A Zirconium Photosensitizer with a Long-Lived Excited State: Mechanistic Insight into Photoinduced Single-Electron Transfer

化学 光化学 光敏剂 光诱导电子转移 电子转移 激发态 猝灭(荧光) 三重态 密度泛函理论 计算化学 分子 荧光 有机化学 量子力学 物理 核物理学
作者
Yu Zhang,Tia S. Lee,Jeffrey L. Petersen,Carsten Milsmann
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (18): 5934-5947 被引量:103
标识
DOI:10.1021/jacs.8b00742
摘要

Time-resolved emission spectroscopy for the luminescent zirconium complex Zr(MePDP)2 (MePDP = 2,6-bis(5-methyl-3-phenyl-1H-pyrrol-2-yl)pyridine) revealed a long-lived excited state with a lifetime τ = 325 ± 10 μs. Computational studies using time-dependent density functional theory were conducted to identify the nature of the luminescent excited state as a mixed triplet intraligand/ligand-to-metal charge-transfer state. Stern–Volmer experiments showed a strong dependence of the quenching rate on the redox potential of the quencher indicating photoinduced single-electron transfer (SET) as the quenching pathway. Mechanistic investigations of the photocatalytic homocoupling of benzyl bromide allowed the detection of organic radical intermediates during turnover and provided further evidence for SET mediated by Zr(MePDP)2. Isolation of the one-electron-reduced form of the photosensitizer, [Zr(MePDP)2]−, enabled studies of its electronic structure by a combination of experimental and computational techniques and confirmed its role as a strong reductant. Additionally, the role of the benzimidazolium hydride derivatives as two-electron sacrificial reductants during photoredox catalysis was investigated. In combination, the results presented in this report establish a detailed mechanistic picture of a photoredox catalytic reaction promoted by an earth-abundant early transition metal photosensitizer.

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