Energy profile of formal 1,2-dyotropic rearrangement of diarylethenes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Diarylethenes with thiophene substituents belong to photoswitchable compounds (photoswitches or photochromes). Upon UV irradiation, their colorless open-ring isomers (DAE-o) convert to the colored closed-ring isomers (DAE-c), while the back reaction is induced only by visible light irradiation. A multiple photoswitching of diarylethenes usually results in irreversible photorearrangement of DAE-c to the so-called annulated isomers DAE-a, that are stable thermally and photochemically. In the present communication, structures of a series of diarylethenes as well as their isomers were optimized on the B3LYP/6-31G(d) level of theory. It was disclosed for the first time, that DAE-a destabilized relatively DAE-c by 1.71–14.00 kcal/mol. These results are important for design of photocontrollable molecules and materials, operated in the oneway (permanent manner).

About the authors

E. K. Kouame

Irkutsk National Research Technical University; A. E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS

Email: erickofikouame@gmail.com

A. G. Lvov

Irkutsk National Research Technical University; A. E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry SB RAS

Email: lvov-andre@yandex.ru

References

  1. Bouas-Laurent H., Durr H. Organic photochromism. Pure and Applied Chemistry. 2001;73(4): 639-665. http://dx.doi.org/10.1351/pac200173040639.
  2. Irie M., Mohri M. Thermally irreversible photochromic systems. Reversible photocyclization of diarylethene derivatives. The Journal of Organic Chemistry. 1988;53(4):803-808. https://doi.org/10.1021/jo00239a022.
  3. Hanazawa M., Sumiya R., Horikawa Y., Irie M. Thermally irreversible photochromic systems. Reversible photocyclization of 1,2-bis (2-methylbenzothiophen-3-yl)perfluorocyclocoalkene derivatives. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. 1992;(3):206-207. https://doi.org/10.1039/C39920000206.
  4. Irie M., Fukaminato T., Matsuda K., Kobatake S. Photochromism of diarylethene molecules and crystals: memories, switches, and actuators. Chemical Reviews. 2014;114(24):12174-12277. https://doi.org/10.1021/cr500249p.
  5. Irie M., Lifka T., Uchida K., Kobatake S., Shindo Y. Fatigue resistant properties of photochromic dithienylethenes: by-product formation. Chemical Communications. 1999;8:747-750. https://doi.org/10.1039/A809410A.
  6. Herder M., Schmidt B. M., Grubert L., Patzel M., Schwarz J., Hecht S. Improving the fatigue resistance of diarylethene switches. Journal of the American Chemical Society. 2015;137(7):2738- 2747. https://doi.org/10.1021/ja513027s.
  7. Herder M., Eisenreich F., Bonasera A., Grafl A., Grubert L., Patzel M., et al. Light-controlled reversible modulation of frontier molecular orbital energy levels in trifluoromethylated diarylethenes. Chemistry – A European Journal. 2017;23(15):3743-3754. https://doi.org/10.1002/chem.201605511.
  8. Higashiguchi K., Matsuda K., Kobatake S., Yamada T., Kawai T., Irie M. Fatigue mechanism of photochromic 1,2-bis(2,5-dimethyl-3-thienyl)perfluorocyclopentene. Bulletin of the Chemical Society of Japan. 2000;73(10):2389-2394. https://doi.org/10.1246/bcsj.73.2389.
  9. Lvov A. G., Mortel M., Heinemann F. W., Khusniyarov M. M. One-way photoisomerization of ligands for permanent switching of metal complexes. Journal of Materials Chemistry C. 2021;9(14):4757- 4763. https://doi.org/10.1039/D1TC00761K.
  10. Sakano T., Imaizumi Y., Hirose T., Matsuda K. Formation of two-dimensionally ordered diarylethene annulated isomer at the Liquid/HOPG interface upon in situ UV Irradiation. Chemistry Letters. 2013; 42(12):1537-1539. https://doi.org/10.1246/cl.130705.
