Excited‐State Distortions Promote the Photochemical 4π‐Electrocyclizations of Fluorobenzenes via Machine Learning Accelerated Photodynamics Simulations

表面跳跃 激发态 异构化 化学 光激发 分子动力学 光化学 计算化学 原子物理学 分子物理学 物理 生物化学 催化作用
作者
Jingbai Li,Steven A. Lopez
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:28 (38) 被引量:11
标识
DOI:10.1002/chem.202200651
摘要

Benzene fluorination increases chemoselectivities for Dewar-benzenes via 4π-disrotatory electrocyclization. However, the origin of the chemo- and regioselectivities of fluorobenzenes remains unexplained because of the experimental limitations in resolving the excited-state structures on ultrafast timescales. The computational cost of multiconfigurational nonadiabatic molecular dynamics simulations is also currently cost-prohibitive. We now provide high-fidelity structural information and reaction outcome predictions with machine-learning-accelerated photodynamics simulations of a series of fluorobenzenes, C6 F6-n Hn , n=0-3, to study their S1 →S0 decay in 4 ns. We trained neural networks with XMS-CASPT2(6,7)/aug-cc-pVDZ calculations, which reproduced the S1 absorption features with mean absolute errors of 0.04 eV (<2 nm). The predicted nonradiative decay constants for C6 F4 H2 , C6 F6 , C6 F3 H3 , and C6 F5 H are 116, 60, 28, and 12 ps, respectively, in broad qualitative agreement with the experiments. Our calculations show that a pseudo Jahn-Teller distortion of fluorinated benzenes leads to an S1 local-minimum region that extends the excited-state lifetimes of fluorobenzenes. The pseudo Jahn-Teller distortions reduce when fluorination decreases. Our analysis of the S1 dynamics shows that the pseudo-Jahn-Teller distortions promote an excited-state cis-trans isomerization of a πC-C bond. We characterized the surface hopping points from our NAMD simulations and identified instantaneous nuclear momentum as a factor that promotes the electrocyclizations.
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