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Chemistry

Determinazione della resa quantistica di fotoisomerazione di un interruttore foto Hydrazone

Published: February 7, 2022 doi: 10.3791/63398
Automatic Translation
*1, *1, *1, 1
1Department of Chemistry, Chung-Ang University
* These authors contributed equally

Summary

La resa quantistica della fotoisomerizzazione è una proprietà fotofisica fondamentale che dovrebbe essere determinata con precisione nello studio dei fotointerruttori di nuova concezione. Qui, descriviamo una serie di procedure per misurare la resa quantistica di fotoisomerazione di un idratone fotocromatico come un fotointerruttore bistabile modello.

Abstract

Le molecole organiche fotointercabilizzate che subiscono trasformazioni strutturali guidate dalla luce sono componenti chiave per costruire sistemi molecolari adattivi e sono utilizzate in un'ampia varietà di applicazioni. Nella maggior parte degli studi che impiegano fotointerruttori, diverse importanti proprietà fotofisiche come le lunghezze d'onda massime di assorbimento ed emissione, il coefficiente di attenuazione molare, la durata della fluorescenza e la resa quantistica della fotoisomerizzazione sono attentamente determinate per studiare i loro stati elettronici e processi di transizione. Tuttavia, la misurazione della resa quantistica di fotoisomerizzazione, l'efficienza della fotoisomerizzazione rispetto ai fotoni assorbiti, in un tipico ambiente di laboratorio è spesso complicata e soggetta a errori perché richiede l'implementazione di rigorose misure spettroscopiche e calcoli basati su un metodo di integrazione appropriato. Questo articolo introduce una serie di procedure per misurare la resa quantistica di fotoisomerazione di un fotointerruttore bistabile utilizzando un idrazzone fotocromatico. Prevediamo che questo articolo sarà una guida utile per l'indagine dei fotointerruttori babili che sono sempre più in fase di sviluppo.

Introduction

Le molecole organiche fotocromatiche hanno attirato una notevole attenzione in una vasta gamma di discipline scientifiche poiché la luce è uno stimolo unico che può allontanare un sistema dal suo equilibrio termodinamico in modo non invasivo1. L'irradiazione della luce con energie appropriate consente la modulazione strutturale di fotointerruttori con elevata precisione spaziotemporale 2,3,4. Grazie a questi vantaggi, sono stati sviluppati e utilizzati vari tipi di fotointerruttori basati sull'isomerizzazione configurazionale dei doppi legami (ad esempio, stilbene, azobenzeni, imine, fumaramidi, tioindigos) e sull'apertura/chiusura dell'anello (ad esempio, spiropirani, ditienilteni, fulgidi, addotti Stenhouse donatore-accettore). Le applicazioni rappresentative dei fotointerruttori coinvolgono materiali fotocromatici, somministrazione di farmaci, recettori e canali commutabili, informazioni o accumulo di energia e macchine molecolari 5,6,7,8,9,10,11,12. Nella maggior parte degli studi che presentano fotointerruttori di nuova progettazione, le loro proprietà fotofisiche come λmax di assorbimento ed emissione, coefficiente di attenuazione molare (ε), durata di fluorescenza e resa quantistica di fotoisomerizzazione sono caratterizzate in modo approfondito. L'indagine di tali proprietà fornisce informazioni chiave sugli stati elettronici e le transizioni che sono cruciali per comprendere le proprietà ottiche e il meccanismo di isomerizzazione.

Tuttavia, la misurazione accurata della resa quantistica di fotoisomerizzazione - il numero di eventi di fotoisomerizzazione che si sono verificati diviso per il numero di fotoni alla lunghezza d'onda di irradiazione assorbita dal reagente - è spesso complicata in un tipico ambiente di laboratorio a causa di diversi motivi. La determinazione della resa quantistica di fotoisomerizzazione è generalmente ottenuta monitorando l'avanzamento della reazione e misurando il numero di fotoni assorbiti durante l'irradiazione. La preoccupazione principale è che la quantità di assorbimento di fotoni per unità di tempo cambia progressivamente perché l'assorbimento totale da parte della soluzione cambia nel tempo man mano che la reazione fotochimica procede. Pertanto, il numero di reagenti consumati per unità di tempo dipende dalla sezione temporale in cui viene misurato durante l'irradiazione. Pertanto, si è obbligati a stimare la resa quantistica di fotoisomerizzazione che è definita in modo differenziale.

