Evidence of anti-parallel dimer formation of 4-cyano-4′-alkyl biphenyls in isotropic cyclohexane solution

文献情報

出版日 2014-11-26
DOI 10.1039/C4CP04933K
インパクトファクター 3.676
著者

Shunzo Takabatake


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要旨

The formation of anti-parallel dimers of two liquid crystal forming 4-cyano-4′-alkyl biphenyls (nCB, n = 5 (pentyl) and n = 8 (octyl)) was confirmed in an isotropic cyclohexane solution (nCB–cH). In addition to high frequency dielectric relaxation (DR) measurements up to 50 GHz, fluorescence emission (FE) experiments in the wavelength range from 280 to 500 nm were carried out to investigate the molecular dynamics of the nCB molecules. The DR spectra of solutions at intermediate to high concentrations were comprised of two dynamic modes. A fast mode with a relaxation time of ca. 90 ps was assigned to the free rotations of monomeric nCB molecules. The slow mode with a relaxation time of ca. 400 ps was attributed to the dissociation process of the anti-parallel dimers ((nCB)2). The Kirkwood factor (gK), a measure of the orientational correlation between the dipole moments of the cyano groups, was markedly less than unity for the slow mode, which demonstrated the formation of anti-parallel dimers, (nCB)2. The equilibrium constant for anti-parallel dimer formation in an isotropic solution, i.e., for the reaction, 2nCB ↔ (nCB)2, which was determined via the DR data increased with an increase in the concentration of nCB. Under extremely dilute conditions, a sharp fluorescence emission signal attributed to the nCB monomer was observed at 325 nm in FE spectrum measurements. However, at the moderate to high concentrations used in the DR measurements where the slow mode was clearly observed, a broad FE signal at 390 nm was observed, which was assigned to excimer emission (including emission from the excited ground state dimers). The relative intensity of the excimer emission to the monomer emission significantly increased with an increase in the concentration. Moreover, the equilibrium constant for the excimer formation reasonably agreed with that for the anti-parallel dimer formation evaluated by the DR data. Consequently, the results of the FE measurements evidently revealed that excimers of nCB and the (nCB)2 dimers formed in isotropic solution are identical chemical species.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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