Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Bestämning av fotoisomerisationskvantutbytet för en Hydrazone Photoswitch

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

Fotoisomerisationskvantutbyte är en grundläggande fotofysisk egenskap som bör bestämmas exakt vid undersökning av nyutvecklade fotowitchar. Här beskriver vi en uppsättning procedurer för att mäta fotoisomerisationskvantutbytet för en fotokrom hydrazon som en modellbistababel fotoswitch.

Abstract

Fotoswitching organiska molekyler som genomgår ljusdrivna strukturella omvandlingar är nyckelkomponenter för att konstruera adaptiva molekylära system, och de används i en mängd olika applikationer. I de flesta studier som använder fotowitchar bestäms flera viktiga fotofysiska egenskaper såsom maximala våglängder för absorption och emission, molär dämpningskoefficient, fluorescenslivslängd och fotoisomerisationskvantutbyte noggrant för att undersöka deras elektroniska tillstånd och övergångsprocesser. Mätning av fotoisomerisationskvantutbytet, effektiviteten av fotoisomerisation med avseende på de absorberade fotonerna, i en typisk laboratorieinställning är emellertid ofta komplicerad och benägen för fel eftersom det kräver implementering av rigorösa spektroskopiska mätningar och beräkningar baserade på en lämplig integrationsmetod. Denna artikel introducerar en uppsättning procedurer för att mäta fotoisomerisationskvantutbytet för en bistabil fotoswitch med hjälp av en fotokrom hydrazon. Vi förväntar oss att den här artikeln kommer att vara en användbar guide för undersökning av bistabla fotoswitchar som utvecklas alltmer.

Introduction

Fotokroma organiska molekyler har väckt stor uppmärksamhet inom ett brett spektrum av vetenskapliga discipliner eftersom ljus är en unik stimulans som kan driva ett system bort från dess termodynamiska jämvikt icke-invasivt1. Bestrålning av ljus med lämpliga energier möjliggör strukturell modulering av fotoswitchar med hög spatiotemporal precision 2,3,4. Tack vare dessa fördelar har olika typer av fotoswitchar baserade på konfigurationsisomerisation av dubbelbindningarna (t.ex. stilbenes, azobensener, iminer, fumaramider, tioindigos) och ringöppning/förslutning (t.ex. spiropyraner, ditietyletener, fulgider, donatoracceptor Stenhouse-addukter) utvecklats och använts som kärnkomponenter i adaptiva material i olika längdskalor. Representativa tillämpningar av fotobrytare involverar fotokroma material, läkemedelsleverans, omkopplingsbara receptorer och kanaler, information eller energilagring och molekylära maskiner 5,6,7,8,9,10,11,12. I de flesta studier som presenterar nydesignade fotoswitchar karakteriseras deras fotofysiska egenskaper såsom λmax absorption och emission, molär dämpningskoefficient (ε), fluorescenslivslängd och fotoisomerisationskvantutbyte noggrant. Undersökningen av sådana egenskaper ger viktig information om de elektroniska tillstånd och övergångar som är avgörande för att förstå de optiska egenskaperna och isomeriseringsmekanismen.

Noggrann mätning av fotoisomerisationskvantutbyte - antalet fotoisomerisationshändelser som inträffade dividerat med antalet fotoner vid bestrålningsvåglängden absorberad av reaktanten - är emellertid ofta komplicerat i en typisk laboratorieinställning på grund av flera skäl. Bestämning av fotoisomerisationskvantutbytet uppnås i allmänhet genom att övervaka reaktionens framsteg och mäta antalet absorberade fotoner under bestrålning. Det främsta problemet är att mängden fotonabsorption per tidsenhet förändras gradvis eftersom den totala absorptionen av lösningen förändras över tiden när den fotokemiska reaktionen fortskrider. Därför beror antalet förbrukade reaktanter per tidsenhet på den tidssektion i vilken den mäts under bestrålningen. Således är man skyldig att uppskatta fotoisomerisationskvantutbytet som definieras differentiellt.

Ett mer besvärligt problem uppstår när både reaktanten och fotoprodukten absorberar ljus vid bestrålningsvåglängden. I detta fall sker den fotokemiska isomeriseringen i båda riktningarna (dvs en fotoreversibel reaktion). De två oberoende kvantutbytena för framåt- och bakåtreaktionerna kan inte erhållas direkt från den observerade reaktionshastigheten. Felaktig ljusintensitet är också en vanlig orsak till fel. Till exempel ändrar åldrandet av glödlampan gradvis dess intensitet; Xenonbågslampans bestrålning vid 400 nm minskar med 30% efter 1000 timmars drift14. Spridningen av icke-kollimerat ljus gör den faktiska infallande bestrålningen betydligt mindre än källans nominella effekt. Således är det viktigt att exakt kvantifiera det effektiva fotonflödet. Observera att termisk avslappning av den metastabila formen vid rumstemperatur bör vara tillräckligt liten för att ignoreras.

