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Diese Arbeit behandelt verschiedene ultraschnelle photochemische Prozesse. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Charakterisierung der perizyklischen Reaktionen photochromer Indolylfulgide und -fulgimide sowie der Untersuchung verschiedener Möglichkeiten der Beeinflussung dieser Reaktionen. Ein zweites Themengebiet sind die primären Energie- und Elektrontransferprozesse bei der Photosynthese von Purpurbakterien. Die zentralen Charakteristika dieser ultraschnellen photochemischen Reaktionen (Dynamik und Ausbeute) wurden mittels transienter Absorptionsspektroskopie in Abhängigkeit von äußeren Parametern, wie Temperatur, Anregungswellenlänge und Lösungsmittel, studiert. Hierzu wurde die bestehende Messanlage für Mehrimpulsexperimente ausgebaut und deren Impulserzeugung durch nicht-kollineare optisch parametrische Prozesse auf den nahinfraroten Spektralbereich erweitert. Die Ringschlussreaktion von Indolylfulgiden ist eine ultraschnelle, thermisch nicht aktivierte Reaktion auf der Zeitskala von etwa 0,3 ps. Ihre Quanteneffizienz liegt je nach Substitution der Probe und verwendetem Lösungsmittel zwischen 9 und 20%. Hingegen ist die Ringöffnungsreaktion thermisch aktiviert und verläuft über Barrieren auf der Potentialfläche des ersten elektronisch angeregten Zustands. Ihre Reaktionszeit ist abhängig von Substitution und Lösungsmittel und nimmt Werte zwischen 3 und 16 ps an; die Effizienz liegt im Bereich zwischen 0,1 und 15%. Durch Zuführen von thermischer Energie läuft die Ringöffnungsreaktion schneller und effizienter ab. Ihre Quantenausbeute erhöht sich ebenfalls, wenn man optische Überschussenergie durch Belichtung in die kurzwellige Flanke der Absorptionsbande zur Verfügung stellt. Eine weitere Möglichkeit, die Ringöffnungsquanteneffizienz von Indolylfulgiden zu steigern, ist die Anregung aktiver Schwingungsmoden. Für ein neu synthetisiertes Indolylfulgid mit zwei Cyclopropylringen konnte in einem neuartigen Mehrimpulsexperiment die Ringöffnungsquanteneffizienz nach einer vorgeschalteten Ringschlussreaktion um einen Faktor 3,4 auf annähernd 40% gesteigert werden. Für das Purpurbakterium Rhodobacter sphaeroides wurden verschiedene Energietransferprozesse betrachtet. Zunächst wurde der B800-B850-Transfer in den Antennenkomplexen LH2 mittels einer Mutantenstudie untersucht. Hierzu wurde die Aminosäuresequenz im Bereich der B850-Bindungstasche geändert, was eine verringerte thermische Stabilität und eine Verschiebung der Absorptionsspektren bewirkt. Letztere ist mit einer Verlängerung der Transferzeit von 0,7 ps (Wildtyp) auf bis zu 1,0 ps korreliert. Der Wildtyp – optimiert im Laufe der Evolution – besitzt unter allen untersuchten Proben die beste Funktionalität. In einem weiteren Experiment wurde die ultraschnelle Elektrontransferkaskade im Reaktionszentrum studiert. Über den Zerfall der stimulierten Emission des Special Pair P kann der erste Schritt zum Bakteriochlorophyll BA auf etwa 3,3 ps bestimmt werden. Durch die Beobachtung des transienten Zustands P+BA- wurde die Transferzeit des zweiten Schritts zum Bakteriophäophytin HA zu 0,9 ps ermittelt. An Rhodospirillum rubrum konnte schließlich gezeigt werden, dass die Anregung zwischen Reaktionszentrum und LH1-Antennen sehr schnell äquilibriert und der Elektrontransfer im Reaktionszentrum effektiv mit einer Zeitkonstante von etwa 40 ps abläuft.