A theoretical investigation on ESIPT process of a red-emitting ratiometric fluorescent probe and its fluorescent detection mechanism for cyanide anion

化学 荧光 光化学 分子内力 亲核细胞 激发态 质子 氢键 亲核加成 电子转移 氰化物 离子 分子 立体化学 无机化学 催化作用 原子物理学 物理 有机化学 生物化学 量子力学
作者
Xueli Jia,Yufang Liu
出处
期刊:Journal of Industrial and Engineering Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:99: 126-133 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.jiec.2021.04.022
摘要

Excited state intramolecular proton transfer (ESIPT) process of a fluorescent probe (EP1) and its fluorescent detection mechanism for cyanide anion (CN−) have been investigated theoretically. Optimized structures indicate that the hydrogen bond (O1H2···O3) in EP1 is strengthened upon photo-excitation and the O1H2 proton in EP1-CN formed after adding CN− transfers spontaneously to O3. Potential energy curves confirm that proton transfer in EP1 is impossible because energies of the S0 and S1 states increase with the O1H2 bond length. While proton transfer in EP1-CN is unobstructed because energies of the S0 state decrease with the O1H2 bond length. Compared to EP1, the absorption and fluorescence spectra of EP1-CN are both red-shifted (87 and 41 nm) due to the large charge transfer extent. Orbital-weighted dual descriptor isosurface and condensed local nucleophilicity indices confirm that the carbon atom on the aldehyde group is the nucleophilic site of CN−. Transition state searching demonstrates that the occurrence of nucleophilic addition reaction between EP1 and CN− should overcome a reaction barrier of 14.29 kcal/mol and then get EP1-CN, which has 6.61 kcal/mol lower energy than reactants. Thus, EP1 detecting CN− is through the fluorescence variation induced by the large charge transfer extent rather than by hampering ESIPT.

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