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Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von photoinduzierten Energietransferprozessen (EET) und Elektronentransferprozessen (ET) in Modellsystemen, die als potentiell geeignet für eine Nutzung in der artifiziellen Photosynthese angesehen werden. Den beiden wesentlichen Zugängen zur Architektur artifizieller Photosynthese-Systeme entsprechend wurden vergleichend kovalente und sich selbst organisierende Systeme untersucht. In beiden Zugängen wurden ähnliche chemische Komponenten als optisch aktive Moleküle eingesetzt, insbesondere Phthalocyanine mit einem Silizium-Zentralatom (SiPc). Durch eine Kombination von stationären und zeitaufgelösten optisch-spektroskopischen Methoden konnten die lichtinduzierten ET- und EET-Prozesse identifiziert und quantifiziert werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden mehrere kovalent gebundene Triaden und eine Pentade untersucht. In allen Systemen finden sehr effiziente ET und EET Prozesse statt. Es wurde gezeigt, dass das Lösungsmittel großen Einfluss auf die photophysikalischen Eigenschaften der Systeme ausübt. Die Lebensdauer des ladungsseparierten Zustandes variiert von 1,7 ns in Toluol bis 30 ps in DMF. Im zweiten Teil der Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass sich in wässriger Lösung ein supramolekularer Komplex, bestehend aus einem Beta-Cyklodextrin (CD), einem konjugierten Subphthylocyanin (SubPc), einem Porphyrin (Por) und einem SiPc bilden kann. Letzteres wurde über unterschiedliche Ketten an zwei CDs kovalent gebunden. Die Selbstorganisation wird über hydrophobe Wechselwirkungen vermittelt und die Bildung der Komplexe ist sehr effizient. Nach selektiver Anregung von SubPc finden sequenzielle ET- und EET-Prozesse von SubPc zu SiPc statt. Das Por spielt die Rolle einer energetischen und elektronischen Brücke und ermöglicht die ET und EET-Prozesse von SubPc zu SiPc. Die Ladungsrekombination in den Grundzustand geschieht innerhalb von 1,7 ns. / The main objective of the present thesis was to conduct investigations of photo-induced electron transfer (ET) and excitation energy transfer (EET) processes in model compounds that are considered potentially appropriate for use in artificial photosynthesis. Two approaches have been used to construct the artificial photosynthetic systems, namely covalent and supramolecular approach. In both systems similar optically active molecules have been employed, particularly silicon-based phthalocyanines (SiPc). A comparative study between the covalently-linked and self-assembled systems had been conducted. For these purposes, thorough spectroscopic measurements in the UV/Vis range had been performed on these conjugates. A combination of steady-state and time-resolved experiments allowed an identification and quantification of the photo-induced ET and EET processes. In the first part of the work several covalently bound triads and a pentad bearing a central SiPc unit were studied. In all systems highly efficient ET and EET processes take place. It was found that the solvent exerts great influence on the photophysical properties of the systems. The lifetime of the charge-separated state varied from 1.7 ns (toluene) down to 30 ps (DMF). In the second part of the thesis, for the first time the formation of ternary supramolecular complexes consisting of a beta-cyclodextrin (CD), a conjugated subphthalocyanine (SubPc), a porphyrin (Por) and a series of SiPcs substituted axially with two CDs via different spacers was shown. These components are held in water by host-guest interactions and the formation of these host-guest complexes was found to be very efficient. Upon excitation of the SubPc-part of the complex sequential ET and EET processes from SubPc to SiPc take place. The Por dye acts as a transfer bridge enabling these processes. The probability of ET is controlled by the linker between CD and SiPc. Charge recombination to the ground state occurs within 1.7 ns.

