Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet af en hydrazone-fotoswitch

Published: February 7, 2022 doi: 10.3791/63398
Automatic Translation
*1, *1, *1, 1
1Department of Chemistry, Chung-Ang University
* These authors contributed equally

Summary

Fotoisomeriseringskvanteudbytte er en grundlæggende fotofysisk egenskab, der skal bestemmes nøjagtigt i undersøgelsen af nyudviklede fotoswitches. Her beskriver vi et sæt procedurer til måling af fotoisomeriseringskvanteudbyttet af en fotokromisk hydrazon som en model bitable fotoswitch.

Abstract

Fotoswitching organiske molekyler, der gennemgår lysdrevne strukturelle transformationer, er nøglekomponenter til at konstruere adaptive molekylære systemer, og de anvendes i en lang række applikationer. I de fleste undersøgelser, der anvender fotoswitches, er flere vigtige fotofysiske egenskaber såsom maksimale bølgelængder af absorption og emission, molær dæmpningskoefficient, fluorescenslevetid og fotoisomeriseringskvanteudbytte omhyggeligt bestemt til at undersøge deres elektroniske tilstande og overgangsprocesser. Måling af fotoisomeriseringskvanteudbyttet, effektiviteten af fotoisomerisering i forhold til de absorberede fotoner, i en typisk laboratorieindstilling er imidlertid ofte kompliceret og tilbøjelig til fejl, fordi det kræver implementering af strenge spektroskopiske målinger og beregninger baseret på en passende integrationsmetode. Denne artikel introducerer et sæt procedurer til måling af fotoisomeriseringskvanteudbyttet af en bistabil fotoskontakt ved hjælp af en fotokromisk hydrazon. Vi forventer, at denne artikel vil være en nyttig vejledning til undersøgelse af bistabile fotoswetches, der i stigende grad udvikles.

Introduction

Fotokromiske organiske molekyler har tiltrukket sig stor opmærksomhed i en lang række videnskabelige discipliner, da lys er en unik stimulus, der kan drive et system væk fra dets termodynamiske ligevægt ikke-invasivt1. Bestråling af lys med passende energier muliggør strukturel modulering af fotoswitches med høj spatiotemporal præcision 2,3,4. Takket være disse fordele er forskellige typer fotoswitches baseret på konfigurationsisomerisering af dobbeltbindingerne (f.eks. Stilbenes, azobenzener, iminer, fumaramider, thioindigos) og ringåbning / lukning (f.eks. Spiropyraner, dithienylethener, fulgider, donoracceptor Stenhouse addukter) blevet udviklet og anvendt som kernekomponenter i adaptive materialer i forskellige længdeskalaer. Repræsentative anvendelser af fotoswitche involverer fotokromiske materialer, lægemiddellevering, omskiftelige receptorer og kanaler, information eller energilagring og molekylære maskiner 5,6,7,8,9,10,11,12. I de fleste undersøgelser, der præsenterer nydesignede fotoswister, karakteriseres deres fotofysiske egenskaber såsom λmax absorption og emission, molær dæmpningskoefficient (ε), fluorescenslevetid og fotoisomeriseringskvanteudbytte grundigt. Undersøgelsen af sådanne egenskaber giver nøgleoplysninger om de elektroniske tilstande og overgange, der er afgørende for at forstå de optiske egenskaber og isomeriseringsmekanismen.

Imidlertid er nøjagtig måling af fotoisomeriseringskvanteudbytte - antallet af fotoisomeriseringshændelser, der opstod divideret med antallet af fotoner ved bestrålingsbølgelængden absorberet af reaktanten - ofte kompliceret i en typisk laboratorieindstilling på grund af flere grunde. Bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet opnås generelt ved at overvåge reaktionens fremskridt og måle antallet af absorberede fotoner under bestråling. Den primære bekymring er, at mængden af fotonabsorption pr. tidsenhed ændres gradvist, fordi den samlede absorption af opløsningen ændres over tid, efterhånden som den fotokemiske reaktion fortsætter. Derfor afhænger antallet af forbrugte reaktanter pr. Tidsenhed af det tidsafsnit, hvor det måles under bestrålingen. Således er man forpligtet til at estimere fotoisomeriseringskvanteudbyttet, der er defineret forskelligt.

Et mere besværligt problem opstår, når både reaktanten og fotoproduktet absorberer lys ved bestrålingsbølgelængden. I dette tilfælde forekommer den fotokemiske isomerisering i begge retninger (dvs. en fotoreversibel reaktion). De to uafhængige kvanteudbytter for de fremadrettede og bagudrettede reaktioner kan ikke opnås direkte fra den observerede reaktionshastighed. Unøjagtig lysintensitet er også en almindelig årsag til fejl. For eksempel ændrer pærens aldring gradvist dens intensitet; bestrålingen af Xenonbuelampen ved 400 nm falder med 30% efter 1000 timers drift14. Spredningen af ikke-kollimeret lys gør den faktiske indfaldende bestråling betydeligt mindre end kildens nominelle effekt. Det er således afgørende at kvantificere den effektive fotonflux nøjagtigt. Bemærk, at termisk afslapning af den metastable form ved stuetemperatur bør være tilstrækkelig lille til at blive ignoreret.

