Особенности фотоиндуцированного переноса электрона в наноансамблях, содержащих порфириновые макроциклы
Аннотация
С использованием комбинации спектральных стационарных и время-разрешенных экспериментальных данных совместно с теоретическими расчетами в рамках соответствующих моделей количественно исследована динамика конкурирующих безызлучательных релаксационных процессов для различных нано-ансамблей, содержащих порфириновые макроциклы (мезо-нитрофенилоктаэтилпорфирины и их химические димеры; химические димеры Zn-порфиринов, ковалентно связанные с электронными акцепторами непорфириновой природы; самособирающиеся триады порфиринов с ковалентно связанными акцепторами электрона) при вариации свойств окружения. Особое внимание уделяется анализу некоторых особенностей фотоиндуцированного переноса электрона (РЕТ) в нескольких необычных и редких случаях: i) прямой механизм пространственного РЕТ с участием S1 и T1 состояний в условиях сильных стерических взаимодействий между NO2 группой и объемными C2H5 заместителями в b-положениях пиррольных колец; ii) конкуренция РЕТ и миграции энергии в химических димерах Zn-порфирина с ковалентно связанным акцептором электрона; iii) тушение S1 состояния экстра-лиганда в самособирающихся триадах порфиринов в результате переноса дырки «экстра-лиганд ® димер», сопровождающегося эффективным заселением локально возбужденного T1 состояния свободного основания порфирина; iv) реализация низкотемпературного РЕТ в триадах, содержащих фторированный порфирин в качестве акцептора электрона; v) тушение S1 состояния экстра-лиганда за счет дистанционного РЕТ по механизму суперобмена на ковалентно-связанный акцептор
электрона в триадах.
Литература
Bryant D.A., Hunter C.N., Warren M.J. Biol Chem. 2020, 295, 6888-6925. https://doi.org/10.1074/jbc.REV120.006194
Rehhagen C., Argüello Cordero M.A., Kamounah F.S., Deneva V., Angelov I., Krupp M., Svenningsen S.W., Pittelkow M., Lochbrunner S., Antonov L. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 2043-2053. https://doi.org/10.1021/jacs.3c10789
Hutskalov I., Linden A., Čorić I. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 8291-8298. https://doi.org/10.1021/jacs.3c01030
Koifman O.I., Ageeva T.A., Beletskaya I.P., Averin A.D., Yakushev A.A., Tomilova L.G.,.Dubinina T.V., Tsivadze A.Yu., Gorbunova Yu.G., Martynov A.G., Konarev D.V., Khasanov S.S., Lyubovskaya R.N., Lomova T.N., Korolev V.V., Zenkevich E.I., Blaudeck T., von Borczyskowski Ch., Zahn D.R.T., Mironov A.F., Bragina N.A., Ezhov A.V., Zhdanova K.A., Stuzhin P.A., Pakhomov G.L., Rusakova N.V., Semenishyn N.N., Smola S.S., Parfenyuk V.I., Vashurin A.S., Makarov S.V., Dereven'kov I.A., Mamardashvili N.Zh., Kurtikyan T.S., Martirosyan G.G., Burmistrov V.А., Aleksandriiskii V.V., Novikov I.V., Pritmov D.A., Grin M.A., Suvorov N.V., Tsigankov A.A., Fedorov A.Yu., Kuzmina N.S., Nyuchev A.V., Otvagin V.F., Kustov A.V., Belykh D.V., Berezin D.B., Solovieva A.B., Timashev P.S., Milaeva E.R., Gracheva Yu.A., Dodokhova M.A., Safronenko A.V., Shpakovsky D.B., Syrbu S.A., Gubarev Yu.A., Kiselev A.N., Koifman M.O., Lebedeva N.Sh., Yurina E.S. Macroheterocyclic Compounds - a Key Building Block in New Functional Materials and Molecular Devices. Macroheterocycles 2020, 13, 311-467. https://doi.org/10.6060/mhc200814k
Jing H., Rong J., Taniguchi M., Lindsey J.S. Coord. Chem. Rev. 2022, 456, 214278. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214278