Detta dokument introducerar en uppsättning procedurer för att bestämma fotoisomerisationskvantutbytet för en bistabil fotoswitch. Ett antal hydrazonfotobrytare som utvecklats av gruppen Aprahamian, det banbrytande forskargruppen inom området, har varit i rampljuset tack vare deras selektiva fotoisomerisering och anmärkningsvärda stabilitet hos deras metastabila isomerer 15,16,17. Deras hydrazonfotoswitchar består av två aromatiska ringar förenade med en hydrazongrupp, och C = N-bindningen genomgår selektiv E / Z-isomerisering vid bestrålning vid lämpliga våglängder (Figur 1). De har framgångsrikt införlivats som de rörliga komponenterna i dynamiska molekylära system 18,19,20,21. I detta arbete förberedde vi ett nytt hydrazonderivat som bär amidgrupper och undersökte dess fotoväxlingsegenskaper för bestämning av fotoisomerisationskvantutbytet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 1H NMR-spektrumförvärv vid fotostationärt tillstånd (PSS)

  1. I ett naturligt NMR-rör av kvarts innehållande 4,2 mg (0,01 mmol) hydrazonbrytare 1 tillsätt 1,0 ml deuterad dimetylsulfoxid (DMSO-d 6). Överför hälften av lösningen till ett annat NMR-rör.
  2. Placera ett av NMR-rören 1 cm framför en Xenonbågslampa utrustad med ett 436 nm bandpassfilter. Börja bestrålningen till NMR-provet och registrera ett 1H NMR-spektrum varje dag tills det inte sker någon förändring i spektra när switch 1 når PSS. När du har nått PSS, håll NMR-röret i mörkret vid rumstemperatur och registrera 1H NMR-spektrumet efter 12 timmar för att övervaka utvecklingen av termisk avslappning.
    OBS: Switch 1 visar ingen märkbar förändring i 1H NMR-spektrumet vid rumstemperatur på grund av dess bistababla natur.
  3. För det andra NMR-röret, upprepa steg 1.2 med ett 340 nm bandpassfilter för att erhålla ett 1H NMR-spektrum vid PSS under 340 nm bestrålning.
  4. Öppna fid-filer av NMR-spektra på PSS med NMR-bearbetningsprogram. Integrera en distinkt uppsättning toppar (H1: C2 proton av kinolin, H2: proton i para-position till hydrazongruppen, H3:CH3 av etylester) av de distinkta isomererna och beräkna det isomera förhållandet (Figur 2).
    OBS: Kompositioner ([1-Z]:[1-E]-förhållandet) under 436 nm och 340 nm bestrålning är 8:92 respektive 82:18.

2. UV-Vis-absorptionsspektroskopi vid PSS

  1. I en glasflaska innehållande 12,6 mg (0,03 mmol) av 1, tillsätt 2 ml DMSO av spektroskopikvalitet. Ta 100 μL av lösningen och späd med 1400 μL DMSO för att göra 1 mM lösning av 1. Överför 20 μL 1 mM lösning av 1 till en kvartskyvett med 1,0 cm optisk banlängd och späd med 1980 μL DMSO för att göra en 10 μM lösning av 1. Försegla kyvetten med en PTFE-propp och håll provet i mörkret.
  2. Förbered en annan kvartskyvett innehållande 2 ml DMSO som ett blankprov. Mät UV-Vis-spektrumet för det tomma provet för korrigering vid baslinjen.
  3. Placera provet från steg 2.1 1 cm framför en Xenonbågslampa utrustad med ett 436 nm bandpassfilter. Börja bestrålningen till provet och mät UV-Vis-spektrumet varannan timme tills det inte sker någon förändring i spektra när 1 når PSS (Figur 3).
    OBS: Den tid det tar att nå PSS för UV-Vis-spektroskopiprovet är mycket kortare än för NMR-provet med högre koncentration.
  4. Upprepa steg 2.3 med ett 340 nm bandpassfilter för att få UV-Vis-spektrumet vid PSS under 340 nm bestrålning.
  5. Härleda absorbansspektra för de rena 1-Z och 1-E med Eq (1) och Eq (2) (Figur 4).
    Equation 1 (1)
    Equation 2 (2)
    Där R436 = förhållandet 1–Z vid PSS under 436 nm bestrålning. R340 = förhållandet 1-Z vid PSS under 340 nm bestrålning; A436 = absorbansen av 1 i DMSO vid PSS under 436 nm bestrålning. A340 = absorbansen av 1 i DMSO vid PSS under 340 nm bestrålning.
  6. Beräkna de molära dämpningskoefficienterna för ren 1-Z och 1-E vid alla våglängder genom att dividera den observerade absorbansen med provkoncentrationen (10 μM) och den optiska banlängden (1 cm).