Dette papir introducerer et sæt procedurer til bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet af en bistabil fotokontakt. En række hydrazonefotoswitter udviklet af gruppen Aprahamian, det banebrydende forskerhold på området, har været i søgelyset takket være deres selektive fotoisomerisering og bemærkelsesværdige stabilitet af deres metastable isomerer 15,16,17. Deres hydrazonfotoswocher består af to aromatiske ringe, der er forbundet med en hydrazongruppe, og C = N-bindingen gennemgår selektiv E / Z-isomerisering ved bestråling ved passende bølgelængder (figur 1). De er med succes blevet indarbejdet som de bevægelige komponenter i dynamiske molekylære systemer 18,19,20,21. I dette arbejde udarbejdede vi et nyt hydrazonederivat, der bærer amidgrupper og undersøgte dets fotoswitching-egenskaber til bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 1H NMR-spektrumanskaffelse i fotostationær tilstand (PSS)

  1. I et naturligt kvarts NMR-rør indeholdende 4,2 mg (0,01 mmol) hydrazonafbryder 1 tilsættes 1,0 ml deuteret dimethylsulfoxid (DMSO-d 6). Overfør halvdelen af opløsningen til et andet NMR-rør.
  2. Placer et af NMR-rørene 1 cm foran en Xenon-lysbuelampe udstyret med et 436 nm båndpasfilter. Start bestråling til NMR-prøven, og optag et NMR-spektrum på 1time hver dag, indtil der ikke er nogen ændring i spektrene, når switch 1 når PSS. Når du har nået PSS, skal du holde NMR-røret i mørke ved stuetemperatur og registrere 1H NMR-spektret efter 12 timer for at overvåge udviklingen af termisk afslapning.
    BEMÆRK: Switch 1 viser ikke nogen mærkbar ændring i 1H NMR-spektret ved stuetemperatur på grund af dets bistabile natur.
  3. For det andet NMR-rør gentages trin 1.2 med et 340 nm båndpasfilter for at opnå et 1H NMR-spektrum ved PSS under 340 nm bestråling.
  4. Åbn fid-filer af NMR-spektrene på PSS'erne med NMR-behandlingssoftware. Integrer et karakteristisk sæt toppe (H1: C2-proton af quiolin, H2: proton i para-position til hydrazongruppen, H3:CH3 af ethylester) af de forskellige isomerer og beregn det isomere forhold (figur 2).
    BEMÆRK: Sammensætninger ([1-Z]:[1-E] forhold) under 436 nm og 340 nm bestråling er henholdsvis 8:92 og 82:18.

2. UV-Vis absorptionsspektroskopi ved PSS

  1. I et hætteglas af glas indeholdende 12,6 mg (0,03 mmol) af 1 tilsættes 2 ml DMSO af spektroskopikvalitet. Der tages 100 μL af opløsningen og fortyndes med 1400 μL DMSO for at fremstille 1 mM opløsning af 1. Overfør 20 μL 1 mM opløsning af 1 til en kvartskuvette med en optisk stilængde på 1,0 cm og fortynd med 1980 μL DMSO for at fremstille en 10 μM opløsning på 1. Forsegl kuvetten med en PTFE-prop, og opbevar prøven i mørke.
  2. En anden kvartskuvette indeholdende 2 ml DMSO fremstilles som blindprøve. Blindprøvens UV-Vis-spektrum måles med henblik på korrektion af basislinjen.
  3. Anbring prøven fra trin 2,1 1 cm foran en Xenon-lysbuelampe udstyret med et 436 nm båndpasfilter. Start bestråling til prøven, og mål UV-Vis-spektret hver 2. time, indtil der ikke er nogen ændring i spektrene, når 1 når PSS (figur 3).
    BEMÆRK: Den tid, det tager at nå PSS for UV-Vis-spektroskopiprøven, er meget kortere end for NMR-prøven med en højere koncentration.
  4. Gentag trin 2.3 med et 340 nm båndpasfilter for at opnå UV-Vis-spektret ved PSS under 340 nm bestråling.
  5. Udlede absorbansspektre af de rene 1-Z og 1-E ved hjælp af Eq (1) og Eq (2) (figur 4).
    Equation 1 (1)
    Equation 2 (2)
    Hvor R436 = forholdet 1-Z ved PSS under 436 nm bestråling; R340 = forholdet 1-Z ved PSS under 340 nm bestråling; A436 = absorbansen af 1 i DMSO ved PSS under 436 nm bestråling; A340 = absorbansen af 1 i DMSO ved PSS under 340 nm bestråling.
  6. De molære dæmpningskoefficienter på rene 1-Z og 1-E beregnes ved alle bølgelængder ved at dividere den observerede absorbans med prøvekoncentrationen (10 μM) og den optiske banelængde (1 cm).

