We present a detailed study of charge transfer (CT) excited states for a large number of configurations in a light-harvesting Carotenoid-diaryl-Porphyrin-C60 (CPC60) molecular triad. The chain-like molecular triad undergoes photoinduced charge transfer process exhibiting a large excited state dipole moment, making it suitable for application to molecular-scale opto-electronic devices. An important consideration is that the structural flexibility of the CPC60 triad impacts its dynamics in solvents. Since experimentally measured dipole moments for the triad of ∼110 D and ∼160 D strongly indicate a range in structural variability in the excited state, studying the effect of structural changes on the CT excited state energetics furthers the understanding of its charge transfer states. We have calculated the variation in the lowest CT excited state energies by performing a scan of possible variation in the structure of the triad. Some of these configurations were generated by incrementally scanning a 360° torsional (dihedral) twist at the C60-porhyrin linkage and the porphyrin-carotenoid linkage. Additionally, five different CPC60 conformations were studied to determine the effect of pi-conjugation and particle-hole Coulombic attraction on the CT excitation energies. Our calculations show that configurational changes in the triad induces a variation of ∼0.6 eV in CT excited state energies in the gas-phase. The corresponding calculated excited state dipoles show a range of 47 D–188 D. The absorption spectra and density of states of these structures show little variation except for the structures where the porphyrin and aryl conjugation is changed.

1.
D.
Gust
,
T. A.
Moore
, and
A. L.
Moore
,
Acc. Chem. Res.
34
,
40
(
2001
).
2.
H.
Imahori
,
Y.
Mori
, and
Y.
Matano
,
J. Photochem. Photobiol., C
4
,
51
(
2003
).
3.
M. K.
Panda
,
K.
Ladomenou
, and
A. G.
Coutsolelos
,
Coord. Chem. Rev.
256
,
2601
(
2012
).
4.
Y.
Sakata
,
H.
Imahori
,
H.
Tsue
,
S.
Higashida
,
T.
Akiyama
,
E.
Yoshizawa
,
M.
Aoki
,
K.
Yamada
,
K.
Hagiwara
,
S.
Taniguchi
, and
T.
Okada
,
Pure Appl. Chem.
69
,
1951
(
1997
).
5.
M. R.
Wasielewski
,
Chem. Rev.
92
,
435
(
1992
).
6.
M. J.
Gunter
and
M. R.
Johnston
,
J. Chem. Soc., Chem. Commun.
1163
(
1992
).
7.
D.
Gust
,
T. A.
Moore
, and
A. L.
Moore
,
Acc. Chem. Res.
26
,
198
(
1993
).
8.
D.
Gust
,
T. A.
Moore
, and
A. L.
Moore
,
IEEE Eng. Med. Biol. Mag.
13
,
58
(
1994
).
9.
A.
Harriman
and
R.
Ziessel
,
Chem. Commun.
1996
,
1707
.
10.
C. A.
Mirkin
and
M. A.
Ratner
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
43
,
719
(
1992
).
11.
R. W.
Wagner
,
J. S.
Lindsey
,
J.
Seth
,
V.
Palaniappan
, and
D. F.
Bocian
,
J. Am. Chem. Soc.
118
,
3996
(
1996
).
12.
N.
Armaroli
,
G.
Marconi
,
L.
Echegoyen
,
J. P.
Bourgeois
, and
F.
Diederich
,
Chem. - Eur. J.
6
,
1629
(
2000
).
13.
J. L.
Bahr
,
D.
Kuciauskas
,
P. A.
Liddell
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
Photochem. Photobiol.
72
,
598
(
2000
).
14.
D.
Carbonera
,
M.
Di Valentin
,
C.
Corvaja
,
G.
Agostini
,
G.
Giacometti
,
P. A.
Liddell
,
D.
Kuciauskas
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Am. Chem. Soc.
120
,
4398
(
1998
).
15.
M. P.
Debreczeny
,
W. A.
Svec
, and
M. R.
Wasielewski
,
Science
274
,
584
(
1996
).
16.
M.
Di Valentin
,
A.
Bisol
,
G.
Agostini
, and
D.
Carbonera
,
J. Chem. Inf. Model.
45
,
1580
(
2005
).
17.
F.
D’Souza
,
G. R.
Deviprasad
,
M. E.
Zandler
,
M. E.
El-Khouly
,
M.
Fujitsuka
, and
O.
Ito
,
J. Phys. Chem. B
106
,
4952
(
2002
).
18.
D. M.
Guldi
,
A.
Hirsch
,
M.
Scheloske
,
E.
Dietel
,
A.
Troisi
,
F.
Zerbetto
, and
M.
Prato
,
Chem. - Eur. J.
9
,
4968
(
2003
).
19.
D.