3. Kinetiska studier om termisk avslappning

  1. Värm kiseloljan fylld i en värmebadcirkulator till önskad temperatur (131 ° C) och kontrollera om badets temperatur stabiliseras. Sänk ner två NMR-prover från steg 1.2 i värmebadet.
    OBS: Temperaturen och varaktigheten av uppvärmningen justeras beroende på avslappningshastigheten.
  2. Efter 1 timmes uppvärmning, överför NMR-rören snabbt till ett torrisbad för att pausa den termiska avslappningen som orsakas av latent värme (Figur 5).
    OBS: Felaktig uppvärmningstemperatur eller tid kan leda till allvarliga fel i uppskattningen av hastighetskonstanten.
  3. Tina NMR-proverna från steg 3.2 vid rumstemperatur och se till att DMSO tinas upp. Registrera provernas 1H NMR-spektra.
  4. Upprepa steg 3.1-3.3 tills det inte sker någon förändring i 1H NMR-spektra när 1 når termodynamisk jämvikt.
  5. Upprepa steg 3.1–3.4 vid olika temperaturer (134, 137, 140 och 143 °C).
  6. Öppna fid-filer för NMR-spektra som erhållits under uppvärmning vid 131 °C. Beräkna de genomsnittliga isomera förhållandena enligt beskrivningen i steg 1.4. Beräkna koncentrationen av 1-E (metastabil isomer) baserat på den totala provkoncentrationen (10 mM) och det isomera förhållandet.
  7. Plotta den genomsnittliga koncentrationen av 1-E (CE) som en funktion av uppvärmningstiden. Utför en exponentiell anpassning till data för att erhålla hastighetskonstanten för termisk avslappning med Eq (3) 15,22 (Figur 6).
    Equation 3 (3)
    Där Equation 4 (M) = koncentrationen av 1-E vid utgångstillståndet; Equation 5 (M) = koncentrationen av 1-E vid den termodynamiska jämvikten vid en specifik temperatur, k (s-1) = hastighetskonstanten för termisk avkoppling vid en specifik temperatur; t (s) = uppvärmningstiden.
  8. Upprepa steg 3.6 till 3.7 med hjälp av data som erhållits vid olika temperaturer.
  9. Plotta ln(k) kontra och utför en linjär passning enligt Arrheniusekvationen (Eq (4)) för att extrapolera hastighetskonstanten Equation 6 vid rumstemperatur (Figur 7).
    Equation 7 (4)
    Där A = den pre-exponentiella faktorn; Ea (J·mol-1) = aktiveringsenergin för termisk avslappning; R = den ideala gaskonstanten (8,3145 J·mol-1 K-1); T (K) = den absoluta temperaturen.
  10. Beräkna den termiska halveringstiden för 1-E vid rumstemperatur med Eq (5).
    Equation 8 (5)
    Där τ1/2 (s) = den termiska halveringstiden för 1-E vid rumstemperatur. k (s-1) = hastighetskonstanten för termisk avslappning vid rumstemperatur erhållen från steg 3.9.
  11. Om hastighetskonstanten för termisk avslappning endast uppskattas vid en enda temperatur, beräkna hastighetskonstanten vid rumstemperatur med hjälp av följande omarrangerade Eyring-ekvation (Eq (6))18,23.
    Equation 9 (6)
    Equation 10 (7)
    Där Equation 11 (J·mol-1) = Gibbs energi för aktivering för termisk avkoppling; k1 (s-1) = hastighetskonstanten för termisk avslappning uppskattad vid förhöjd temperatur, k2 (s-1) = hastighetskonstanten för termisk avkoppling vid rumstemperatur (298,15 K); T1 (K) = den absoluta temperaturen vid vilken k1 erhålls; (K) = rumstemperatur (298,15 K).

4. Ferrioxalat aktinometri

OBS: Alla procedurer för ferrioxalataktinometri måste utföras i mörker eller >600 nm ljus för att förhindra påverkan av omgivande ljus.

