizierten experimentellen Ausstattung, unter anderem die Systeme betreffend, welche die Fundamentalstrahlung oder die UV-Anregungspulse generierten, war das nächste Ziel dieser Arbeit die primären photoinduzierten Prozesse eines Tricarbonylmangan-CORM in wässriger Lösung zu erforschen. Die zeitaufgelösten Experimente wurden mit zwei verschiedenen UV-Anregungswellenlängen durchgeführt und zusätzlich unterstützt durch lineare Absorptionsmessungen und zeitaufgelöste DFT-Berechnungen (TDDFT) der angeregten elektronischen Zustände sowie DFT-Berechnungen der Grundzustände. Die Messungen zeigten, dass die UV-Anregung der Substanz in erster Linie die ultraschnelle Photolyse einer einzelnen Carbonylgruppe zur Folge hat. Eine geminale Rekombination zum ursprünglichen Komplex kann innerhalb einer Pikosekunde auftreten. Jedoch ist dies ein untergeordneter Prozess, da die abgetrennte Carbonylgruppe freigesetzt wird und die unbesetzte Koordinationsstelle vorrangig von einem Lösungsmittelmolekül belegt wird. Sogenannte heiße Carbonyl-Absorptionsbanden wurden nicht detektiert. Das bedeutet, dass die verbleibenden CO-Liganden -- sowohl im Falle des Dicarbonyl-Photoprodukts als auch im Falle des intakten CORM -- durch die Anregungspulse nicht vibrationsangeregt werden. Demnach wird die Überschussenergie in Vibrationsmoden mit geringer Frequenz transferiert, was einer Schwingung des gesamten Moleküls entspricht. Da Untersuchungen auf makroskopischer Ebene mit Bestrahlungszeiten von mehreren Minuten zeigen, dass UV-Anregung letztlich zur Freisetzung von zwei oder sogar allen drei CO-Liganden führt, bedarf es zur weiteren Photolyse von CO höchstwahrscheinlich einer Oxidation des Mangan oder einer weiteren Wechselwirkung mit Licht. Um letzteres aufzuklären, wurde ein zweiter UV-Anregungspuls in Folge des ersten Anregungspulses eingesetzt. Dieser zweite Puls sollte die Photoprodukte des ersten Pulses noch einmal anregen. Jedoch waren die daraus erhaltenen Messdaten nicht aufschlussreich genug, um die Manganoxidation als Ursache für den Verlust von weiteren CO-Liganden ausschließen zu können. Neben dem Austauch einer CO-Gruppe mit einem Lösungsmittelmolekül sowie der geminalen Rekombination, wurde durch den Einsatz zwei verschiedener Anregungswellenlängen in Verbindung mit den Ergebnissen der TDDFT-Berechnungen die Möglichkeit eines weiteren Reaktionspfades entdeckt: es ist auch möglich, dass die Anregung des CORM zu überhaupt keinem Bindungsbruch führt und insofern ein Teil der angeregten Moleküle völlig intakt bleibt. Da bereits bekannt war, dass das untersuchte CORM gewebsselektiv ist und zytotoxisch gegenüber Krebszellen wirkt, sind die gesammelten Erkenntnisse bezüglich der primären photoinduzierten Reaktionsschritte essentiell, um die biologische Aktivität der Substanz vollständig zu verstehen.

Angeregt durch diese beiden Studien wurden experimentelle Techniken für weiterführende transiente Absorptionsmessungen implementiert und in vorbereitenden Messungen getestet. Erstens, im Rahmen eines UV-Anrege-MIR-Abfrage-Experiments mit speziell geformten Anregungspulsen könnte man das Ziel verfolgen, mittels kohärenter Kontrolle den Ausgang einer Photoreaktion in flüssiger Phase zu steuern. Dazu benötigt man ein Rückkopplungssignal, das als ein zentrales Element einer Lernschleife darüber Aufschluss gibt, ob die iterativ angepassten Pulsformen den Reaktionsverlauf in die gewünschte Richtung lenken. Eines der zahlreichen Absorptionssignale der reichhaltigen Photochemie von DMA kann dabei als Rückkopplungssignal dienen. Dieser Ansatz motivierte den Aufbau und erste Tests von Instrumenten, mit denen die Formung und Charakterisierung von ultrakurzen UV-Laserpulsen durchführbar ist. Als zweites, wegen der biologischen Anwendungsmöglichkeiten von CORMs, kann man sich eine Situation vorstellen, in der eine gewisse Menge an CORMs in krebsartigem Gewebe deponiert wird. Da die Aktivierung der zytotoxischen CO-Abgabe durch UV-Laserpulse wegen des Absorptionsverhaltens von biologischem Gewebe nicht möglich ist, wäre es naheliegend die Anregung durch zwei gleichzeitig aufgenommene Photonen im sichtbaren Spektralbereich durchzuführen. Jedoch hängen Erfolg oder Misserfolg einer solchen Anwendung davon ab, ob die eingelagerten CORMs auch auf effiziente Weise zwei Photonen gleichzeitig absorbieren, das heißt ob der Zwei-Photonen-Absorptionsquerschnitt groß genug ist. Deshalb wurde ein Messaufbau konstruiert und getestet, mit welchem man unter vollständiger Berücksichtigung der entscheidenden Laserpulsparameter (Pulsdauer, Pulsenergie und zentrale Wellenlänge) Zwei-Photonen-Anregespektren aufzeichnen kann. Die ersten Resultate wurden anhand eines kommerziell erhältlichen Referenzmoleküls (Mn2CO10) aufgenommen. Der Messaufbau sowie die beschriebene Messroutine und Datenauswertung lassen sich aber ebenso bei anderen Molekülen anwenden, so dass der Zwei-Photonen-Absorptionsquerschnitt von aussichtsreicheren Substanzen bestimmt werden kann. An dritter Stelle, da die Detektion von Abfragelaserpulsen im MIR Spektralbereich teil eines jeden zeitaufgelösten Experiments im Rahmen dieser Arbeit ist, wurde eine Vergleichsstudie durchgeführt, welche die neu entwickelte Technik der CPU einer direkten Aufnahme mittels eines MCT-Arrays gegenüberstellt. Anhand von Anrege-Abfrage-Messungen an Mn2CO10 und Co4CO12 mit einer 1kHz Schuss-zu-Schuss Datenaufnahme wurde gezeigt, dass die CPU-Detektionsmethode mit einer hohen spektralen Auflösung sowie Abdeckung punkten kann und die dabei eingesetzten CCD-Detektoren zudem einfach in der Handhabung und vergleichsweise kostengünstig sind. Auf der anderen Seite übertragen sich in dem zusätzlichen nichtlinearen Aufkonversionsprozess Intensitätsschwankungen von den gechirpten Fundamentallaserpulsen auf die Abfragelaserpulse im sichtbaren Spektralbereich. Dies bringt zwar ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis mit sich als bei der direkten MCT-Detektion, jedoch lässt sich dieser Nachteil kompensieren indem man ein geeignetes Normierungsverfahren auf die CPU-Abfragepulse anwendet. Demnach bietet die CPU-Detektionsmethode mehr Flexibilität hinsichtlich zukünftiger Anwendungen, in denen MIR-Abfragepulse Verwendung finden. Das ist von großer Bedeutung für viele Anwendungen innerhalb des präsentierten Teilgebietes der Femtochemie, da nicht nur ein Großteil der Experimente die in dieser Arbeit vorgestellt wurden auf der Detektion von schwachen transienten Absorptionssignalen im MIR-Spektralbereich basieren, sondern darüber hinaus eine große Vielfalt an zeitaufgelösten Untersuchungen von vielen verschiedenen System in flüssiger Phase existiert.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - time-resolved optical spectroscopy
KW  - nonlinear spectroscopy
KW  - vibrational spectroscopy
KW  - femtochemistry
KW  - Nichtlineare Spektroskopie
KW  - Schwingungsspektroskopie
KW  - Zeitauflösung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-96200
ER  -