La comparación se realizó utilizando tres fotointerruptores representativos: 2-ciano-3-(3,4-dimetoxifenil)norbornadieno (NBD1)22, azobenceno23 y etil-3-(2-metoxifenil)biciclo[2.2.2]octa-2,5-dieno-2-carboxilato (BOD)19 , comparando los datos del flujo de trabajo automatizado con los resultados previamente reportados. Los experimentos de control muestran que la irradiación continua con lámpara UV convierte aproximadamente el 10% de NBD1 en 10 minutos (Figura 2)17. Bajo condiciones estándar de medición, cada espectro se registra en menos de 0,5 s, lo que corresponde a una conversión del <0,01%, demostrando que la exposición a la lámpara tiene un efecto insignificante en las mediciones cuánticas de rendimiento. A diferencia de los métodos convencionales que fotoconvierten muestras externamente y las transfieren a un espectrómetro, la configuración automatizada confina pequeños volúmenes de muestras dentro de una cámara irradiada controlada por termostato, minimizando las fluctuaciones de concentración y asegurando mediciones cinéticas precisas. Se utilizaron constantes de velocidad térmica determinadas a cinco temperaturas (60 °C, 65 °C, 70 °C, 75 °C, 80 °C) para el análisis de Eyring y extraer ΔH‡ y ΔS‡ (Tabla 6). 24
El derivado utilizado del norbornadieno, 2-ciano-3-(3,4-dimetoxifenil)norbornadieno (Figura 3 a) fue reportado por primera vez en la literatura18 y aquí se denomina simplemente NBD1. El espectro de absorbancia de NBD1 muestra una superposición mínima con su isómero cuadriciclano (QC1) (Figura 3 b)17, lo que permite simplificar la ecuación (1) al descuidar la retroconversión inducida por foto-inducida (QC1 → NBD1). QC1 también presenta una vida media térmica de aproximadamente 30 días a temperatura ambiente, que es mucho más lenta que la escala temporal de fotoisomerización bajo las condiciones experimentales. En consecuencia, dado que la vida media térmica de QC1 (27 días a 25 °C) es varios órdenes de magnitud mayor que la escala de tiempo de irradiación (minutos), la retroconversión térmica puede descuidarse (Figura 4)17. Esto da lugar a un modelo simplificado donde solo se considera la reacción directa y, asumiendo una fuente de luz monocromática, la ecuación diferencial puede resolverse analíticamente para obtener los rendimientos cuánticos (Tabla 2)17.
El derivado del biciclooctadieno (BOD) estudiado aquí (Figura 5), etil-3-(2-metoxifenil)biciclo[2.2.2]octa-2,5-dieno-2-carboxilato, ha sido previamente reportado en la literatura19. El fotoproducto absorbe fuera de la región espectral del compuesto original, simplificando la interpretación de la medición. Cuando el espectro del fotoproducto es desconocido, a menudo se asume que a baja conversión no se absorbe, lo que acelera la recogida de datos pero puede introducir un error desconocido. A diferencia del sistema NBD–QC, la vida media más corta del fotoisómero (TCO) conduce a una retroconversión muy rápida a temperatura ambiente, lo que requiere la inclusión tanto de la fotoisomerización directa como de los pasos térmicos inversos en el modelo cinético. Dado que la ecuación de velocidad no puede resolverse analíticamente, el ajuste numérico se realiza minimizando los residuos (Figura 6, Tabla 4)17, lo que normalmente lleva unos segundos en un ordenador estándar, en comparación con el ajuste sub-segundo en modelos analíticos que descuidan la reversión térmica. La retroconversión térmica se midió además a cuatro temperaturas para determinar la vida media y los parámetros termodinámicos (Tabla 8). A 25 °C, la vida media de la DBO se midió en 63 s, en buena coincidencia con los 79,8 s previamente reportados. Los análisis de Eyring y Arrhenius se muestran en la Figura 717.