  1. I en 20 ml glasflaska innehållande 29,48 mg (0,06 mmol) kaliumferritrialattrihydrat, tillsätt 8 ml avjoniserat vatten. Tillsätt 1 ml 0,5 M vattenhaltigTH2SO4till ferrioxalatlösningen och späd till 10 ml med avjoniserat vatten för att bereda en 0,006 M ferrioxalat i 0,05 M vattenhaltigH2SO4-lösning.
  2. I en annan 20 ml glasflaska innehållande 10 mg 1,10-fenantrolin och 1,356 g vattenfritt natriumacetat, tillsätt 10 ml 0,5 M vattenhaltigTH2SO4för att göra en buffrad 0,1% (w/v) fenantrolinlösning.
  3. Överför 2 ml av ferrioxalatlösningen på 0,006 M från steg 4.1 till en kvartskyvett med 1,0 cm optisk banlängd. Försegla kyvetten med en PTFE-propp och håll provet i mörkret.
  4. Förbered en annan kvartskyvett innehållande 2 ml 0,05 M vattenhaltigH2SO4som ett blankprov. Mät UV-Vis-absorbansen hos det tomma provet för korrigering vid baseline.
  5. Mät UV-Vis-absorbansen hos 0,006 M ferrioxalatlösningen. Bestäm fraktionen av absorberat ljus med hjälp av absorbanserna för 0,006 M ferrioxalatlösningen vid 340 och 436 nm och Eq (8) (Figur 8).
    Equation 12 (8)
    Där f = den fraktion av ljus som absorberas av 0,006 M ferrioxalatlösning, Aλ = absorbansen av 0,006 M ferrioxalatlösning vid våglängd λ.
  6. Förbered två kvartskyvetter med 1,0 cm optisk banlängd och tillsätt 2 ml av 0,006 M ferrioxalatlösningen.
  7. Placera ett av proverna från steg 4.6 1 cm framför Xenonbågslampan utrustad med ett 436 nm bandpassfilter. Håll det andra provet i mörkret. Starta bestrålning till provet i 90 s. Efter bestrålning, tillsätt 0,35 ml av den buffrade 0,1% fenantrolinlösningen och en magnetisk stång till båda kyvetterna följt av omrörning i 1 timme i mörkret för att bilda ett [Fe (phen) 3] 2+ komplex.
    OBS: Ferrioxalat reduceras fotokemiskt till Fe2+, följt av den nästan kvantitativa bildningen av tris-1,10-fenantrolinjärn (II) -komplexet.
  8. Mät UV-Vis-absorptionsspektrumet för det icke-bestrålade provet från steg 4.6 för korrigering vid baseline.
  9. Mät UV-Vis-absorptionsspektrumet för det bestrålade provet från steg 4.7.
  10. Upprepa steg 4.6–4.9 med ett 340 nm bandpassfilter (figur 9).
    OBS: När ferrioxalatprovet har utsatts för ljus kan provet inte återanvändas.
  11. Beräkna det molära fotonflödet som anländer till kyvetten med Eq (9).
    Equation 13 (9)
    Där I (mol·s-1) = det molära fotonflödet som anländer till kyvetten; ΔA510 = skillnaden i absorbans vid 510 nm mellan de icke bestrålade och bestrålade proverna, V = den totala volymen lösning (2,35 ml); ε510 = den molära dämpningskoefficienten för [Fe(phen)3]2+ komplex (11100 M-1 cm-1)24; I = den optiska banlängden för kvartskyvett (1,0 cm); t = bestrålningstid (90 s); f = den absorberade ljusfraktionen erhållen från steg 4.5, ΦFe3+ = kvantutbytet för fotoreduktionen av Fe3+ till Fe2+ (1,22 för 340 nm, 1,11 för 436 nm)25.

5. Bestämning av fotoisomerisationskvantutbytet

  1. Förbered en kvartskyvett med 1,0 cm optisk banlängd innehållande 2 ml DMSO som blankprov. Mät UV-Vis-absorbansen hos det tomma provet för korrigering vid baseline.
  2. Förbered en kvartskyvett med 1,0 cm optisk banlängd innehållande 2 ml 10 μM lösning av 1 i DMSO erhållen från steg 2.4 (Z-berikad). Försegla kyvetterna med ett PTFE-stopp.
  3. Placera provet från steg 5,2 1 cm framför Xenonbågslampan utrustad med ett 436 nm bandpassfilter. Starta bestrålningen vid 436 nm till provet och mät UV-Vis-absorptionsspektrumet med olika intervall tills det inte sker någon förändring i spektra när 1 når PSS (Figur 10).
    OBS: Bestrålningsinställningen måste vara exakt densamma som den som används för mätning av molärt fotonflöde. Bestrålningsintervallet bör justeras baserat på fotoisomerisationshastigheten. I allmänhet är 15–20 datapunkter innan de når PSS lämpliga.
  4. Förbered en kvartskyvett med 1,0 cm optisk banlängd innehållande 2 ml 10 μM lösning av 1 i DMSO erhållen från steg 2.3 (E-berikad). Försegla kyvetterna med ett PTFE-stopp.
  5. Byt ut 436 nm bandpassfiltret mot 340 nm bandpassfiltret och upprepa steg 5.3 för provet som erhållits från steg 5.4.
  6. Beräkna den fotokinetiska faktorn F(t) med hjälp av de observerade absorbanserna från steg 5.3 och Eq (10)26.
    Equation 14 (10)
    Där Airr,t = absorbansen vid bestrålningsvåglängden vid tiden t.
  7. Beräkna pseudokvantutbytet Q med hjälp av de fotokinetiska faktorvärden som erhållits från steg 5.6 och Eq (11)27.
    Equation 15 (11)
    Där Q (M-1 cm-1) = pseudokvantutbytet definierat som ; Equation 16; V(L) = provvolymen, I (mol·s-1) = det molära fotonflödet som anländer till kyvetten; l (cm) = den optiska banlängden; t1, t2 (s) = de två på varandra följande bestrålningspunkterna; F(t1), F(t2) = de fotokinetiska faktorerna vid tiden t1 respektive t2, Aobs,t1, Aobs,t2, Aobs,∞ = absorbanserna vid specifik våglängd vid tiden, t1 respektive t2 vid PSS.
    OBS: Användning av absorbanser vid λmax 1-Z rekommenderas för noggrannhet.
  8. Beräkna medelvärdet av pseudokvantutbytet med hjälp av de första tio datapunkterna.
  9. Beräkna de enkelriktade kvantutbytena för Z-till-E- och E-till-Z-fotoisomerisationer med Eq (12) och Eq (13).
    Equation 17 (12)
    Equation 18 (13)
    Där ΦZ→E, ΦE→Z = den enkelriktade kvanten ger för Z-till-E respektive E-till-Z fotoisomerisationsprocesser; Equation 19, Equation 20 (M-1 cm-1) = de molära dämpningskoefficienterna för 1-Z och 1-E vid bestrålningsvåglängden; Equation 21, Equation 22 (M) = koncentrationerna av 1-Z respektive 1-E vid PSS, Ctot (M) = den totala koncentrationen av 1.
  10. Upprepa steg 5.6-5.9 med hjälp av data som erhållits från steg 5.5 för beräkning av de enkelriktade fotoisomerisationskvantutbytena under bestrålning vid 340 nm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Vid bestrålning av 1 i ett NMR-rör med 436 nm ljus (Z:E = 54:46 i initialt tillstånd) ökar andelen 1-E på grund av den dominerande Z-till-E-isomeriseringen av hydrazonen C=N-bindningen (Figur 1). Det isomera förhållandet kan lätt erhållas från de relativa signalintensiteterna hos distinkta isomerer i 1H NMR-spektrumet (figur 2). Efter 5 dagars bestrålning vid 436 nm når provet PSS innehållande 92% av 1-E. Långvarig bestrålning krävs för att nå PSS på grund av ljuskällans höga provkoncentration (10 mM) och svaga intensitet. Efterföljande bestrålning vid 340 nm inducerar E-till-Z-isomerisering och når PSS innehållande 82% av 1-Z efter 3 dagars bestrålning.

