Substituent Positioning Controls the Trade-Off between Charge Transfer and ESIPT Kinetics in Disubstituted HBT Derivatives

取代基 分子内力 光化学 激发态 化学 质子 荧光 解耦(概率) 密度泛函理论 含时密度泛函理论 电荷(物理) 接受者 激发 势能 波长 背景(考古学) 材料科学 化学物理 计算化学 分子 分子物理学
作者
Xue-fang Yu,Y. ZHANG,Cong-yue Wang,Y. Li
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:130 (5): 1135-1144 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.5c08106
摘要

The photophysical properties of six disubstituted 2-(2'-hydroxyphenyl)-benzothiazole (HBT) derivatives (diHBT1-6) are systematically investigated using density functional theory (DFT) and TD-DFT with the CAM-B3LYP/TZVP and B3LYP/TZVP levels and RI-CC2/def2-TZVP level. Ground- and excited-state geometries, vertical excitation and emission energies, frontier molecular orbitals, hole-electron distributions, and potential energy curves along the excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) coordinate are analyzed to elucidate the interplay between substituent positioning, intramolecular charge transfer (CT), and excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) behavior. We reveal a previously unrecognized structure-property relationship: emission wavelength and ESIPT barrier are inversely tunable through substituent topology. Specifically, meta-electron-withdrawing group(meta-EWG)/para-electron-donating group(para-EDG) configurations (diHBT3 and diHBT6) maximize CT character, yielding the longest emission wavelengths, while simultaneously elevating the forward ESIPT barrier to >4.5 kcal/mol. In contrast, ortho-EWG/para-EDG isomers (diHBT2 and diHBT5) preserve locally excited (LE) character and exhibit ultralow ESIPT barriers (<0.7 kcal/mol) at the cost of blue-shifted emission. This decoupling of spectral tuning from proton transfer energy landscape, governed by the spatial alignment of donor and acceptor moieties, establishes a generalizable design paradigm for HBT-based fluorophores. Our findings provide a rigorous theoretical framework for rationally engineering emission color and ESIPT behavior independently, enabling precise optimization of fluorescent probes for bioimaging and optoelectronic applications.
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