Determinazione della resa quantistica di fotoisomerazione di un interruttore foto Hydrazone

Qui spieghiamo una serie di protocolli per la misurazione precisa della resa quantistica di fotoisomerazione di un idrazzone fotocromatico come molecola modello di fotointerruttore. I metodi qui introdotti possono essere applicati ad altre famiglie di fotointerruttori bistabili. I protocolli per i fotointerruttori con proprietà fotofisiche diverse e le loro linee guida di selezione sono forniti nelle informazioni supplementari.

Per iniziare, posizionare il campione NMR alla distanza di un centimetro davanti a una lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passa banda a 436 nanometri e avviare l'irradiazione. Registra uno spettro NMR protonico ogni giorno fino a quando non c'è scambio negli spettri quando l'interruttore raggiunge PSS. Per un altro campione NMR, irradiare la soluzione utilizzando un filtro passa banda a 340 nanometri e registrare lo spettro NMR come descritto in precedenza.

Apri i file FID degli spettri NMR nei PSS con il software di elaborazione NMR. Integrare un insieme distintivo di picchi degli isomeri distinti e calcolare i rapporti isomerici. Posizionare il campione preparato alla distanza di un centimetro davanti a una lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passabanda a 436 nanometri e avviare l'irradiazione.

Misurare lo spettro di assorbimento UV-visibile ogni due ore fino a quando non vi è alcun cambiamento negli spettri quando l'interruttore uno raggiunge PSS. Per un altro campione, irradiare la soluzione utilizzando un filtro passabanda a 340 nanometri e misurare lo spettro visibile UV a PSS allo stesso modo. Deduci gli spettri di assorbanza degli isomeri puri 1-Z e 1-E e calcola i loro coefficienti di attenuazione molare a tutte le lunghezze d'onda come descritto nel testo.

Riscaldare l'olio di silicio riempito in un circolatore del bagno di riscaldamento a 131 gradi Celsius e verificare se la temperatura del bagno è stabilizzata. Immergere due provette NMR nel bagno di riscaldamento. Dopo un'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.

Scongelare i campioni NMR a temperatura ambiente e assicurarsi che il dimetilsolfossido sia scongelato. Quindi, registrare gli spettri NMR del protone dei campioni. Eseguire nuovamente il processo di riscaldamento e scongelamento e registrare gli spettri NMR del protone dei campioni fino a quando non vi è alcun cambiamento negli spettri NMR del protone quando l'interruttore raggiunge l'equilibrio termodinamico.

Aprire i file FID degli spettri NMR ottenuti nel corso del riscaldamento e calcolare la concentrazione di 1-E in base alla concentrazione totale del campione e al rapporto isomerico. Quindi, traccia la concentrazione media di 1-E in funzione del tempo di riscaldamento. Eseguire un adattamento esponenziale ai dati per ottenere la costante di velocità del rilassamento termico, K, utilizzando l'equazione come descritto nel testo.

Tracciare il log naturale di K contro il reciproco di T.Eseguire un adattamento lineare secondo l'equazione di Arrhenius come descritto nel testo per estrapolare la costante di velocità a temperatura ambiente e calcolare l'emivita termica di 1-E a temperatura ambiente utilizzando l'equazione come descritto nel testo. In una fiala di vetro da 20 millilitri contenente 29,48 milligrammi di ferriossalato triidrato di potassio, aggiungere otto millilitri di acqua deionizzata. Aggiungere un millilitro di acido solforico acquoso molare alla soluzione di ferriossalato e diluire a 10 millilitri con acqua deionizzata per preparare un ferrioxalato molare 0,006 in soluzione di acido solforico acquoso molare 0,05.

In un altro flaconcino di vetro da 20 millilitri contenente 10 milligrammi di 1, 10-fenantrolina e 1,356 grammi di acetato di sodio anidro, aggiungere 10 millilitri di acido solforico acquoso molare per ottenere una soluzione tamponata di fenantrolina allo 0,1%. Misurare lo spettro di assorbimento UV-visibile della soluzione di ferriossalato. Determinare la frazione di luce assorbita a 340 e 436 nanometri utilizzando le assorbanze della soluzione di ferriossalato come descritto nel testo.