Un problema più fastidioso sorge quando sia il reagente che il fotoprodotto assorbono la luce alla lunghezza d'onda dell'irradiazione. In questo caso, l'isomerizzazione fotochimica avviene in entrambe le direzioni (cioè una reazione fotoreversibile). I due rendimenti quantistici indipendenti per le reazioni avanti e indietro non possono essere ottenuti direttamente dalla velocità di reazione osservata. Anche l'intensità della luce imprecisa è una causa comune di errore. Ad esempio, l'invecchiamento del bulbo cambia gradualmente la sua intensità; l'irraggiamento della lampada ad arco allo xeno a 400 nm diminuisce del 30% dopo 1000 ore di funzionamento14. La diffusione della luce non collimata rende l'irraggiamento incidente effettivo significativamente inferiore alla potenza nominale della sorgente. Pertanto, è fondamentale quantificare con precisione il flusso di fotoni efficace. Da notare, il rilassamento termico della forma metastabile a temperatura ambiente dovrebbe essere sufficientemente piccolo da essere ignorato.

Questo documento introduce una serie di procedure per determinare la resa quantistica di fotoisomerazione di un fotointerruttore bistabile. Un certo numero di fotointerruttori di idrazone sviluppati dal gruppo di Aprahamian, il team di ricerca pioniere nel campo, sono stati sotto i riflettori grazie alla loro fotoisomeria selettiva e alla notevole stabilità dei loro isomeri metastabili 15,16,17. I loro fotointerruttori dell'idrazone comprendono due anelli aromatici uniti da un gruppo di idrazone e il legame C = N subisce un'isomerizzazione selettiva E / Z dopo irradiazione a lunghezze d'onda appropriate (Figura 1). Sono stati incorporati con successo come componenti mobili di sistemi molecolari dinamici 18,19,20,21. In questo lavoro, abbiamo preparato un nuovo derivato dell'idrazone che porta gruppi ammidici e ne abbiamo studiato le proprietà di fotointerruttoria per la determinazione della resa quantistica della fotoisomerizzazione.

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Protocol

1. Acquisizione dello spettro NMR 1H allo stato fotostazionario (PSS)

  1. In un tubo NMR di quarzo naturale contenente 4,2 mg (0,01 mmol) di interruttore idrazico 1, aggiungere 1,0 ml di dimetilsolfossido deuterato (DMSO-d 6). Trasferire metà della soluzione in un altro tubo NMR.
  2. Posizionare uno dei tubi NMR di 1 cm davanti a una lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passa-banda da 436 nm. Avviare l'irradiazione al campione NMR e registrare uno spettro NMR 1H ogni giorno fino a quando non vi è alcun cambiamento negli spettri quando l'interruttore 1 raggiunge PSS. Dopo aver raggiunto PSS, mantenere il tubo NMR al buio a temperatura ambiente e registrare lo spettro NMR 1H dopo 12 ore per monitorare l'avanzamento del rilassamento termico.
    NOTA: l'interruttore 1 non mostra alcun cambiamento apprezzabile nello spettro NMR 1H a temperatura ambiente a causa della sua natura bistabile.
  3. Per l'altro tubo NMR, ripetere il passaggio 1.2 con un filtro passa-banda da 340 nm per ottenere uno spettro NMR 1H all'irradiazione PSS sotto 340 nm.
  4. Apri i file fid degli spettri NMR presso i PSS con il software di elaborazione NMR. Integrare un insieme distintivo di picchi (H1: C2 protone di chinolina, H2: protone in para-posizione al gruppo idrazico, H3: CH3 di estere etilico) degli isomeri distinti e calcolare il rapporto isomerico (Figura 2).
    NOTA: Le composizioni (rapporto [1-Z]:[1-E]) sotto l'irradiazione di 436 nm e 340 nm sono rispettivamente 8:92 e 82:18.

2. Spettroscopia di assorbimento UV-Vis al PSS

  1. In un flaconcino di vetro contenente 12,6 mg (0,03 mmol) di 1, aggiungere 2 mL di DMSO di grado spettroscopico. Prendere 100 μL della soluzione e diluire con 1400 μL di DMSO per ottenere 1 mM di soluzione da 1. Trasferire 20 μL di 1 mM di soluzione di 1 in una cuvetta di quarzo con lunghezza del percorso ottico di 1,0 cm e diluire con 1980 μL di DMSO per ottenere una soluzione da 10 μM di 1. Sigillare la cuvetta con un tappo in PTFE e tenere il campione al buio.
  2. Preparare un'altra cuvetta di quarzo contenente 2 ml di DMSO come campione in bianco. Misurare lo spettro UV-Vis del campione in bianco per la correzione al basale.
  3. Posizionare il campione dal passo 2,1 1 cm davanti a una lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passa-banda da 436 nm. Avviare l'irradiazione al campione e misurare lo spettro UV-Vis ogni 2 ore fino a quando non vi è alcun cambiamento negli spettri quando 1 raggiunge PSS (Figura 3).
    NOTA: Il tempo impiegato per raggiungere la PSS per il campione di spettroscopia UV-Vis è molto più breve rispetto al campione NMR con una concentrazione più elevata.
  4. Ripetere il passaggio 2.3 con un filtro passa-banda da 340 nm per ottenere lo spettro UV-Vis al PSS sotto l'irradiazione a 340 nm.
  5. Dedurre gli spettri di assorbanza dei puri 1-Z e 1-E usando Eq (1) ed Eq (2) (Figura 4).
    Equation 1 (1)
    Equation 2 (2)
    dove R436 = il rapporto di 1-Z al PSS sotto l'irradiazione di 436 nm; R340 = il rapporto di 1-Z al PSS sotto l'irradiazione di 340 nm; A436 = l'assorbanza di 1 in DMSO al PSS sotto irradiazione a 436 nm; A340 = l'assorbanza di 1 in DMSO al PSS sotto irradiazione a 340 nm.
  6. Calcolare i coefficienti di attenuazione molare di 1-Z e 1-E puri a tutte le lunghezze d'onda dividendo l'assorbanza osservata per la concentrazione del campione (10 μM) e la lunghezza del percorso ottico (1 cm).

