Количественный экспериментальный и теоретический анализ релаксационных процессов в самособирающихся триадах порфиринов

  • Э. И. Зенькевич Белорусский национальный технический университет
  • Д. Килин Государственный университет Северной Дакоты
  • К. фон Борцисковски Институт физики, Технический университет Хемнитца
  • Д. Р. Т. Цан Институт физики, Технический университет Хемнитца

Аннотация

Основные конкурирующие безызлучательные релаксационные процессы (перенос энергии возбуждения и фотоиндуцированный перенос электрона) количественно исследованы в самособирающихся триадах на основе химического димера Zn-октаэтилпорфирина (донора энергии/электрона) и дипиридилзамещенного порфиринового экстра-лиганда (акцептора) в толуоле методами коррелированного счета фотонов и фемтосекундной транзиентной спектроскопии. Обнаружено, что тушение и сокращение длительности (с нс до пс) флуоресценции димера в триадах связано с проявлением двух указанных выше каналов дезактивации. Конкурирующая роль процессов переноса энергии и электрона была экспериментально исследована при вариации температуры и полярности растворителя (добавление ацетона в толуольные растворы), а также расчетами в рамках теорий Ферстера и Маркуса. Кроме того, для порфиринового экстра-лиганда в составе триад наблюдается сокращение длительности флуоресценции (в 1.3–1.6 раз в толуоле при 293 К), которое усиливается при возрастании полярности, а также при понижении температуры (с 278 К до 160 К). Обсуждаются возможные причины и механизмы безызлучательной дезактивации локально возбужденных S1 -состояний в триадах с учетом близко расположенного состояния с переносом заряда. Полученные экспериментальные результаты анализируются в рамках метода редуцированной матрицы плотности.

Литература

Cook T.R., Dogutan D.K., Reece S.Y., Surendranath Y., Teets T.S., Nocera D.G. Chem. Rev. 2010, 110, 6474-6502.

https://doi.org/10.1021/cr100246c

Otsuki J. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 6710-6753.

https://doi.org/10.1039/C7TA11274B

Croce R., van Amerongen H. Nat. Chem. Biol. 2014, 10, 492-501.

https://doi.org/10.1038/nchembio.1555

Unterkofler S., Pflock T., Southall J., Cogdell R.J., Koehler J. ChemPhysChem 2011, 12, 711-716.

https://doi.org/10.1002/cphc.201000588

Snellenburg J.J., Johnson M.P., Ruban A.V., van Grondelle R., Stokkum I.H.M. BBA Bioenergetics 2017, 1858, 854-864.

https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2017.08.004

Moretti L., Kudisch B., Terazono Y., Moore A.L., Moore T.A., Gust D., Cerullo G., Scholes G.D., Maiuri M. J. Phys. Chem. Lett. 2020, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00856.

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00856

Kundu S., Patra A. Chem. Rev. 2017, 117, 712-757.

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00036

Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications (Kim D., Ed.) Singapore: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2012. 775 p.

Zenkevich E.I., von Borczyskowski C. Formation Principles and Excited States Relaxation in Self-Assembled Complexes: Multiporphyrin Arrays and "Semiconductor CdSe/ZnS Quantum Dot-Porphyrin" Nanocomposites. In: Handbook of Porphyrin Science with Application to Chemistry, Physics, Materials Science, Engineering, Biology and Medicine. Vol. 22 - Biophysical and Physicochemical Studies of Tetrapyrroles (Kadish K., Smith K.M., Guilard R., Eds.) Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2012. p. 67-168.

https://doi.org/10.1142/9789814397605_0006

Fukuzumi S., Lee Y.-M., Nam W. ChemPhotoChem 2018, 2, 121-135.

https://doi.org/10.1002/cptc.201700146

Hood D., Sahin T., Parkes-Loach P.S., Jiao J., Harris Michelle A., Dilbeck P., Niedzwiedzki D.M., Kirmaier C., Loach P.A., Bocian D.F., Lindsey J.S., Holten D. ChemPhotoChem 2018, 2, 300-313.

https://doi.org/10.1002/cptc.201700182

Zeng Y., Chen J., Yu T., Yang G., Li Y. ACS Energy Lett. 2017, 2, 357-363.

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6b00652

Wibmer L., Lourenco L.M.O., Roth A., Katsukis G., Neves M.G.P., Cavaleiro J.A.S., Tomé J.P.C., Torres T., Guldi D.M. Nanoscale 2015, 7, 5674-5682.

https://doi.org/10.1039/C4NR05719H

Zenkevich E.I., Larkina E.A., Konovalova N.V., Stupak A.P. Macroheterocycles 2019, 12, 47-57.

https://doi.org/10.6060/mhc181224z

Zenkevich E.I. Russ. J. Gen. Chem. 2019, 89(12), 1-32.

https://doi.org/10.1134/S1070363219120442

Pal K. Hybrid Nanocomposites: Fundamentals, Synthesis, and Applications. 1st Edition, Jenny Stanford Publishing, 2019.

https://doi.org/10.1201/9780429000966

Cassano D., Voliani V. Behaviors and Persistence of Nanomaterials in Biomedical Applications. Scrivener Publishing LLC. John Wiley & Sons, Inc., 2018.

https://doi.org/10.1002/9781119418962

Kiat J.H. Nanomaterials in Energy Devices. CRC Press, 2017. 248 p.

Lehn J.-M. Supramolecular Chemistry: Concept and Perspectives. VCH, Weinheim, 1995.

https://doi.org/10.1002/3527607439

Hill J.P., D'Souza F., Ariga K. In: Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials (Gale P., Steed J., Eds.) Wiley, 2012. p. 1713-1730.

