Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener Systeme Chlorosilan / Amin bezüglich deren elektronischer Struktur, Molekülstruktur und Reaktivität. Einen Schwerpunkt bildete dabei die Untersuchung der LEWIS-BASE-katalysierten Disproportionierung unterschiedlich chlorierter Disilane mit elektronenreichen Alkenen, wie Tetrakis-(dimethylamino)-ethylen (TDAE) oder N,N,N’,N’-Tetramethyl-1,4-phenylendiamin (TPDA). Die Alkene sollten auf mögliche Elektronenübertragungsreaktionen, aber auch Chelatbildung mit den eingesetzten Disilanen bzw. intermediär gebildeten Silylenen getestet werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag bei der Synthese und Charakterisierung neuer hetero- und homocyclischer Oligosilane. Die erhaltenen Cyclooligosilane wurden auf ihre Donorwirkung gegenüber elektronendefizienten π-Alkenen und eine damit verbundene Charge-Transfer-Komplexbildung untersucht. In die Auswertung wurden auch ab-initio-Berechnungen einbezogen, die mit den experimentellen Ergebnissen (u.a. NMR, IR, Röntgeneinkristallstrukturanalyse) vergleichend diskutiert wurden.

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.

Diese Arbeit präsentiert eine einfache eine einfache, auf Photolithographie basierende Methode zur Darstellung einer isolierten Graphenkante (oder GrEdge) einer Monolage als Nanoelektrode auf einem isolierenden Substrat vorgestellt. Trotz ihrer Millimeter-Länge verhält sich die nur einen Nanometer breite GrEdge-Elektrode wie ein Nanodraht mit einem hohen Seitenverhältnis von 1000000 zu 1. Des Weiteren wird der Einsatz von elektrochemischer Modifikation (ECM) demonstriert, um die GrEdge selektiv mit Metall-Nanopartikeln und organischen Schichten nicht-kovalente oder kovalente zu funktionalisieren, wodurch die Chemie der Kante verändert werden kann. Durch die Anbringung von Metall-Nanopartikeln kann zusätzlich oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genutzt werden, um die chemische Beschaffenheit sowohl der unberührten als auch der funktionalisierten GrEdge zu charakterisieren. Die GrEdge weist sehr hohe Mass-entransportraten auf, was charakteristisch für Nanoelektroden ist. Dementsprechend wird die voltammetrische Antwort von der Kinetik des heterogenen Elektrontransfers (HET) diktiert. An der GrEdge-Elektrode werden hohe HET-Raten beobachtet: mindestens 14 cm/s für Außensphäre sonde Ferrocenmethanol (FcMeOH) mit einem quasi-Nernst'schen Verhalten und 0,06 cm/s oder höher für innere Sphäre sonde Ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) mit einer kinetisch kontrollierten Reaktion. Nach der selektiven Modifikation der Kante mit Goldnanopartikeln erweist sich der HET als reversibel, mit einer massentransportbegrenztes Nernst‘sches Verhalten aufweisen für beide Redoxmoleküle. Darüber hinaus ermöglicht die schnelle HET-Kinetik die Detektion der reduzierten Form von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) mit niedrigen Ansatzpotentialen und hinunter bis zu niedrigen mikromolaren Konzentrationen. Entsprechend verbessert die vorliegende Arbeit das Verständnis der Kante von Graphen und deren Chemie. / This thesis presents a simple photolithography-based method to realize the isolated monolayer graphene edge (or GrEdge) nanoelectrode on an insulating substrate. The millimeter-long and a nanometer-wide GrEdge is found to behave like a nanowire with a high aspect ratio of 1000000-to-1. Further, the use of electrochemical modification (ECM) is demonstrated to selectively functionalize the GrEdge with metal nanoparticles and organic moieties in a non-covalent/ covalent manner to tune the chemistry of the edge. The attachment of metal nanoparticles was used to exploit surface-enhanced Raman scattering (SERS) to characterize the chemistry of both the pristine and the functionalized GrEdge. The GrEdge electrodes were found to exhibit very high mass transport rates, characteristic of nanoelectrodes. Accordingly, the voltammetric response is found to be dictated by the kinetics of heterogeneous electron transfer (HET), attributed to the nanoscale geometry and a unique diffusional profile at such electrodes. At the GrEdge electrode, high HET rates are observed: at least 14 cm/s for outer-sphere probe, ferrocenemethanol (FcMeOH) with a quasi-Nernstian behavior; and 0.06 cm/s or higher for inner-sphere probe, ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) with a kinetically controlled response. Upon selective modification of the edge with gold nanoparticles, the HET is found to be reversible, with a mass-transport-limited Nernstian response for both probes. Furthermore, the fast HET kinetics enables the sensing of the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and flavin adenine dinucleotide (FAD) with low onset potentials and down to low micromolar concentrations. Hence, this thesis improves the understanding of the edges of graphene and their chemistry. It also realizes isolated GrEdge as a new class of nanoelectrode which forms an important basis within the fields of fundamental electrochemistry and analytical sciences.