Gust
,
T. A.
Moore
, and
A. L.
Moore
,
J. Photochem. Photobiol., B
58
,
63
(
2000
).
20.
D.
Gust
,
T. A.
Moore
,
A. L.
Moore
,
C.
Devadoss
,
P. A.
Liddell
,
R.
Hermant
,
R. A.
Nieman
,
L. J.
Demanche
,
J. M.
Degraziano
, and
I.
Gouni
,
J. Am. Chem. Soc.
114
,
3590
(
1992
).
21.
H.
Imahori
,
K.
Tamaki
,
D. M.
Guldi
,
C. P.
Luo
,
M.
Fujitsuka
,
O.
Ito
,
Y.
Sakata
, and
S.
Fukuzumi
,
J. Am. Chem. Soc.
123
,
2607
(
2001
).
22.
M.
Isosomppi
,
N. V.
Tkachenko
,
A.
Efimov
, and
H.
Lemmetyinen
,
J. Phys. Chem. A
109
,
4881
(
2005
).
23.
G.
Kodis
,
C.
Herrero
,
R.
Palacios
,
E.
Marino-Ochoa
,
S.
Gould
,
L.
de la Garza
,
R.
van Grondelle
,
D.
Gust
,
T. A.
Moore
,
A. L.
Moore
, and
J. T. M.
Kennis
,
J. Phys. Chem. B
108
,
414
(
2004
).
24.
G.
Kodis
,
P. A.
Liddell
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Phys. Org. Chem.
17
,
724
(
2004
).
25.
D.
Kuciauskas
,
P. A.
Liddell
,
S.
Lin
,
S. G.
Stone
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Phys. Chem. B
104
,
4307
(
2000
).
26.
H.
Kurreck
and
M.
Huber
,
Angew. Chem., Int. Ed.
34
,
849
(
1995
).
27.
N. I.
Maniga
,
J. P.
Sumida
,
S.
Stone
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Porphyrins Phthalocyanines
3
,
32
(
1999
).
28.
D. M.
Martino
and
H.
van Willigen
,
J. Phys. Chem. A
104
,
10701
(
2000
).
29.
T. A.
Moore
,
D.
Gust
,
P.
Mathis
,
J. C.
Mialocq
,
C.
Chachaty
,
R. V.
Bensasson
,
E. J.
Land
,
D.
Doizi
,
P. A.
Liddell
,
W. R.
Lehman
,
G. A.
Nemeth
, and
A. L.
Moore
,
Nature
307
,
630
(
1984
).
30.
A. S. D.
Sandanayaka
,
K.
Matsukawa
,
T.
Ishi-i
,
S.
Mataka
,
Y.
Araki
, and
O.
Ito
,
J. Phys. Chem. B
108
,
19995
(
2004
).
31.
D. I.
Schuster
,
Carbon
38
,
1607
(
2000
).
32.
K. G.
Thomas
,
V.
Biju
,
P. V.
Kamat
,
M. V.
George
, and
D. M.
Guldi
,
Chemphyschem
4
,
1299
(
2003
).
33.
P. A.
Liddell
,
D.
Kuciauskas
,
J. P.
Sumida
,
B.
Nash
,
D.
Nguyen
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Am. Chem. Soc.
119
,
1400
(
1997
).
34.
N.
Armaroli
,
F.
Diederich
,
L.
Echegoyen
,
T.
Habicher
,
L.
Flamigni
,
G.
Marconi
, and
J. F.
Nierengarten
,
New J. Chem.
23
,
77
(
1999
).
35.
F.
Diederich
and
M.
Gomez-Lopez
,
Chem. Soc. Rev.
28
,
263
(
1999
).
36.
F.
D’Souza
,
G. R.
Deviprasad
,
M. E.
El-Khouly
,
M.
Fujitsuka
, and
O.
Ito
,
J. Am. Chem. Soc.
123
,
5277
(
2001
).
37.
F.
D’Souza
,
P. M.
Smith
,
S.
Gadde
,
A. L.
McCarty
,
M. J.
Kullman
,
M. E.
Zandler
,
M.
Itou
,
Y.
Araki
, and
O.
Ito
,
J. Phys. Chem. B
108
,
11333
(
2004
).
38.
H.
Imahori
,
D. M.
Guldi
,
K.
Tamaki
,
Y.
Yoshida
,
C. P.
Luo
,
Y.
Sakata
, and
S.
Fukuzumi
,
J. Am. Chem. Soc.
123
,
6617
(
2001
).
39.
H.
Imahori
,
K.
Tamaki
,
H.
Yamada
,
K.
Yamada
,
Y.
Sakata
,
Y.
Nishimura
,
I.
Yamazaki
,
M.
Fujitsuka
, and
O.
Ito
,
Carbon
38
,
1599
(
2000
).
40.
P. A.
Liddell
,
G.