3. Studi cinetici sul rilassamento termico

  1. Riscaldare l'olio di silicio riempito in un circolatore a bagno riscaldante alla temperatura desiderata (131 °C) e verificare se la temperatura del bagno è stabilizzata. Immergere due campioni NMR dal punto 1.2 nel bagno di riscaldamento.
    NOTA: La temperatura e la durata del riscaldamento vengono regolate in base alla velocità di rilassamento.
  2. Dopo 1 ora di riscaldamento, trasferire rapidamente i tubi NMR in un bagno di ghiaccio secco per mettere in pausa il rilassamento termico causato dal calore latente (Figura 5).
    NOTA: temperatura o tempo di riscaldamento imprecisi possono portare a gravi errori nella stima della costante di velocità.
  3. Scongelare i campioni NMR ottenuti dal passaggio 3.2 a temperatura ambiente e assicurarsi che il DMSO sia scongelato. Registrare gli spettri NMR 1H dei campioni.
  4. Ripetere i passaggi 3.1-3.3 fino a quando non vi è alcun cambiamento negli spettri NMR 1H quando 1 raggiunge l'equilibrio termodinamico.
  5. Ripetere i passaggi da 3,1 a 3,4 a temperature diverse (134, 137, 140 e 143 °C).
  6. File fid aperti degli spettri NMR ottenuti nel corso del riscaldamento a 131 °C. Calcolare i rapporti isomerici medi come descritto nel passaggio 1.4. Calcolare la concentrazione di 1-E (isomero metastabile) in base alla concentrazione totale del campione (10 mM) e al rapporto isomerico.
  7. Traccia la concentrazione media di 1-E (CE) in funzione del tempo di riscaldamento. Eseguire un adattamento esponenziale ai dati per ottenere la costante di velocità del rilassamento termico utilizzando Eq (3)15,22 (Figura 6).
    Equation 3 (3)
    Dove Equation 4 (M) = la concentrazione di 1-E allo stato iniziale; Equation 5 (M) = la concentrazione di 1-E all'equilibrio termodinamico ad una temperatura specifica; k (s-1) = la costante di velocità del rilassamento termico a una temperatura specifica; t (s) = il tempo di riscaldamento.
  8. Ripetere i passaggi da 3,6 a 3,7 utilizzando i dati ottenuti a temperature diverse.
  9. Tracciare ln(k) versus Equation 6 ed eseguire un adattamento lineare secondo l'equazione di Arrhenius (Eq (4)) per estrapolare la costante di velocità a temperatura ambiente (Figura 7).
    Equation 7 (4)
    Dove A = il fattore pre-esponenziale; Ea (J·mol-1) = l'energia di attivazione per il rilassamento termico; R = la costante ideale del gas (8.3145 J·mol-1 K-1); T (K) = la temperatura assoluta.
  10. Calcolare l'emivita termica di 1-E a temperatura ambiente utilizzando Eq (5).
    Equation 8 (5)
    Dove τ1/2 (s) = l'emivita termica di 1-E a temperatura ambiente; k (s-1) = la velocità costante di rilassamento termico a temperatura ambiente ottenuta dal passo 3.9.
  11. Se la costante di velocità del rilassamento termico è stimata solo a una singola temperatura, calcolare la costante di velocità a temperatura ambiente utilizzando la seguente equazione di Eyring riorganizzata (Eq (6))18,23.
    Equation 9 (6)
    Equation 10 (7)
    Dove Equation 11 (J·mol-1) = l'energia di Gibbs di attivazione per il rilassamento termico; k1 (s-1) = la costante di velocità di rilassamento termico stimata alla temperatura elevata; k2 (s-1) = la velocità costante di rilassamento termico a temperatura ambiente (298,15 K); T1 (K) = la temperatura assoluta alla quale si ottiene k1 ; (K) = temperatura ambiente (298,15 K).