Koifman O.I., Ageeva T.A., Kuzmina N.S., Otvagin V.F., Nyuchev A.V., Fedorov A.Yu., Belykh D.V., Lebedeva N.Sh., Yurina E.S., Syrbu S.A., Koifman M.O., Gubarev Y.A., Bunin D.A., Gorbunova Yu.G., Martynov A.G., Tsivadze A.Yu., Dudkin S.V., Lyubimtsev A.V., Maiorova L.A., Kishalova M.V., Petrova M.V., Sheinin V.B., Tyurin V.S., Zamilatskov I.A., Zenkevich E.I., Morshnev P.K., Berezin D.B., Drondel E.A., Kustov A.V., Pogorilyy V.A., Noev A.N., Eshtukova-Shcheglova E.A., Plotnikova E.A., Plyutinskaya A.D., Morozova N.B., Pankratov A.A., Grin M.A., Abramova O.B., Kozlovtseva E.A., Drozhzhina V.V., Filonenko E.V., Kaprin A.D., Ryabova A.V., Pominova D.V., Romanishkin I.D., Makarov V.I., Loschenov V.B., Zhdanova K.A., Ivantsova A.V., Bortnevskaya Yu.S., Bragina N.A., Solovieva A.B., Kuryanova A.S., Timashev P.S. Synthesis Strategy of Tetrapyrrolic Photosensitzers for Their Practical Application in Photodynamic Therapy. Macroheterocycles 2022, 15, 207-302. https://doi.org/10.6060/mhc224870k
Francesca S., Wennink J.W.H., Mäkinen P.I., Holappa L.P., Trohopoulus P.N., Ylä-Herttuala S., van Nostrum C., de la Escosura A., Torres T. J. Mater. Chem. B. 2020, 8, 282-289. https://doi.org/10.1039/C9TB02014D
Drain C.M., Varotto A., Radivojevic I. Chem Rev. 2009, 109, 1630-1658. https://doi.org/10.1021/cr8002483
Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications (Kim D., Ed.), Singapore: Pan Stanford Publ. Pte. Ltd., 2012. 775 p.
Zenkevich E.I., von Borczyskowski Ch. Multiporphyrin Self-Assembled Arrays in Solutions and Films: Thermodynamics, Spectroscopy and Photochemistry. In: Handbook of Polyelectrolytes and Their Applications, Vol. 2 (Tripathy S.K., Kumar J., Nalwa H.S., Eds.) USA: American Scientific Publishers, 2002. Ch. 11, 301-348.
Zenkevich E.I., von Borczyskowski Ch.W. Formation Principles and Excited States Relaxation in Self-Assembled Complexes: Multiporphyrin Arrays and "Semiconductor CdSe/ZnS Quantum Dot-Porphyrin" Nanocomposites. In: Handbook of Porphyrin Science with Application to Chemistry, Physics, Materials Science, Engineering, Biology and Medicine. Volume 22 - Biophysical and Physicochemical Studies of Tetrapyrroles (Kadish K., Smith K.M., Guilard R., Eds.). Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2012. Ch. 104, p. 68-159. https://doi.org/10.1142/9789814397605_0006
Enakieva Y.Y., Zhigileva E.A., Fitch A.N., Chernyshev V.V., Stenina I.A., Yaroslavtsev A.B., Sinelshchikova A.A., Kovalenko K.A., Gorbunova Y.G., Tsivadze A.Yu. Dalton Trans. 2021, 50, 6549-6560. https://doi.org/10.1039/D1DT00612F
Maiorova L.A., Kobayashi N., Zyablov S.V., Bykov V.A., Nesterov S.I., Kozlov A.V., Devillers C.H., Zavyalov A.V., Alexandriysky V.V., Orena M., Koifman O.I. Langmuir 2018, 34, 9322-9329. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b00905
Urbani M., Grätzel M., Nazeeruddin M.K., Torres T. Chem. Rev. 2014, 114, 12330-12396. https://doi.org/10.1021/cr5001964
Zenkevich E., von Borczyskowski Ch. Surface Photochemistry of Quantum Dot-Porphyrin Nanoassemblies for Singlet Oxygen Generation. In: Photoinduced Processes at Surfaces and in Nanomaterials, ACS Symposium Series, Vol. 1196 (Kilin D., Ed.). Washington: American Chemical Society, 2015. Ch. 12, p. 235-272. https://doi.org/10.1021/bk-2015-1196.ch012
Liu Q., Sun O., Shen J., Zhang Y., Li H., Yu S., Chen Y., Li X., Jiang J. J. Porphyrins Phthalocyanines 2023, 27, 1119-1125. https://doi.org/10.1142/S1088424623500426
Li J., Lu Z., Guo Y., Fang J., Wang A., Feng Y., Zhang Y., Zhu J., Zhao Z., Cheng X., Shi H. ACS Nano 2023, 17, 25147−25156. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08068
Roy P.P., Kundu S., Valdiviezo J., Bullard G., Fletcher J.T., Liu R., Yang S.J., Zhang P., Beratan D.N., Therien M.J., Makri N., Fleming G.R. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 6298-6310. https://doi.org/10.1021/jacs.1c12889
Pochan D., Scherman O. Chem. Rev. 2021, 121, 13699-13700. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00884
Förster T. Modern Quantum Chemistry (Sinanoglu O., Ed.). New York: Academic Press, 1965.