  11. Frath D., Sakano T., Imaizumi Y., Yokoyama S., Hirose T., Matsuda K. Diarylethene self-assembled monolayers: cocrystallization and mixing-induced cooperativity highlighted by scanning tunneling microscopy at the liquid/solid interface. Chemistry – A European Journal. 2015;21(32):11350-11358. https://doi.org/10.1002/chem.201500804.
  12. Jeong Y.-C., Kim E.-K., Ahn K.-H., Yang S.-I. Fatigue property of oxidized photochromic dithienylethene derivative for permanent optical recording. Bulletin of the Korean Chemical Society. 2005; 26(11):1675-1676. https://doi.org/10.5012/bkcs.2005.26.11.1675.
  13. Hirose T., Inoue Y., Hasegawa J., Higashiguchi K., Matsuda K. Investigation on CD inversion at visible region caused by a tilt of the π-conjugated substituent: theoretical and experimental approaches by using an asymmetric framework of diarylethene annulated isomer. The Journal of Physical Chemistry A. 2014;118(6):1084-1093. https://doi.org/10.1021/jp4122694.
  14. Nakamura S., Irie M. Thermally irreversible photochromic systems. A theoretical study. The Journal of Organic Chemistry. 1988;53(26):6136- 6138. https://doi.org/10.1021/jo00261a035.
  15. Lucas L. N., van Esch J., Kellogg R. M., Feringa B. L. A new class of photochromic 1,2-diarylethenes; synthesis and switching properties of bis(3-thienyl)cyclopentenes. Chemical Communications. 1998;21:2313-2314. https://doi.org/10.10 39/A806998K.
  16. Lucas L. N., de Jong J. J. D., van Esch J. H., Kellogg R. M., Feringa B. L. Syntheses of dithienylcyclopentene optical molecular switches. European Journal of Organic Chemistry. 2002; 2003(1):155-166. https://doi.org/10.1002/1099-0690(200301)2003:13.0.CO;2-S.
  17. Shirinian V. Z., Shimkin A. A., Lonshakov D. V., Lvov A. G., Krayushkin M. M. Synthesis and spectral properties of a novel family of photochromic diarylethenes- 2,3-diarylcyclopent-2-en-1-ones. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2012;233:1-14. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2012.02.011.
  18. Miyasaka H., Nobuto T., Itaya A., Tamai N., Irie M. Picosecond laser photolysis studies on a photochromic dithienylethene in solution and in crystalline phases. Chemical Physics Letters. 1997; 269(3-4):281-285. https://doi.org/10.1016/S0009-26 14(97)00282-0.
  19. Yamada T., Kobatake S., Irie M. Single-crystalline photochromism of diarylethene mixtures. Bulletin of the Chemical Society of Japan. 2002;75(1): 167-173. https://doi.org/10.1246/bcsj.75.167.
  20. Fukumoto S., Nakashima T., Kawai T. Synthesis and photochromic properties of a dithiazolylindole. Dyes and Pigments. 2012;92(2):868-871. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2011.05.027.
  21. Fukumoto S., Nakashima T., Kawai T. Photonquantitative reaction of a dithiazolylarylene in solution. Angewandte Chemie. 2011;50(7):1565-1568.
  22. Becke A. D. Density-functional thermoschemistry. III. The role of exact exchange. The Journal of Chemical Physics. 1993;98:5648-5652. https://doi.org/10.1063/1.464913.
  23. Ditschfield R., Hehre W. J., Pople J. A. Self-consistent molecular-orbital methods. IX. An extended Gaussian-type basis for molecular-orbital studies of organic molecules. The Journal of Chemical Physics. 1971;54(2):724-728. https://doi.org/10.1063/1.1674902.
  24. Irie M., Miyatake O., Uchida K., Eriguchi T. Photochromic diarylethenes with intralocking arms. Journal of the American Chemical Society. 1994;116 (22):9894-9900. https://doi.org/10.1021/ja00101a010.
  25. Li W., Li X., Xie Y., Wu Y., Li M., Wu X.-Y., et al. Enantiospecific photoresponse of sterically hindered diarylethenes for chiroptical switches and photomemories. Scientific Reports. 2015;5. Article number 9186. https://doi.org/10.1038/srep09186.
  26. Hoffmann R., Woodward R. B. Conservation of orbital symmetry. Accounts of Chemical Research. 1968;1:17-22. https://doi.org/10.1021/ar50001a003.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».