Ein System zur Aufnahme pikosekunden-zeitaufgelöster transienter Spektren wurde zu Beginn dieser Arbeit aufgebaut und charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden Messungen von beta-Carotin durchgeführt und die Ergebnisse der Experimente mit den in der Literatur vorhandenen verglichen. Außerdem wurde der stark fluoreszierende Laserfarbstoff Rhodamin 6G vermessen, um abschätzen zu können, inwieweit Banden spontaner und stimulierter Emission Einfluss auf die transienten Absorptionsspektren besitzen. Es folgte die spektroskopische Untersuchung zweier Serien gemischtvalenter Verbindungen. Eine Serie besaß eine D-pi-A-, bzw. D-A-, die andere eine D-pi-D-, bzw. D-A-D-Grundstruktur. D und A stehen dabei für ein Elektronendonor-, bzw. Elektronenakzeptorsystem. Die Art der pi-Brücken und der Elektronendonoren wurde dabei variiert und die Verbindungen in verschieden polaren Lösungsmitteln vermessen. Im Mittelpunkt der Untersuchung beider Serien stand dabei die Geschwindigkeit des Elektronenrücktransfers nach einer durch einen Anrege-Puls induzierten Ladungstrennung in verschieden polaren Lösungsmitteln. Diese wurde zum einen beeinflusst durch die Art der pi-Brücke, zum anderen durch die unterschiedlichen Redoxpotentiale der Donorsubstituenten sowie durch das verwendete Lösungsmittel. Der Elektronenrücktransfer erfolgte bei allen der untersuchten Verbindungen und in jedem Lösungsmittel in der Marcus-invertierten Region. Die Transferrate war jedoch in polaren Lösungsmitteln deutlich größer als in apolaren. Außerdem wurden die Resonanz-Raman-Spektren einer der gemischtvalenten Verbindung aufgenommen, um mit dem Ladungstransfer einhergehende Molekülschwingungen identifizieren zu können. Eine Vorhersage der experimentellen ermittelten Elektronentransferraten nach den Methoden von Fermi und Jortner stieß an ihre Grenzen. Es bleibt zu klären, ob dies an einer ungenauen Beschreibung des Elektronentransfers durch die Formeln oder an einer noch zu ungenauen Bestimmung der in die Gleichungen eingehenden, auf unterschiedliche Methoden ermittelten Molekülparameter zurückzuführen ist. In einem weiteren Teil der Arbeit wurden zwei Vertreter der Medikamentenklasse der Fluorochinolone untersucht. Die Experimente mit Ciprofloxacin ergaben unerwartete Ergebnisse, die auf eine photochemische Reaktion schließen lassen, die in der Literatur weder vorgeschlagen noch veröffentlicht wurde. Die Untersuchung von Sparfloxacin ergab keine Ergebnisse, da die erhaltenen transienten Spektren keine Banden aufwiesen. / In the first part of this work a system for transient absorption spectroscopy in the picosecond time regime was set up and characterized. Spectra of beta-Carotin available in the literature were reproduced to check the functionality of the system. To examine the influence of fluorescence bands on the transient spectra, the strongly fluorescing laser dye Rhodamine 6G was measured. Two series of mixed valence compounds were investigated. One series had a D-pi-A- or D-A-structure, D and A standing for an electron donor and electron acceptor system, respectively. The other series had a D-pi-A or D-pi-D-structure. The type of electron donor system and of the pi-bridge was varied as well as the solvent. The major aim of the investigation was to determine the rate of electron back transfer after a charge separation induced by the pump pulse in solvents of different polarity. This rate is influenced by the nature of the pi-bridge and the redox potentials of the different donors as well as the solvent. The electron back transfer reactions of all investigated compounds occured in the Marcus-inverted region; the rates of the electron transfer were much faster in polar solvents. The prediction of the electron back transfer rates according to the models applied by Fermi and Jortner was not satisfying. It is yet to clarify whether the inaccurate theoretical results stem from the use of inappropriate models or of improper molecular parameters within these models. In a further part of this work, two representatives of the drug class of fluoroquinolones were spectroscopically investigated. The experiments with Ciprofloxacin gave unexpected results indicating a photochemical reaction neither proposed nor published in the literature, yet. The investigation of Sparfloxacin did not give any results because the obtained spectra of the compound did not show any transient absorption bands.