Agranovich V.M., Galanin M.D. Electronic Excitation Energy Transfer in Condensed Matter. Amsterdam, New York: North-Holland Pub. Co. 1982.
Marcus R.A. Rev. Modern Phys. 1993, 65, 599-610. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.65.599
Uno T., Koga M., Sotome H., Miyasaka H., Tamai N., Kobayashi Y. J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 7098−7104. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b03106
Lawrence J.E., Mannouch J.R., Richardson J.O. J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 707-716. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c03197
Wasielewski M.R. Chem. Rev. 1992, 92, 435-461. https://doi.org/10.1021/cr00011a005
Kuciauskas D., Lin S., Seely G.R., Moore A.L., Moore T.A., Gust D., Drovetskaya T., Reed C.A., Boyd P.D.W. J. Phys. Chem. 1996, 100, No 39, 15926-15932. https://doi.org/10.1021/jp9612745
Zenkevich E.I., Shulga A.M., Bachilo S.M., Rempel U., von Richthofen J., von Borczyskowski Ch. J. Lumin. 1998, 76-77, 354-358. https://doi.org/10.1016/S0022-2313(97)00301-3
Bachilo S., Willert A., Rempel U., Shulga A.M., Zenkevich E.I., von Borczyskowski Ch. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry 1999, 126, 99-112. https://doi.org/10.1016/S1010-6030(99)00103-3
Aoki T., Sakai H., Ohkubo K., Sakanoue T., Takenobu T., Fukuzumi S., Hasobe T. Chem. Sci. 2015, 6, 1498-1509. https://doi.org/10.1039/C4SC02787F
Bancroft L., Zhang J., Harvey S.M., Krzyaniak M.D., Zhang P., Schaller R.D., Beratan D.N., Young R.M., Wasielewski M.R. J. Phys. Chem. A 2021, 125, 825-834. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c10471
Sissaoui J., Efimov A., Kumpulainen T., Vauthey E. J. Phys. Chem. B 2022, 126, 4723-4730. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c02405
Bichan N.G., Ovchenkova E.N., Mozgova V.A., Ksenofontov A.A., Kudryakova N.O., Shelaev I.V., Gostev F.E., Lomova T.N. Molecules 2022, 27, 8900. https://doi.org/10.3390/molecules27248900
Washburn S., Kaswan R.R., Shaikh S., Moss A., D'Souza F., Wang H. J. Phys. Chem. A 2023, 127, 9040-9051. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.3c05261
Kim T., Feng Y., O'Connor J.P., Stoddart J.F., Young R.M., Wasielewski M.R. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 8389-8400. https://doi.org/10.1021/jacs.2c13576
Chen Z., Deng J.-R., Hou S., Bian X., Swett J.L., Wu Q., Baugh J., Bogani L., Briggs G.A.D., Mol J.A., Lambert C.J., Anderson H.L., Thomas J.O. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 15265−15274. https://doi.org/10.1021/jacs.3c02451
Knyukshto V., Zenkevich E., Sagun E., Shulga A., Bachilo S. Chem. Phys. Lett. 1998, 297, 97‒108. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)01096-3
Knyukshto V., Zenkevich E., Sagun E., Shulga A., Bachilo S. J. Fluoresc. 2000, 10, 55-68. https://doi.org/10.1023/A:1009439730497
Knyukshto V.N., Shulga A.M., Sagun E.I., Zenkevich E.I. Opt. Spectrosc. 2002, 92, 59–68. https://doi.org/10.1134/1.1446582
Chernook A.V., Shulga A.M., Zenkevich E.I., Rempel U., von Borczyskowski Ch. J. Phys. Chem. 1996, 100, 1918-1926. https://doi.org/10.1021/jp951108h
Osuka A., Tanabe N., Nakajima S., Maruyama K. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1996, 2, 199-203. https://doi.org/10.1039/p29960000199
Sessler J.L., Capuano V.L., Harriman A. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 4618-4628. https://doi.org/10.1021/ja00064a025
Osuka A., Marumo S., Mataga N., Taniguchi S., Okada T., Yamazaki I., Nishimura Y., Ohno T., Nozaki K. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 155-168. https://doi.org/10.1021/ja9520676
