A detailed insight behind the structure of absorption bands of the photochromic couple dimethyldihydropyrene (DHP)/metacyclophanediene (CPD) is studied employing vibronic coupling theory. Two separate model molecular Hamiltonians, including a maximum of four electronic states and 18 vibrational modes for DHP and five electronic states and 20 vibrational modes for CPD, are constructed in a diabatic electronic representation. The parameters of the Hamiltonians are estimated from the electronic energies obtained from extensive density functional theory (DFT) and time-dependent DFT calculations. Based on these Hamiltonians’ parameters, a detailed analysis of potential energy curves is performed in conjunction with positional and energetic locations of several stationary points in multi-dimensional potential energy surfaces. Based on the results of electronic structure calculations, quantum nuclear dynamics studies on the electronic excited states of DHP and CPD are performed to understand the impact of non-adiabatic effects on the formation of vibronic structures of absorption bands of these photo-isomers.

1.
H.-R.
Blattmann
,
D.
Meuche
,
E.
Heilbronner
,
R. J.
Molyneux
, and
V.
Boekelheide
,
J. Am. Chem. Soc.
87
,
130
(
1965
).
2.
V.
Boekelheide
and
J. B.
Phillips
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
51
,
550
(
1964
).
3.
V.
Boekelheide
and
J. B.
Phillips
,
J. Am. Chem. Soc.
89
,
1695
(
1967
).
4.
L.
Ordronneau
,
H.
Nitadori
,
I.
Ledoux
,
A.
Singh
,
J. A. G.
Williams
,
M.
Akita
,
V.
Guerchais
, and
H.
Le Bozec
,
Inorg. Chem.
51
,
5627
(
2012
).
5.
T.
Nakagawa
,
Y.
Hasegawa
, and
T.
Kawai
,
Chem. Commun.
2009
,
5630
.
6.
M.
Morimoto
,
H.
Miyasaka
,
M.
Yamashita
, and
M.
Irie
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
9823
(
2009
).
7.
A.
Athanassiou
,
M. I.
Lygeraki
,
D.
Pisignano
,
K.
Lakiotaki
,
M.
Varda
,
E.
Mele
,
C.
Fotakis
,
R.
Cingolani
, and
S. H.
Anastasiadis
,
Langmuir
22
,
2329
(
2006
).
8.
B.
Xin
and
J.
Hao
,
J. Chem. Soc. Rev.
39
,
769
(
2010
).
9.
S.
Lara-Avila
,
A. V.
Danilov
,
S. E.
Kubatkin
,
S. L.
Broman
,
C. R.
Parker
, and
M. B.
Nielsen
,
J. Phys. Chem. C
115
,
18372
(
2011
).
10.
S. J.
van der Molen
,
J.
Liao
,
T.
Kudernac
,
J. S.
Agustsson
,
L.
Bernard
,
M.
Calame
,
B. J.
van Wees
,
B. L.
Feringa
, and
C.
Schönenberger
,
Nano Lett.
9
,
76
(
2009
).
11.
H.-R.
Blattmann
and
W.
Schmidt
,
Tetrahedron
26
,
5885
(
1970
).
12.
W.
Schmidt
,
Helv. Chim. Acta
54
,
862
(
1971
).
13.
W.
Schmidt
,
Tetrahedron Lett.
13
,
581
(
1972
).
14.
S.-I.
Murakami
,
T.
Tsutsui
,
S.
Saito
,
T.
Yamato
, and
M.
Tashiro
,
Nippon Kagaku Kaishi
221
,
221
229
(
1988
).
15.
R. S.
Murphy
,
Y.
Chen
,
T. R.
Ward
,
R. H.
Mitchell
, and
C.
Bohne
,
Chem. Commun.
1999
,
2097
.
16.
M. A. L.
Sheepwash
,
R. H.
Mitchell
, and
C.
Bohne
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
4693
(
2002
).
17.
R. H.
Mitchell
,
T. R.
Ward
,
Y.
Chen
,
Y.
Wang
,
S. A.
Weerawarna
,
P. W.
Dibble
,
M. J.
Marsella
,
A.
Almutairi
, and
Z.-Q.
Wang
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
2974
(
2003
).