Elektronentransfer spielt eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Physik und Chemie. Ausgehend von rein klassischen Beschreibungen wie dem beruehmten Marcus-Modell bis hin zu komplexen quantenmechanischen Ansaetzen unter Beruecksichtigung vieler Reaktionskoordinaten wurden viele Modelle aufgestellt, um den Elektronentransfer zu beschreiben und Transferraten zu berechnen. Dass diese Modelle meist nur in einer begrenzten Anzahl von ¨Szenarien¨ erfolgreich sind liegt an der Fuelle von Mechanismen, die den Elektronentransfer beeinflussen, je nachdem, welches System mit seinen charakteristischen Zustandsenergien und Kopplungselementen betrachtet wird, und welche aeusseren Bedingungen wie Temperatur oder Loesungsmittel herrschen. Mechanismen wie ¨thermisch aktiviertes Tunneln¨ beeinflussen beobachtbare Phaenomenen wie ¨Trapping¨. In dieser Arbeit wird die Elektronentransferdynamik mit Bewegungsgleichungen fuer eine reduzierte Dichtematrix beschrieben, deren Herleitung ausgehend von der Liouville-von Neumann-Gleichung ueber die Nakayima-Zwanzig-Gleichung fuehrt. Durch Ankopplung an ein Waermebad werden dissipative Effekte integriert. Zunaechst wird diese Theorie auf Modellsysteme angewendet, um die verschiedenen Elektronentransfer-Mechanismen besser zu verstehen. Dann wird die Dynamik von konkreten intramolekularen Transferreaktionen in realen Molekuelen berechnet und die Ergebnisse mit denen von Experimenten und anderer Theorien verglichen.

Die Dissipation von Energie von einem molekularen System in die Umgebung und die damit verbundene Zerstörung der Phasenkohärenz hat einen Einfluss auf mehrere physikalische Prozesse wie Bewegung der Schwingungsmoden eines Moleküls, eines Ions in einer Falle oder einer Strahlungsfeldmode, sowie auf Excitonen- und Elektronentransfer. Elektronrntransfer spielt eine wichtide Rolle in vielen Bereichen der Physik und Chemie. In dieser Arbeit wird die Elektronentransferdynamik mit Bewegungsgleichungen für die reduzierte Dichtematrix beschrieben, deren Herleitung ausgehend von der Liouville- von Neumann Gleichung über die Kumulanten-Entwicklung führt. Durch Ankopplung an ein Wärmebad werden dissipative Effekte Berücksichtigt. Zunächst wird diese Theorie auf Modellsysteme angewendet, um die verschiedene Einflüsse der Umgebung auf Depopulation, Dephasierung und Dekohärenz besser zu verstehen. Dann wird die Dynamik von konkreten intramolekularen Transferreaktionen in realen Molekülen berechnet und die Ergebnisse mit denen von Experimenten und anderer Theorien vergliechen. Zu den untersuchten Systemen zälen die Komplexe H2P-ZnP-Q und ZnPD-H2P.

Elektronentransfer spielt eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Physik und Chemie. Ausgehend von rein klassischen Beschreibungen wie dem beruehmten Marcus-Modell bis hin zu komplexen quantenmechanischen Ansaetzen unter Beruecksichtigung vieler Reaktionskoordinaten wurden viele Modelle aufgestellt, um den Elektronentransfer zu beschreiben und Transferraten zu berechnen. Dass diese Modelle meist nur in einer begrenzten Anzahl von ¨Szenarien¨ erfolgreich sind liegt an der Fuelle von Mechanismen, die den Elektronentransfer beeinflussen, je nachdem, welches System mit seinen charakteristischen Zustandsenergien und Kopplungselementen betrachtet wird, und welche aeusseren Bedingungen wie Temperatur oder Loesungsmittel herrschen. Mechanismen wie ¨thermisch aktiviertes Tunneln¨ beeinflussen beobachtbare Phaenomenen wie ¨Trapping¨. In dieser Arbeit wird die Elektronentransferdynamik mit Bewegungsgleichungen fuer eine reduzierte Dichtematrix beschrieben, deren Herleitung ausgehend von der Liouville-von Neumann-Gleichung ueber die Nakayima-Zwanzig-Gleichung fuehrt. Durch Ankopplung an ein Waermebad werden dissipative Effekte integriert. Zunaechst wird diese Theorie auf Modellsysteme angewendet, um die verschiedenen Elektronentransfer-Mechanismen besser zu verstehen. Dann wird die Dynamik von konkreten intramolekularen Transferreaktionen in realen Molekuelen berechnet und die Ergebnisse mit denen von Experimenten und anderer Theorien verglichen.

