Counterion Effects in [Ru(bpy)3](X)2-Photocatalyzed Energy Transfer Reactions

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作者
Juliette Zanzi,Zachary Pastorel,Carine Duhayon,Elise Lognon,Christophe Coudret,Antonio Monari,Isabelle M. Dixon,Yves Canac,Michaël Smietana,Olivier Baslé
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacsau.4c00384
摘要

Photocatalysis that uses the energy of light to promote chemical transformations by exploiting the reactivity of excited-state molecules is at the heart of a virtuous dynamic within the chemical community. Visible-light metal-based photosensitizers are most prominent in organic synthesis, thanks to their versatile ligand structure tunability allowing to adjust photocatalytic properties toward specific applications. Nevertheless, a large majority of these photocatalysts are cationic species whose counterion effects remain underestimated and overlooked. In this report, we show that modification of the X counterions constitutive of [Ru(bpy)3](X)2 photocatalysts modulates their catalytic activities in intermolecular [2 + 2] cycloaddition reactions operating through triplet–triplet energy transfer (TTEnT). Particularly noteworthy is the dramatic impact observed in low-dielectric constant solvent over the excited-state quenching coefficient, which varies by two orders of magnitude depending on whether X is a large weakly bound (BArF4–) or a tightly bound (TsO–) anion. In addition, the counterion identity also greatly affects the photophysical properties of the cationic ruthenium complex, with [Ru(bpy)3](BArF4)2 exhibiting the shortest 3MLCT excited-state lifetime, highest excited state energy, and highest photostability, enabling remarkably enhanced performance (up to >1000 TON at a low 500 ppm catalyst loading) in TTEnT photocatalysis. These findings supported by density functional theory-based calculations demonstrate that counterions have a critical role in modulating cationic transition metal-based photocatalyst potency, a parameter that should be taken into consideration also when developing energy transfer-triggered processes.
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