4. Attinometria ferriossalato

NOTA: Tutte le procedure per l'actinometria ferriossalato devono essere eseguite al buio o >600 nm per prevenire l'influenza della luce ambientale.

  1. In un flaconcino di vetro da 20 mL contenente 29,48 mg (0,06 mmol) di ferriossalato di potassio triidrato, aggiungere 8 mL di acqua deionizzata. Aggiungere 1 mL di H2SO4 acquoso 0,5 M alla soluzione ferriossalata e diluire a 10 mL con acqua deionizzata per preparare un ferriossalato da 0,006 M in soluzione acquosa H2SO4 da 0,05 M.
  2. In un altro flaconcino di vetro da 20 mL contenente 10 mg di 1,10-fenantrolina e 1,356 g di acetato di sodio anidro, aggiungere 10 mL di H 2 SO 4 acquosoda0,5 M per ottenere una soluzione tamponata di fenantrolina allo 0,1% (p/v).
  3. Trasferire 2 mL della soluzione di ferriossalato da 0,006 M dal passo 4.1 a una cuvetta di quarzo con lunghezza del percorso ottico di 1,0 cm. Sigillare la cuvetta con un tappo in PTFE e tenere il campione al buio.
  4. Preparare un'altra cuvetta di quarzo contenente 2 mL di 0,05 M acquoso H2SO4 come campione in bianco. Misurare l'assorbanza UV-Vis del campione in bianco per la correzione al basale.
  5. Misurare l'assorbanza UV-Vis della soluzione di ferriossalato 0,006 M. Determinare la frazione di luce assorbita utilizzando le assorbanze della soluzione di ferriossalato da 0,006 M a 340 e 436 nm e Eq (8) (Figura 8).
    Equation 12 (8)
    Dove f = la frazione di luce assorbita da 0,006 M di soluzione di ferriossalato; Aλ = l'assorbanza della soluzione di ferriossalato 0,006 M alla lunghezza d'onda λ.
  6. Preparare due cuvette di quarzo con lunghezza del percorso ottico di 1,0 cm e aggiungere 2 mL della soluzione di ferriossalato da 0,006 M.
  7. Posizionare uno dei campioni dal passo 4,6 1 cm davanti alla lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passabanda da 436 nm. Tenere l'altro campione al buio. Avviare l'irradiazione al campione per 90 s. Dopo l'irradiazione, aggiungere 0,35 mL della soluzione tamponata allo 0,1% di fenantrolina e una barra magnetica a entrambe le cuvette, quindi mescolare per 1 ora al buio per formare un complesso [Fe(phen)3]2+ .
    NOTA: Il ferriossalato è fotochimicamente ridotto a Fe2+, seguito dalla formazione quasi quantitativa del complesso di ferro tris-1,10-fenantrolina (II).
  8. Misurare lo spettro di assorbimento UV-Vis del campione non irradiato dal passaggio 4.6 per la correzione al basale.
  9. Misurare lo spettro di assorbimento UV-Vis del campione irradiato dal punto 4.7.
  10. Ripetere i passaggi 4.6-4.9 con un filtro passa-banda da 340 nm (Figura 9).
    NOTA: Una volta che il campione di ferriossalato è esposto alla luce, il campione non può essere riutilizzato.
  11. Calcolare il flusso di fotoni molari che arriva alla cuvetta usando Eq (9).
    Equation 13 (9)
    Dove I (mol·s-1) = il flusso di fotoni molari che arriva alla cuvetta; ΔA510 = la differenza di assorbanza a 510 nm tra i campioni non irradiati e irradiati; V = il volume totale della soluzione (2,35 ml); ε510 = il coefficiente di attenuazione molare del complesso [Fe(phen)3]2+ (11100 M-1 cm-1)24; I = la lunghezza del percorso ottico della cuvetta di quarzo (1,0 cm); t = tempo di irradiazione (90 s); f = la frazione assorbita di luce ottenuta dal punto 4.5; ΦFe3+ = la resa quantistica della fotoriduzione di Fe3+ a Fe2+ (1,22 per 340 nm, 1,11 per 436 nm)25.