3. Kinetiske undersøgelser af termisk afslapning

  1. Opvarm siliciumolien, der er fyldt i en varmebadcirkulationspumpe, til den ønskede temperatur (131 °C), og kontroller, om badets temperatur er stabiliseret. Nedsænk to NMR-prøver fra trin 1.2 i varmebadet.
    BEMÆRK: Temperaturen og varigheden af opvarmningen justeres afhængigt af afslapningshastigheden.
  2. Efter 1 time med opvarmning overføres NMR-rørene hurtigt til et tørisbad for at sætte den termiske afslapning forårsaget af latent varme på pause (figur 5).
    BEMÆRK: Unøjagtig opvarmningstemperatur eller -tid kan føre til alvorlige fejl i estimeringen af hastighedskonstanten.
  3. Optø NMR-prøverne fra trin 3.2 ved stuetemperatur, og sørg for, at DMSO optøes. Optag prøvernes NMR-spektre på 1H.
  4. Gentag trin 3.1-3.3, indtil der ikke er nogen ændring i NMR-spektrene på 1H, når 1 når termodynamisk ligevægt.
  5. Gentag trin 3,1-3,4 ved forskellige temperaturer (134, 137, 140 og 143 °C).
  6. Åbne fid-filer af NMR-spektre opnået under opvarmning ved 131 °C. Beregn de gennemsnitlige isomere forhold som beskrevet i trin 1.4. Koncentrationen af 1-E (metastabel isomer) beregnes på grundlag af den samlede prøvekoncentration (10 mM) og det isomere forhold.
  7. Plot den gennemsnitlige koncentration af 1-E (CE) som en funktion af opvarmningstiden. Udfør en eksponentiel tilpasning til dataene for at opnå hastighedskonstanten for termisk afslapning ved hjælp af Eq (3) 15,22 (figur 6).
    Equation 3 (3)
    Hvor Equation 4 (M) = koncentrationen af 1-E ved den indledende tilstand; Equation 5 (M) = koncentrationen af 1-E ved den termodynamiske ligevægt ved en bestemt temperatur k (s-1) = hastighedskonstanten for termisk afslapning ved en bestemt temperatur; t(s) = opvarmningstiden.
  8. Gentag trin 3.6 til 3.7 ved hjælp af de data, der er opnået ved forskellige temperaturer.
  9. Plot ln (k) versus Equation 6 og udfør en lineær pasform i henhold til Arrhenius-ligningen (Eq (4)) for at ekstrapolere hastighedskonstanten ved stuetemperatur (figur 7).
    Equation 7 (4)
    Hvor A = den præ-eksponentielle faktor Ea (J·mol-1) = aktiveringsenergien til termisk afslapning; R = den ideelle gaskonstant (8,3145 J·mol-1 K-1); T (K) = den absolutte temperatur.
  10. Beregn den termiske halveringstid på 1-E ved stuetemperatur ved hjælp af Eq (5).
    Equation 8 (5)
    Hvor τ1/2 (s) = den termiske halveringstid på 1-E ved stuetemperatur k (s-1) = hastighedskonstanten for termisk afslapning ved stuetemperatur opnået fra trin 3.9.
  11. Hvis hastighedskonstanten for termisk afslapning kun estimeres ved en enkelt temperatur, beregnes hastighedskonstanten ved stuetemperatur ved hjælp af følgende omarrangerede Eyring-ligning (Eq (6))18,23.
    Equation 9 (6)
    Equation 10 (7)
    Hvor Equation 11 (J·mol-1) = Gibbs-aktiveringsenergien til termisk afslapning; k1 (s-1) = hastighedskonstanten for termisk afslapning estimeret ved den forhøjede temperatur; k2 (s-1) = hastighedskonstanten for termisk afslapning ved stuetemperatur (298,15 K); T1 (K) = den absolutte temperatur, ved hvilkenk1 opnås; (K) = stuetemperatur (298,15 K).

4. Ferrioxalat aktinometri

BEMÆRK: Alle procedurer for ferrioxalat actinometry skal udføres i mørke eller >600 nm lys for at forhindre påvirkning af omgivende lys.

