The subject of this thesis is the design and development of a unified set up for femtosecond transient absorption and ultrafast Raman loss spectroscopy and demonstrate its potential in capturing the ultrafast photophysical and photochemical processes with excellent time and frequency resolution. Ultrafast spectroscopy has been serving as a powerful tool for understanding the structural dynamical properties of molecules in the condensed and gas phase. The advent of ultrashort pulses with their high peak power enables the laser spectroscopic community to study molecular reaction dynamics and photophysics that happen at extremely short timescales, ranging from picosecond to femtosecond. These processes can be measured with extremely high time resolution, which helps to resolve the under-lying molecular process. But in order to understand the global mechanism of the underlying molecular processes, we have to resolve the nuclear dynamics with the proper frequency resolution. However, achieving both, time and frequency resolutions simultaneously is not possible according to the Heisenberg uncertainty principle. Later, this limitation was overcome by femtosecond stimulated Raman spectroscopy (FSRS), a third order non-linear Raman spectroscopy. In this thesis we introduced the ultrafast Raman loss spectroscopic (URLS) technique which is analogous to FSRS, offering the modern ultrafast community to resolve molecular processes with better signal-to-noise ratio along with proper time and frequency resolution. We demonstrate the experimental procedure including the single shot detection scheme to measure whitelight background, ground state Ra-man, transient absorption and transient Raman in shot-to-shot detection fashion. URLS has been applied to understand the excited state planarization dynamics of 1,4-bis(phenylethynyl)benzene (BPEB) in different solvents. In addition, excitation wavelength dependent conformational reorganization dynamics of different sub-sets of thermally activated ground state population of BPEB are also discussed. Using the same techniques along with femtosecond transient absorption, we demonstrate the ultrafast vibrational energy transfer and the role of coherent oscillations of low frequency vibrations on the solution phase photo-isomerization of trans-stilbene from an optically excited state. The effects of solvents on the coherent nuclear motion are also discussed in the context of reaction rates. 2