5. Determinazione della resa quantistica di fotoisomerizzazione

  1. Preparare una cuvetta di quarzo con una lunghezza del percorso ottico di 1,0 cm contenente 2 ml di DMSO come campione in bianco. Misurare l'assorbanza UV-Vis del campione in bianco per la correzione al basale.
  2. Preparare una cuvetta di quarzo con percorso ottico di 1,0 cm di lunghezza contenente 2 mL di soluzione da 10 μM di 1 in DMSO ottenuta dal punto 2.4 (arricchito con Z). Sigillare le cuvette con un tappo in PTFE.
  3. Posizionare il campione dal passo 5,2 1 cm davanti alla lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passa-banda da 436 nm. Avviare l'irradiazione a 436 nm al campione e misurare lo spettro di assorbimento UV-Vis con intervalli diversi fino a quando non vi è alcun cambiamento negli spettri quando 1 raggiunge PSS (Figura 10).
    NOTA: la configurazione dell'irradiazione deve essere esattamente la stessa utilizzata per la misurazione del flusso di fotoni molari. L'intervallo di irradiazione deve essere regolato in base alla velocità di fotoisomerizzazione. Generalmente, sono adatti 15-20 punti dati prima di raggiungere PSS.
  4. Preparare una cuvetta di quarzo con percorso ottico di 1,0 cm di lunghezza contenente 2 mL di soluzione da 10 μM di 1 in DMSO ottenuta dal punto 2.3 (arricchito con E). Sigillare le cuvette con un tappo in PTFE.
  5. Sostituire il filtro passa-banda da 436 nm con il filtro passa-banda da 340 nm e ripetere il passaggio 5.3 per il campione ottenuto dal passaggio 5.4.
  6. Calcola il fattore fotocinetico F(t) usando le assorbanze osservate dal passo 5.3 e Eq (10)26.
    Equation 14 (10)
    Dove Airr,t = l'assorbanza alla lunghezza d'onda dell'irradiazione al tempo t.
  7. Calcola la resa pseudo quantistica Q usando i valori del fattore fotocinetico ottenuti dal passo 5.6 e Eq (11)27.
    Equation 15 (11)
    Dove Q (M-1 cm-1) = la pseudo resa quantistica definita come ; Equation 16; V(L) = il volume del campione; I (mol·s-1) = il flusso di fotoni molari che arriva alla cuvetta; l (cm) = la lunghezza del percorso ottico; t1, t2 (s) = i due punti temporali consecutivi di irradiazione; F(t1), F(t2) = i fattori fotocinetici al tempo t1 e t2, rispettivamente; Aobs,t1, Aobs,t2, Aobs,∞ = le assorbanze a lunghezza d'onda specifica al tempo, t1 e t2 a PSS, rispettivamente.
    NOTA: l'uso di assorbanze a λmax di 1-Z è raccomandato per la precisione.
  8. Calcola il valore medio della resa pseudo quantistica utilizzando i primi dieci punti dati.
  9. Calcola i rendimenti quantistici unidirezionali per le fotoisomerizzazioni Z-to-E ed E-to-Z usando Eq (12) ed Eq (13).
    Equation 17 (12)
    Equation 18 (13)
    Dove ΦZ→E, ΦE→Z = i rendimenti quantistici unidirezionali per i processi di fotoisomerizzazione Z-to-E ed E-to-Z, rispettivamente; Equation 19, Equation 20 (M-1 cm-1) = i coefficienti di attenuazione molare di 1-Z e 1-E alla lunghezza d'onda dell'irradiazione; Equation 21, Equation 22 (M) = le concentrazioni di 1-Z e 1-E a PSS, rispettivamente; Ctot (M) = la concentrazione totale di 1.
  10. Ripetere i passaggi 5.6-5.9 utilizzando i dati ottenuti dal passaggio 5.5 per il calcolo dei rendimenti quantistici di fotoisomerizzazione unidirezionale sotto irradiazione a 340 nm.

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Representative Results

Dopo irradiazione di 1 in un tubo NMR con luce 436 nm (Z:E = 54:46 nello stato iniziale), la proporzione di 1-E aumenta a causa dell'isomerizzazione dominante Z-to-E del legame idrazone C=N (Figura 1). Il rapporto isomerico può essere facilmente ottenuto dalle intensità relative del segnale di isomeri distinti nello spettro NMR 1H (Figura 2). Dopo 5 giorni di irradiazione a 436 nm, il campione raggiunge PSS contenente il 92% di 1-E. L'irradiazione prolungata è necessaria per raggiungere PSS a causa dell'elevata concentrazione del campione (10 mM) e della debole intensità della sorgente luminosa. La successiva irradiazione a 340 nm induce l'isomerizzazione E-to-Z, raggiungendo PSS contenente l'82% di 1-Z dopo 3 giorni di irradiazione.

È necessario un tempo di irradiazione più breve per raggiungere PSS nell'esperimento di spettroscopia UV-Vis (10 h e 4 h per l'irradiazione a 436 e 340 nm, rispettivamente) a causa della minore concentrazione del campione (10 μM). Poiché è difficile isolare gli isomeri puri mediante cromatografia o ottenerli mediante fotoisomerizzazione, gli spettri di assorbimento UV-Vis di 1 nei PSS vengono utilizzati per dedurre gli spettri di assorbimento dei puri 1-Z e 1-E (Figura 4). La lunghezza d'onda del massimo assorbimento (λmax, 398 nm per 1-Z e 375 nm per 1-E) e il coefficiente di attenuazione molare (ε) possono essere ottenuti dagli spettri dedotti. Gli spettri UV-Vis degli isomeri puri suggeriscono che la fotoisomerizzazione incompleta è attribuita al processo fotochimico inverso, cioè alla sovrapposizione della banda di assorbimento alle lunghezze d'onda di irradiazione.