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Manipulation der Primärreaktion von Bakteriorhodopsin (BR). Dazu wurde die Primärreaktion mittels Ultrakurzzeitspektroskopie im Femto- und Pikosekundenbereich eingehend untersucht und erste kohärente Kontrollexperimente an einem Modellsystem durchgeführt. Zuerst wurde der Einfluss der Proteinumgebung, den das Gegenion zur Schiffschen Base des Retinals (Aspartat (D) Position 85) auf die Primärreaktion von BR ausübt, untersucht. Dabei wurde BR mit Halorhodopsin (HR) (fehlendes Gegenion, Threonin (T)) und der BR-Mutante D85T verglichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass nur in dem Fall, wenn ein Anion exakt in einem eingeschränkten Bereich um die Position 85 lokalisiert ist, eine BR-ähnliche stationäre Absorption und eine schnelle Primärreaktion mit der BR-typischen Zeitkonstante von 0.5 ps hervorgerufen wird. Fehlt dagegen das Anion oder befindet es sich außerhalb dieses eingeschränkten Bereichs, tritt eine Primärreaktion analog zur Primärreaktion von HR mit einer biexponentiellen Kinetik von 1 bis 10 ps auf. Da in der Literatur widersprüchliche Ergebnisse bezüglich der initialen Bewegungen im angeregten Zustand von BR vorliegen, wurde die Auswirkung der Anregungsdichten auf die Fluoreszenzdynamik analysiert: Bei hohen Anregungsdichten treten spektrale und dynamische Änderungen in der Fluoreszenz auf, die Mehrphotonenprozessen zugeordnet werden können. Diese Mehrphotoneneffekte erklären bestehende Diskrepanzen in der Literatur. Nur für niedrige Anregungsdichten sind lineare und native Anregungsbedingungen gewährleistet, unter denen sich ein biexponentielles Verhalten ergibt. Dabei wurde zum ersten Mal ein dynamischer Stokesshift beobachtet, der auf einen schnellen Umordnungsprozess auf der reaktiven Potentialfläche hindeutet. Ferner wurde der erste schnelle Prozess (

Diese Arbeit befasst sich mit der Quantendynamik und Kontrolle von photochemischen Reaktionen, die unter Beteiligung von konischen Durchschneidungen im Femtosekundenbereich ablaufen. Durch ultrakurze Laserpulse wird ein Wellenpaket in einem elektronisch angeregten Zustand erzeugt. Der Reaktionspfad des Wellenpaketes lässt sich durch verschieden geformte Laserpulse kontrollieren, die mit Hilfe der Optimal Control Theorie (OCT) ermittelt werden können. Spezielle Beachtung findet die Kontrolle von Fulgiden, die als molekulare Schalter fungieren können. Die Ringöffnung ihres isolierten photochromen Zentrums Cyclohexadien wird auf ab initio-Potentialflächen untersucht. Für die Behandlung der größeren Schaltermoleküle wurde ein flexibles Modell entwickelt, in dem sich der Einfluss verschiedener Parameter auf die Dynamik untersuchen lässt. Dabei werden sowohl die kohärente Laser-Materie-Wechselwirkung als auch die nicht-adiabatischen Kopplungen in den Grundzustand mit einbezogen. Um die Beschreibung der Dynamik zu vervollständigen, wurde eine neue Methode entwickelt, mit der die Relaxation eines Moleküls erstmals auch normerhaltend im Wellenpaketformalismus simuliert werden kann. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Anwendung von Kontrollstrategien für reaktive Systeme, die zwei typische Herausforderungen beinhalten: Ein großer Teil der Dynamik spielt sich in einem optisch dunklen Bereich der Potentialflächen ab und zudem sind die Produkte nach der Relaxation durch die konischen Durchschneidungen hoch schwingungsangeregt. Durch das Erarbeiten zweier allgemein anwendbarer Varianten des OCT-Algorithmus konnten diese Schwierigkeiten gelöst und die Reaktionen kontrolliert werden. Durch Anwendung beider Varianten ist es gelungen, den Schaltprozess sowohl durch die konischen Durchschneidungen als auch mittels eines Pump-Dump-Schemas zu kontrollieren und die Ausbeuten zu erhöhen.