En kortare bestrålningstid krävs för att nå PSS i UV-Vis-spektroskopiexperimentet (10 timmar och 4 timmar för bestrålning vid 436 respektive 340 nm) på grund av den lägre provkoncentrationen (10 μM). Eftersom det är svårt att isolera de rena isomererna genom kromatografi eller erhålla dem genom fotoisomerisering används UV-Vis-absorptionsspektra av 1 i PSS för att härleda absorptionsspektra för de rena 1-Z och 1-E (Figur 4). Våglängden för absorptionsmaxikumet (λmax, 398 nm för 1-Z och 375 nm för 1-E) och molär dämpningskoefficient (ε) kan erhållas från de härledda spektra. UV-Vis-spektra av de rena isomererna tyder på att den ofullständiga fotoisomerisationen tillskrivs den omvända fotokemiska processen, dvs absorptionsbandöverlappning vid bestrålningsvåglängderna.

För bestämning av fotoisomerisationskvantutbytet undersöks först hastigheten för termisk avkoppling och det effektiva molära fotonflödet. Eftersom den metastabila isomeren 1-E är mycket stabil vid rumstemperatur övervakas termiskt driven E-till-Z-isomerisering vid förhöjda temperaturer (från 131 till 143 °C) med användning av 1H NMR-spektroskopi, och första ordningens hastighetskonstanter för avslappning uppskattas (Figur 6). De erhållna hastighetskonstanterna vid olika temperaturer ritas sedan kontra ömsesidig temperatur och monteras linjärt med Arrheniusekvationen (Eq (4)) (Figur 7). Graden av termisk avslappning ((2,2 ± 0,5) × 10-10 s-1) och halveringstiden för 1-E (101 ± 24 år) vid rumstemperatur kan sedan extrapoleras. Således är det säkert att ignorera effekten av termisk avkoppling i fotoisomerisationsprocessen vid rumstemperatur. Man kan också använda den omarrangerade Eyringekvationen (Eq (6)) som visas i steg 3.11 för att uppskatta halveringstiden om endast en hastighetskonstant är tillgänglig.

För bestämning av det effektiva molära fotonflödet i bestrålningsinställningen bör den fraktion av ljus som absorberas av ferrioxalatlösning (f) mätas exakt (figur 8). Även om en 0,006 M ferrioxalatlösning används i detta protokoll rekommenderas en 0,15 M lösning vid användning av >440 nm ljus för bestrålning på grund av låg absorbans25. När f har mätts utsätts ferrioxalatlösningen för fotoreduktionsexperimentet. Vid bestrålning reduceras ferrioxalatet till en järnjon (Fe2+) som därefter koordineras av tre fenantrolinligander för att bilda [Fe(phen)3]2+- komplexet. Graden av fotoreduktion kan sedan erhållas genom att mäta absorptionen av [Fe(phen)3]2+ komplexet (Figur 9). Det effektiva molära fotonflödet kan beräknas från den kända molära dämpningskoefficienten för [Fe (phen) 3] 2+ -komplexet och kvantutbytet för fotoreduktionen vid bestrålningsvåglängden. Bestrålningseffekten hos ljuskällan som används i detta experiment är tillräcklig för att beräkna det molära fotonflödet utan utspädning av det bestrålade provet. Om absorbansen hos det bestrålade provet är högre än 1 ska ferrioxalatprovet spädas efter bestrålning.