Foerster T. Modern Quantum Chemistry. New York: Academic Press, 1965.

Agranovich V.M., Galanin M.D. Electronic Excitation Energy Transfer in Condensed Matter. Moscow: Nauka, 1977 (in Russ.) [Агранович В.М., Галанин М.Д. Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах. М.: Наука, 1978. 383 c.].

Govorov A., Hernández P.L., Hilmi M., Demir V. Understanding and Modeling Förster-type Resonance Energy Transfer (FRET): Introduction to FRET. Springer Briefs in Applied Sciences and Technology. Singapore: Springer, 2016.

https://doi.org/10.1007/978-981-287-378-1

Marcus R.A. Rev. Modern Phys. 1993, 65, 599-610.

https://doi.org/10.1103/RevModPhys.65.599

Wasielewski M.R. Chem. Rev. 1992, 92, 435-461.

https://doi.org/10.1021/cr00011a005

Bixon M., Jortner J., Michel-Beyerle M.E. Chem. Phys. 1995, 197, 389-404.

https://doi.org/10.1016/0301-0104(95)00168-N

Zenkevich E.I., von Borczyskowski C. Multiporphyrin Self-Assembled Arrays in Solutions and Films: Thermodynamics, Spectroscopy and Photochemistry. In: Handbook of Polyelectrolytes and Their Applications (Tripathy S.K., Kumar J., Nalwa H.S., Eds.) USA: American Scientific Publishers, 2002, 2, Chapter 11. p. 301-348.

Zenkevich E.I., von Borczyskowski C. Photoinduced Relaxation Processes in Self-Assembled Nanostructures: Multiporphyrin Complexes and Composites "CdSе/ZnS Quantum Dot-Porphyrin". In: Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications (Kim D., Ed.) Singapore: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2012, Chapter 5. p. 217-288.

https://doi.org/10.1201/b11621-6

Chernook A.V., Shulga A.M., Zenkevich E.I., Rempel U., von Borczyskowski C. J. Phys. Chem. 1996, 100(5), 1918-1926.

https://doi.org/10.1021/jp951108h

Zenkevich E.I., von Borczyskowski C., Shulga A.M., Bachilo S.M., Rempel U., Willert A. Chem. Phys. 2002, 275(1-3), 185-209.

https://doi.org/10.1016/S0301-0104(01)00516-X

Zenkevich E.I., Tikhomirov S.A. Femtosecond Transient Spectroscopy of Solutions. In: Theoretical and Experimental Methods of Solution Chemistry (Tsivadze A.Yu., Ed.) Moscow, 2011, Chart 4. p. 190-254 (in Russ.) [Зенькевич Э.И., Тихомиров С.А. Фемтосекундная транзиентная спектроскопия растворов. В кн. Теоретические и экспериментальные методы химии растворов (Цивадзе А.Ю., ред.). М.: Изд-во Проспект, 2011. Гл. 4, с. 184–248].

Zenkevich E.I., Shulga A.M., Chernook A.V., Sagun E.I., Gurinovich G.P. Proc. Indian Acad. Sci., Chem. Sci. 1995, 107, 795-802.

Kavarnos G.J., Turro N.J. Chem. Rev. 1986, 86, 401-449.

https://doi.org/10.1021/cr00072a005

Murrov S.L., Carmichael I., Hug G.L. Handbook of Photochemistry. New-York-Basel-Hong Kong: Marcel Deccer Inc., 1993. p. 269-278.

Brixner T., Hildner R., Köhler J., Lambert C., Würthner F. Adv. Energy Mater. 2017, 7(16), 1700236.

https://doi.org/10.1002/aenm.201700236

Renger T., May V. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 7232-7240.

https://doi.org/10.1021/jp963372w

Meier T., Chernyak V., Mukamel S. J. Chem. Phys. 1997, 107, 8759-8774.

https://doi.org/10.1063/1.475169

Reineker V.M. In: Exciton Dynamics in Molecular Crystals and Aggregates (Höhler G., Ed.) Springer Tracts in Modern Physics, Berlin: Springer, 1982, 94. p. 111.

https://doi.org/10.1007/BFb0041437

Herman P., Barvik I. Phys. Rev. B 1993, 48, 3130-3013.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.3130

Schreiber M., Kilin D., Kleinekathoefer U. J. Lumin. 1999, 83-84, 235-240.

https://doi.org/10.1016/S0022-2313(99)00104-0

Weller A. Z. Phys. Chem. Neue Folge 1982, 13, 93-97.

Supan P. J. Chem. Soc. Farad. Trans. I 1987, 83, 495-499.

https://doi.org/10.1039/F19878300495

Gust D., Moore T.A., Moore A.L., Devados C., Liddell P.A., Hermant R., Nieman R.A., Demanche L.G.,. DeGraziano J.M., Gouni I. J. Amer. Chem. Soc. 1992, 3590-3602.

https://doi.org/10.1021/ja00036a002

Sagun E.I., Zenkevich E.I., Knyukshto V.N., Shulga A.M., Starukhin D.A., von Borczyskowski C. Chem. Phys. 2002, 275(1-3), 211-237.

https://doi.org/10.1016/S0301-0104(01)00517-1

Wiederrecht G.P., Svec W.A., Wasielewski M.R., Galili T., Levanon H. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 7726-7727.

https://doi.org/10.1021/ja991828s

Опубликован
2020-10-15
Раздел
Порфирины