Force-Activated Spin-Crossover in Fe2+ and Co2+ Transition Metal Mechanophores

旋转交叉 凝聚态物理 渡线 过渡金属 材料科学 纳米技术 物理 化学 计算机科学 生物化学 人工智能 催化作用
作者
Xiao Huang,Ilia Kevlishvili,Stephen L. Craig,Heather J. Kulik
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-v5c6g
摘要

Transition metal mechanophores exhibiting force-activated spin-crossover are attractive design targets, yet large-scale discovery of them have not been pursued due in large part to the time-consuming nature of trial-and-error experiments. Instead, we leverage density functional theory (DFT) and external force explicitly included (EFEI) modeling to study a set of 394 feasible Fe2+ and Co2+ mechanophore candidates with tridentate ligands that we curate from the Cambridge Structural Database. Among nitrogen-coordinating low-spin complexes, we observe the prevalence of moderate-force spin-crossover, and we identify 155 Fe2+ and Co2+ spin-crossover mechanophores and derive their threshold force for low-spin to high-spin transition (FSCO). The calculations reveal strong correlations of FSCO with spin-splitting energies and coordination bond lengths, facilitating rapid prediction of FSCO using force-free DFT calculations. Then, among all Fe2+ and Co2+ spin-crossover mechanophores, we further identity 11 mechanophores that combine labile spin-crossover and good mechanical robustness that are thus predicted to be the most versatile for force-probing applications. We discover two classes of mer-symmetric complexes comprising specific heteroaromatic rings within extended π-conjugation that give rise to Fe2+ mechanophores with these characteristics. We expect the set of spin-crossover mechanophores, the design principles, and the computational approach to be useful in guiding the high-throughput discovery of transition metal mechanophores with diverse functionalities and broad applications, including mechanically activated catalysis.
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