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Angew. Chem.:基于激发态过程的光调控电荷转移实现给体-受体动态结合


在分子科学领域中,电荷转移(CT)作用扮演着至关重要的角色。它不仅是分子马达、生物分子识别等复杂自组装系统形成的动力,还在电荷传输、发光、半导体和光电转换等多个领域中发挥着关键作用。

与温度、压力、机械研磨和化学刺激等手段相比,光能够以远程和非接触的方式精确控制分子的激活,并且可以诱导电子转移或分子结构的改变,具有调控分子间或分子内CT的独特潜力。然而,由于固态材料的结构限制及缺乏具有λ-正交性或波长选择性的光活性单元,光对CT作用的可逆调控仍面临挑战。

北京理工大学张杰教授团队开发了一种具有π共轭给体-受体(D-A)结构的光活性吡啶鎓分子(BCbpe),利用其与富电子物种(D¢)构建了分子间的给体-受体对(D¢-A),并成功实现固态条件下给体-受体间CT作用的可逆光调控。



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单晶结构表明,V形的BCbpe分子、棒状的溴代对苯二甲酸根阴离子(Br-bdc2-)与Cd2+离子配位,形成具有六重穿插结构的配位聚合物。在此结构中,缺电子的吡啶鎓单元与富电子的Br-bdc2-紧密堆叠,为分子间CT作用的形成提供了理想的空间排列。

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研究发现,紫外光辐照可以诱导电子转移过程的发生,伴随着CT作用的增强;在可见光激发下,CT作用被可逆地减弱。这种动态调控使得分子间的给体-受体对能够在解离状态和结合状态之间转换,触发光致变色和荧光开关,实现可视化的光学信号输出。

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作者通过DFT理论模拟分析了紫外光和可见光辐照下化合物的激发态过程,证实了可逆光控CT与固态化合物激发波长依赖发射性质之间的密切关系。具有π共轭D-A结构特征的吡啶鎓基团,在紫外光激发下能够发生电子转移,导致电子重排,从而增强分子间CT;此外,D-A发色团在激发态通过扭曲的分子内电荷转移(TICT)发生构象改变,其扭曲的几何结构削弱了分子间CT作用,从而实现CT作用的可逆光调控。该研究为光控CT作用开辟了新的研究视角,这对于推动动态响应材料中复杂分子系统的构建与发展具有重要意义。

文信息

Photomodulation of Charge Transfer through Excited-State Processes: Directing Donor-Acceptor Binding Dynamics

Jia-Qi Pan, Hao-Ran Wei, Yun-Rui Chen, Meng-Ze Jia, Bin Tan, Prof. Jie Zhang

文章的第一作者是北京理工大学的博士研究生潘佳琪


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202412790




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