Julien Dubois, Cyril Ruckebusch, Michel Sliwa, François Maurel, Aurélie Perrier, Guy Buntinx, Lionel Poisson, Patrice Jacques, Stéphane Aloïse, Olivier Poizat, Jiro Abe, Jean-Pierre Malval, Giovanni Piani, Zuzanna Pawlowska, Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Intéractions la Réactivité et l'Environnement - UMR 8516 (LASIRE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Department of Chemistry, Aoyama Gakuin University (AGU), Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (ITODYS (UMR_7086)), Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Mulhouse (ENSCMu), Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA)), Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M), Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Francis PERRIN (LFP - URA 2453), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centrale Lille Institut (CLIL), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Mulhouse, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Laboratoire de Spectrochimie Infrarouge et Raman - UMR 8516 (LASIR), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Lille, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), and Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
This work deals with the photophysics of a pyridinium betaine, 2-pyridin-1-yl-1H-benzimidazole (SBPa), based on a combination of steady-state, femtosecond photoionization (gas phase) and femtosecond transient absorption (solution) spectroscopic measurements, supported by (LR)-PCM-(TD)DFT calculations. Preliminary and new electrochemical results have revealed a strongly negative solvatochromic charge transfer (CT) absorption due to a S0 → S2 vertical transition and a weakly-solvatochromic emission due to S1 → S0 transition. Advanced TDDFT optimizations of the Franck-Condon states S2(FC) and S1(FC) led to two additional CT levels with planar geometry, S2(CT) and S1(CT), respectively, allowing prediction of a two-step photoinduced ICT process, i.e., S0 → S2(FC) and S2(CT) → S1(CT), separated by a S0(FC) → S2(CT) back charge transfer relaxation. While the pyridinium ring is the acceptor group in both steps, two different donor groups, the benzene ring and the imidazole bridge, are involved in the excitation and internal conversion processes, respectively. Femtosecond transient absorption experiments supported by MCR-ALS decomposition confirmed indeed the contribution of two distinct CT states in the photophysics of SBPa: following excitation to the S2(CT) state, ultrafast production of the emissive S1 state (the only channel observable in the gas phase) was observed to occur in competition with a further ICT process toward the S1(CT) state, with a time constant ranging from 300 fs to 20 ps depending on the solvent. While in aprotic media this ICT process was found to be purely solvent controlled (double polarity and viscosity dependency), in protic solvents, the influence of the hydrogen bond network has to be taken into account. Comparison with data obtained for a pre-twisted SBPa analogue led us to exclude the presence of any large-amplitude geometrical change during ICT. Analyzing the solvent dependency using the power law approach, we concluded that the S1(CT) state decays essentially through IC in the 3-40 ps time range whereas the emissive S1 state decays within 130-260 ps via IC, ISC and fluorescence.