Die Dissipation von Energie von einem molekularen System in die Umgebung und die damit verbundene Zerstörung der Phasenkohärenz hat einen Einfluss auf mehrere physikalische Prozesse wie Bewegung der Schwingungsmoden eines Moleküls, eines Ions in einer Falle oder einer Strahlungsfeldmode, sowie auf Excitonen- und Elektronentransfer. Elektronrntransfer spielt eine wichtide Rolle in vielen Bereichen der Physik und Chemie. In dieser Arbeit wird die Elektronentransferdynamik mit Bewegungsgleichungen für die reduzierte Dichtematrix beschrieben, deren Herleitung ausgehend von der Liouville- von Neumann Gleichung über die Kumulanten-Entwicklung führt. Durch Ankopplung an ein Wärmebad werden dissipative Effekte Berücksichtigt. Zunächst wird diese Theorie auf Modellsysteme angewendet, um die verschiedene Einflüsse der Umgebung auf Depopulation, Dephasierung und Dekohärenz besser zu verstehen. Dann wird die Dynamik von konkreten intramolekularen Transferreaktionen in realen Molekülen berechnet und die Ergebnisse mit denen von Experimenten und anderer Theorien vergliechen. Zu den untersuchten Systemen zälen die Komplexe H2P-ZnP-Q und ZnPD-H2P.

The development of new electronic devices requires the design of novel materials since the existing technologies are not suitable for all applications. In recent years, semiconducting polymers (SCPs) have evolved as fundamental components for the next generation of costumer electronics. They provide interesting features, especially flexibility, light weight, optical transparency and low-cost processability from solution. The research presented in this thesis was devoted to theoretical studies of donor-acceptor (DA) copolymers formed by electron-deficient 3,6-(dithiophene-2-yl)-diketopyrrolo[3,4-c]pyrrole (TDPP) and different electron-rich thiophene compounds. This novel type of SCPs has received a lot of attention due to experimental reports on very good electronic properties which yielded record values for organic field-effect transistor applications. In order to get a deeper understanding of the structural and electronic properties, the main objective of this work was to study this material type on the atomic scale by means of electronic structure methods. For this, density functional theory (DFT) methods were used as they are efficient tools to consider the complex molecular structure. This work comprises three main parts: a comparative study of the structural and the electronic properties of TDPP based DA polymers obtained by means of different theory levels, the calculation of the intermolecular charge transfer between pi-pi stacked DA polymer chains based on the Marcus transfer theory and investigations of molecular p-doping of TDPP based DA polymers. For the first, DFT using different functionals was compared to the density functional based tight binding (DFTB) method, which is computationally very efficient. Although differences in structural properties were observed, the DFTB method was found to be the best choice to study DA polymers in the crystalline phase. For the second, correlations between the molecular structure and the reorganization energy are found. Moreover, the dependency of the electronic coupling element on the spatial shape of the frontier orbitals is shown. Furthermore, a Boltzmann-type statistical approach is introduced in order to enable a qualitative comparison of different isomers and chemical structures. For the last part, the p-doping properties of small, multi-polar dopant molecules with local dipole provided by cyano groups were investigated theoretically and compared with experimental observations. The one with the strongest p-doping properties was studied in this work for the first time on a theoretical basis. Comparing these different p-dopants, rich evidence was found supporting the experimentally observed doping strength.

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.