Bestimmung der Photoisomerisierungsquantenausbeute eines Hydrazon-Photoschalters

Hier erklären wir eine Reihe von Protokollen zur präzisen Messung der Photoisomerisierungsquantenausbeute eines photochromen Hydrazons als modellhaftes photoschaltendes Molekül. Die hier vorgestellten Methoden können auf andere Familien von bistabilen Fotoschaltern angewendet werden. Protokolle für Fotoschalter mit unterschiedlichen photophysikalischen Eigenschaften und deren Auswahlrichtlinien sind in den ergänzenden Informationen enthalten.

Platzieren Sie zunächst die NMR-Probe im Abstand von einem Zentimeter vor einer Xenon-Bogenlampe, die mit einem 436-Nanometer-Bandpassfilter ausgestattet ist, und starten Sie die Bestrahlung. Nehmen Sie jeden Tag ein Protonen-NMR-Spektrum auf, bis es keinen Austausch in den Spektren gibt, wenn der Schalter PSS erreicht. Für eine weitere NMR-Probe bestrahlen Sie die Lösung mit einem 340-Nanometer-Bandpassfilter und zeichnen Sie das NMR-Spektrum wie zuvor beschrieben auf.

Öffnen Sie FID-Dateien der NMR-Spektren an den PSS mit NMR-Verarbeitungssoftware. Integrieren Sie einen unverwechselbaren Satz von Spitzen der verschiedenen Isomere und berechnen Sie die isomeren Verhältnisse. Legen Sie die vorbereitete Probe im Abstand von einem Zentimeter vor eine Xenon-Bogenlampe, die mit einem 436-Nanometer-Bandpassfilter ausgestattet ist, und starten Sie die Bestrahlung.

Messen Sie das UV-sichtbare Absorptionsspektrum alle zwei Stunden, bis sich die Spektren nicht ändern, wenn der erste Schalter PSS erreicht. Für eine andere Probe bestrahlen Sie die Lösung mit einem 340-Nanometer-Bandpassfilter und messen Sie das sichtbare UV-Spektrum bei PSS auf die gleiche Weise. Leiten Sie die Absorptionsspektren der reinen 1-Z- und 1-E-Isomere ab und berechnen Sie ihre molaren Dämpfungskoeffizienten bei allen Wellenlängen, wie im Text beschrieben.

Erhitzen Sie das in einem Heizbadthermostat gefüllte Silikonöl auf 131 Grad Celsius und prüfen Sie, ob die Temperatur des Bades stabilisiert ist. Tauchen Sie zwei NMR-Probenröhrchen in das Heizbad. Nach einer Stunde Erwärmung die NMR-Röhrchen schnell in ein Trockeneisbad geben, um die durch latente Wärme verursachte thermische Entspannung zu unterbrechen.

Tauen Sie die NMR-Proben bei Raumtemperatur auf und stellen Sie sicher, dass Dimethylsulfoxid aufgetaut ist. Zeichnen Sie dann die Protonen-NMR-Spektren der Proben auf. Führen Sie erneut den Erwärmungs- und Auftauprozess durch und zeichnen Sie die Protonen-NMR-Spektren der Proben auf, bis sich die Protonen-NMR-Spektren nicht mehr ändern, wenn der erste Schalter ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht.

Öffnen Sie FID-Dateien der NMR-Spektren, die im Laufe des Erhitzens erhalten wurden, und berechnen Sie die Konzentration von 1-E basierend auf der Gesamtprobenkonzentration und dem isomeren Verhältnis. Zeichnen Sie dann die gemittelte Konzentration von 1-E als Funktion der Heizzeit auf. Führen Sie eine exponentielle Anpassung an die Daten durch, um die Geschwindigkeitskonstante der thermischen Relaxation K zu erhalten, indem Sie die im Text beschriebene Gleichung verwenden.

Zeichnen Sie den natürlichen Logarithmus von K gegenüber dem Kehrwert von T auf.Führen Sie eine lineare Anpassung gemäß der Arrhenius-Gleichung durch, wie im Text beschrieben, um die Ratenkonstante bei Raumtemperatur zu extrapolieren und die thermische Halbwertszeit von 1-E bei Raumtemperatur unter Verwendung der im Text beschriebenen Gleichung zu berechnen. In eine 20-Milliliter-Durchstechflasche aus Glas, die 29,48 Milligramm Kaliumferrioxalattrihydrat enthält, fügen Sie acht Milliliter deionisiertes Wasser hinzu. Geben Sie einen Milliliter 0,5 molare wässrige Schwefelsäure in die Ferrioxalatlösung und verdünnen Sie sie auf 10 Milliliter mit entionisiertem Wasser, um ein 0,006 molar Ferrioxalat in 0,05 molaren wässrigen Schwefelsäurelösung herzustellen.

