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Accessing active sites of molecular proton dynamics

  • The unceasing impact of intense sunlight on earth constitutes a continuous source of energy fueling countless natural processes. On a molecular level, the energy contained in the electromagnetic radiation is transferred through photochemical processes into chemical or thermal energy. In the course of such processes, photo-excitations promote molecules into thermally inaccessible excited states. This induces adaptations of their molecular geometry according to the properties of the excited state. Decay processes towards energetically lower lying states in transient molecular geometries result in the formation of excited state relaxation pathways. The photo-chemical relaxation mechanisms depend on the studied system itself, the interactions with its chemical environment and the character of the involved states. This thesis focuses on systems in which photo-induced deprotonation processes occur at specific atomic sites. To detect these excited-state proton dynamics at the affected atoms, a local probe of molecular electronic structureThe unceasing impact of intense sunlight on earth constitutes a continuous source of energy fueling countless natural processes. On a molecular level, the energy contained in the electromagnetic radiation is transferred through photochemical processes into chemical or thermal energy. In the course of such processes, photo-excitations promote molecules into thermally inaccessible excited states. This induces adaptations of their molecular geometry according to the properties of the excited state. Decay processes towards energetically lower lying states in transient molecular geometries result in the formation of excited state relaxation pathways. The photo-chemical relaxation mechanisms depend on the studied system itself, the interactions with its chemical environment and the character of the involved states. This thesis focuses on systems in which photo-induced deprotonation processes occur at specific atomic sites. To detect these excited-state proton dynamics at the affected atoms, a local probe of molecular electronic structure is required. Therefore, site-selective and orbital-specific K-edge soft X-ray spectroscopy techniques are used here to detect photo-induced proton dynamics in gaseous and liquid sample environments. The protonation of nitrogen (N) sites in organic molecules and the oxygen (O) atom in the water molecule are probed locally through transitions between 1s orbitals and the p-derived molecular valence electronic structure. The used techniques are X-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS). Both yield access to the unoccupied local valence electronic structure, whereas the latter additionally probes occupied states. We apply these probes in optical pump X-ray probe experiments to investigate valence excited-state proton transfer capabilities of aqueous 2-thiopyridone. A characteristic shift of N K-edge X-ray absorption resonances as well as a distinct X-ray emission line are established by us as spectral fingerprints of N deprotonation in the system. We utilize them to identify photo-induced N deprotonation of 2-thiopyridone on femtosecond timescales, in optical pump N K-edge RIXS probe measurements. We further establish excited state proton transfer mechanisms on picosecond and nanosecond timescales along the dominant relaxation pathways of 2-thiopyridone using transient N K-edge XAS. Despite being an excellent probe mechanism for valence excited-state proton dynamics, the K-edge core-excitation itself also disturbs the electronic structure at specific sites of a molecule. The rapid reaction of protons to 1s photo-excitations can yield directional structural distortions within the femtosecond core-excited state lifetime. These directional proton dynamics can change the energetic separation of eigenstates of the system and alter probabilities for radiative decay between them. Both effects yield spectral signatures of the dynamics in RIXS spectra. Using these signatures of RIXS transitions into electronically excited states, we investigate proton dynamics induced by N K-edge excitation in the amino-acid histidine. The minor core-excited state dynamics of histidine in basic and neutral chemical environments allow us to establish XAS and RIXS spectral signatures of different N protonation states at its imidazole N sites. Based on these signatures, we identify an excitation-site-independent N-H dissociation for N K-edge excitation under acidic conditions. Such directional structural deformations, induced by core-excitations, also make proton dynamics in electronic ground states accessible through RIXS transitions into vibrationally excited