ヒドラゾンフォトスイッチの光異性化量子収率の決定

Summary

光異性化量子収率は、新開発のフォトスイッチの検討において正確に決定されるべき基本的な光物性である。ここでは、双安定フォトスイッチをモデルとしてフォトクロミックヒドラゾンの光異性化量子収率を測定するための一連の手順について説明する。

Abstract

光駆動の構造変換を受ける光スイッチング有機分子は、適応分子系を構築するための重要な要素であり、幅広い用途に利用されています。フォトスイッチを用いたほとんどの研究では、吸収と放出の最大波長、モル減衰係数、蛍光寿命、光異性化量子収率などのいくつかの重要な光物理的特性が慎重に決定され、電子状態と遷移プロセスが調査されます。しかしながら、光異性化量子収率の測定は、吸収された光子に対する光異性化の効率が、典型的な実験室設定においては、しばしば複雑であり、適切な積分法に基づく厳密な分光測定および計算の実施を必要とするため誤差を生じやすい。この記事では、フォトクロミックヒドラゾンを使用して双安定フォトスイッチの光異性化量子収率を測定するための一連の手順を紹介します。この記事は、ますます開発が進められている双安定フォトスイッチの調査に役立つガイドとなることが期待されます。

Introduction

フォトクロミック有機分子は、光がシステムを非侵襲的に熱力学的平衡から遠ざけることができるユニークな刺激であるため、幅広い科学分野で大きな注目を集めています¹。適切なエネルギーで光を照射することにより、時空間精度^の高いフォトスイッチの構造変調が可能になる^2,3,4。これらの利点のおかげで、二重結合(例えば、スチルベン、アゾベンゼン、イミン、フマラミド、チオインジゴ)および開閉(例えば、スピロピラン、ジチエニルエテン、フルギド、ドナー - アクセプターステンハウス付加物)の構成異性化に基づく様々なタイプのフォトスイッチが開発され、様々な長さスケールの適応材料のコアコンポーネントとして利用されてきた。フォトスイッチの代表的な用途は、フォトクロミック材料、薬物送達、切り替え可能な受容体およびチャネル、情報またはエネルギー貯蔵、ならびに分子機械⁵、⁶、⁷、^8、9、^10、11、12を含む。新しく設計されたフォトスイッチを提示するほとんどの研究では、吸収と放出の_λmax、モル減衰係数(ε)、蛍光寿命、光異性化量子収率などの光物性が完全に特徴付けられています。このような特性の調査は、光学特性および異性化メカニズムを理解するために重要な電子状態および遷移に関する重要な情報を提供する。

しかし、光異性化量子収率の正確な測定(発生した光異性化事象の数を反応剤に吸収された照射波長における光子の数で割った値)は、いくつかの理由により、典型的な実験室の設定では複雑になることが多い。光異性化量子収率の決定は、一般に、反応の進行をモニターし、照射中に吸収された光子の数を測定することによって達成される。主な関心事は、溶液による全吸収が光化学反応が進行するにつれて経時的に変化するため、単位時間当たりの光子吸収量が漸進的に変化することである。したがって、単位時間当たりに消費される反応物の数は、照射中に測定される時間区間に依存する。したがって、1つは、差動的に定義される光異性化量子収率を推定する義務がある。

反応物と光生成物の両方が照射波長の光を吸収すると、より厄介な問題が生じる。この場合、光化学異性化は両方向に起こる(すなわち、光可逆反応)。順方向反応と逆方向反応の2つの独立した量子収率は、観測された反応速度から直接得ることはできません。不正確な光強度もエラーの一般的な原因です。例えば、電球の老化は徐々にその強度を変化させる。400nmにおけるキセノンアークランプの照度は、1000時間の動作後に30%減少^する14。非コリメート光の拡散により、実際の入射照度は光源の公称パワーよりも大幅に小さくなります。したがって、有効な光子束を正確に定量することが極めて重要である。注目すべきは、室温での準安定形態の熱緩和は、無視されるのに十分小さいべきである。