  1. I et 20 ml glashætteglas indeholdende 29,48 mg (0,06 mmol) kaliumferrioxalattrihydrat tilsættes 8 ml deioniseret vand. Der tilsættes 1 ml 0,5 M vandigH2SO4 til ferrioxalatopløsningen og fortyndes til 10 ml med deioniseret vand for at fremstille et 0,006 M ferrioxalat i 0,05 M vandigH2SO4-opløsning.
  2. I et andet 20 ml glashætteglas indeholdende 10 mg 1,10-phenanthrolin og 1,356 g vandfrit natriumacetat tilsættes 10 ml 0,5 M vandigH2SO4 for at fremstille en bufferet 0,1 % (w/v) phenanthrolinopløsning.
  3. Overfør 2 ml af 0,006 M ferrioxalatopløsningen fra trin 4.1 til en kvartskuvette med en optisk stilængde på 1,0 cm. Forsegl kuvetten med en PTFE-prop, og opbevar prøven i mørke.
  4. En anden kvartskuvette indeholdende 2 ml 0,05 M vandigH2SO4fremstilles som blindprøve. Blindprøvens UV-Vis-absorbans måles med henblik på korrektion af basislinjen.
  5. Mål UV-Vis-absorbansen af 0,006 M ferrioxalatopløsningen. Den absorberede del af lyset bestemmes ved hjælp af absorbanserne af 0,006 M ferrioxalatopløsningen ved 340 og 436 nm og Eq (8) (figur 8).
    Equation 12 (8)
    Hvor f = den brøkdel af lys, der absorberes af 0,006 M ferrioxalatopløsning; Aλ = absorbansen af 0,006 M ferrioxalatopløsning ved bølgelængde λ.
  6. Forbered to kvartsk kuvetter med 1,0 cm optisk stilængde og tilsæt 2 ml af 0,006 M ferrioxalatopløsningen.
  7. Anbring en af prøverne fra trin 4,6 1 cm foran Xenon-lysbuelampen udstyret med et 436 nm båndpasfilter. Opbevar den anden prøve i mørke. Start bestråling til prøven i 90 s. Efter bestråling tilsættes 0,35 ml af den bufferede 0,1% phenanthrolinopløsning og en magnetisk stang til begge kuvetter efterfulgt af omrøring i 1 time i mørke for at danne et [Fe(phen)3]2+ kompleks.
    BEMÆRK: Ferrioxalat er fotokemisk reduceret til Fe2+, efterfulgt af den næsten kvantitative dannelse af tris-1,10-phenanthrolin jern (II) kompleks.
  8. UV-Vis-absorptionsspektret for den ikke-bestrålede prøve måles fra trin 4.6 med henblik på baselinekorrektion.
  9. UV-Vis-absorptionsspektret for den bestrålede prøve måles fra trin 4.7.
  10. Gentag trin 4.6-4.9 med et 340 nm båndpasfilter (figur 9).
    BEMÆRK: Når ferrioxalatprøven er udsat for lys, kan prøven ikke genbruges.
  11. Beregn den molære fotonflux, der ankommer til kuvetten, ved hjælp af Eq (9).
    Equation 13 (9)
    Hvor I (mol·s-1) = den molære fotonflux, der ankommer til kuvetten; ΔA510 = forskellen i absorbans ved 510 nm mellem de ikke-bestrålede og bestrålede prøver; V = det samlede volumen af opløsning (2,35 ml); ε510 = den molære dæmpningskoefficient for [Fe(phen)3]2+ kompleks (11100 M-1 cm-1)24; I = den optiske banelængde af kvartskuvette (1,0 cm); t = bestrålingstid (90 s); f = den absorberede del af lyset opnået fra trin 4.5 ΦFe3+ = kvanteudbyttet af fotoreduktionen af Fe3+ til Fe2+ (1,22 for 340 nm, 1,11 for 436 nm)25.

5. Bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet

  1. Forbered en kvartskuvette med en optisk stilængde på 1,0 cm indeholdende 2 ml DMSO som blindprøve. Blindprøvens UV-Vis-absorbans måles med henblik på korrektion af basislinjen.
  2. En kvartskuvette med en optisk stilængde på 1,0 cm, der indeholder 2 ml 10 μM opløsning af 1 i DMSO opnået ved trin 2.4 (Z-beriget). Forsegl kuvetterne med en PTFE-prop.
  3. Anbring prøven fra trin 5,2 1 cm foran Xenon-lysbuelampen udstyret med et 436 nm båndpasfilter. Start bestråling ved 436 nm til prøven, og mål UV-Vis-absorptionsspektret med forskellige intervaller, indtil der ikke er nogen ændring i spektrene, når 1 når PSS (figur 10).
    BEMÆRK: Bestrålingsopsætningen skal være nøjagtig den samme som den, der anvendes til måling af molær fotonflux. Bestrålingsintervallet skal justeres baseret på fotoisomeriseringshastigheden. Generelt er 15-20 datapunkter, før de når PSS, egnede.
  4. En kvartskuvette med en optisk stilængde på 1,0 cm, der indeholder 2 ml 10 μM opløsning af 1 i DMSO opnået ved trin 2.3 (E-beriget). Forsegl kuvetterne med en PTFE-prop.
  5. Udskift 436 nm båndpasfilteret med 340 nm båndpasfilteret, og gentag trin 5.3 for prøven opnået fra trin 5.4.
  6. Den fotokinetiske faktor F(t) beregnes ved hjælp af de observerede absorbanser fra trin 5.3 og Eq (10)26.
    Equation 14 (10)
    Hvor Airr,t = absorbansen ved bestrålingsbølgelængden på tidspunktet t.
  7. Beregn pseudokvanteudbyttet Q ved hjælp af de fotokinetiske faktorværdier opnået fra trin 5.6 og Eq (11)27.
    Equation 15 (11)
    Hvor Q (M-1 cm-1) = pseudokvanteudbyttet defineret som ; Equation 16; V(L) = prøvevolumen I (mol·s-1) = den molære fotonflux, der ankommer til kuvetten; l (cm) = den optiske vejlængde; t1, t2 (s) = de to på hinanden følgende tidspunkter for bestråling; F(t1), F(t2) = de fotokinetiske faktorer på henholdsvis tidspunktet t1 og t2 Aobs,t1, Aobs,t2, Aobs,∞ = absorbanserne ved specifik bølgelængde på henholdsvis tid, t1 og t2 ved PSS.
    BEMÆRK: Brug af absorbanser ved λmax på 1-Z anbefales for nøjagtighed.
  8. Beregn den gennemsnitlige værdi af pseudokvanteudbyttet ved hjælp af de første ti datapunkter.
  9. Beregn de ensrettede kvanteudbytter for Z-til-E og E-til-Z fotoisomeriseringer ved hjælp af Eq (12) og Eq (13).
    Equation 17 (12)
    Equation 18 (13)
    Hvor ΦZ→E, ΦE→Z = det ensrettede kvanteudbytte for henholdsvis Z-til-E og E-til-Z fotoisomeriseringsprocesser; Equation 19, Equation 20 (M-1 cm-1) = de molære dæmpningskoefficienter på 1-Z og 1-E ved bestrålingsbølgelængden; Equation 21, Equation 22 (M) = koncentrationerne på henholdsvis 1-Z og 1-E ved PSS Ctot (M) = den samlede koncentration på 1.
  10. Gentag trin 5.6-5.9 ved hjælp af dataene opnået fra trin 5.5 til beregning af de ensrettede fotoisomeriseringskvanteudbytter under bestråling ved 340 nm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved bestråling af 1 i et NMR-rør med 436 nm lys (Z:E = 54:46 i den indledende tilstand) øges andelen af 1-E på grund af den dominerende Z-til-E-isomerisering af hydrazon C = N-bindingen (figur 1). Det isomere forhold kan let opnås ud fra de relative signalintensiteter for forskellige isomerer i 1H NMR-spektret (figur 2). Efter 5 dages bestråling ved 436 nm når prøven PSS indeholdende 92% af 1-E. Langvarig bestråling er nødvendig for at nå PSS på grund af lyskildens høje prøvekoncentration (10 mM) og svage intensitet. Efterfølgende bestråling ved 340 nm inducerer E-til-Z-isomerisering og når PSS indeholdende 82% af 1-Z efter 3 dages bestråling.

Der kræves en kortere bestrålingstid for at nå PSS i UV-Vis-spektroskopiforsøget (10 timer og 4 timer for bestråling ved henholdsvis 436 og 340 nm) på grund af den lavere prøvekoncentration (10 μM). Da det er vanskeligt at isolere de rene isomerer ved kromatografi eller opnå dem ved fotoisomerisering, anvendes UV-Vis-absorptionsspektre på 1 i PSS'erne til at udlede absorptionsspektrene for de rene 1-Z og 1-E (figur 4). Bølgelængden af absorptionsmaksimum (λmax, 398 nm for 1-Z og 375 nm for 1-E) og molær dæmpningskoefficient (ε) kan opnås fra de udledte spektre. UV-Vis-spektre af de rene isomerer antyder, at den ufuldstændige fotoisomerisering tilskrives den omvendte fotokemiske proces, dvs. absorptionsbåndet overlapper hinanden ved bestrålingsbølgelængderne.

Til bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet undersøges først hastigheden af termisk afslapning og den effektive molære fotonflux. Fordi den metastabile isomer 1-E er meget stabil ved stuetemperatur, overvåges termisk drevet E-til-Z-isomerisering ved forhøjede temperaturer (fra 131 til 143 ° C) ved hjælp af 1H NMR-spektroskopi, og de første ordens hastighedskonstanter for afslapning estimeres (figur 6). De opnåede hastighedskonstanter ved forskellige temperaturer afbildes derefter i forhold til gensidig temperatur og tilpasses lineært ved hjælp af Arrhenius-ligningen (Eq (4)) (figur 7). Hastigheden af termisk afslapning ((2,2 ± 0,5) × 10-10 s-1) og halveringstiden på 1-E (101 ± 24 år) ved stuetemperatur kan derefter ekstrapoleres. Det er således sikkert at ignorere effekten af termisk afslapning i fotoisomeriseringsprocessen ved stuetemperatur. Man kan også bruge den omarrangerede Eyring-ligning (Eq (6)) vist i trin 3.11 til at estimere halveringstiden, hvis der kun er en hastighedskonstant tilgængelig.

Til bestemmelse af den effektive molære fotonflux i bestrålingsopsætningen måles den brøkdel af lys, der absorberes af ferrioxolatopløsning (f), nøjagtigt (figur 8). Selvom der anvendes en 0,006 M ferrioxalatopløsning i denne protokol, anbefales en 0,15 M opløsning, hvis der anvendes >440 nm lys til bestråling på grund af den lave absorbans25. Når f'et er målt, udsættes ferrioxalatopløsningen for fotoreduktionseksperimentet. Ved bestråling reduceres ferrioxalatet til en jernholdig ion (Fe2+), der efterfølgende koordineres af tre phenanthrolinligander for at danne [Fe(phen)3]2+- komplekset. Graden af fotoreduktion kan derefter opnås ved at måle absorptionen af [Fe(phen)3]2+ kompleks (figur 9). Den effektive molære fotonflux kan beregnes ud fra den kendte molære dæmpningskoefficient på [Fe(phen)3]2+ kompleks og kvanteudbytte af fotoreduktionen ved bestrålingsbølgelængden. Bestrålingskraften for den lyskilde, der anvendes i dette eksperiment, er tilstrækkelig til at beregne den molære fotonflux uden fortynding af den bestrålede prøve. Hvis absorbansen af den bestrålede prøve er højere end 1, skal ferrioxalatprøven fortyndes efter bestråling.

Når de effektive molære fotonflux- og molære dæmpelseskoefficienter for de rene isomerer er opnået, er det nu muligt at bestemme fotoisomeriseringskvanteudbyttet. Fotoisomerisering af 1 udføres ved hjælp af samme bestrålingsopsætning som aktinometrieksperimentet og overvåges ved UV-Vis-spektroskopi. Da den fotokemiske isomerisering er reversibel ved bestrålingsbølgelængderne, er individuelle kvanteudbytter for de fremadrettede og bagudrettede reaktioner viklet ind i den samlede reaktionshastighed og kan ikke bestemmes direkte. Det er derfor nødvendigt først at beregne pseudokvanteudbyttet (Q) ved den bestrålingsbølgelængde, hvorfra de enkelte kvanteudbytter ekstraheres bagefter. Pseudokvanteudbyttet er defineret af Eq (14), som tillader ekspression af de to lineære afhængige trin med en lineær uafhængig Eq (15) (Supplerende information).

Equation 23 (14)

Equation 24 (15)

Ved at anvende Eq (15) kan pseudokvanteudbyttet opnås ud fra den observerede totale absorbans og bestrålingstid, hvor det måles (Eq. (15) i de supplerende oplysninger). F(t), den såkaldte fotokinetiske faktor, er en tidsafhængig variabel, der ikke kan integreres direkte, når både 1-Z og 1-E absorberer lys ved bestrålingsbølgelængden. Når bestrålingsintervallet mellem tiden t1 og t2 er kort, tilnærmes integrationen af F(t) fra tid t1 til t2 til (t2 - t1) {F(t1) + F(t2)}/2 for at give Eq (11) (trin 5.7 og Eq. (27) i de supplerende oplysninger ). De beregnede gennemsnitlige værdier af pseudokvanteudbyttet er 43,0 ± 4,6 M-1 cm-1 ved 436 nm og 405,6 ± 20,3 M-1 cm-1 ved 340 nm (tabel 1).

Equation 26 (11)

Den numeriske relation mellem ΦZ→E og ΦE→Z opnås baseret på det isomere forhold ved PSS (Eq. (23) i den supplerende information), og endelig kan de individuelle kvanteudbytter bestemmes ved hjælp af Eq (12) og Eq (13) (trin 5.9).

Equation 27 (12)

Equation 25 (13)

De estimerede ensrettede fotoisomeriseringskvanteudbytter er ΦZ→E = 1,3 ± 0,1%, ΦE→Z = 0,6 ± 0,1% under 436 nm bestråling og ΦZ→E = 2,0 ± 0,1%, ΦE→Z = 4,6 ± 0,2% under 340 nm bestråling.

Figure 1
Figur 1: E/Z-isomerisering af hydrazonekontakt 1 induceret af lys og varme. De to isomerer 1-Z og 1-E interkonverterer ved fotobestråling ved forskellige bølgelængder. Metastabel 1-E kan termisk slappe af til 1-Z. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: 1H NMR-spektre på 1 (A) før og efter bestråling ved (B) 436 nm eller (C) 340 nm for at nå PSS'er i DMSO-d 6 ved 298,15 K. PSS-sammensætninger ved 436 og 340 nm består af henholdsvis 8 og 82% af 1-Z. Forkortelse: PSSs = fotostationære tilstande. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: En eksperimentel opsætning til fotoisomerisering og ferrioxalat actinometry. Prøveopløsningen i en kuvette placeres 1 cm foran Xe-lysbuelampen udstyret med et båndpasfilter. Forkortelse: d = afstand. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: UV-Vis absorptionsspektre på 1 (1 × 10-5 M i DMSO). Blå og røde faste linjer angiver absorptionsspektre på 1 i PSS'er under henholdsvis 436 og 340 nm bestråling. Blå og røde stiplede linjer angiver udledte absorptionsspektre af henholdsvis ren 1-E og 1-Z. Forkortelse: PSSs = fotostationære tilstande. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: En eksperimentel opsætning til overvågning af den termiske afslapningsproces. En varmebadcirkulationspumpe bruges til at opretholde temperaturkonstanten under opvarmning af prøven. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Plot af koncentrationen af 1-E versus opvarmningstid i DMSO-d 6 ved forskellige temperaturer. Hastighedskonstanterne for termisk afslapning ved forskellige temperaturer opnås fra tomterne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Arrhenius-plot af den termiske E-til-Z-isomerisering af 1 i DMSO-d 6. Ekstrapolering af den lineære pasform tyder på, at den termiske halveringstid på 1-E ved stuetemperatur er 101 ± 24 år. Forkortelser: k = hastighedskonstanten for termisk afslapning; T = temperatur. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: Fraktionen af absorberet lys med 0,006 M ferrioxalat i 0,05 M vandigH2SO4-opløsning. De målte fraktioner af absorberet lys ved fotobestrålingsbølgelængderne anvendes i ferrioxalat-actinometrien. Forkortelse: f = brøkdel af absorberet lys. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 9
Figur 9: Absorbansforskelle mellem de bestrålede (blå linje: bestrålet ved 436 nm, rød linje: bestrålet ved 340 nm) og ikke-bestrålede ferrioxalatprøver. Absorbansforskellen ved 510 nm (ΔA510) og den kendte værdi af molær dæmpningskoefficient for [Fe(phen)3]2+ kompleks (ε510 = 11100 M-1 cm-1) anvendes til at beregne den molære fotonflux. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 10
Figur 10: Overvågede UV-Vis-spektre ved bestråling. Bestråling med (A) 436 nm og (B) 340 nm bestråling. Plots af absorbansen ved 398 nm (λmax af den rene 1-Z) under bestråling ved (C) 436 nm og (D) 340 nm versus tid. Gennemsnitlige værdier af pseudokvanteudbyttet opnås ved anvendelse af de første ti datapunkter i C og D. Klik her for at se en større version af denne figur.

Tabel 1: Estimerede pseudokvanteudbytter og ensrettede fotoisomeriseringskvanteudbytter under bestrålingsbølgelængderne. Klik her for at downloade denne tabel.

Supplerende oplysninger: En brugervejledning til at vælge en passende procedure til bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet af en bistabil switch og karakterisering af forbindelse 1. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Forskellige strategier til at indstille fotoswørernes spektrale og skiftende egenskaber er blevet udviklet, og registret over fotoswiste vokser hurtigt28. Det er derfor afgørende at bestemme deres fotofysiske egenskaber korrekt, og vi forventer, at de metoder, der er opsummeret i denne artikel, vil være en nyttig vejledning til eksperimenter. Forudsat at den termiske afslapningshastighed er meget langsom ved stuetemperatur, tillader måling af PSS-sammensætninger ved forskellige bestrålingsbølgelængder, molære dæmpelseskoefficienter for de rene isomerer, effektiv molær fotonflux, sandpseudokvanteudbytte estimering af de ensrettede fotoisomeriseringskvanteudbytter. Eksperimentelle resultater præsenteret i dette arbejde afslørede, at fotofysiske egenskaber af 1 ikke er signifikant forskellige fra det usubstituerede modermolekyle15. Dette resultat tyder på, at amidbindingen kan være en nyttig tether til andre molekyler af interesse for deres strukturelle modulering.