states. In that context, we interpret high resolution RIXS spectra of the water molecule for three O K-edge resonances based on quantum-chemical wave packet propagation simulations. We show that highly oriented ground state vibrational modes of coupled nuclear motion can be populated through RIXS processes by preparation of core-excited state nuclear wave packets with the same directionality. Based on that, we analytically derive the possibility to extract one-dimensional directional cuts through potential energy surfaces of molecular systems from the corresponding RIXS spectra. We further verify this concept through the extraction of the gas-phase water ground state potential along three coordinates from experimental data in comparison to quantum-chemical simulations of the potential energy surface. This thesis also contains contributions to instrumentation development for investigations of photo-induced molecular dynamics at high brilliance X-ray light sources. We characterize the setup used for the transient valence-excited state XAS measurements of 2-thiopyridone. Therein, a sub-micrometer thin liquid sample environment is established employing in-vacuum flat-jet technology, which enables a transmission experimental geometry. In combination with a MHz-laser system, we achieve a high detection sensitivity for photo-induced X-ray absorption changes. Additionally, we present conceptual improvements for temporal X-ray optical cross-correlation techniques based on transient changes of multilayer optical properties, which are crucial for the realization of femtosecond time-resolved studies at synchrotrons and free-electron lasers.show moreshow less
  • Die stetige Bestrahlung der Erde mit intensivem Sonnenlicht stellt einen permanente Energiequelle dar, die zahllose natürliche Prozesse antreibt. Auf molekularer Ebene wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung durch photochemische Prozesse in chemische und thermische Energie umgewandelt. Während dieser Prozesse werden thermisch nicht erreichbare angeregte Zustände von Molekülen durch Photoanregungen bevölkert. Dies führt zu Änderungen der Molekülgeometrie, die abhängig von den Eigenschaften der angeregten Zustände sind. Zerfallsprozesse in energetisch tieferliegende Zustände in transienten Molekülgeometrien führen zur Ausbildung von Relaxationspfaden angeregter Zustände. Die Relaxationsmechanismen sind dabei abhängig vom untersuchten System selbst, den Wechselwirkungen mit seiner chemischen Umgebung und den Eigenschaften der beteiligten angeregten Zustände. In dieser Arbeit werden Systeme untersucht, in denen die Protonierung bestimmter Atome im Molekül durch eine Photoanregung geändert werden kann. Um Protonendynamik anDie stetige Bestrahlung der Erde mit intensivem Sonnenlicht stellt einen permanente Energiequelle dar, die zahllose natürliche Prozesse antreibt. Auf molekularer Ebene wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung durch photochemische Prozesse in chemische und thermische Energie umgewandelt. Während dieser Prozesse werden thermisch nicht erreichbare angeregte Zustände von Molekülen durch Photoanregungen bevölkert. Dies führt zu Änderungen der Molekülgeometrie, die abhängig von den Eigenschaften der angeregten Zustände sind. Zerfallsprozesse in energetisch tieferliegende Zustände in transienten Molekülgeometrien führen zur Ausbildung von Relaxationspfaden angeregter Zustände. Die Relaxationsmechanismen sind dabei abhängig vom untersuchten System selbst, den Wechselwirkungen mit seiner chemischen Umgebung und den Eigenschaften der beteiligten angeregten Zustände. In dieser Arbeit werden Systeme untersucht, in denen die Protonierung bestimmter Atome im Molekül durch eine Photoanregung geändert werden kann. Um Protonendynamik an den betreffenden Atomen zu untersuchen, wird ein lokaler Zugang zur elektronischen Struktur des Moleküls benötigt. Daher wird in dieser Arbeit K-Kanten Weichröntgenspektroskopie genutzt, um photo-induzierte Protonendynamik in gasförmigen und flüssigen Proben zu untersuchen. Zusätzlich zur Selektivität bzgl. des Elements und des chemischen Zustands des betreffenden Atoms bietet diese Zugang zum Charakter und zur Lokalisierung der bindungsformenden Valenzorbitale. Die Protonierung von Stickstoffatomen (N) in organischen Systemen und die des Sauerstoffatoms (O) im Wassermolekül wird dabei durch Übergänge zwischen stark lokalisierten 1s- und Valenzorbitalen mit 2p-Charakter detektiert. Die verwendeten Spektroskopiemethoden Röntgenabsorption (engl. X-ray absorption spectroscopy, XAS) und resonate inelastische Röntgenstreuung (engl. resonant inelastic X-ray scattering, RIXS) bieten dabei einen lokalen Zugang zur unbesetzten bzw. im Fall von RIXS auch zur besetzten elektronischen Struktur der