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Ultrafast Proton-Coupled Electron Transfer Reactions at Unit Quantum Yield

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作者
Rui Liu,Zachary X. W. Widel,Jiaqi Zhu,Jarrett P. Mansergh,Aubrey R. Caplin,Samuel I. Mann,Ian Bakanas,Nicholas F. Polizzi,Peng Zhang,William F. DeGrado,David N. Beratan,Michael J. Therien
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (35): 37594-37599
标识
DOI:10.1021/jacs.6c11637
摘要

Proton-coupled electron transfer (PCET) reactions mediate essential biological energy-conversion processes, yet dynamical experiments that distinguish concerted electron/proton motion from sequential electron-transfer/proton-transfer pathways are unprecedented on ultrafast time scales. Here we report a tightly coupled donor-spacer-acceptor assembly, NDI-Sp-PhOH/BI, that enables direct interrogation of light-triggered and ultrafast PCET dynamics. Photoexcitation of the naphthalene diimide chromophore drives charge separation forming NDI radical anion and benzimidazolium phenoxy radical (PhO•/BIH+) products with a 440 fs time constant, followed by thermal charge recombination on a 5 ps time scale. Transient visible/near-infrared and mid-infrared spectroscopies independently track electron and proton motion and reveal coincident formation and decay of the charge-separated PCET products, excluding detectable phenol radical cation or phenoxide intermediates expected for sequential electron transfer-proton transfer (ET-PT) pathways. Surface-hopping quasiclassical trajectory simulations demonstrate rapid proton relocation coupled to evolution from locally excited to charge-transfer states, congruent with a concerted mechanism. These combined spectroscopic and computational results establish NDI-Sp-PhOH/BI as an archetype for ultrafast, concerted PCET occurring with unit quantum yield; further, because this platform provides distinct electronic and vibrational spectroscopic handles in its ground, electronically excited, and charge-separated states, it provides new opportunities to characterize mechanistic crossover in biomimetic PCET systems.
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