Posizionare la cuvetta di quarzo contenente la soluzione di ferriossalato un centimetro davanti alla lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passa banda a 436 nanometri. Avviare l'irradiazione al campione per 90 secondi. Dopo l'irradiazione, aggiungere 0,35 millilitri della soluzione di fenantrolina e una barra magnetica nella cuvetta, quindi mescolare per un'ora al buio per formare un complesso di ferroina.

Preparare una cuvetta di quarzo contenente due millilitri di soluzione di ferriossalato non irradiata e 0,35 millilitri della soluzione di fenantrolina come campione non irradiato. Misurare la differenza di assorbimento UV-visibile tra i campioni non irradiati e irradiati. Ripetere la procedura per la preparazione del campione e la misurazione dello spettro di assorbimento UV-visibile descritta in precedenza con un filtro passa banda a 340 nanometri.

Calcola il flusso di fotoni molari che arrivano alla cuvetta usando questa equazione. Posizionare il campione preparato di un centimetro davanti alla lampada ad arco allo xeno dotata di un filtro passabanda da 436 nanometri e avviare l'irradiazione. Misurare lo spettro di assorbimento UV-visibile con intervalli diversi fino a quando non vi è alcun cambiamento negli spettri quando l'interruttore raggiunge PSS.

Una volta raggiunto il PSS, recuperare la cuvetta dallo spettrofotometro UV-Vis e irradiare la soluzione utilizzando un filtro passa banda a 340 nanometri. Misurare lo spettro di assorbimento UV-visibile come descritto in precedenza. Dagli spettri di assorbimento UV-Vis ottenuti, calcolare i valori del fattore fotocinetico Ft utilizzando le assorbanze osservate alle lunghezze d'onda di irradiazione.

Calcola i rendimenti quantistici unidirezionali per i processi di fotoisomerizzazione da Z a E ed da E a Z. Dopo l'irradiazione a 436 nanometri, la proporzione di 1-E aumenta a causa dell'isomerizzazione dominante da Z a E del doppio legame cn dell'idrazone. Il rapporto isomerico è stato ottenuto dalle intensità relative del segnale di isomeri distinti nello spettro NMR 1H.

A 436 nanometri, il campione mostra il 92% di 1-E, mentre a 340 nanometri è stato trovato l'82% di 1-Z. I rapporti ismomerici e gli spettri di assorbimento UV-Vis a PSS sono utilizzati per dedurre gli spettri UV-Vis degli isomeri puri 1-Z e 1-E. Questi spettri degli isomeri puri suggeriscono che la fotoisomerizzazione incompleta è attribuita al processo fotochimico inverso.

Per determinare la resa quantistica di fotoisomerizzazione, è necessaria la misurazione del tasso di rilassamento termico da E a Z e del flusso effettivo di fotoni molari. Il tasso costante di rilassamento termico estrapolato dalla trama di Arrhenius era molto piccolo a temperatura ambiente e, quindi, l'effetto del rilassamento termico nel processo di fotoisomerizzazione poteva essere ignorato. L'effettivo flusso di fotoni molari che arriva al campione è stato ottenuto dall'actinometria ferriossalato e si può calcolare la resa pseudo-quantistica della fotoisomerizzazione alla lunghezza d'onda dell'irradiazione.

Infine, i rendimenti quantistici unidirezionali per i processi di fotoisomerizzazione da Z a E e da E a Z possono essere calcolati dai rendimenti pseudo-quantistici. Per la determinazione della resa quantistica di fotoisomerizzazione è fondamentale ottenere valori precisi della velocità di rilassamento termico a temperatura ambiente e del flusso effettivo di fotoni molari. Per coloro che si occupano di fotointerruttori bistabili diversi dagli idrazoni, è importante utilizzare il metodo di integrazione corretto per il fattore fotocinetico, che è spiegato nelle informazioni supplementari.