När de effektiva molära fotonflödet och molära dämpningskoefficienterna för de rena isomererna har erhållits är det nu möjligt att bestämma fotoisomerisationskvantutbytet. Fotoisomerisation av 1 utförs med samma bestrålningsinställning som aktinometriexperimentet och övervakas med UV-Vis-spektroskopi. Eftersom den fotokemiska isomeriseringen är reversibel vid bestrålningsvåglängderna är individuella kvantutbyten för framåt- och bakåtreaktionerna intrasslade i den totala reaktionshastigheten och kan inte bestämmas direkt. Det är därför nödvändigt att först beräkna pseudokvantutbytet (Q) vid bestrålningsvåglängden från vilken de enskilda kvantutbytena extraheras efteråt. Pseudokvantutbytet definieras av Eq (14), vilket möjliggör uttryck av de två linjära beroende stegen med en linjär oberoende Eq (15) (kompletterande information).

Equation 23 (14)

Equation 24 (15)

Genom att använda Eq (15) kan pseudokvantutbytet erhållas från den observerade totala absorbansen och bestrålningstiden vid vilken den mäts (ekv. (15) i tilläggsinformationen). F(t), den så kallade fotokinetiska faktorn, är en tidsberoende variabel som inte kan integreras direkt när både 1-Z och 1-E absorberar ljus vid bestrålningsvåglängden. När bestrålningsintervallet mellan tiden t1 och t2 är kort approximeras integrationen av F(t) från tiden t1 till t2 till (t2 - t1) {F(t1) + F(t2)}/2 för att ge Eq (11) (steg 5.7 och Eq. (27) i tilläggsinformationen ). De genomsnittliga värdena för det beräknade pseudokvantutbytet är 43,0 ± 4,6 M-1 cm-1 vid 436 nm och 405,6 ± 20,3 M-1 cm-1 vid 340 nm (tabell 1).

Equation 26 (11)

Den numeriska relationen mellan ΦZ→E och ΦE→Z erhålls baserat på det isomera förhållandet vid PSS (Eq. (23) i tilläggsinformationen) och slutligen kan de enskilda kvantutbytena bestämmas med hjälp av Eq (12) och Eq (13) (steg 5.9).

Equation 27 (12)

Equation 25 (13)

De uppskattade enkelriktade fotoisomerisationskvantutbytena är ΦZ→E = 1,3 ± 0,1%, ΦE→Z = 0,6 ± 0,1% under 436 nm bestrålning och ΦZ→E = 2,0 ± 0,1%, ΦE→Z = 4,6 ± 0,2% under 340 nm bestrålning.

Figure 1
Figur 1: E / Z-isomerisering av hydrazonomkopplare 1 inducerad av ljus och värme. De två isomererna 1-Z och 1-E samkonverteras genom fotobestrålning vid olika våglängder. Metastabil 1-E kan termiskt slappna av till 1-Z. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: 1H NMR-spektra av 1 (A) före och efter bestrålning vid (B) 436 nm eller (C) 340 nm för att nå PSS i DMSO-d 6 vid 298,15 K. PSS-kompositioner vid 436 och 340 nm består av 8 respektive 82% av 1-Z. Förkortning: PSS = fotostationära tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: En experimentell inställning för fotoisomerisering och ferrioxalataktinometri. Provlösningen i en kyvett placeras 1 cm framför Xe-båglampan utrustad med ett bandpassfilter. Förkortning: d = avstånd. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: UV-Vis-absorptionsspektra på 1 (1 × 10-5 M i DMSO). Blå och röda heldragna linjer indikerar absorptionsspektra på 1 i PSS under 436 respektive 340 nm bestrålning. Blå och röda streckade linjer indikerar härledda absorptionsspektra av rena 1-E respektive 1-Z. Förkortning: PSS = fotostationära tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: En experimentell inställning för övervakning av den termiska avslappningsprocessen. En värmebadcirkulator används för att hålla temperaturen konstant under uppvärmningen av provet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 6
Figur 6: Diagram över koncentrationen av 1-E kontra uppvärmningstid i DMSO-d 6 vid olika temperaturer. Hastighetskonstanterna för termisk avkoppling vid olika temperaturer erhålls från tomterna. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: Arrhenius plot av termisk E-till-Z-isomerisering av 1 i DMSO-d 6. Extrapolering av den linjära passformen tyder på att den termiska halveringstiden för 1-E vid rumstemperatur är 101 ± 24 år. Förkortningar: k = hastighetskonstanten för termisk avkoppling; T = temperatur. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 8
Figur 8: Fraktionen av absorberat ljus med 0,006 M ferrioxalat i 0,05 M vattenhaltigH2SO4-lösning. De uppmätta fraktionerna av absorberat ljus vid fotobestrålningsvåglängderna används i ferrioxalataktinometrin. Förkortning: f = bråkdel av absorberat ljus. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 9
Figur 9: Absorbansskillnader mellan bestrålade (blå linje: bestrålad vid 436 nm, röd linje: bestrålad vid 340 nm) och icke-bestrålade ferrioxalatprover. Absorbansskillnaden vid 510 nm (ΔA510) och det kända värdet av molär dämpningskoefficient för [Fe(phen)3]2+ komplex (ε510 = 11100 M-1 cm-1) används för att beräkna det molära fotonflödet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 10
Figur 10: Övervakade UV-Vis-spektra vid bestrålning. Bestrålning med (A) 436 nm och (B) 340 nm bestrålning. Absorbansens plottar vid 398 nm (λmax för den rena 1-Z) under bestrålning vid (C) 436 nm och (D) 340 nm kontra tiden. Medelvärden av pseudokvantutbytet erhålls med hjälp av de första tio datapunkterna i C och D. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Tabell 1: Uppskattade pseudokvantutbyten och enkelriktade fotoisomerisationskvantutbyten under bestrålningsvåglängderna. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Kompletterande information: En användarhandbok för att välja ett lämpligt förfarande för att bestämma fotoisomerisationskvantutbytet för en bistabil omkopplare och karakterisering av förening 1. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Olika strategier för att ställa in fotoswitches spektrala och växlande egenskaper har utvecklats, och registret över fotobrytare expanderar snabbt28. Det är därför avgörande att korrekt bestämma deras fotofysiska egenskaper, och vi förväntar oss att de metoder som sammanfattas i den här artikeln kommer att vara en användbar guide till experimenter. Förutsatt att den termiska avslappningshastigheten är mycket långsam vid rumstemperatur, mätning av PSS-kompositioner vid olika bestrålningsvåglängder, molära dämpningskoefficienter för de rena isomererna, effektivt molärt fotonflöde, sandpseudokvantutbyte möjliggör uppskattning av de enkelriktade fotoisomerisationskvantutbytena. Experimentella resultat som presenterades i detta arbete avslöjade att fotofysiska egenskaper hos 1 inte skiljer sig signifikant från den för den osubstituerade modermolekylen15. Detta resultat tyder på att amidkopplingen kan vara en användbar tether till andra molekyler av intresse för deras strukturella modulering.

