Multiconfigurational Calculations and Photodynamics Describe Norbornadiene Photochemistry

降冰片二烯 化学 四环烷 激发态 势能 异构化 光化学 化学物理 计算化学 原子物理学 物理 有机化学 催化作用
作者
Federico J. Hernández,Jordan M. Cox,Jingbai Li,Rachel Crespo‐Otero,Steven A. Lopez
出处
期刊:Journal of Organic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:88 (9): 5311-5320 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.joc.2c02758
摘要

Storing solar energy is a vital component of using renewable energy sources to meet the growing demands of the global energy economy. Molecular solar thermal (MOST) energy storage is a promising means to store solar energy with on-demand energy release. The light-induced isomerization reaction of norbornadiene (NBD) to quadricyclane (QC) is of great interest because of the generally high energy storage density (0.97 MJᐧkg–1) and long thermal reversion lifetime (t1/2, 300K = 8346 years). However, the mechanistic details of the ultrafast excited-state [2+2]-cycloaddition is largely unknown due to the limitations of experimental techniques in resolving accurate excited-state molecular structures. We now present a full computational study on the excited-state deactivation mechanism of NBD in the gas phase. Our multiconfigurational calculations [SA6-CASSCF(4,7)/ANO-S-VDZP] and non-adiabatic molecular dynamics simulations have enumerated the possible pathways with 600 S2 initial conditions for 300 fs. The predicted S2 and S1 lifetimes are reported (62 and 221 fs). The QC: NBD formation ratio is 1:5; the predicted quantum yield of QC is 9%, which underscores the potential of NBD for MOST materials. Our simulations also show the mechanisms of forming other possible reaction products and their quantum yields.
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