Zenkevich E.I., von Borczyskowski Ch. Photoinduced Relaxation Processes in Self-Assembled Nanostructures: Multiporphyrin Complexes and Composites "CdSе/ZnS Quantum Dot-Porphyrin". In: Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications (Kim D., Ed.) Singapore: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2012. Ch. 5, 217-288. https://doi.org/10.1201/b11621-6
Knyukshto V., Zenkevich E., Sagun E., Shulga A., Bachilo S. Chem. Phys. Lett. 1998, 297, 97-108. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)01096-3
Sagun E.I., Zenkevich E.I., Knyukshto V.N., Panarin A.Yu., Semeikin A.S., Lyubimova Т.V. Opt. Spektrosk. 2012, 113, 388–400. https://doi.org/10.1134/S0030400X12070193
Sagun E.I., Zenkevich E.I. Opt. Spectrosc. 2013, 115, 727-738. https://doi.org/10.1134/S0030400X13110210
Gorski A., Knyukshto V., Zenkevich E., Starukhin A., Kijak M., Solarski J., Semeikin A., Lyubimova T. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry 2018, 354, 101-111. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2017.09.002
Gorski A., Kijak M., Zenkevich E., Knyukshto V., Starukhin A., Semeikin A., Lyubimova T., Waluk J. J. Phys. Chem. A 2020, 124, 8144-8158. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c06669
Pukhovskaya S.G., Guseva L.S., Semeikin A.S., Kuvshinova E.M., Golubchikov O.A. Zh. Neorg. Khim. 2005, 50, 635 – 639.
Senge M.O., Medforth C.J., Forsyth T.P., Lee D.A., Olmstead M.M., Jentzen W., Pandey R.K., Shelnutt J.A., Smith K.M. Inorg. Chem. 1997, 36, 1149-1163. https://doi.org/10.1021/ic961156w
Barkigia K.M., Nurco D.J., Renner M.W., Melamed D., Smith K.M., Fajer J. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 322-326. https://doi.org/10.1021/jp973013g
Shi Z., Franco R., Haddad R., Shelnutt J.A., Ferreira G.C. Biochemistry 2006, 45, 2904-2912. https://doi.org/10.1021/bi051907i
Medforth C.J., Berget P.E., Fettinger J.C., Smith K.M., Shelnutt J.A. J. Porphyrins Phthalocyanines 2016, 20, 307-317. https://doi.org/10.1142/S1088424616500103
Retsek J.L., Medforth C.J., Nurco D.J., Gentemann S., Chirvony V.S., Smith K.M., Holten D. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6396-6411. https://doi.org/10.1021/jp004556k
Rozas I., Senge M.O. Future Med. Chem. 2016, 8, 609-612. https://doi.org/10.4155/fmc-2016-0040
Fraser D.D., Bolton J.R. J. Phys. Chem. 1994, 98, 1626-1633. https://doi.org/10.1021/j100057a015
Sessler J.L., Johnson M.R., Lin T.-Y. Tetrahedron 1989, 45, 4767-4784. https://doi.org/10.1016/S0040-4020(01)85151-6
Knyukshto V., Zenkevich E., Sagun E., Shulga A., Bachilo S. Chem. Phys. Lett. 1999, 304, 155-166. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(99)00323-1
Sagun E.I., Zenkevich E.I., Knyukshto V.N., Tikhomirov S.A., Shulga A.M. Opt. Spectrosc. 2004, 96, 388-402. https://doi.org/10.1134/1.1690028
Sagun E.I., Zenkevich E.I., Knyukshto V.N. Charge-Transfer Interactions in Sterically Hindered Porphyrins. In: Spectroscopy and Luminescence of Molecular Systems (Voropay E.S., Solovyev K.N., Umreiko D.S., Eds.). Minsk, 2002. p. 133-150 [В кн.: Спектроскопия и люминесценция молекулярных систем (Воропай Е.С., Соловьекв К.Н., Умрейко Д.С., ред.). Минск: БГУ, 2002. c. 133-155], ISBN 985-445-811-3.
Kavarnos G.J. Fundamentals of Photoinduced Electron Transfer. New-York: VCH Publishers, Inc., 1993. Ch. 6, pp. 287-342.
Avilov I.V., Zenkevich E.I., Sagun E.I., Shulga A.M., Filatov I. V. Opt. Spektrosk. 2003, 95, 696–706. https://doi.org/10.1134/1.1628717
Murrov S.L., Carmichael I., Hug G.L. Handbook of Photochemistry. New-York-Basel-Hong Kong: Marcel Deccer, Inc. 1993. p. 269-278.