För bestämning av kvantutbytet är det viktigt att använda en korrekt integrationsmetod för den fotokinetiska faktorn (se Kompletterande information). Kritiska faktorer för att välja integrationsmetod är: (1) om båda isomererna absorberar ljus vid bestrålningsvåglängden (fotoreversibilitet)26, (2) om fotobestrålningen började med en ren isomer29,30 och (3) om absorptionen vid bestrålningsvåglängden är mycket mindre än 0,1 eller större än 227. I detta arbete är fotokemisk isomerisering av 1 reversibel vid bestrålningsvåglängderna, och dess fotoväxlingsexperiment börjar med isomera blandningar. Absorptionen vid bestrålningsvåglängderna är inte tillräckligt liten (0,02366 vid 436 nm och 0,06638 vid 340 nm) för att göra en approximation av den fotokinetiska faktorn. I detta fall approximeras integrationen av den fotokinetiska faktorn för ett kort bestrålningsintervall genom linjär interpolering (fall 2 i kompletterande information). För dem som försöker bestämma fotoisomerisationskvantutbytet av bistabulära fotowitchar presenteras härledningen av relevanta ekvationer under olika omständigheter i kompletterande information.

Observera att de metoder som beskrivs i denna artikel inte kan användas för fotoswitchar med ojämna fotokemiska processer (t.ex. bildning av långlivade mellanliggande eller flera fotoprodukter) eller med snabba termiska avslappningsprocesser31. Fotokemisk isomerisering av 1 är en enhetlig process och behöver inte ta hänsyn till termisk avslappning på grund av dess bistabilitet. För att exakt bestämma PSS-sammansättningen och hastigheten för termisk process hos fotoswitchar med snabb termisk avslappning krävs en speciell experimentell inställning för in situ-bestrålning under spektroskopisk analys (t.ex. en UV-Vis-spektrofotometer utrustad med en extra ljuskälla för vinkelrät bestrålning, optisk fiber som kan sättas in i NMR-provet)32 . Det är också viktigt att använda en ljuskälla med en smal bandbredd genom att använda ett bandpassfilter eller en laser för enhetlig energi excitation.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar inga intressekonflikter.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Chung-Ang University Research Grants 2019 och 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kathan, M., Hecht, S. Photoswitchable molecules as key ingredients to drive systems away from the global thermodynamic minimum. Chemical Society Reviews. 46, 5536-5550 (2017).
  2. Feringa, B. L., Browne, W. R. Molecular Switches. 2nd ed. , Wiley-VCH. Weinheim. (2011).
  3. Baroncini, M., Silvi, S., Credi, A. Photo- and redox-driven artificial molecular motors. Chemical Reviews. 120 (1), 200-268 (2020).
  4. Goulet-Hanssens, A., Eisenreich, F., Hecht, S. Enlightening materials with photoswitches. Advanced Materials. 32 (20), 1905966 (2020).
  5. Basílio, N., Pischel, U. Drug delivery by controlling a supramolecular host-guest assembly with a reversible photoswitch. Chemistry-A European Journal. 22 (43), 15208-15211 (2016).
  6. Wegener, M., Hansen, M. J., Driessen, A. J. M., Szymanski, W., Feringa, B. L. Photocontrol of antibacterial activity: shifting from UV to red light activation. Journal of the American Chemical Society. 139 (49), 17979-17986 (2017).
  7. Izquierdo-Serra, M., et al. Optical control of endogenous receptors and cellular excitability using targeted covalent photoswitches. Nature Communications. 7 (1), 12221 (2016).
  8. Mourot, A., et al. Rapid optical control of nociception with an ion-channel photoswitch. Nature Methods. 9 (4), 396-402 (2012).
  9. Griffiths, K., Halcovitch, N. R., Griffin, J. M. Long-term solar energy storage under ambient conditions in a MOF-based solid-solid phase-change material. Chemistry of Materials. 32 (23), 9925-9936 (2020).
  10. Sun, C. -L., Wang, C., Boulatov, R. Applications of photoswitches in the storage of solar energy. ChemPhotoChem. 3 (6), 268-283 (2019).
  11. Gu, M., Zhang, Q., Lamon, S. Nanomaterials for optical data storage. Nature Reviews Materials. 1 (12), 16070 (2016).