In einer weiteren 20-Milliliter-Durchstechflasche aus Glas, die 10 Milligramm 1, 10-Phenanthrolin und 1,356 Gramm wasserfreies Natriumacetat enthält, fügen Sie 10 Milliliter 0,1 molare wässrige Schwefelsäure hinzu, um eine gepufferte 0,1%ige Phenanthrollösung herzustellen. Messen Sie das UV-sichtbare Absorptionsspektrum der Ferrioxalatlösung. Bestimmen Sie den Anteil des absorbierten Lichts bei 340 und 436 Nanometern unter Verwendung der Absorptionen der Ferrioxalatlösung, wie im Text beschrieben.

Stellen Sie die Quarzküvette mit der Ferrioxalatlösung einen Zentimeter vor die Xenon-Bogenlampe, die mit einem 436-Nanometer-Bandpassfilter ausgestattet ist. Beginnen Sie die Bestrahlung der Probe für 90 Sekunden. Nach der Bestrahlung 0,35 Milliliter der Phenanthrollösung und eines Magnetstabs in die Küvette geben, gefolgt von einem einstündigen Rühren im Dunkeln, um einen Ferroinkomplex zu bilden.

Eine Quarzküvette, die zwei Milliliter nicht bestrahlte Ferrioxalatlösung und 0,35 Milliliter der Phenanthrollösung enthält, wird als nicht bestrahlte Probe hergestellt. Messen Sie die UV-sichtbare Absorptionsdifferenz zwischen den nicht bestrahlten und bestrahlten Proben. Wiederholen Sie das zuvor beschriebene Verfahren zur Probenvorbereitung und Messung des UV-sichtbaren Absorptionsspektrums mit einem 340-Nanometer-Bandpassfilter.

Berechnen Sie den molaren Photonenfluss, der an der Küvette ankommt, mit dieser Gleichung. Legen Sie die vorbereitete Probe einen Zentimeter vor die Xenon-Bogenlampe, die mit einem 436-Nanometer-Bandpassfilter ausgestattet ist, und starten Sie die Bestrahlung. Messen Sie das UV-sichtbare Absorptionsspektrum mit unterschiedlichen Intervallen, bis sich die Spektren nicht ändern, wenn der Schalter eins PSS erreicht.

Sobald Sie PSS erreicht haben, gewinnen Sie die Küvette aus dem UV-Vis-Spektralphotometer zurück und bestrahlen Sie die Lösung mit einem 340-Nanometer-Bandpassfilter. Messen Sie das UV-sichtbare Absorptionsspektrum wie zuvor beschrieben. Berechnen Sie aus den erhaltenen UV-Vis-Absorptionsspektren die Werte des photokinetischen Faktors Ft unter Verwendung der beobachteten Absorptionsraten bei den Bestrahlungswellenlängen.

Berechnen Sie die unidirektionalen Quantenausbeuten für Z-zu-E- und E-zu-Z-Photoisomerisierungsprozesse. Bei Bestrahlung mit 436 Nanometern steigt der Anteil von 1-E aufgrund der dominanten Z-zu-E-Isomerisierung der Hydrazon CN-Doppelbindung. Das isomere Verhältnis wurde aus den relativen Signalintensitäten verschiedener Isomere im 1H-NMR-Spektrum erhalten.

Bei 436 Nanometern zeigt die Probe 92% von 1-E, während bei 340 Nanometern 82% von 1-Z gefunden wurden. Die ismomeren Verhältnisse und UV-Vis-Absorptionsspektren an PSS werden verwendet, um die UV-Vis-Spektren der reinen 1-Z- und 1-E-Isomere abzuleiten. Diese Spektren der reinen Isomere deuten darauf hin, dass die unvollständige Photoisomerisierung auf den umgekehrten photochemischen Prozess zurückzuführen ist.

Zur Bestimmung der Photoisomerisierungsquantenausbeute ist eine Messung der thermischen Relaxationsrate von E bis Z und des effektiven molaren Photonenflusses erforderlich. Die aus dem Arrhenius-Diagramm extrapolierte Geschwindigkeitskonstante der thermischen Relaxation war bei Raumtemperatur sehr gering, und daher konnte der Effekt der thermischen Relaxation im Photoisomerisierungsprozess ignoriert werden. Der effektive molare Photonenfluss, der an der Probe ankommt, wurde aus der Ferrioxalat-Actinometrie erhalten und die Pseudo-Quantenausbeute der Photoisomerisierung bei der Bestrahlungswellenlänge kann berechnet werden.

Schließlich können die unidirektionalen Quantenausbeuten für Z-zu-E- und E-zu-Z-Photoisomerisierungsprozesse aus den Pseudo-Quanten-Ausbeuten berechnet werden. Zur Bestimmung der Photoisomerisierungsquantenausbeute ist es essentiell, genaue Werte der thermischen Relaxationsrate bei Raumtemperatur und des effektiven molaren Photonenflusses zu erhalten. Für diejenigen, die mit anderen bistabilen Photoschaltern als Hydrazonen zu tun haben, ist es wichtig, die richtige Integrationsmethode für den photokinetischen Faktor zu verwenden, die in den ergänzenden Informationen erläutert wird.