本稿では、双安定フォトスイッチの光異性化量子収率を決定するための一連の手順を紹介する。この分野の先駆的な研究チームであるAprahamianのグループによって開発された多くのヒドラゾンフォトスイッチは、その選択的な光異性化と準安定異性体の顕著な安定性のおかげで脚光を浴びています^15,16,17。ヒドラゾンフォトスイッチは、ヒドラゾン基で結合された2つの芳香環を含み、C=N結合は適切な波長で照射すると選択的にE/Z異性化します(図1)。それらは、動的分子系^{18、19、20、21}の運動性構成要素として首尾よく組み込まれている。本研究では、アミド基を有する新しいヒドラゾン誘導体を作製し、その光スイッチング特性を調べ、光異性化量子収率の決定に役立てた。

Protocol

1. 光静止状態(PSS)での^1HNMRスペクトル取得

1. 4.2mg(0.01mmol)のヒドラゾンスイッチ1を含む天然石英NMRチューブに、1.0mLの重水素化ジメチルスルホキシド(DMSO-d6)を加える。溶液の半分を別のNMRチューブに移す。
2. NMRチューブの1つを436nmバンドパスフィルターを備えたキセノンアーク灯の前に1cm置きます。NMR試料への照射を開始し、スイッチ ¹がPSSに達するまでスペクトルに変化がなくなるまで毎日 1H NMRスペクトルを記録する。PSSに到達した後、NMRチューブを室温で暗所に保ち、12時間後の ^1HNMRスペクトルを記録して、熱緩和の進行をモニターする。
   注:スイッチ 1 は、その双安定な性質のために、室温での ^1HNMRスペクトルに顕著な変化を示さない。
3. もう一方のNMRチューブについては、340nmバンドパスフィルターを用いてステップ1.2を繰り返し、340nm照射下のPSSで ^1HNMRスペクトルを得た。
4. NMR処理ソフトウェアでPSSのNMRスペクトルのfidファイルを開きます。別個の異性体の特徴的なピークセット(H1:キノリンのC2プロトン、H2:ヒドラゾン基への パラ位のプロトン、H3:エチルエステルの_CH3 )を統合し、異性体比を計算する(図2)。
   注:436nmおよび340nm照射下の組成物([1-Z]:[1-E]比)は、それぞれ8:92および82:18である。

2. PSSでのUV-Vis吸収分光法

1. 1の12.6mg(0.03mmol)を含むガラスバイアル に、2mLの分光法グレードDMSOを加える。100 μLの溶液を取り、1400 μLのDMSOで希釈して、1 mMの溶液を 1 mMにします。 1 mM 溶液 20 μL を光路長 1.0 cm の石英キュベットに移し、1980 μL の DMSO で希釈して 1 の 10 μM 溶液を作り ます。PTFEストッパーでキュベットを密封し、サンプルを暗闇の中に保管してください。
2. ブランクサンプルとして2mLのDMSOを含む別の石英キュベットを調製する。ベースライン補正のためにブランクサンプルのUV-Visスペクトルを測定する。
3. ステップ2.1からサンプルを436nmバンドパスフィルターを備えたキセノンアーク灯の前に1cm置きます。サンプルへの照射を開始し、1がPSSに達するにつれてスペクトルに変化がなくなるまで、2時間ごとに UV-Vis スペクトルを測定します(図3)。
   注:UV-Vis分光法サンプルのPSSに到達するのにかかる時間は、高濃度のNMRサンプルよりもはるかに短いです。
4. 340nmバンドパスフィルタでステップ2.3を繰り返し、340nm照射下のPSSでのUV-Visスペクトルを取得します。
5. Eq(1)およびEq(2)を用いて純粋な1−Zおよび1−Eの吸光度スペクトルを推定する(図4)。
   (1)
   (2)
   ここでR436_=436nm照射下でのPSSにおける1-Zの比;R340=_340nm照射下でのPSSにおける1-Zの比率;A_{436 = 436nm}照射下でのPSSにおけるDMSO中の1の吸光度;A340=_340nm照射下でのPSSにおけるDMSO中の1の吸光度である。
6. 観察された吸光度をサンプル濃度(10μM)および光路長(1cm)で割ることによって、すべての波長における純粋な1-Zおよび1-Eのモル減衰係数を計算する。

