Strongly Red-Emissive Molecular Ruby [Cr(bpmp)2]3+ Surpasses [Ru(bpy)3]2+

化学 量子产额 激发态 发光 光致发光 磷光 光化学 原子物理学 荧光 光电子学 量子力学 光学 物理
作者
Florian Reichenauer,Cui Wang,Christoph Förster,Pit Boden,Naz Ugur,Ricardo Báez-Cruz,Jens Kalmbach,Luca M. Carrella,Eva Rentschler,Charusheela Ramanan,Gereon Niedner‐Schatteburg,Markus Gerhards,Michael Seitz,Ute Resch‐Genger,Katja Heinze
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (30): 11843-11855 被引量:102
标识
DOI:10.1021/jacs.1c05971
摘要

Gaining chemical control over the thermodynamics and kinetics of photoexcited states is paramount to an efficient and sustainable utilization of photoactive transition metal complexes in a plethora of technologies. In contrast to energies of charge transfer states described by spatially separated orbitals, the energies of spin-flip states cannot straightforwardly be predicted as Pauli repulsion and the nephelauxetic effect play key roles. Guided by multireference quantum chemical calculations, we report a novel highly luminescent spin-flip emitter with a quantum chemically predicted blue-shifted luminescence. The spin-flip emission band of the chromium complex [Cr(bpmp)2]3+ (bpmp = 2,6-bis(2-pyridylmethyl)pyridine) shifted to higher energy from ca. 780 nm observed for known highly emissive chromium(III) complexes to 709 nm. The photoluminescence quantum yields climb to 20%, and very long excited state lifetimes in the millisecond range are achieved at room temperature in acidic D2O solution. Partial ligand deuteration increases the quantum yield to 25%. The high excited state energy of [Cr(bpmp)2]3+ and its facile reduction to [Cr(bpmp)2]2+ result in a high excited state redox potential. The ligand's methylene bridge acts as a Brønsted acid quenching the luminescence at high pH. Combined with a pH-insensitive chromium(III) emitter, ratiometric optical pH sensing is achieved with single wavelength excitation. The photophysical and ground state properties (quantum yield, lifetime, redox potential, and acid/base) of this spin-flip complex incorporating an earth-abundant metal surpass those of the classical precious metal [Ru(α-diimine)3]2+ charge transfer complexes, which are commonly employed in optical sensing and photo(redox) catalysis, underlining the bright future of these molecular ruby analogues.
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