El azobenceno tiene una vida media térmica larga a temperatura ambiente (>6 días), lo que permite descuidar la retroconversión térmica. El fotoproducto cis-azobenceno absorbe mínimamente en la región del trans-isómero (ε340nm^trans ≈ 12.500 M⁻1 cm⁻1; ε340nm^cis ≈ 200 M⁻1 cm⁻1), minimizando la interferenciaespectral 24. Dado que la absortividad molar del isómero cis a 340 nm es dos órdenes de magnitud menor que la del isómero trans, su contribución a la señal de absorbancia es insignificante en baja conversión. A baja conversión, la retroconversión inducida por la foto-inducción tiene un impacto despreciable, permitiendo simplificar el modelo cinético excluyendo la fotoisomerización inversa y los términos térmicos (Figura 8, Tabla 5)17. Aunque medir el estado fotoestacionario permitiría determinar tanto los rendimientos cuánticos hacia adelante como hacia atrás, este estudio se centra en la reacción hacia adelante. La vida media térmica medida de 6,78 días coincide bien con el valor literario de 7,34 días, y los análisis correspondientes de Eyring y Arrhenius se muestran en la Figura 9-17, con los parámetros termodinámicos resumidos en la Tabla 9-17.
Además de hacer pruebas con fotointerruptores ya establecidos, se sintetizó y estudió el 2-ciano-3-(3-quinolina)norbornadieno (NBD2) utilizando la configuración automatizada (Figura 10). Los resultados de fotoconversión presentados en este manuscrito son nuevos, mostrando la capacidad del sistema para caracterizar el comportamiento fotoquímico de compuestos nuevos bajo condiciones de irradiación controladas y reproducibles. El disolvente utilizado fue tolueno, y la concentración de la solución fue de 5,4 x 10-5 M. Utilizando un LED de 340 nm, se obtuvo un rendimiento cuántico global del 11 % (Figura 11, Tabla 3). Dado que QC2 absorbe a la longitud de onda de irradiación de 340 nm, tanto el compuesto padre como el fotoproducto compiten por los mismos fotones, lo que significa que el flujo efectivo de fotones que impulsa cada especie evoluciona durante la reacción. Para evitar errores sistemáticos en el rendimiento cuántico, se formuló un ajuste optimizado para esta absorción superpuesta entre NBD2 y QC2 en la longitud de onda de irradiación, incluyendo explícitamente la contribución del producto. El ajuste corregido utiliza un modelo cinético que tiene en cuenta los cambios en las concentraciones del compuesto principal y del fotoproducto durante la irradiación, considerando que ambos absorben a 340 nm. La aplicación del procedimiento de ajuste optimizado resultó en un rendimiento cuántico global corregido del 11,6 %.
Dentro de este marco, el flujo de fotones medido corresponde al flujo total de fotones incidentes que entra en la muestra y se convierte en el flujo de fotones absorbidos utilizando la absorción total del sistema dependiente del tiempo. La ley de Beer-Lambert se utiliza para determinar la fracción de fotones incidentes que son absorbidos, tras lo cual el flujo de fotones absorbidos se divide entre NBD2 y QC2 en proporción a sus respectivas contribuciones a la absorbancia total en cada punto temporal. En consecuencia, a medida que el producto se forma, captura una fracción creciente de los fotones, reduciendo progresivamente la luz disponible para la conversión posterior del compuesto principal.
Debido a que las concentraciones de NBD2 y QC2 cambian con el tiempo y afectan directamente a la cantidad de luz absorbida, el sistema no puede describirse con una simple ecuación analítica. En su lugar, el modelo cinético se resuelve numéricamente. En la práctica, se elige un valor de prueba del rendimiento cuántico, se simula la reacción a lo largo del tiempo y se compara la curva de absorbancia resultante con los datos experimentales. El rendimiento cuántico se ajusta entonces y la simulación se repite hasta obtener la mejor coincidencia entre la absorbancia calculada y la medida. Esto corresponde a un ajuste global del conjunto completo de datos de tiempo de absorbancia, en lugar de ajustar puntos individuales de forma independiente. Para ejecutar este modelo, es necesario conocer la absorción molar de QC2 a 340 nm. Este parámetro se determina por separado usando la ley de Beer-Lambert, basada en la absorbancia medida tras la irradiación a 340 nm. Una vez determinada, la absorción molar de QC2 se trata como un parámetro fijo de entrada y no se ajusta durante el procedimiento de ajuste.