3. 熱緩和に関する動力学的研究

1. 加熱槽循環器に充填したシリコンオイルを所望の温度(131°C)に加熱し、浴の温度が安定しているかどうかを確認します。ステップ1.2からの2つのNMRサンプルを加熱浴に沈める。
   注:温度と加熱時間は、緩和率に応じて調整されます。
2. 1 時間の加熱後、NMR チューブをドライアイス バスにすばやく移し、潜熱による熱緩和を一時停止します (図 5)。
   メモ:加熱温度または時間が不正確であると、速度定数の推定に重大な誤差が生じる可能性があります。
3. ステップ3.2から得られたNMRサンプルを室温で解凍し、DMSOが解凍されていることを確認します。試料の ^1HNMRスペクトルを記録する。
4. 1が熱力学的平衡に達するにつれて ^1HNMRスペクトルに変化がなくなるまで、ステップ 3.1〜 3.3を繰り返します。
5. 異なる温度(134、137、140、および143°C)で手順3.1~3.4を繰り返します。
6. 131°Cでの加熱の過程で得られたNMRスペクトルのfidファイルを開く。 ステップ 1.4 で説明したように、平均異性体比を計算します。試料総濃度( 10mM)と異性体比に基づいて1-E (準安定異性体)の濃度を算出する。
7. 1-E_(CE)の平均濃度を加熱時間の関数としてプロットする。データに指数適合を行い、Eq(3)^15,22を使用して熱緩和の速度定数を取得します(図6)。
   (3)
   ここで、(M)=初期状態における1-Eの濃度;(M)=特定の温度における熱力学的平衡における1-Eの濃度; k(^s-1)=特定の温度における熱緩和の速度定数;t(s) = 加熱時間。
8. 異なる温度で得られたデータを使用して、手順3.6~3.7を繰り返します。
9. ln(k) 対比 をプロットし、アレニウス方程式 (Eq (4)) に従って線形適合を実行し、室温での速度定数を外挿します (図 7)。
   (4)
   ここで、A = 指数前係数。E_a (J·^mol-1) = 熱緩和のための活性化エネルギー;R = 理想気体定数 (8.3145 J·mol-1 ^K-1);T (K) = 絶対温度。
10. Eq(5)を用いて室温での1-Eの熱半減期を計算する。
    (5)
    ここで、_τ1/2(s)=室温における1-Eの熱半減期;k(^s-1)=工程3.9から求めた室温での熱緩和の速度定数。
11. 熱緩和の速度定数が単一の温度でのみ推定される場合、以下の再配列アイリング方程式(Eq(6))^18,23を用いて室温での速度定数を計算する。
    (6)
    (7)
    ここで、(J·^mol-1) = 熱緩和のための活性化のギブスエネルギー;k1(^s-1)=高温で推定された熱緩和の速度定数;k2₍^s-1)=室温における熱緩和の速度定数(298.15K);T1(K)=_k1が得られる絶対温度;(K) = 室温 (298.15 K)。

