קביעת התפוקה הקוונטית של פוטואיזומריזציה של פוטו-וויזוץ' הידרזון

כאן אנו מסבירים סדרה של פרוטוקולים למדידה מדויקת של התפוקה הקוונטית של פוטו-איזומריזציה של הידרזון פוטוכרומי כמולקולה מודלית של פוטו-סמית'ינג. ניתן ליישם את השיטות שהוצגו כאן על משפחות אחרות של פוטו-מכשפות דו-יציבותיות. פרוטוקולים עבור photowitches עם מאפיינים שונים עבור תמונה פיזית והנחיות הבחירה שלהם מסופקים במידע המשלים.

כדי להתחיל, מקם את דגימת ה- NMR במרחק של סנטימטר אחד לפני מנורת קשת קסנון המצוידת במסנן מעבר פס של 436 ננומטר והתחל הקרנה. הקלט ספקטרום NMR של פרוטון כל יום עד שאין החלפה בספקטרה כאשר המתג מגיע ל- PSS. עבור דגימת NMR אחרת, הקרינו את התמיסה באמצעות מסנן מעבר פס של 340 ננומטר ורשמו את ספקטרום ה-NMR כפי שתואר קודם לכן.

פתח קבצי FID של ספקטרום NMR ב- PSSs עם תוכנת עיבוד NMR. שלב קבוצה ייחודית של פסגות של האיזומרים המובהקים וחשב את היחסים האיזומריים. הניחו את הדגימה המוכנה במרחק של סנטימטר אחד מול מנורת קשת קסנון המצוידת במסנן מעבר פס של 436 ננומטר והתחילו בהקרנה.

מדוד את ספקטרום הקליטה הנראה ל-UV כל שעתיים עד שלא יהיה שינוי בספקטרום כאשר המתג מגיע ל-PSS. עבור מדגם אחר, הקרינו את התמיסה באמצעות מסנן מעבר פס של 340 ננומטר ומדדו את הספקטרום הנראה ל-UV ב-PSS באותו אופן. להסיק את ספקטרום הספיגה של האיזומרים הטהורים 1-Z ו-1-E ולחשב את מקדמי ההנחתה הטוחנים שלהם בכל אורכי הגל כמתואר בטקסט.

מחממים את שמן הסיליקון שמילא במחזור החימום ל-131 מעלות צלזיוס ובודקים אם טמפרטורת האמבטיה מתייצבת. הטביע שני צינורות דגימת NMR באמבט החימום. לאחר שעה אחת של חימום, העבירו את צינורות ה-NMR במהירות לאמבטיית קרח יבשה כדי להשהות את ההרפיה התרמית הנגרמת על ידי חום סמוי.

להפשיר את דגימות ה-NMR בטמפרטורת החדר ולוודא שהדימתיל סולפוקסיד מופשר. לאחר מכן, הקלט את ספקטרום הפרוטון NMR של הדגימות. שוב לבצע את תהליך החימום וההפשרה ולרשום את ספקטרום הפרוטון NMR של הדגימות עד שלא יהיה שינוי בספקטרום NMR של הפרוטון כאשר מתג אחד מגיע לשיווי משקל תרמודינמי.

פתח קבצי FID של ספקטרום NMR שהתקבלו במהלך החימום וחשב את הריכוז של 1-E בהתבסס על ריכוז הדגימה הכולל והיחס האיזומרי. לאחר מכן, להתוות את הריכוז הממוצע של 1-E כפונקציה של זמן החימום. בצע התאמה מעריכית לנתונים כדי לקבל את קבוע הקצב של הרפיה תרמית, K, באמצעות המשוואה כמתואר בטקסט.

התוויית יומן טבעי של K לעומת הדדית של T.בצע התאמה ליניארית על פי משוואת ארניוס כמתואר בטקסט כדי לבצע אקסטרפולציה של קבוע הקצב בטמפרטורת החדר ולחשב את זמן מחצית החיים התרמי של 1-E בטמפרטורת החדר באמצעות המשוואה כמתואר בטקסט. בבקבוקון זכוכית של 20 מיליליטר המכיל 29.48 מיליגרם של אשלגן פריוקסלט טריהידרט, מוסיפים שמונה מיליליטרים של מים שעברו דה-יוניזציה. הוסיפו מיליליטר אחד של 0.5 חומצה גופרתית מימית טוחנת לתמיסת הפריוקסלט ודללו ל-10 מיליליטר עם מים שעברו דה-יוניזציה כדי להכין פריוקסלט טוחנת 0.006 בתמיסת חומצה גופרתית מימית טוחנת 0.05.