18.
S. G.
Robinson
,
V. A.
Sauro
, and
R. H.
Mitchell
,
J. Org. Chem.
74
,
6592
(
2009
).
19.
D.
Roldan
,
S.
Cobo
,
F.
Lafolet
,
N.
Vilà
,
C.
Bochot
,
C.
Bucher
,
E.
Saint-Aman
,
M.
Boggio-Pasqua
,
M.
Garavelli
, and
G.
Royal
,
Chem. - Eur. J
21
,
455
(
2015
).
20.
R. V.
Williams
,
W. D.
Edwards
,
R. H.
Mitchell
, and
S. G.
Robinson
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
16207
(
2005
).
21.
M.
Boggio-Pasqua
,
M. J.
Bearpark
, and
M. A.
Robb
,
J. Org. Chem.
72
,
4497
(
2007
).
22.
M.
Boggio-Pasqua
and
M.
Garavelli
,
J. Phys. Chem. A
119
,
6024
(
2015
).
23.
K.
Klaue
,
Y.
Garmshausen
, and
S.
Hecht
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
,
1414
(
2018
).
24.
M.
Jacquet
,
L. M.
Uriarte
,
F.
Lafolet
,
M.
Boggio-Pasqua
,
M.
Sliwa
,
F.
Loiseau
,
E.
Saint-Aman
,
S.
Cobo
, and
G.
Royal
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
2682
(
2020
).
25.
L.
Han
,
H.
Li
,
X.
Zuo
,
Q.
Gao
,
D.
Li
,
B.
Cui
,
C.
Fang
, and
D.
Liu
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
26255
(
2020
).
26.
K.
Klaue
,
W.
Han
,
P.
Liesfeld
,
F.
Berger
,
Y.
Garmshausen
, and
S.
Hecht
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
11857
(
2020
).
27.
Z.
Ziani
,
F.
Loiseau
,
E.
Lognon
,
M.
Boggio‐Pasqua
,
C.
Philouze
,
S.
Cobo
, and
G.
Royal
,
Chem. - Eur. J
27
,
16642
(
2021
).
28.
H.
Köppel
,
W.
Domcke
, and
L. S.
Cederbaum
,
Adv. Chem. Phys.
57
,
59
(
1984
).
29.
L. S.
Cederbaum
,
W.
Domcke
, and
H.
Köppel
,
Chem. Phys. Lett.
33
,
319
(
1978
).
30.
W.
Domcke
,
H.
Köppel
, and
L. S.
Cederbaum
,
Mol. Phys.
43
,
851
(
1981
).
31.
H.
Köppel
,
L. S.
Cederbaum
, and
W.
Domcke
,
Chem. Phys.
69
,
175
(
1982
).
32.
W.
Domcke
,
D. R.
Yarkony
, and
H.
Köppel
,
Conical Intersections: Electronic Structure, Dynamics and Spectroscopy
(
World Scientific
,
Singapore
,
2004
).
33.
S.
Mahapatra
,
Acc. Chem. Res.
42
,
1004
(
2009
).
34.
S.
Mahapatra
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
12
,
e1576
(
2022
).
35.
M. A. L.
Sheepwash
,
T. R.
Ward
,
Y.
Wang
,
S.
Bandyopadhyay
,
R. H.
Mitchell
, and
C.
Bohne
,
Photochem. Photobiol. Sci.
2
,
104
(
2003
).
36.
R.
Sarkar
,
M.-C.
Heitz
,
G.
Royal
, and
M.
Boggio-Pasqua
,
J. Phys. Chem. A
124
,
1567
(
2020
).
37.
H.-D.
Meyer
,
U.
Manthe
, and
L. S.
Cederbaum
,
Chem. Phys. Lett.
165
,
73
(
1990
).
38.
U.
Manthe
,
H. D.
Meyer
, and
L. S.
Cederbaum
,
J. Chem. Phys.
97
,
3199
(
1992
).
39.
M. H.
Beck
and
H.-D.
Meyer
,
Z. Phys. D: At., Mol. Clusters
42
,
113
(
1997
).
40.
M. H.
Beck
,
A.
Jäckle
,
G. A.
Worth
, and
H.-D.