Figura 1: Esquema de la plataforma de caracterización de los photoswitches. El sistema automatizado se basa en un sistema de flujo multicomponente. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 2: Efecto de la exposición continua a lámparas UV sobre el norbornadieno (NBD1). Tras 10 minutos de irradiación, la NBD sufre una conversión de ~10%, mientras que los espectros individuales registrados en <0,5 s resultan en una conversión despreciable (<0,01%). Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 3: Fotoconmutación NBD1–QC1 y espectros UV–Vis. a) Representación esquemática del sistema de fotoconmutadores norbornadieno–cuadriciclano (NBD1–QC1). b) Espectros de absorción UV-Vis de NBD1 y QC1. La figura muestra el sistema de fotoconmutadores NBD1–QC1, incluyendo un esquema de la conversión inducida por la luz de NBD1 a QC1 y los espectros UV–Vis correspondientes, destacando los cambios de absorción entre NBD1 y QC1. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 4: Ilustración de la contribución insignificante de la retroconversión térmica y fotoinducida para el par NBD1–QC1, debido a la mínima superposición espectral y a una larga vida media de control de calidad. El efecto de incluir la retrorreacción térmica sobre el rendimiento cuántico se ajusta a 25 °C. Ignorar la retrorreacción térmica se obtuvo un rendimiento cuántico del 67%, mientras que al tenerla en cuenta se incrementó ligeramente el valor hasta el 68%. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 5: Fotoconmutación BOD–TCO y cambios espectrales UV–Vis. a) Esquema del sistema de fotoconmutadores biciclooctadieno–tetraciclooctano (BOD–TCO). b) espectros UV-Vis de la DBO y su estado fotoestacionario (TCO) tras irradiación a 308 nm. La figura representa el sistema de fotoconmutadores BOD–TCO, mostrando un esquema de la conversión de BOD a TCO inducida por la luz y los espectros de absorción UV–Vis correspondientes, que ilustran los cambios espectrales tras la formación del estado fotoestacionario rico en TCO tras una irradiación de 308 nm. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 6: Ilustraciones del rendimiento cuántico ajustándose con y sin inclusión del término de retroconversión térmica. Comparación entre el ajuste analítico que ignora la retroconversión térmica (QY = 13,8%) y el ajuste numérico incluyendo la retroconversión térmica (QY = 15,1%, k = 5,5497×10−3 s−1 a 20 °C) para la DBO, destacando las diferencias en la cinética obtenida. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 7: Diagramas de Eyring y Arrhenius para la DBO. Los gráficos se utilizaron para determinar vidas medias térmicas y parámetros termodinámicos a tres temperaturas. Las constantes de tasa se ajustaron utilizando tanto las ecuaciones de Arrhenius como de Eyring. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 8: Fotoisomerización de azobenceno y cambios espectrales UV–Vis. a) Esquema de la fotoisomerización de azobenceno. b) Espectros UV-Vis del trans-azobenceno y el estado fotosestacionario (enriquecido con cis-azobenceno) tras irradiación a 340 nm. Las figuras ilustran la fotoisomerización con azobenceno, mostrando un esquema del proceso de conmutación de trans-a-cis y los correspondientes espectros de absorción UV-Vis, destacando los cambios espectrales tras la formación del estado fotoestacionario rico en cis tras la irradiación de 340 nm. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 9: Diagramas de Eyring y Arrhenius para azobenceno. Los gráficos se utilizaron para determinar vidas medias térmicas y parámetros termodinámicos a tres temperaturas. Las constantes de tasa se ajustaron utilizando tanto las ecuaciones de Arrhenius como de Eyring. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 10: Espectros de fotoisomerización y absorbancia de NBD2. a) Representación esquemática de la fotoisomerización NBD2/QC2. b) Espectros UV-Vis de NBD2 y QC2 tras irradiación de 340 nm. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 11: Ajuste cuántico de rendimiento para NBD2 con absorción del producto optimizada. a) Ejemplo de ajuste cuántico de rendimiento de NBD2 tras irradiación a 340 nm, siguiendo la absorbancia resuelta en el tiempo a 330 nm. La tasa de retroconversión térmica (k = 9,1×10−6 s−1) y la absorción por producto en la longitud de onda de irradiación (ε ^NBD2 = 9210 M−1 cm−1, ε ^QC2 = 1900 M−1 cm−1) se incluyen en este ajuste numérico para dar un QY optimizado del 11,6% (línea azul) a 25 °C en comparación con el ajuste analítico que da un valor QY del 13,3% (línea roja). b) Residuos para el ajuste de rendimiento cuántico optimizado, incluyendo la absorción por producto. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 12: Diagramas de Eyring y Arrhenius para NBD2. Los gráficos se utilizaron para determinar las vidas medias térmicas y los parámetros termodinámicos a cinco temperaturas. Las constantes de tasa se ajustaron utilizando tanto las ecuaciones de Arrhenius como de Eyring. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 13. 1H espectros de RMN de NBD2/QC2. a) Espectro RMN de NBD2 en CD2Cl2 con átomos numerados correspondientes a la asignación en la sección experimental. b) Espectros de RMN de NBD2 en tolueno-d8 y tras 1 hora de irradiación con LED de 340 nm que permite la conversión completa a QC2. Los picos característicos de la NBD se muestran en rosa y desaparecen al irradiar, y los picos residuales de disolventes se resaltan en amarillo. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
| Categoría | Parámetro | Ejemplo / Notas |
| Ejemplo | Identidad del fotointerruptor | NBD, BOD, Azobenceno |
| Concentración | por ejemplo, 4,1 × 10-5 M |
| Disolvente | por ejemplo, acetonitrilo, tolueno |
| LED / Irradiación | Longitud de onda | Longitudes de onda disponibles: 280 nm, 310 nm, 340 nm, 365 nm, 410 nm, 455 nm |
| Corriente de funcionamiento / Potencia | 600 mA, 600, 600 mA, 1000 mA, 1200 mA, 1200 mA, respectivamente. |
| Flujo de fotones | Valor calibrado correspondiente al LED y ajustes |
| Intervalo de medición | Por defecto es 1 segundo por espectro |
| Espectroscópico / Análisis | Longitud de onda de análisis | Más o menos igual a la longitud de onda del LED utilizada |
| Longitud de onda de punto cero | El punto en el que ya no hay más absorción (normalmente alrededor de 500 nm) |
| Número de puntos para el ajuste | Normalmente alrededor de 10, dependiendo de la cantidad de datos disponible |
| Temperatura | Reacción hacia adelante | Normalmente a temperatura ambiente (25 °C) |
| Retroconversión | Depende mucho de la molécula (por ejemplo, 70 °C) |
| Análisis cinético | Se requieren al menos tres temperaturas diferentes durante la retroconversión |
| Sistema de flujo | Caudal | Por defecto es de 1 mL/min |
| Volumen de descarga | 200 μL entre mediciones |
Tabla 1: Parámetros dependientes del usuario. La tabla resume los parámetros iniciales clave que debe establecer el usuario para la caracterización automatizada del fotointerruptor, incluyendo la concentración de la muestra, la longitud de onda y potencia del disolvente, el LED, la longitud de onda de la medición, la temperatura, el caudal y los ajustes del software, que son esenciales para garantizar mediciones fotoquímicas reproducibles y precisas.
| Longitud de onda de la irradiación | Número de mediciones | Valor experimental |
| 340 nm | 7 | 0,676 ± 0,028 |
| 365 millas náuticas | 2 | 0,689 ± 0,022 |
Tabla 2: Rendimientos cuánticos de NBD1/QC1 en tolueno a 25 °C. Los rendimientos cuánticos de NBD1 se midieron en dos longitudes de onda de irradiación en tolueno a 25 °C. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17
| Longitud de onda de la irradiación | Número de mediciones | Valor experimental |
| 340 nm | 5 | 0,109 ± 0,017 |
Tabla 3: Rendimientos cuánticos de NBD2/QC2 en tolueno a 25 °C (ajuste no corregido). Rendimientos cuánticos de NBD2 medidos en una longitud de onda de irradiación en tolueno a 25 °C.