4.フェリオキサレート活性光線量測定

注:フェリオキサレート放線量測定のすべての手順は、周囲光の影響を防ぐために、暗闇または> 600nmの光で実行する必要があります。

1. 29.48 mg (0.06 mmol) のフェリオキサル酸カリウム三水和物を含む 20 mL のガラスバイアルに、8 mL の脱イオン水を加える。フェリオキサレート水溶液に1 mLの0.5 MのH2SO4水溶液を加え、イオン交換水で10 mLに希釈して、0.05 Mの_H2SO4水溶液で0.006 Mのフェリオキサレートを調製した。
2. 10mgの1,10-フェナントロリンおよび1.356gの無水酢酸ナトリウムを含む別の20mLガラスバイアルに、10mLの0.5M水性_H2SO4を加えて、緩衝0.1%(w/v)フェナントロリン溶液を作製する。
3. ステップ4.1から2mLの0.006 Mフェリオキサレート溶液を1.0 cmの光路長を有する石英キュベットに移す。PTFEストッパーでキュベットを密封し、サンプルを暗闇の中に保管してください。
4. ブランクサンプルとして0.05 M水性_H2SO4を2mL含む別の石英キュベットを調製する。ベースライン補正のためにブランクサンプルのUV-Vis吸光度を測定する。
5. 0.006 Mフェリオキサレート溶液のUV-Vis吸光度を測定する。340および436nmにおける0.006 Mフェリオキサレート溶液の吸光度およびEq(8)を用いて吸収された光の割合を決定する(図8)。
   (8)
   ここで、f = 0.006 Mフェリオキサレート溶液によって吸収された光の割合;_aλ=波長λにおける0.006 Mフェリオキサレート溶液の吸光度である。
6. 光路長1.0cmの石英キュベットを2枚用意し、0.006Mフェリオキサレート溶液2mLを加える。
7. ステップ4.6のサンプルの1つを、436nmバンドパスフィルタを備えたキセノンアーク灯の前に1cm置きます。もう一方のサンプルは暗所に保管してください。試料への照射を90秒間開始する。照射後、緩衝した0.1%フェナントロリン溶液0.35mLと磁気バーを両方のキュベットに加え、暗所で1時間攪拌して[Fe(phen)₃]²⁺ 複合体を形成させた。
   注:フェリオキサレートは光化学的に^{Fe2 +}に還元され、続いて トリス-1,10-フェナントロリン鉄(II)錯体がほぼ定量的に形成される。
8. ベースライン補正のためにステップ4.6からの非照射サンプルのUV-Vis吸収スペクトルを測定する。
9. ステップ4.7から照射した試料のUV-Vis吸収スペクトルを測定する。
10. 340nmバンドパスフィルタを使用して手順4.6~4.9を繰り返します(図9)。
    注:フェリオキサレートサンプルが光にさらされると、サンプルは再利用できません。
11. キュベットに到達するモルフォトンフラックスをEq(9)を用いて計算する。
    (9)
    ここで、I (mol·^s-1) = キュベットに到達するモルフォトンフラックス;ΔA510=非照射サンプルと非照射サンプルとの間の_510nmにおける吸光度の差;V = 溶液の総容量(2.35mL);ε₅₁₀ = [Fe(phen)₃]2+錯体(11100 ^{M-1 cm-1})²⁴のモル減衰係数;I = 石英キュベットの光路長(1.0 cm);t = 照射時間(90秒);f = ステップ4.5から得られた光の吸収分率;ΦFe3+=Fe3+から^Fe2+への光還元の量子収率(340nmに対して1.22、_^436nmに対して1.11)²⁵。

5. 光異性化量子収率の決定

1. ブランクサンプルとしてDMSO2mLを含む光路長1.0cmの石英キュベットを用意する。ベースライン補正のためにブランクサンプルのUV-Vis吸光度を測定する。
2. 工程2.4から得られたDMSO中の10μM溶液(Z富化)の1mLを含む光路長1.0cmの石英キュベットを調製する。キュベットをPTFEストッパーで密封します。
3. ステップ5.2からサンプルを436nmバンドパスフィルターを備えたキセノンアーク灯の前に1cm置きます。試料への照射を436nmで開始し、1がPSSに達するとスペクトルに変化がなくなるまで、異なる間隔で UV-Vis 吸収スペクトルを測定します(図10)。
   メモ:照射設定は、モルフォトンフラックス測定に使用されるものとまったく同じでなければなりません。照射間隔は、光異性化の速度に基づいて調整されるべきである。一般に、PSS に到達する前に 15 ~ 20 個のデータ ポイントが適しています。
4. 工程2.3から得られたDMSO中の10μM溶液(E富化)の1mLを含む光路長1.0cmの石英キュベットを調製する。キュベットをPTFEストッパーで密封します。
5. 436 nm バンドパス フィルターを 340 nm バンドパス フィルターに交換し、手順 5.4 から取得したサンプルについて手順 5.3 を繰り返します。
6. ステップ5.3とEq(10)²⁶から観察された吸光度を使用して、光動態係数F(t)を計算します。
   (10)
   ここで^、Irr,t=時刻tにおける照射波長における吸光度である。
7. ステップ5.6から得られた光動因係数値とEq(11)²⁷を用いて擬似量子収率Qを計算する。
   (11)
   ここで、Q (M-1 ^cm-1) = 擬似量子収率は ;;V(L) = サンプルの量。I (mol·^s-1) = キュベットに到達するモルフォトンフラックス;l (cm) = 光路長;_t1、t2(s)=₂つの連続する照射点;F(t1)、F(t2)=それぞれ時刻t1およびt2における光動態係数;Aobs,t1,Aobs,t2,Aobs^,∞=PSSにおける時刻における特定の波長における吸光度、_t1、およびt2である。
   注: 精度のためには、_{λ max} 1-Z での吸光度の使用をお勧めします。
8. 最初の 10 個のデータ ポイントを使用して、擬似量子収率の平均値を計算します。
9. Eq(12)およびEq(13)を使用して、Z-to-EおよびE-to-Z光異性化の一方向量子収率を計算する。
   (12)
   (13)
   ここで、Φ Z→E、Φ E→Z = それぞれZ-to-Eおよび_E-to-Z光異性化プロセスの単方向量子収率; , (M-1cm-1) = 照射波長における1-Zおよび1-Eのモル減衰係数;, (M) = PSSにおける1-Zおよび ^1-Eの濃度; _Ctot(M)=1の総濃度。
10. ステップ5.5から得られたデータを用いて、340nmでの照射下での一方向光異性化量子収率の計算のために、ステップ5.6〜5.9を繰り返します。

Results

NMR管に436nmの光(初期状態ではZ:E = 54:46)を照射すると、ヒドラゾンC=N結合の支配的なZ対E異性化により、1-Eの割合が増加する(図1)。異性体比は、^1HNMRスペクトルにおける別個の異性体の相対シグナル強度から容易に得ることができる(図2)。436nmでの5日間の照射後、試料は92%の1−Eを含むPSSに達する。高いサンプル濃度(10mM)と光源の弱い強度のためにPSSに到達するには、長時間の照射が必要です。その後の340nmでの照射はE-to-Z異性化を誘導し、3日間の照射後に1-Zの82%を含むPSSに達する。

UV-Vis分光法実験において...

Discussion

フォトスイッチのスペクトルおよびスイッチング特性を調整するための様々な戦略が開発されており、フォトスイッチのレジスタは急速に拡大している²⁸。したがって、それらの光物性を正しく決定することが重要であり、この記事に要約された方法は実験者にとって有用なガイドとなることが期待されます。しかしながら、室温での熱緩和速度が非常に遅いことは、異なる照射波長でのPSS組成物の測定、純粋な異性体のモル減衰係数、有効なモル光子束、砂擬似量子収率、一方向光異性化量子収率の推定を可能にする。本研究で提示された実験結果は、 1 の光物性が非置換の親分子¹⁵の光物理的性質と有意に異ならないことを明らかにした。この結果は、アミド結合が、それらの構造調節のために関心のある他の分子への有用なテザーであり得ることを示唆している。

量子収率の決定のためには、光動態因子の適切な積分法を用いることが不可欠である(補足情報を参照)。積分法を選択する上で重要な要...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1,10-フェナントロリン	Sigma-Aldrich	131377-2.5G
340 nm バンドパスフィルター、直径 25 mm、10 nm FWHM	Edmund Optics	#65-129
436 nm バンドパスフィルター、直径 25 mm、10 nm FWHM	Edmund Optics	#65-138
無水酢酸ナトリウム	アルファ エーザール	A13184.30
ジメチルスルホキシド	サムチュン	D1138	HPLC グレード
ジメチルスルホキシド-d6	Sigma-Aldrich	151874-25G
Gemini 2000; 300 MHz NMR 分光計	Varian
H2SO4	Duksan	235
ヒーティングバス	JeioTech	CW-05G
MestReNova 14.1.1	Mestrelab Research S.L.,https://mestrelab.com/
天然石英NMRチューブ	ノレル	S-5-200-QTZ-7
フェリオキサレートカリウム三水和物	アルファ・アエサル	31124.06
石英吸収セル	ヘルマ	HE.110.QS10
UV-VIS分光光度計	シンコ	S-3100
キセノンアークランプ	ソーラブ	ス SLS205	ファイバーアダプターが取り外されました