בבקבוקון זכוכית אחר של 20 מיליליטר המכיל 10 מיליגרם של 1, 10-פננתרולין ו-1.356 גרם של נתרן אצטט נטול מים, מוסיפים 10 מיליליטרים של 0.1 חומצה גופרתית מימית טוחנת 0.1 כדי ליצור תמיסת פנתרולין של 0.1%. מדוד את ספקטרום הקליטה הנראה לעין UV של תמיסת הפריוקסלט. קבע את החלק של האור הנספג ב-340 ו-436 ננומטר באמצעות הספיגות של תמיסת הפריוקסלט כמתואר בטקסט.

מקם את הקובטה קוורץ המכילה את תמיסת הפריוקסלט סנטימטר אחד לפני מנורת קשת הקסנון המצוידת במסנן מעבר פס של 436 ננומטר. התחל הקרנה למדגם למשך 90 שניות. לאחר ההקרנה, מוסיפים 0.35 מיליליטרים של תמיסת הפננתרולין ופס מגנטי לתוך הקובטה, ולאחר מכן מערבבים במשך שעה אחת בחושך כדי ליצור קומפלקס פרוין.

הכינו קובט קוורץ המכיל שני מיליליטרים של תמיסת פריוקסלט לא מוקרנת ו-0.35 מיליליטרים של תמיסת הפננתרולין כדגימה לא מוקרנת. מדוד את הפרש הספיגה הנראה לעין על-סגול בין הדגימות הלא מוקרנות והדגימות המוקרנות. חזור על ההליך להכנת דגימה ומדידה של ספקטרום הקליטה הנראה לעין UV שתואר קודם לכן עם מסנן מעבר פס של 340 ננומטר.

חשב את שטף הפוטונים הטוחנים המגיע לקובט באמצעות משוואה זו. הניחו את הדגימה המוכנה סנטימטר אחד לפני מנורת קשת הקסנון המצוידת במסנן מעבר פס של 436 ננומטר והתחילו בהקרנה. מדוד את ספקטרום הקליטה הנראה ל-UV במרווחי זמן שונים עד שאין שינוי בספקטרום כאשר המתג מגיע ל-PSS.

לאחר ההגעה ל-PSS, שחזרו את הקובט מהספקטרופוטומטר UV-Vis והקרינו את התמיסה באמצעות מסנן מעבר פס של 340 ננומטר. מדוד את ספקטרום הקליטה הנראה לעין UV כפי שתואר קודם לכן. מתוך ספקטרום בליעת UV-Vis שהתקבל, חשב את הערכים של גורם פוטוקינטי Ft באמצעות הספיגות הנצפות באורכי הגל של ההקרנה.

חשב את התשואות הקוונטיות החד-כיווניות עבור תהליכי הפוטו-איזומריזציה של Z עד E ו-E עד Z. עם הקרנה ב-436 ננומטר, שיעור ה-1-E עולה עקב האיזומריזציה הדומיננטית של Z ל-E של הקשר הכפול של הידרזון CN. היחס האיזומרי התקבל מעוצמות האות היחסיות של איזומרים מובחנים בספקטרום 1H NMR.

ב-436 ננומטר, הדגימה מראה 92% של 1-E, בעוד שב-340 ננומטר נמצאו 82% מ-1-Z. היחסים האיסמומריים וספקטרום הקליטה של UV-Vis ב-PSS משמשים להסקת ספקטרום ה-UV-Vis של האיזומרים הטהורים 1-Z ו-1-E. ספקטרום זה של האיזומרים הטהורים מצביע על כך שהפוטואיזומריזציה הלא שלמה מיוחסת לתהליך הפוטוכימי ההפוך.

לקביעת התפוקה הקוונטית של פוטו-איזומריזציה, נדרשת מדידה של קצב ההרפיה התרמית E עד Z ושטף הפוטונים הטוחנים האפקטיבי. קבוע הקצב של הרפיה תרמית מתוך חלקת ארניוס היה קטן מאוד בטמפרטורת החדר, ולכן ניתן היה להתעלם מהשפעת ההרפיה התרמית בתהליך הפוטו-איזומריזציה. שטף הפוטונים הטוחנים האפקטיבי שהגיע לדגימה התקבל מאקטינומטריה של פריוקסלט וניתן לחשב את התפוקה הפסאודו-קוונטית של פוטו-איזומריזציה באורך הגל של ההקרנה.

לבסוף, ניתן לחשב את התשואות הקוונטיות החד-כיווניות עבור תהליכי הפוטואיזומריזציה של Z ל-E ו-E ל-Z מהתפוקות הפסאודו-קוונטיות. לקביעת התשואה הקוונטית של פוטו-איזומריזציה, חיוני להשיג ערכים מדויקים של קצב ההרפיה התרמית בטמפרטורת החדר ושל שטף הפוטונים הטוחנים האפקטיבי. למי שעוסק בפוטו-מכשפות דו-יציבות שאינן הידרזון, חשוב להשתמש בשיטת האינטגרציה הנכונה עבור הגורם הפוטוקינטי, המוסבר במידע המשלים.