La photosynthèse artificielle est considérée comme étant un atout capable de fournir des carburants alternatifs et renouvelables par conversion et stockage de l'énergie solaire. Une approche prometteuse consiste en un développement de photo-catalyseurs moléculaires inspirés par des enzymes photosynthétiques naturelles. La première partie de cette thèse concerne les modèles artificiels du photosystème II (qui catalyse l'oxydation d'eau), composé d'un chromophore et d’un relais d’électrons comme équivalent synthétique correspondant à l'ensemble P680-TyrZ/His190 du photosystème II. Trois complexes ruthénium polypyridyl - imidazole - phénol avec un groupe méthylique à différentes positions sur l'anneau phénolique (Ru-xMe) ont été synthétisés et caractérisés par des méthodes électrochimiques et photophysiques. L’augmentation, comparée aux complexes précédents, du potentiel redox des groupes phénols (0.20 V->0.9 V par rapport à l’électrode de ferrocène) rend leur fonction de relais d’électron dans un système photocatalytique pour l'oxydation d'eau thermodynamiquement possible. Des études d’absorption transitoire ont révélé que le transfert d’électron intramoléculaire est rapide (5-10 µs dans solvant aprotique et < 100 ns dans l'eau) malgré la faible force motrice, mettant en evidence l'importance de la liaison hydrogène entre le phénol et le groupe imidazole. Les légères différences entre les trois complexes Ru-xMe ainsi que l’étude de l'effet de bases externes nous ont permis d’établir un mécanisme dans laquelle l'imidazole est impliqué dans une réaction de transfert de proton en cascade. L'acceptation du proton phénolique durant l'oxydation du ligand rend son deuxième site azote plus acide et seulement la déprotonation de ce dernier bascule l’équilibre réactionnel complétement vers l'oxydation du ligand. La deuxième partie de cette thèse consiste en la synthèse d’un complexe chromophore-tryptophane en utilisant une approche de chimie dite « click ». On a montré que l'oxydation, induite par la lumière, du Trp au sein du complexe Ru-tryptophane suit un mécanisme ETPT. Selon le pH, les radicaux du tryptophane (Trp• ou TrpH•⁺) ont été détectés et les mesures spectrales à différents temps ont montrés la transition entre les deux formes radicalaires. La déprotonation du radical dépend de la concentration d'eau assurant la fonction d’accepteur de proton. La dernière partie de la thèse concerne nos efforts à lier, par une liaison covalente, une unité catalytique au module de chromophore- relais électronique caractérisé précédemment. L'approche de chimie « click » n’était pas efficace pour l’obtention de l’assemblage photocatalytique final. Donc, l'activation biomoléculaire d'un catalyseur Mn salen a été effectuée et la formation de l’espèce Mn(IV) a été observée. Etant une étape vers l'utilisation de ces types de photocatalyseurs dans une cellule photoélectrochimique, un chromophore [Ru(bpy)₃]²⁺ avec des groupes d’ancrage phosphonate a été synthétisé (Ru-phosphonate) et greffé sur la surface méso-poreuses d'un semi-conducteur de TiO₂ pour effectuer des mesures du photocourant. / Artificial photosynthesis is often considered to have great potential to provide alternative, renewable fuels by harvesting, conversion and storage of solar energy. One promising approach is the development of modular molecular photocatalysts inspired by natural photosynthetic enzymes. The first part of this thesis deals with artificial mimics of the water oxidizing photosystem II composed of a chromophore and an electron relay as synthetic counterpart of the P680-TyrZ/His190 ensemble of photosystem II. Three ruthenium polypyridyl – imidazole - phenol complexes with varying position of a methyl group on the phenol ring (Ru-xMe) were synthesized and characterized by electrochemical and photophysical methods. As an improvement compared to earlier complexes the increased redox potential (~0.9 V vs. Ferrocene) of the phenol groups makes their function as an electron relay in a photocatalytic system for water oxidation thermodynamically possible. Time-resolved absorption studies revealed fast intramolecular electron transfer (<5-10 µs in aprotic solvent and <100 ns in water) despite the low driving force and the importance of the hydrogen bond between the phenol and the imidazole group was put in evidence. Slight differences between the three Ru-xMe complexes and investigation of the effect of external bases allowed to derive a mechanistic picture in which the imidazole is involved in a “proton domino” reaction. Accepting the phenolic proton upon ligand oxidation (within the H-bond) renders its second nitrogen site more acidic and only deprotonation of this site pulls the overall equilibrium completely towards oxidation of the ligand. Another part of this thesis comprises a chromophore-tryptophan construct synthesized using a click chemistry approach. Light-induced oxidation of Trp in this Ru-tryptophan complex was shown to follow ETPT mechanism. Depending on the pH conditions tryptophan radicals, either Trp• or TrpH•⁺ were detected and spectral measurement at different time showed the transition between the two forms. Deprotonation of the radical was dependent on the concentration of water as proton acceptor. Later part of the thesis deals with efforts to covalently bind a catalytic unit to the previously characterized chromophore-electron relay module. The click chemistry approach was not successful to obtain the final photocatalytic assembly. Therefore bimolecular activation of a Mn salen catalyst was performed and formation of Mn(IV) species was observed. As a step towards utilization of these types of photocatalysts in a photoelectrochemical cell a [Ru(bpy)₃]²⁺ chromophore with phosphonate anchoring groups (Ru-Phosphonate) was synthesized and grafted on the surface of a TiO₂ mesoporous semiconductor surface anode to perform photocurrent measurements.