Diese Arbeit ist Teil eines Weges, der die Polarisationsdynamik von Polynukleinsäure-Helices (DNA) zum Ziel hat. Die Dynamik kann im Prinzip von innen beobachtet werden, über Femtosekunden-zeitaufgelöste optische Spektroskopie eines Farbstoff-Moleküls anstelle einer Nukleinbase. Der optische Chromophor soll als solvatochrome Sonde der DNA Umgebung funktionieren. Dafür wurde 2-Amino-7-Nitro-Fluoren (ANF) gewählt, welches ideale solvatochrome Eigenschaften hat. Bevor der Einbau des Sondenmoleküls erfolgt, müssen dessen photophysikalischen Eigenschaften in reinen Lösungsmitteln und in Lösungsmittel-Mischungen weitgehend verstanden sein. Dieses Thema bestimmt den größeren Teil der Arbeit. ANF, aliphatische Derivate, und das entsprechende Nukleosid wurden synthesitsiert. Ihre thermodynamischen Eigenschaften, optischen Spektren, und ps Fluoreszenzlebensdauern werden für eine Reihe von Lösungsmitteln beschrieben. Präferentielle Solvatation in wässrigen Mischungen wird mit optischer Absorptions- und 1H NMR-Spektroskopie untersucht. Inclusionskomplexe mit Cyclodextrinen werden ebenfalls charakterisiert. Auf diese "klassischen" Studien folgt die fs-transiente optische Absorptionsspektroskopie von ANF und Derivaten. Die transienten Spektren werden zeilegt und die Banden für stimulierte Emission als Funktion der Zeit in den meisten Fällen erhalten. Damit erhält man eine Solvatations-Relaxationsfunktionen C(t) für die meisten Lösungsmittel (50 fs Zeitauflösung). Unterschiede zu bekannten Relaxationsfunktionen für die vieluntersuchte Sonde Coumarin 153 werden diskutiert. Wichtig ist, daß derart C(t) für ein ANF Nukleosid in Wasser existiert. Dies kann mit einer simulierten Kurve für ANF in DNA-Helices verglichen werden. Es folgt, dass gestapelte Chromophore im Innern dynamisch von jenen unterschieden werden können, die in die wässrige Umgebung herausgedreht sind. Der Cyaninfarbstoff Thiazol Orange (TO) wird von anderen Gruppen verwendet, um die Hybridisierung von DNA-Strängen zu verfolgen. Die Fluoreszenz von TO wird durch schnelle Isomerisation im S1 Zustand stark gelöscht. In dieser Arbeit wird die entsprechende innermolekulare Verdrillung mit fs-transienter Absorptionsspektroskopie und mit fs-zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie (Summenfrequenz-Erzeugung) zum ersten Mal zusammenhängend untersucht. Transiente Spektren in Lösung werden mit stationären Spektren in verschiedenen PNA/DNA Duplex-Konstrukten verglichen. Eine hochfrequente Schwingungsmode ist bei der strukturellen Reorganisation von TO nach S0 to S1 Anregung beteiligt. Zunehmende Aktivität begleitet die Verdrillung. Deshalb sollte die Form der stationären Fluoreszenzbande dazu geeignet sein, das verfügbare freie Volumen in DNA-Konstrukten abzuschätzen. / This work is part of an effort to observe the polarization dynamics of duplex polynucleic acids from the inside, through femtosecond time-resolved optical spectroscopy of a dye molecule which has been stacked into the structure at a well-defined site. The dye chromophore should act as a solvatochromic probe of its DNA environment. For a probe, 2-amino-7-nitro fluorene (ANF) had been selected since it has ideal solvatochromic properties. Before being linked into DNA, its photophysical properties in liquids and liquid mixtures should be understood. The larger part of this thesis deals with this topic. ANF, aliphatic derivatives, and the nucleoside were synthesized. Their thermodynamic properties, optical spectra, and ps fluorescence decay are examined in a wide range of solvents. For preferential solvation in aqueous mixtures, absorption results are compared with 1H NMR spectra. Inclusion properties were also explored. Femtosecond transient absorption spectroscopy of ANF and derivatives follows after these "classical" studies. The transient spectra are analyzed and, in most cases, the stimulated-emission band can be obtained as function of time. Ultrafast solvation relaxation functions (50 fs resolution) for many solvents are constructed from these data and discussed by comparison with a well-studied probe, Coumarin 153. Most importantly, the solvation relaxation of the ANF nucleoside in water is obtained and compared with a simulated relaxation of the chromophore in a DNA duplex. It follows that chromophores stacked inside DNA can be distinguished from chromophores which extend into the aqueous boundary layer. The cyanine dye Thiazole Orange (TO) is used by other groups to monitor the hybridisation of DNA strands. Its fluorescence is strongly quenched by intramolecular twisting in the excited state S1. In this thesis the twisting process is characterized by femtosecond transient absorption and fluorescence upconversion spectroscopy, combined, for the first time. The transient spectra are compared to stationary spectra in a PNA/DNA duplex where the degree of twisting is restricted. A high-frequency mode is shown to play an important role in the structural reorganisation of TO following S0 to S1 excitation. Its vibrational activity is correlated with twisting. Therefore the shape of the emission band may be used to estimate the available volume in DNA constructs.

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.

多数の溶媒分子に取り囲まれている溶液中において溶質分子の化学反応素過程を考える場合、溶媒分子による反応の平衡論的、動的な効果を考える必要がある。本研究では、ユニークな反応場として水や有機溶媒とは区別される、超臨界流体とイオン液体をとり上げ、溶質分子のプロトン移動反応、光解離反応について、時間分解レーザー分光と分子動力学計算、理論的解析を行い、その現象を明らかにする試みをおこなった。 / In solution, solvent molecules involve chemical reaction of solute molecules and could alter both reaction yield and kinetics. In this thesis, the author focused on fundamental chemical reactions (intermolecular proton transfer and photodissociate reaction) in a unique class of solvents, supercritical fluids and ionic liquids. By measuring time-resolved fluorescence spectrum and transient absorption spectrum of solutes, the author discusses how the reaction yield and kinetics are described by solvent physicochemical properties. / 博士(理学) / Doctor of Philosophy in Science / 同志社大学 / Doshisha University