Kodis
,
D.
Kuciauskas
,
J.
Andreasson
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
6
,
5509
(
2004
).
41.
H.
Neugebauer
,
M. A.
Loi
,
C.
Winder
,
N. S.
Sariciftci
,
G.
Cerullo
,
A.
Gouloumis
,
P.
Vazquez
, and
T.
Torres
,
Solar Energy Mater. Sol. Cells
83
,
201
(
2004
).
42.
K.
Ohkubo
and
S.
Fukuzumi
,
J. Porphyrins Phthalocyanines
12
,
993
(
2008
).
43.
T.
Polivka
and
V.
Sundstrom
,
Chem. Rev.
104
,
2021
(
2004
).
44.
P. R.
Ashton
,
M. R.
Johnston
,
J. F.
Stoddart
,
M. S.
Tolley
, and
J. W.
Wheeler
,
J. Chem. Soc., Chem. Commun.
1992
,
1128
(
1992
).
45.
J. C.
Chambron
,
A.
Harriman
,
V.
Heitz
, and
J. P.
Sauvage
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
7419
(
1993
).
46.
J. C.
Chambron
,
A.
Harriman
,
V.
Heitz
, and
J. P.
Sauvage
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
6109
(
1993
).
47.
H.
Imahori
,
M. E.
El-Khouly
,
M.
Fujitsuka
,
O.
Ito
,
Y.
Sakata
, and
S.
Fukuzumi
,
J. Phys. Chem. A
105
,
325
(
2001
).
48.
H.
Imahori
,
N. V.
Tkachenko
,
V.
Vehmanen
,
K.
Tamaki
,
H.
Lemmetyinen
,
Y.
Sakata
, and
S.
Fukuzumi
,
J. Phys. Chem. A
105
,
1750
(
2001
).
49.
A.
Osuka
,
H.
Yamada
,
K.
Maruyama
,
N.
Mataga
,
T.
Asahi
,
M.
Ohkouchi
,
T.
Okada
,
I.
Yamazaki
, and
Y.
Nishimura
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
9439
(
1993
).
50.
D.
Gust
,
T. A.
Moore
,
P. A.
Liddell
,
G. A.
Nemeth
,
L. R.
Makings
,
A. L.
Moore
,
D.
Barrett
,
P. J.
Pessiki
,
R. V.
Bensasson
,
M.
Rougee
,
C.
Chachaty
,
F. C.
Deschryver
,
M.
Vanderauweraer
,
A. R.
Holzwarth
, and
J. S.
Connolly
,
J. Am. Chem. Soc.
109
,
846
(
1987
).
51.
M.
Ohkohchi
,
A.
Takahashi
,
N.
Mataga
,
T.
Okada
,
A.
Osuka
,
H.
Yamada
, and
K.
Maruyama
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
12137
(
1993
).
52.
K.
Maruyama
,
A.
Osuka
, and
N.
Mataga
,
Pure Appl. Chem.
66
,
867
(
1994
).
53.
M.
Maggini
,
G.
Scorrano
, and
M.
Prato
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
9798
(
1993
).
54.
T.
Drovetskaya
,
C. A.
Reed
, and
P.
Boyd
,
Tetrahedron Lett.
36
,
7971
(
1995
).
55.
H.
Imahori
,
S.
Cardoso
,
D.
Tatman
,
S.
Lin
,
L.
Noss
,
G. R.
Seely
,
L.
Sereno
,
J. C.
de Silber
,
T. A.
Moore
,
A. L.
Moore
, and
D.
Gust
,
Photochem. Photobiol.
62
,
1009
(
1995
).
56.
H.
Imahori
,
K.
Hagiwara
,
T.
Akiyama
,
S.
Taniguchi
,
T.
Okada
, and
Y.
Sakata
,
Chem. Lett.
24
,
265
(
1995
).
57.
T. G.
Linssen
,
K.
Durr
,
M.
Hanack
, and
A.
Hirsch
,
J. Chem. Soc. Chem. Commun.
103
(
1995
).
58.
R. M.
Williams
,
J. M.
Zwier
, and
J. W.
Verhoeven
,
J. Am. Chem. Soc.
117
,
4093
(
1995
).
59.
H.
Imahori
and
Y.
Sakata
,
Chem. Lett.
25
,
199
(
1996
).
60.
D.
Kuciauskas
,
S.
Lin
,
G. R.
Seely
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
,
D.
Gust
,
T.
Drovetskaya
,
C. A.
Reed
, and
P. D. W.
Boyd
,
J. Phys. Chem.
100
,
15926
(
1996
).
61.
C. A.
Rozzi
,
S. M.
Falke
,
N.
Spallanzani
,
A.
Rubio
,
E.
Molinari
,
D.
Brida
,
M.
Maiuri
,
G.