  12. Roke, D., Wezenberg, S. J., Feringa, B. L. Molecular rotary motors: Unidirectional motion around double bonds. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (38), 9423-9431 (2018).
  13. Stranius, K., Börjesson, K. Determining the photoisomerization quantum yield of photoswitchable molecules in solution and in the solid state. Scientific Reports. 7 (1), 41145 (2017).
  14. Schneider, W. E. Long term spectral irradiance measurements of a 1000-watt xenon arc lamp. NASA-CR. , 132533 (1974).
  15. Qian, H., Pramanik, S., Aprahamian, I. Photochromic hydrazone switches with extremely long thermal half-lives. Journal of the American Chemical Society. 139 (27), 9140-9143 (2017).
  16. Shao, B., et al. Solution and solid-state emission toggling of a photochromic hydrazone. Journal of the American Chemical Society. 140 (39), 12323-12327 (2018).
  17. Shao, B., Qian, H., Li, Q., Aprahamian, I. Structure property analysis of the solution and solid-state properties of bistable photochromic hydrazones. Journal of the American Chemical Society. 141 (20), 8364-8371 (2019).
  18. Moran, M. J., Magrini, M., Walba, D. M., Aprahamian, I. Driving a liquid crystal phase transition using a photochromic hydrazone. Journal of the American Chemical Society. 140 (42), 13623-13627 (2018).
  19. Guo, X., Shao, B., Zhou, S., Aprahamian, I., Chen, Z. Visualizing intracellular particles and precise control of drug release using an emissive hydrazone photochrome. Chemical Science. 11 (11), 3016-3021 (2020).
  20. Yang, S., et al. Dynamic enzymatic synthesis of γ-cyclodextrin using a photoremovable hydrazone template. Chem. 7 (8), 2190-2200 (2021).
  21. Yang, S., et al. Multistage reversible Tg photomodulation and hardening of hydrazone-containing polymers. Journal of the American Chemical Society. 143 (40), 16348-16353 (2021).
  22. Connors, K. A. Chemical kinetics : the study of reaction rates in solution. , VCH. New York. (1990).
  23. Shao, B., Qian, H., Li, Q., Aprahamian, I. Structure property analysis of the solution and solid-state properties of bistable photochromic hydrazones. Journal of the American Chemical Society. 141 (20), 8364-8371 (2019).
  24. Kuhn, H., Braslavsky, S., Schmidt, R. Chemical actinometry (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry. 76 (12), 2105-2146 (2004).
  25. Murov, S. L., Carmichael, I., Hug, G. L. Handbook of hotochemistry 2nd ed. Rev. And expanded. , Marcel Dekker. New York. (1993).
  26. Dürr, H., Bouas-Laurent, H. Photochromism: Molecules and Systems. , Elsevier. Amsterdam. (2003).
  27. Klán, P., Wirz, J. Photochemistry of Organic Compounds: From Concepts to Practice. , Wiley. Hoboken. (2009).
  28. Harris, J. D., Moran, M. J., Aprahamian, I. New molecular switch architectures. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (38), 9414-9422 (2018).
  29. Maafi, M., Brown, R. G. The kinetic model for AB(1ϕ) systems: A closed-form integration of the differential equation with a variable photokinetic factor. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 187, 319-324 (2007).
  30. Lahikainen, M., et al. Tunable photomechanics in diarylethene-driven liquid crystal network actuators. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (42), 47939-47947 (2020).
  31. Mallo, N., et al. Photochromic switching behaviour of donor-acceptor Stenhouse adducts in organic solvents. Chemical Communications. 52, 13576-13579 (2016).
  32. Feldmeier, C., Bartling, H., Riedle, E., Gschwind, R. M. LED based NMR illumination device for mechanistic studies on photochemical reactions - Versatile and simple, yet surprisingly powerful. Journal of Magnetic Resonance. 232, 39-44 (2013).

Tags

Kemi utgåva 180 Kvantutbyte fotoswitch hydrazonbrytare molärt fotonflöde UV-Vis-spektroskopi NMR-spektroskopi
Bestämning av fotoisomerisationskvantutbytet för en Hydrazone Photoswitch
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jeong, M., Park, J., Lee, K., Kwon,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter