Определение квантового выхода фотоизомеризации гидразонового фотопереключателя

Здесь мы объясняем набор протоколов для точного измерения квантового выхода фотоизомеризации фотохромного гидразона в качестве модели фотопереключающей молекулы. Методы, представленные здесь, могут быть применены к другим семействам бистабильных фотопереключателей. Протоколы для фотопереключателей с различными по фотофизическими свойствами и рекомендации по их выбору приведены в дополнительной информации.

Для начала поместите образец ЯМР на расстоянии одного сантиметра перед ксеноновой дуговой лампой, оснащенной 436-нанометровым полосовым проходным фильтром, и начните облучение. Записывайте протонный спектр ЯМР каждый день, пока не произойдет обмена в спектрах, когда один переключатель достигнет PSS. Для другого образца ЯМР облучите раствор с помощью 340-нанометрового полосового фильтра и запишите спектр ЯМР, как описано ранее.

Откройте ФАЙЛЫ FID спектров ЯМР на PSSs с помощью программного обеспечения для обработки ЯМР. Интегрируйте отличительный набор пиков различных изомеров и рассчитайте изомерные соотношения. Поместите подготовленный образец на расстоянии одного сантиметра перед ксеноновой дуговой лампой, оснащенной 436-нанометровым полосовым проходным фильтром, и начните облучение.

Измеряйте видимый УФ-излучением спектр поглощения каждые два часа, пока не произойдет изменения в спектрах по мере того, как первый переключатель достигнет PSS. Для другого образца облучите раствор с помощью 340-нанометрового полосового фильтра и измерьте видимый УФ-спектр в PSS таким же образом. Выведите спектры поглощения чистых изомеров 1-Z и 1-E и рассчитайте их коэффициенты молярного затухания на всех длинах волн, как описано в тексте.

Нагрейте силиконовое масло, заполненное в термостате для нагревательной ванны, до 131 градуса Цельсия и проверьте, стабилизируется ли температура ванны. Погрузите две пробоотборники ЯМР в нагревательную ванну. После одного часа нагрева быстро перенесите ЯМР-трубки в ванну с сухим льдом, чтобы приостановить тепловую релаксацию, вызванную скрытым теплом.

Разморозьте образцы ЯМР при комнатной температуре и убедитесь, что диметилсульфоксид размораживается. Затем запишите протонные ЯМР-спектры образцов. Снова выполните процесс нагрева и оттаивания и запишите протонные ЯМР-спектры образцов до тех пор, пока не произойдет изменения в спектрах протонного ЯМР по мере достижения переключателем термодинамического равновесия.

Откройте FID-файлы спектров ЯМР, полученных в процессе нагрева, и рассчитайте концентрацию 1-Е на основе общей концентрации образца и изомерного соотношения. Затем постройте усредненную концентрацию 1-E в зависимости от времени нагрева. Выполните экспоненциальную подгонку к данным для получения константы скорости тепловой релаксации, К, используя уравнение, описанное в тексте.

Построение натурального логарифма К против обратного Т. Выполнить линейную подгонку по уравнению Аррениуса, описанному в тексте, экстраполировать константу скорости при комнатной температуре и рассчитать тепловой период полураспада 1-Е при комнатной температуре с помощью уравнения, описанного в тексте. В 20-миллилитровый стеклянный флакон, содержащий 29,48 миллиграмма тригидрата ферриоксалата калия, добавьте восемь миллилитров деионизированной воды. Добавьте один миллилитр 0,5 молярной водной серной кислоты в раствор ферриоксалата и разбавьте до 10 миллилитров деионизированной водой для получения молярного ферриоксалата 0,006 в 0,05 молярного водного раствора серной кислоты.

В другой 20-миллилитровый стеклянный флакон, содержащий 10 миллиграммов 1, 10-фенантролина и 1,356 грамма безводного ацетата натрия, добавляют 10 миллилитров 0,1 молярной водной серной кислоты, чтобы получить буферный 0,1% раствор фенантролина. Измерьте УФ-видимый спектр поглощения раствора ферриоксалата. Определяют долю поглощенного света на 340 и 436 нанометров, используя поглощения раствора ферриоксалата, как описано в тексте.

Поместите кварцевую кювету, содержащую раствор ферриоксалата, на один сантиметр перед ксеноновой дуговой лампой, оснащенной 436-нанометровым полосовым проходным фильтром. Начинайте облучение образца в течение 90 секунд. После облучения добавляют в кювету 0,35 миллилитра раствора фенантролина и магнитный стержень с последующим перемешиванием в течение одного часа в темноте с образованием ферроинового комплекса.

Готовят кварцевую кювету, содержащую два миллилитра необлученного раствора ферриоксалата и 0,35 миллилитра раствора фенантролина в качестве необлученного образца. Измерьте разницу в поглощении УФ-излучения между необлученными и облученными образцами. Повторите процедуру пробоподготовки и измерения УФ-видимого спектра поглощения, описанного ранее, с помощью 340-нанометрового полосового фильтра.

Рассчитайте поток молярных фотонов, поступающих в кювету, используя это уравнение. Поместите подготовленный образец на один сантиметр перед ксеноновой дуговой лампой, оснащенной 436-нанометровым полосовым проходным фильтром, и начните облучение. Измеряйте видимый УФ-излучением спектр поглощения с различными интервалами до тех пор, пока не произойдет изменения в спектрах по мере того, как переключатель достигнет PSS.

Достигнув PSS, извлеките кювету из спектрофотометра UV-Vis и облучите раствор с помощью 340-нанометрового полосового фильтра. Измерьте УФ-видимый спектр поглощения, как описано ранее. Из полученных спектров поглощения UV-Vis рассчитывают значения фотокинетического фактора Ft с использованием наблюдаемых поглощений на длинах волн облучения.

Рассчитайте однонаправленные квантовые выходы для процессов фотоизомеризации от Z до E и от E до Z. При облучении на 436 нанометров доля 1-Е увеличивается за счет доминирующей изомеризации Z-E гидразона CN двойной связи. Изомерное соотношение было получено из относительной интенсивности сигнала различных изомеров в спектре ЯМР 1H.

На 436 нанометрах образец показывает 92% 1-E, в то время как на 340 нанометрах было обнаружено 82% 1-Z. Измомерные соотношения и спектры поглощения UV-Vis в PSS используются для вывода спектров UV-Vis чистых изомеров 1-Z и 1-E. Эти спектры чистых изомеров позволяют предположить, что неполная фотоизомеризация приписывается обратному фотохимическому процессу.

Для определения квантового выхода фотоизомеризации требуется измерение скорости тепловой релаксации от E до Z и эффективного потока молярных фотонов. Константа скорости тепловой релаксации, экстраполированная из графика Аррениуса, была очень мала при комнатной температуре, и, таким образом, эффект тепловой релаксации в процессе фотоизомеризации можно было игнорировать. Эффективный поток молярного фотона, поступающий к образцу, был получен из ферриоксалатной актинометрии и можно рассчитать псевдоквантовый выход фотоизомеризации на длине волны облучения.

Наконец, однонаправленные квантовые выходы для процессов фотоизомеризации от Z до E и от E до Z могут быть рассчитаны из псевдоквантовых выходов. Для определения квантового выхода фотоизомеризации необходимо получить точные значения скорости тепловой релаксации при комнатной температуре и эффективного потока молярных фотонов. Для тех, кто имеет дело с бистабильными фотопереключателями, отличными от гидразонов, важно использовать правильный метод интеграции фотокинетического фактора, который объясняется в дополнительной информации.