Per determinare la resa quantistica di fotoisomerazione, vengono prima studiati il tasso di rilassamento termico e l'effettivo flusso di fotoni molari. Poiché l'isomero metastabile 1-E è altamente stabile a temperatura ambiente, l'isomerizzazione E-to-Z guidata termicamente viene monitorata a temperature elevate (da 131 a 143 °C) utilizzando la spettroscopia NMR da 1H e vengono stimate le costanti di rilassamento del tasso di primo ordine (Figura 6). Le costanti di velocità ottenute a temperature diverse vengono quindi tracciate rispetto alla temperatura reciproca e adattate linearmente usando l'equazione di Arrhenius (Eq (4)) (Figura 7). Il tasso di rilassamento termico ((2,2 ± 0,5) × 10-10 s-1) e l'emivita di 1-E (101 ± 24 anni) a temperatura ambiente possono quindi essere estrapolati. Pertanto, è sicuro ignorare l'effetto del rilassamento termico nel processo di fotoisomerizzazione a temperatura ambiente. Si può anche usare l'equazione di Eyring riorganizzata (Eq (6)) mostrata nel passo 3.11 per stimare l'emivita se è disponibile una sola costante di velocità.

Per la determinazione del flusso effettivo di fotoni molari nella configurazione di irradiazione, la frazione di luce assorbita dalla soluzione di ferriossalato (f) deve essere misurata con precisione (Figura 8). Sebbene in questo protocollo venga utilizzata una soluzione di ferriossalato da 0,006 M, si raccomanda una soluzione di 0,15 M se si utilizza la luce >440 nm per l'irradiazione a causa della bassa assorbanza25. Una volta misurata la f , la soluzione di ferriossalato viene sottoposta all'esperimento di fotoriduzione. Dopo l'irradiazione, il ferriossalato viene ridotto a uno ione ferroso (Fe2+) che viene successivamente coordinato da tre ligandi fenantrolina per formare il complesso [Fe(phen)3]2+ . Il grado di fotoriduzione può quindi essere ottenuto misurando l'assorbimento del complesso [Fe(phen)3]2+ (Figura 9). Il flusso effettivo di fotoni molari può essere calcolato dal noto coefficiente di attenuazione molare del complesso [Fe(phen)3]2+ e dalla resa quantistica della fotoriduzione alla lunghezza d'onda di irradiazione. Il potere di irradiazione della sorgente luminosa utilizzata in questo esperimento è sufficiente per calcolare il flusso di fotoni molari senza diluizione del campione irradiato. Se l'assorbanza del campione irradiato è superiore a 1, il campione di ferriossalato deve essere diluito dopo l'irradiazione.

Una volta ottenuti il flusso di fotoni molari effettivi e i coefficienti di attenuazione molare degli isomeri puri, è ora possibile determinare la resa quantistica della fotoisomerizzazione. La fotoisomerizzazione di 1 viene effettuata utilizzando la stessa configurazione di irradiazione dell'esperimento di actinometria e monitorata mediante spettroscopia UV-Vis. Poiché l'isomerizzazione fotochimica è reversibile alle lunghezze d'onda dell'irradiazione, i rendimenti quantistici individuali per le reazioni avanti e indietro sono impigliati nella velocità di reazione complessiva e non possono essere determinati direttamente. È quindi necessario calcolare prima la resa pseudo quantistica (Q) alla lunghezza d'onda di irradiazione da cui vengono estratti successivamente i singoli rendimenti quantistici. La resa pseudo quantistica è definita da Eq (14), che permette l'espressione dei due passi lineari dipendenti con un Eq lineare indipendente (15) (Informazioni supplementari).

Equation 23 (14)

Equation 24 (15)

Usando Eq (15), la resa pseudo quantistica può essere ottenuta dal tempo totale di assorbanza e irradiazione osservato in cui viene misurata (Eq. (15) nelle Informazioni supplementari). F(t), il cosiddetto fattore fotocinetico, è una variabile dipendente dal tempo che non può essere integrata direttamente quando sia 1-Z che 1-E assorbono la luce alla lunghezza d'onda dell'irradiazione. Quando l'intervallo di irradiazione tra il tempo t1 e t2 è breve, l'integrazione di F(t) dal tempo t1 a t2 è approssimata a (t2 - t1) {F(t1) + F(t2)}/2 per dare Eq (11) (passo 5.7 ed Eq. (27) nelle Informazioni supplementari ). I valori medi della pseudo resa quantistica calcolata sono 43,0 ± 4,6 M-1 cm-1 a 436 nm e 405,6 ± 20,3 M-1 cm-1 a 340 nm (Tabella 1).