| Longitud de onda de la irradiación | Número de mediciones | Valor experimental | Quant et al. (2022) |
| 308 nm | 2 | 0,146 ± 0,007 | 0,1443 ± 0,0004 |
Tabla 4: Rendimiento cuántico de la DBO en acetonitrilo a 20 °C (308 nm). Rendimiento cuántico de la DBO medido a 308 nm de irradiación, realizado a 20 °C en acetonitrilo. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17
| Longitud de onda de la irradiación | Número de mediciones | Valor experimental | Ladanyi et al. (2017) |
| 340 nm | 3 | 0,148 ± 0,003 | |
| 334 millas náuticas | 6 | | 0,155 ± 0,006 |
Tabla 5: Rendimientos cuánticos para la fotoisomerización trans–cis de azobenceno. Rendimientos cuánticos para fotoisomerización de azobenceno trans-a cis a 340 nm en acetonitrilo a 25 °C, en comparación con valores literarios medidos en metanol a 334 nm. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17
| Propiedad | Valor |
| vida media (25°C) | 27 días |
| ∆H‡ | 115,039935 kJ/mol |
| ∆S‡ | 16,1 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 117,974 kJ/mol |
Tabla 6: Parámetros termodinámicos para NBD1. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de NBD1, incluyendo su vida media a 25 °C, junto con la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17
| Propiedad | Valor |
| vida media (25°C) | 0,884 días |
| A | 2,15e+10 1/s |
| ∆H‡ | 82,998240 kJ/mol |
| ∆S‡ | -56,3 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 68,22 kJ/mol |
Tabla 7: Parámetros termodinámicos para NBD2. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de NBD2, incluyendo su vida media a 25 °C, el factor preexponencial de Arrhenius y la entalpía, entropía y energía libre de activación asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto.
| Propiedad | Valor |
| vida media (25°C) | 63 segundos |
| A | 7.10e+13 1/s |
| ∆H‡ | 87,824995 kJ/mol |
| ∆S‡ | 12,2 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 90,240 kJ/mol |
Tabla 8: Parámetros termodinámicos para la DBO. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de un DBO, incluyendo su vida media a 25 °C, el factor preexponencial de Arrhenius y la entalpía, entropía y energía libre de activación asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17
| Propiedad | Valor |
| vida media (25°C) | 6,796 días |
| A | 3,99e+10 1/s |
| ∆H‡ | 91,452630 kJ/mol |
| ∆S‡ | -51,6 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 94,347 kJ/mol |
Tabla 9: Parámetros termodinámicos para azobenceno. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de un azobenceno, incluyendo su vida media a 25 °C, el factor preexponencial de Arrhenius y la entalpía, entropía y energía libre de activación asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17
Archivo suplementario 1: Experimento de rendimiento cuántico. El programa experimental de rendimiento cuántico es la interfaz gráfica que permite al usuario realizar la reacción de fotoconversión. Se debe elaborar o subir un espectro de referencia del disolvente en uso antes del inicio del experimento (para la corrección de la línea base). El espectro de absorción de la molécula puede monitorizarse aquí a lo largo del tiempo. El programa puede retroconvertir la molécula a su estado parental, si es necesario, es decir, mediante calentamiento (para un fotointerruptor tipo T) o mediante irradiación a una longitud de onda diferente (para un fotointerruptor tipo P). Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo suplementario 2: Calculadora de flujo de foton. El programa calculadora de flujo de fotones se utiliza para calibrar el flujo de fotones de los LEDs disponibles. El flujo de fotones se determinaba a partir de la potencia óptica medida con un sensor de fotodiodo calibrado y se convertía en flujo de fotones usando la longitud de onda LED. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo suplementario 3: Tabla de calibración de flujo de foton. La tabla de calibración de flujo de fotonflux contiene los datos recogidos de la calculadora de flujo de fotonflux. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo suplementario 4: Análisis cuántico de rendimiento. El programa de análisis cuántico de rendimiento permite al usuario determinar el rendimiento cuántico de una reacción o, alternativamente, el flujo de fotones correspondiente. Antes de comenzar el análisis, el usuario debe proporcionar la concentración de la solución o el coeficiente de extinción. Si durante el experimento ocurre una retroconversión promovida térmico, también se pueden determinar las constantes de tasa asociadas; Estos valores se utilizan posteriormente para calcular la vida media de la molécula. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo suplementario 5: Análisis de vida media. El programa de análisis de vida media utiliza las constantes de velocidad (k) a un mínimo de tres temperaturas diferentes para generar ajustes de Arrhenius y Eyring, permitiendo la extracción de los parámetros cinéticos y termodinámicos correspondientes. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.