untersuchten Moleküle. Mit Hilfe der genannten Methoden haben wir in zeitaufgelösten Anrege-Abfrage (engl. pump-probe) Experimenten durch Valenzanregungen induzierte Protonentransfer-Prozesse (engl. excited state proton transfer, ESPT) des Moleküls 2-Thiopyridon in wässriger Lösung untersucht. Eine Verschiebung der N K-Kanten Röntgenabsorptionsresonanzen, sowie eine charakteristische Röntgenemissionslinie werden von uns als spektrale Signaturen einer N Deprotonierung des Systems etabliert. Eine potenzielle photo-induzierte N Deprotonierung des Moleküls wird anhand dieser Signaturen auf femtosekunden Zeitskalen über zeitaufgelöste N K-Kanten RIXS Messungen identifiziert. Protonentransfer-Mechanismen auf Pico- und Nanosekunden Zeitskalen entlang der dominanten Relaxationspfade des Systems werden mit zeitaufgelöstem N K-Kanten XAS untersucht. K-Kanten Rumpfanregungen eignen sich nicht nur ideal zur Detektion von Protonendynamik in valenzangeregten Zuständen, da die Rumpfanregungen selbst auch eine lokalisierte Störung der elektronischen Struktur darstellen. Vor allem die Reaktion von Protonen auf diese Störung innerhalb der 1s Rumpfloch-Lebensdauer von wenigen Femtosekunden kann zu einer gerichteten Verzerrung der Molekülstruktur führen. Die damit verbundenen Änderungen von Übergangsenergien und -wahrscheinlichkeiten sind als Signaturen dieser gerichteten Protonendynamik in RIXS Spektren zugänglich. Anhand von RIXS Übergängen in elektronisch angeregte Zustände untersuchen wir Protonendynamik, die durch N K-Kanten Anregungen an den N Atomen im Imidazolring der Aminosäure Histidin induziert wird. Die schwache Dynamik in basischen und neutralen wässrigen Lösungen erlauben es uns, die Protonierung dieser N Atome mit charakteristischen spektralen Signaturen zu korrelieren. Mit Hilfe dieser Signaturen identifizieren wir eine durch K-Kanten Anregung verursachte N-H Dissoziation in saurer Lösung. Dieser Prozess ist unabhängig davon, an welchem der N Atome des Imidazolrings die Rumpfanregung lokalisiert ist. Solche, durch Rumpfanregungen verursachten, gerichteten Verzerrungen der Molekülstruktur ermöglichen einen Zugang zu Protonendynamik im elektronischen Grundzustand über RIXS Prozesse in dessen vibrationsangeregte Zustände. In diesem Zusammenhang vergleichen wir hochaufgelöste O K-Kanten RIXS Spektren des Wassermoleküls in der Gasphase mit quantenchemischen Simulationen zur Wellenpaketpropagation in den rumpfangeregten Zuständen. Dabei wird deutlich, dass die gerichtete Verzerrung der Molekülstruktur im rumpfangeregten Zustand eine Bevölkerung von Vibrationsmoden des Grundzustandes mit der gleichen Ausrichtung durch den RIXS Prozess verursacht. Anhand dieser Ergebnisse leiten wir ab, unter welchen Bedingungen eine Extraktion eindimensionaler Querschnitte der Potentialfläche des Grundzustandes aus den entsprechenden RIXS Spektren möglich ist. Wir verifizieren diese Methode anhand der Extraktion der Grundzustandspotentialfläche des Wassermoleküls entlang drei unterschiedlicher Richtungen im Vergleich zu den quantenchemischen Rechnungen. Diese Arbeit enthält zudem Beiträge zur Entwicklung von Instrumentierung für Untersuchungen valenzangeregter Moleküldynamik an Röntgenquellen mit hoher Brillianz. Der experimentelle Aufbau, der für die zeitaufgelösten XAS Messungen an 2-Thiopyridon verwendet wurde, wird vorgestellt. Ein sub-Mikrometer dünner Flüssigkeitsflachstrahl erlaubt dabei Messungen in einer Transmissionsgeometrie. In Kombination mit einem MHz-Lasersystem können transiente Absorptionsänderungen effizient detektiert werden. Zudem präsentieren wir Konzepte zur zeitlichen Korrelation von Röntgen- und optischen Lichtpulsen, basierend auf Änderungen der optischen Eigenschaften von Dünnschichtsystemen, die essenziell für Studien transienter Prozesse an Synchrotrons und Freie-Elektronen Lasern mit Femtosekunden Zeitauflösung sind.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sebastian Oliver EckertORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425870
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42587
Referee:Alexander FöhlischORCiDGND, Markus GührORCiDGND, Mathias Richter
Advisor:Alexander Föhlisch, Peter Saalfrank
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/03/04
Release Date:2019/03/14
Tag:Dynamik in rumpfangeregten Zuständen; Kurzzeitspektroskopie mit optischer Anregung und Röntgendetektion; Protonendynamik molekularer Systeme; Protonentransfer in angeregten Zuständen
K-Kanten Weichröntgenspektroskopie; K-edge soft X-ray spectroscopy; core-excited state dynamics; excited state proton transfer; molecular proton dynamics; optical pump - X-ray probe spectroscopy
Pagenumber:xviii, 193
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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