Equation 26 (11)

La relazione numerica tra ΦZ→E e ΦE→Z è ottenuta in base al rapporto isomerico a PSS (Eq. (23) nelle informazioni supplementari) e, infine, i rendimenti quantistici individuali possono essere determinati usando Eq (12) ed Eq (13) (passo 5.9).

Equation 27 (12)

Equation 25 (13)

I rendimenti quantistici di fotoisomerizzazione unidirezionale stimati sono ΦZ→E = 1,3 ± 0,1%, ΦE→Z = 0,6 ± 0,1% sotto 436 nm di irradiazione e ΦZ→E = 2,0 ± 0,1%, ΦE→Z = 4,6 ± 0,2% sotto 340 nm di irradiazione.

Figure 1
Figura 1: Isomerizzazione E/Z dell'interruttore idrazzone 1 indotta dalla luce e dal calore. I due isomeri 1-Z e 1-E si interconvertono per fotoirradiazione a diverse lunghezze d'onda. Metastable 1-E può rilassarsi termicamente a 1-Z. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: SpettriNMR 1 H di 1 (A) prima e dopo l'irradiazione a (B) 436 nm o (C) 340 nm per raggiungere PSSs in DMSO-d 6 a 298,15 K. Le composizioni PSS a 436 e 340 nm sono costituite rispettivamente dall'8 e dall'82% di 1-Z. Abbreviazione: PSSs = stati fotostazionari. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Una configurazione sperimentale per la fotoisomerizzazione e l'actinometria ferriossalato. La soluzione campione in una cuvetta viene posta 1 cm davanti alla lampada ad arco Xe dotata di un filtro passa-banda. Abbreviazione: d = distanza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Spettri di assorbimento UV-Vis di 1 (1 × 10-5 M in DMSO). Le linee continue blu e rosse indicano spettri di assorbimento di 1 nelle PSS sotto l'irradiazione a 436 e 340 nm, rispettivamente. Le linee tratteggiate blu e rosse indicano spettri di assorbimento dedotti di 1-E e 1-Z puri, rispettivamente. Abbreviazione: PSSs = stati fotostazionari. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Una configurazione sperimentale per il monitoraggio del processo di rilassamento termico. Un circolatore a bagno di riscaldamento viene utilizzato per mantenere costante la temperatura durante il riscaldamento del campione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Grafico della concentrazione di 1-E rispetto al tempo di riscaldamento in DMSO-d 6 a temperature diverse. Le costanti di velocità di rilassamento termico a diverse temperature sono ottenute dalle trame. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Grafico arrhenius dell'isomerizzazione termica da E a Z di 1 in DMSO-d 6. L'estrapolazione dell'adattamento lineare suggerisce che l'emivita termica di 1-E a temperatura ambiente è di 101 ± 24 anni. Abbreviazioni: k = la costante di velocità del rilassamento termico; T = temperatura. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: La frazione di luce assorbita da 0,006 M di ferriossalato in soluzione acquosa H2SO4 da 0,05 M. Le frazioni misurate di luce assorbita alle lunghezze d'onda della fotoirradiazione sono utilizzate nell'actinometria ferriossalato. Abbreviazione: f = frazione di luce assorbita. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: Differenze di assorbanza tra i campioni di ferriossalato irradiati (linea blu: irradiato a 436 nm, linea rossa: irradiato a 340 nm) e non irradiato. La differenza di assorbanza a 510 nm (ΔA510) e il valore noto del coefficiente di attenuazione molare del complesso [Fe(phen)3]2+ (ε510 = 11100 M-1 cm-1) sono usati per calcolare il flusso di fotoni molari. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 10
Figura 10: Spettri UV-Vis monitorati dopo l'irradiazione. Irradiazione con irraggiamento (A) 436 nm e (B) 340 nm. Grafici dell'assorbanza a 398 nm (λmax dell'1-Z puro) durante l'irradiazione a (C) 436 nm e (D) 340 nm rispetto al tempo. I valori medi della resa pseudo quantistica sono ottenuti utilizzando i primi dieci punti dati in C e D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1: Rendimenti pseudo quantistici stimati e rendimenti quantistici di fotoisomerizzazione unidirezionale sotto le lunghezze d'onda di irradiazione. Fare clic qui per scaricare questa tabella.

Informazioni supplementari: Una guida per l'utente per scegliere una procedura appropriata per determinare la resa quantistica di fotoisomerizzazione di un interruttore bistabile e la caratterizzazione del composto 1. Fare clic qui per scaricare questo file.