Meyer
,
Phys. Rep.
324
,
1
(
2000
).
41.
H.-D.
Meyer
and
G. A.
Worth
,
Theor. Chem. Acc.
109
,
251
(
2003
).
42.
M. H.
Beck
,
A.
Jäckle
,
G.A.
Worth
, and
H.-D.
Meyer
, The mctdh package, Version 8.4.15, University of Heidelberg, Heidelberg, Germany. See http://mctdh.uni-hd.de.
43.
H.-D.
Meyer
,
J. Phys.: Conf. Ser.
4
,
66
(
2005
).
44.
L. J.
Doriol
,
F.
Gatti
,
C.
Lung
, and
H.-D.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
129
,
224109
(
2008
).
45.
P. A. M.
Dirac
,
Proc. Cambridge Philos. Soc.
26
,
376
(
1930
).
46.
J.
Frenkel
,
Wave Mechanics
(
Clarendon
,
Oxford
,
1934
).
47.
M.
Sala
,
B.
Lasorne
,
F.
Gatti
, and
S.
Guérin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
15957
(
2014
).
48.
C.
Lanczos
,
J. Res. Natl. Bur. Stand.
45
,
255
(
1950
).
49.
J.
Cullum
and
R.
Willoughby
,
Lanczos Algorithms for Large Symmetric Eigenvalue Problems
(
Birkhäuser
,
Boston
,
1985
), Vols. I and II.
50.
W.
Domcke
and
H.
Köppel
,
Encyclopedia of Computational Chemistry
, edited by
P.v.R.
Schleyer
(
Wiley
,
New York
,
1998
), p.
3166
.
51.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision D.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford CT
,
2013
.
52.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
53.
E. B.
Wilson
, Jr.
,
J. C.
Decius
, and
P. C.
Cross
,
Molecular Vibrations
(
McGraw-Hill
,
New York
,
1995
).
54.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
(
2004
).
55.
S.
Matsika
,
J. Phys. Chem. A
108
,
7584
(
2004
).
56.
K. A.
Kistler
and
S.
Matsika
,
J. Phys. Chem. A
111
,
8708
(
2007
).
57.
S.
Matsika
,
Rev. Comput. Chem.
23
,
83
(
2007
).
58.
S.
Matsika
and
P.
Krause
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
62
,
621
(
2011
).
59.
Mathematica 8.0; Wolfram Research, Inc., System Modeler, Version 3.0, Champaign, IL,
2012
.
60.
H.
Köppel
,
L. S.
Cederbaum
,
W.
Domcke
, and
S. S.
Shaik
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
22
,
210
(
1983
).
61.
R.
Sarkar
,
J. Phys.: Conf. Ser.
759
,
012058
(
2016
).
62.
A.
Kumar
,
T. R.
Rao
, and
R.
Sarkar
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
23
,
3160
(
2021
).
63.
L. S.
Cederbaum
and
W.
Domcke
,
Adv. Chem. Phys.
36
,
205
(
1977
).
64.
A. B.
Trofimov
,
H.
Köppel
, and
J.
Schirmer
,
J. Chem. Phys.
109
,
1025
(
1998
).
65.
A.
Kumar
,
S.
Agrawal
,
T. R.
Rao
, and
R.
Sarkar
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
22359
(
2019
).
66.
R.
Kosloff
and
H.
Tal-Ezer
,
Chem. Phys. Lett.
127
,
223
(
1986
).
67.
H.-D.
Meyer
,
F. L.
Quéré
,
C.
Léonard
, and
F.
Gatti
,
Chem. Phys.
329
,
179
(
2006
).
68.
R.
Sarkar
and
S.
Mahapatra
,
J. Phys. Chem. A
120
,
3504
(
2016
).
69.
R.
Sarkar
and
S.
Mahapatra
,
J. Chem. Phys.
147
,
194305
(
2017
).
70.
R.
Sarkar
,
S.
Rajagopala Reddy
,
S.
Mahapatra
, and
H.
Köppel
,
Chem. Phys.
482
,
39
(
2017
).
71.
R.
Sarkar
,
D.
Baishya
, and
S.
Mahapatra
,
Chem. Phys.
515
,
679
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.