Origin of Intersystem Crossing in Red-Light Absorbing Bodipy Derivatives: Time-Resolved Transient Optical and Electron Paramagnetic Resonance Spectral Studies with Twisted and Planar Compounds

作者
Muhammad Imran,Ivan V. Kurganskii,Partha Maity,Fabiao Yu,Jianzhang Zhao,Gagik G. Gurzadyan,Bernhard Dick,Omar F. Mohammed,Matvey V. Fedin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:128 (40): 9859-9872 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.4c05418
摘要

We studied the intersystem crossing (ISC) property of red-light absorbing heavy atom-free dihydronaphtho[ b ]-fused Bodipy derivatives (with phenyl group attached at the lower rim via ethylene bridge, taking constrained geometry, i.e., BDP-1 and the half-oxidized product BDP-2 ) and dispiroflourene[ b ]-fused Bodipy ( BDP-3 ) that have a twisted π-conjugated framework. BDP-1 and BDP-3 show strong and sharp absorption bands (i.e., ε = 2.0 × 10 5 M –1 cm –1 at 639 nm, fwhm ∼491 cm –1 for BDP-3 ). BDP-1 is significantly twisted (φ = 21.6°), while upon mono-oxidation, BDP-2 becomes nearly planar on the oxidized side (φ = 3.5°). Interestingly, BDP-2 showed efficient ISC (triplet state quantum yield, Φ T = 40%) due to S 1 / T 2 state energy matching. Long-lived triplet excited state was observed (τ T = 212 μs in solution and 2.4 ms in polymer matrix), and ISC takes 4.0 ns. Differently, twisted BDP-1 gives weak ISC only 5%, ISC takes 7.7 ns, and the triplet state is populated only with addition of ethyl iodide. Time-resolved electron paramagnetic resonance spectra of BDP-1 revealed the coexistence of two triplet states, with drastically different zero-field splitting D parameters of −2047 MHz and −1370 MHz, respectively, along with varying sublevel population ratios. We demonstrate that the ISC is not necessarily enhanced by torsion of the π-conjugation framework; instead, S 1 / T n state energy matching is more efficient to induce ISC even in compounds that have planar molecular structures.

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