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Discussion

Sono state sviluppate varie strategie per sintonizzare le proprietà spettrali e di commutazione dei fotointerruttori e il registro dei fotointerruttori è in rapida espansione28. È quindi fondamentale determinare correttamente le loro proprietà fotofisiche e prevediamo che i metodi riassunti in questo articolo saranno una guida utile per gli sperimentatori. A condizione che la velocità di rilassamento termico sia molto lenta a temperatura ambiente, la misurazione delle composizioni PSS a diverse lunghezze d'onda di irradiazione, i coefficienti di attenuazione molare degli isomeri puri, il flusso efficace di fotoni molari, la resa pseudo quantistica della sabbia consente la stima dei rendimenti quantistici di fotoisomerizzazione unidirezionale. I risultati sperimentali presentati in questo lavoro hanno rivelato che le proprietà fotofisiche di 1 non sono significativamente diverse da quelle della molecola madre non sostituita15. Questo risultato suggerisce che il legame ammidico può essere un utile legame con altre molecole di interesse per la loro modulazione strutturale.

Per la determinazione della resa quantistica, è essenziale utilizzare un metodo di integrazione adeguato per il fattore fotocinetico (vedi Informazioni supplementari). I fattori critici per la scelta del metodo di integrazione sono: (1) se entrambi gli isomeri assorbono la luce alla lunghezza d'onda di irradiazione (fotoreveribilità)26, (2) se la fotoirradiazione è iniziata con un isomero puro29,30 e (3) se l'assorbimento alla lunghezza d'onda dell'irradiazione è molto più piccolo di 0,1 o superiore a 227. In questo lavoro, l'isomerizzazione fotochimica di 1 è reversibile alle lunghezze d'onda dell'irradiazione e i suoi esperimenti di fotointerruttoria iniziano con miscele isomeriche. L'assorbimento alle lunghezze d'onda di irradiazione non è sufficientemente piccolo (0,02366 a 436 nm e 0,06638 a 340 nm) per fare un'approssimazione del fattore fotocinetico. In questo caso, l'integrazione del fattore fotocinetico per un breve intervallo di irradiazione è approssimata dall'interpolazione lineare (caso 2 in Informazioni supplementari). Per coloro che cercano di determinare la resa quantistica di fotoisomerizzazione dei fotointerruttori bistabili, la derivazione di equazioni rilevanti in circostanze diverse è presentata in Informazioni supplementari.

Da notare che i metodi descritti in questo articolo non possono essere utilizzati per fotointerruttori con processi fotochimici non uniformi (ad esempio, formazione di un intermedio di lunga durata o di fotoprodotti multipli) o con processi di rilassamento termico veloce31. L'isomerizzazione fotochimica di 1 è un processo uniforme e non deve tenere conto del rilassamento termico dovuto alla sua bisabilità. Per determinare con precisione la composizione PSS e la velocità del processo termico dei fotointerruttori con un rapido rilassamento termico, è necessaria una speciale configurazione sperimentale per l'irradiazione in situ durante l'analisi spettroscopica (ad esempio, uno spettrofotometro UV-Vis dotato di una sorgente luminosa aggiuntiva per l'irradiazione perpendicolare, fibra ottica che può essere inserita nel campione NMR)32 . È anche importante utilizzare una sorgente luminosa con una larghezza di banda ridotta utilizzando un filtro passa-banda o un laser per un'eccitazione uniforme dell'energia.

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Disclosures

Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato dalle borse di ricerca dell'Università Chung-Ang nel 2019 e dalla National Research Foundation of Korea (NRF-2020R1C1C1011134).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,10-phenanthroline Sigma-Aldrich 131377-2.5G
340 nm bandpass filter, 25 mm diameter, 10 nm FWHM Edmund Optics #65-129
436 nm bandpass filter, 25 mm diameter, 10 nm FWHM Edmund Optics #65-138
Anhydrous sodium acetate Alfa aesar A13184.30
Dimethyl sulfoxide Samchun D1138 HPLC grade
Dimethyl sulfoxide-d6 Sigma-Aldrich 151874-25g
Gemini 2000; 300 MHz NMR spectrometer Varian
H2SO4 Duksan 235
Heating bath JeioTech CW-05G
MestReNova 14.1.1 Mestrelab Research S.L., https://mestrelab.com/
Natural quartz NMR tube Norell S-5-200-QTZ-7
Potassium ferrioxalate trihydrate Alfa aesar 31124.06
Quartz absorption cell Hellma HE.110.QS10
UV-VIS spectrophotometer Scinco S-3100
Xenon arc lamp Thorlabs SLS205 Fiber adapter was removed

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References

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Determinazione della resa quantistica di fotoisomerazione di un interruttore foto Hydrazone
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Jeong, M., Park, J., Lee, K., Kwon, S. Determination of the Photoisomerization Quantum Yield of a Hydrazone Photoswitch. J. Vis. Exp. (180), e63398, doi:10.3791/63398 (2022).

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