Cerullo
,
H.
Schramm
,
J.
Christoffers
, and
C.
Lienau
,
Nat. Commun.
4
,
1602
(
2013
).
62.
S. N.
Smirnov
,
P. A.
Liddell
,
I. V.
Vlassiouk
,
A.
Teslja
,
D.
Kuciauskas
,
C. L.
Braun
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Phys. Chem. A
107
,
7567
(
2003
).
63.
T.
Baruah
and
M. R.
Pederson
,
J. Chem. Phys.
125
,
164706
(
2006
).
64.
N.
Spallanzani
,
C. A.
Rozzi
,
D.
Varsano
,
T.
Baruah
,
M. R.
Pederson
,
F.
Manghi
, and
A.
Rubio
,
J. Phys. Chem. B
113
,
5345
(
2009
).
65.
T.
Baruah
and
M. R.
Pederson
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
834
(
2009
).
66.
A. C.
Rizzi
,
M.
van Gastel
,
P. A.
Liddell
,
R. E.
Palacios
,
G. F.
Moore
,
G.
Kodis
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
,
D.
Gust
, and
S. E.
Braslavsky
,
J. Phys. Chem. A
112
,
4215
(
2008
).
67.
G.
Su
,
A.
Czader
,
D.
Homouz
,
G.
Bernardes
,
S.
Mateen
, and
M. S.
Cheung
,
J. Phys. Chem. B
116
,
8460
(
2012
).
68.
D.
Balamurugan
,
A. J. A.
Aquino
,
F.
de Dios
,
L.
Flores
,
H.
Lischka
, and
M. S.
Cheung
,
J. Phys. Chem. B
117
,
12065
(
2013
).
69.
O. B.
Malcioglu
,
A.
Calzolari
,
R.
Gebauer
,
D.
Varsano
, and
S.
Baroni
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
15425
(
2011
).
70.
J.
Jortner
and
M.
Bixon
,
J. Chem. Phys.
88
,
167
(
1987
).
71.
K.
Jackson
and
M. R.
Pederson
,
Phys. Rev. B
42
,
3276
(
1990
).
72.
B. A.
Schaumann
,
V. B.
Winge
,
M.
Pederson
, and
M. A.
Kuskowski
,
Epilepsia
31
,
453
(
1990
).
73.
D.
Porezag
and
M. R.
Pederson
,
Phys. Rev. A
60
,
2840
(
1999
).
74.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
75.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Acs. Sym. Ser.
629
,
453
(
1996
).
76.
T.
Baruah
,
M.
Olguin
, and
R. R.
Zope
,
J. Chem. Phys.
137
,
084316
(
2012
).
77.
M. R.
Pederson
,
W. A.
Anderson
,
T.
Baruah
, and
B. J.
Powell
,
Proceedings of HPCMP Users’ Group Conference
,
2006
, p.
197
.
78.
R. R.
Zope
,
M.
Olguin
, and
T.
Baruah
,
J. Chem. Phys.
137
,
084317
(
2012
).
79.
M.
Olguin
,
R. R.
Zope
, and
T.
Baruah
,
J. Chem. Phys.
138
,
074306
(
2013
).
80.
T.
Ziegler
,
A.
Rauk
, and
E. J.
Baerends
,
Theor. Chim. Acta
43
,
261
(
1977
).
81.
C.
Chachaty
,
D.
Gust
,
T. A.
Moore
,
G. A.
Nemeth
,
P. A.
Liddell
, and
A. L.
Moore
,
Org. Magn. Reson.
22
,
39
(
1984
).
82.
G.
Broszeit
,
F.
Diepenbrock
,
O.
Graf
,
D.
Hecht
,
J.
Heinze
,
H. D.
Martin
,
B.
Mayer
,
K.
Schaper
,
A.
Smie
, and
H. H.
Strehblow
,
Liebigs Ann./Recl.
1992
,
2205
(
1997
).
83.
G.
Gao
,
C. C.
Wei
,
A. S.
Jeevarajan
, and
L. D.
Kispert
,
J. Phys. Chem.
100
,
5362
(
1996
).
84.
M. J. S.
Dewar
and
H. S.
Rzepa
,
J. Am. Chem. Soc.
100
,
777
(
1978
).
85.
J. J. P.
Stewart
,
J. Mol. Model.
13
,
1173
(
2007
).
86.
D.
Kuciauskas
,
P. A.
Liddell
,
S. C.
Hung
,
S.
Lin
,
S.
Stone
,
G. R.
Seely
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Phys. Chem. B
101
,
429
(
1997
).
87.
L.
Noss
,
P. A.
Liddell
,
A. L.
Moore
,
T. A.
Moore
, and
D.
Gust
,
J. Phys. Chem. B
101
,
458
(
1997
).
You do not currently have access to this content.