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Metal‐Free Singlet Oxygen Generation via Excited‐State Intramolecular Proton‐Transfer‐Driven Intersystem Crossing in 2D Covalent Organic Frameworks

系统间交叉 光化学 分子内力 单线态氧 单重态裂变 互变异构体 化学 化学物理 单重态 材料科学 激发态 三重态 分子 氧气 有机化学 原子物理学 物理
作者
Junyi Qiu,Chang Cheng,Hermenegildo Garcı́a,Guijie Liang,Bicheng Zhu,Liuyang Zhang,Jiaguo Yu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202515898
摘要

Abstract Singlet oxygen ( 1 O 2 ) is a key reactive species in photodynamic therapy and organic synthesis. Conventional generation of 1 O 2 relies on metal‐containing sensitizers to promote intersystem crossing (ISC) and thereby activate molecular oxygen ( 3 O 2 ), which limits biocompatibility and scalability. Here, we report a metal‐free strategy leveraging excited‐state intramolecular‐proton‐transfer (ESIPT) to enhance 1 O 2 production. Two classes of ESIPT‐active materials, 1D polymers and 2D covalent organic frameworks (COFs), were systematically compared. Interestingly, while the ESIPT transition in the 1D polymer is incomplete and unstable, 2D COF enables a highly stabilized tautomeric transition, resulting in a persistent metastable state that acts as a gateway to enhanced ISC. This difference is due to a reversed ESIPT pathway dictated by ground‐state geometry. Time‐resolved spectroscopic studies reveal that the ESIPT transition process in the 2D COF triggers ISC, facilitating 1 O 2 generation. Thermodynamic analysis reduces the singlet–triplet energy gap and increases dipole moment changes, while spin–orbit coupling and frontier molecular orbital reorganization indicate kinetic facilitation of ISC. This work highlights the unique advantages of 2D‐COF‐based ESIPT transformations, offering a groundbreaking approach to boosting ISC efficiency and 1 O 2 generation, expanding the scope of ESIPT in photocatalytic applications.
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