Gust D., Moore T.A., Moore A.L., Kang H.K., De Graziano J.M., Liddell P.A., Seely G.R. J. Phys. Chem. 1993, 97, 13637-13642. https://doi.org/10.1021/j100153a035
Kavarnos G.J., Turro N.J. Chem. Rev. 1986, 86, 401-449. https://doi.org/10.1021/cr00072a005
Johnson D.J., Niemczyk M.P., Minsek D.W., Wiererrechy G.P., Svec W.A., Gaines III G.L., Wasielewski M.R. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5692-5701. https://doi.org/10.1021/ja00066a039
Liu J., Bolton J.R. J. Phys. Chem. 1992, 96, 1718-1725. https://doi.org/10.1021/j100183a041
Asahi T., Ohkohchi M., Matsusaka R., Mataga N., Zang R.P., Osuka A., Maruyama K. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5665-5674. https://doi.org/10.1021/ja00066a036
Zenkevich E.I. Russ. J. Gen. Chem. 2019, 89, 2650–2681. https://doi.org/10.1134/S1070363219120442
Zenkevich E.I., Larkina E.A., Konovalova N.V., Stupak A.P. Macroheterocycles 2019, 12, 47-57. https://doi.org/10.6060/mhc181224z
Zenkevich E.I. Macroheterocycles 2016, 9, 121-140. https://doi.org/10.6060/mhc160529z
Zenkevich E.I., von Borczyskowski C. Shulga A.M., Bachilo S.M. Rempel U., Willert A. Chem. Phys. 2002, 275, 185-209. https://doi.org/10.1016/S0301-0104(01)00516-X
Zenkevich E.I., von Borczyskowski C., Shulga A.M. J. Porphyrins Phthalocyanines 2003, 7, 731-754. https://doi.org/10.1142/S1088424603000914
Zenkevich E.I., Willert A., Bachilo S.M., Rempel U., Kilin D.S., Shulga A.M., von Borczyskowski Ch. Mater. Sci. Eng., C 2001, 18, No 1-2, 99-111. https://doi.org/10.1016/S0928-4931(01)00376-9
Zenkevich E.I., Kilin D., von Borczyskowski C., Zahn D.R.T. Macroheterocycles 2020, 13, 130-141. https://doi.org/10.6060/mhc200608z
Gust D., Moore T.A., Moore A.L., Leggett L., Lin S., DeGraziano J.M., Hermant R.M., Nicodem D., Craig P., Seely G.R., Nieman R.A. J. Phys. Chem. 1993, 97, 7926-7931. https://doi.org/10.1021/j100132a021
Dorfman K.E., Zhang Y., Mukamel S. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2016, 113, 10001-10006. https://doi.org/10.1073/pnas.1610729113
Fleming G.R., Martin G.L., Breton J. Nature 1988, 333, 190-192. https://doi.org/10.1038/333190a0
Wasielewski M.R., Johnson D.G., Svec W.A., Kersey, K.M., Minsek D.W. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 7219-7221. https://doi.org/10.1021/ja00229a050
Felton R. In: The Porphyrins, Vol. V (Dolphin D., Ed.) New York: Acad. Press, 1978. p.53. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-220105-9.50010-2
Majranowski V.G. In: Porphyrins: Spectroscopy, Photochemistry, Applications (Enikolopyan N.S., Ed.) Moscow, 1987, p. 127-181 [Майрановский В.Г. В кн.: Порфирины: спектроскопия, фотохимия, применение (Ениколопян Н.С., ред.). М.: Наука, 1987. с. 127-181].
Osuka A., Yamada H., Maruyama K., Mataga N., Asahi T., Ohkoshi M., Okada T., Yamazaki I., Nishimura Y. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 9439-9447.
https://doi.org/10.1021/ja00074a009
Rempel U., Meyer S., von Maltzan B., von Borczyskowski C. J. Lumin. 1998, 78, 97-102. https://doi.org/10.1016/S0022-2313(97)00310-4
Davis W., Wasielewski M.R., Ratner M., Mujica V., Nitzan A. J. Phys. Chem. 1997, 101, 6158-6164. https://doi.org/10.1021/jp970909c
Bixon M., Jortner J., Michel-Beyerle M.E. Chem. Phys. 1995, 197, 389-404. https://doi.org/10.1016/0301-0104(95)00168-N
Kilin D., Kleinekathofer U., Schreiber M. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 5421. https://doi.org/10.1021/jp994338v