Wird DNA mit UV-Licht bestrahlt, kommt es zur Bildung von Photoschäden, die zu Zelltod oder Krebs führen können. In dieser Arbeit wird die primäre Elektronentransferreaktion des lichtaktivierten Reparaturprozesses des (6-4)-Schadens in Drosophila melanogaster charakterisiert. Der katalytische Reparaturzyklus wird durch das Flavoprotein (6-4)-Photolyase (PL) realisiert. Der Elektronentransfer (ET) vom Flavin-Adenin-Dinukleotid (FADH⁻) Kofaktor zum Schaden initiiert die molekularen Umlagerungen. Diese Arbeit charakterisiert die primäre ET Reaktion mithilfe von molekulardynamischen Langzeitsimulationen (µs) in Kombination mit Quantenmechanik/Molekularmechanik-Simulationen. Ab initio lokale Coupled-Cluster- und Dichtefunktionaltheorierechnungen wurden angewendet, um die relative Energetik von lokal angeregten und Ladungstransferzuständen des (6-4)-Reparaturkomplexes zu charakterisieren. Es zeigt sich, dass die Reduktion des (6-4)-Schadens durch einen Ladungstransferzustand ermöglicht wird an dem die Adeninstruktur des FADH⁻ -Kofaktors beteiligt ist. Über die Simulationen wird ein mikroskopisches Bild der Reaktionskoordinate der Elektronentransferreaktion im Marcusbild entwickelt. Diese ist nicht vollständig durch parabolische freie Energiekurven beschrieben sondern wird, durch Wechselwirkungen in der aktiven Tasche, ein Multiminima-Reaktionspfad ausgebildet. Hierbei hat die Rotation der Seitenkette der benachbarten, geladenen Aminosäure Lys246 dominanten Einfluss. Dies legt nahe, dass die primäre ET Reaktion der (6-4) Schadensreparatur, einen vom Adenin unterstützten ET Weg von der PL zur 5’ Seite des Schadens nimmt. Dieser Prozess wird durch benachbarte Aminosäuren und einer Stärkung der Wasserstoffbrücken mit Wassermolekülen stabilisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ET-Reaktionen in komplexen enzymatischen Systemen nicht im Kontinuumsbild von ET beschrieben werden können, da lokale Wechselwirkungen drastischen Einfluss auf die ET Reaktionen haben. / UV-light irradiation of DNA leads to the formation of photolesions that can cause cell death and cancer. This thesis aims at the characterization of the primary electron transfer (ET) reaction in the photoactivated repair process of the (6-4) lesion in Drosophila melanogaster. The catalytic repair cycle is realized by a flavoprotein called photolyase (PL). The ET from the fully reduced flavin-adenine-dinucleotide (FADH⁻) cofactor of the PL to the lesion initiates molecular rearrangements. In this thesis fluctuation properties of the enzyme environment on the excited states are considered by conducting long-time (µs) molecular dynamics simulations combined with extensive quantum mechanical/molecular mechanical simulations. Ab initio local coupled cluster simulations and density functional theory are applied to characterize the relative energetics of locally excited and charge transfer (CT) states in the (6-4) lesion repair complex. Reduction of the (6-4) lesion is found to be enabled by a CT state involving the adenine moiety of the FADH⁻ cofactor. Microscopic characterization of a Marcus-type free energy reaction coordinate reveals that it cannot be fully described by parabolic free energy curves. Specifically, rotation of the side chain of nearby charged amino acid Lys246 imposes a double-well character on the potential energy surface along the reaction coordinate of the ET. For the ET reaction triggering the catalytic (6-4) lesion repair, the findings of this thesis suggest an ET pathway to the 5’ side of the (6-4) lesion mediated by the adenine moiety. The process is stabilized by neighboring amino acids and a strengthening of hydrogen bonds with water molecules. The presented results demonstrate that ET reactions in complex enzymatic systems cannot be described within the continuum ET picture, as local interactions drastically tune the ET reaction.