Til bestemmelse af kvanteudbyttet er det vigtigt at anvende en korrekt integrationsmetode for den fotokinetiske faktor (se Supplerende oplysninger). Kritiske faktorer for valg af integrationsmetode er: (1) om begge isomerer absorberer lys ved bestrålingsbølgelængden (fotoreversibilitet)26, (2) om fotoirbestrålingen startede med en ren isomer29,30, og (3) om absorptionen ved bestrålingsbølgelængden er meget mindre end 0,1 eller større end 227. I dette arbejde er fotokemisk isomerisering af 1 reversibel ved bestrålingsbølgelængderne, og dens fotoswitching-eksperimenter starter med isomere blandinger. Absorptionen ved bestrålingsbølgelængderne er ikke tilstrækkelig lille (0,02366 ved 436 nm og 0,06638 ved 340 nm) til at foretage en tilnærmelse af den fotokinetiske faktor. I dette tilfælde tilnærmes integrationen af den fotokinetiske faktor for et kort bestrålingsinterval ved lineær interpolation (tilfælde 2 i supplerende oplysninger). For dem, der forsøger at bestemme fotoisomeriseringskvanteudbyttet af bistabile fotoswitches, er afledningen af relevante ligninger under forskellige omstændigheder præsenteret i Supplerende information.

Det bemærkes, at de metoder, der er beskrevet i denne artikel, ikke kan anvendes til fotowitches med ikke-ensartede fotokemiske processer (f.eks. dannelse af et langlivet mellemprodukt eller flere fotoprodukter) eller med hurtige termiske afslapningsprocesser31. Fotokemisk isomerisering af 1 er en ensartet proces og behøver ikke at tage højde for den termiske afslapning på grund af dens bistabilitet. For præcist at bestemme PSS-sammensætningen og hastigheden af den termiske proces for fotoswøker med hurtig termisk afslapning kræves en særlig eksperimentel opsætning til in situ-bestråling under spektroskopisk analyse (f.eks. et UV-Vis-spektrofotometer udstyret med en ekstra lyskilde til vinkelret bestråling, optisk fiber, der kan indsættes i NMR-prøven)32 . Det er også vigtigt at bruge en lyskilde med en smal båndbredde ved hjælp af et båndpasfilter eller en laser til ensartet energiexcitation.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Chung-Ang University Research Grants i 2019 og National Research Foundation of Korea (NRF-2020R1C1C1011134).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,10-phenanthroline Sigma-Aldrich 131377-2.5G
340 nm bandpass filter, 25 mm diameter, 10 nm FWHM Edmund Optics #65-129
436 nm bandpass filter, 25 mm diameter, 10 nm FWHM Edmund Optics #65-138
Anhydrous sodium acetate Alfa aesar A13184.30
Dimethyl sulfoxide Samchun D1138 HPLC grade
Dimethyl sulfoxide-d6 Sigma-Aldrich 151874-25g
Gemini 2000; 300 MHz NMR spectrometer Varian
H2SO4 Duksan 235
Heating bath JeioTech CW-05G
MestReNova 14.1.1 Mestrelab Research S.L., https://mestrelab.com/
Natural quartz NMR tube Norell S-5-200-QTZ-7
Potassium ferrioxalate trihydrate Alfa aesar 31124.06
Quartz absorption cell Hellma HE.110.QS10
UV-VIS spectrophotometer Scinco S-3100
Xenon arc lamp Thorlabs SLS205 Fiber adapter was removed

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kathan, M., Hecht, S. Photoswitchable molecules as key ingredients to drive systems away from the global thermodynamic minimum. Chemical Society Reviews. 46, 5536-5550 (2017).
  2. Feringa, B. L., Browne, W. R. Molecular Switches. 2nd ed. , Wiley-VCH. Weinheim. (2011).
  3. Baroncini, M., Silvi, S., Credi, A. Photo- and redox-driven artificial molecular motors. Chemical Reviews. 120 (1), 200-268 (2020).
  4. Goulet-Hanssens, A., Eisenreich, F., Hecht, S. Enlightening materials with photoswitches. Advanced Materials. 32 (20), 1905966 (2020).
  5. Basílio, N., Pischel, U. Drug delivery by controlling a supramolecular host-guest assembly with a reversible photoswitch. Chemistry-A European Journal. 22 (43), 15208-15211 (2016).
  6. Wegener, M., Hansen, M. J., Driessen, A. J. M., Szymanski, W., Feringa, B. L. Photocontrol of antibacterial activity: shifting from UV to red light activation. Journal of the American Chemical Society. 139 (49), 17979-17986 (2017).
  7. Izquierdo-Serra, M., et al. Optical control of endogenous receptors and cellular excitability using targeted covalent photoswitches. Nature Communications. 7 (1), 12221 (2016).
  8. Mourot, A., et al. Rapid optical control of nociception with an ion-channel photoswitch. Nature Methods. 9 (4), 396-402 (2012).
  9. Griffiths, K., Halcovitch, N. R., Griffin, J. M. Long-term solar energy storage under ambient conditions in a MOF-based solid-solid phase-change material. Chemistry of Materials. 32 (23), 9925-9936 (2020).
  10. Sun, C. -L., Wang, C., Boulatov, R. Applications of photoswitches in the storage of solar energy. ChemPhotoChem. 3 (6), 268-283 (2019).
  11. Gu, M., Zhang, Q., Lamon, S. Nanomaterials for optical data storage. Nature Reviews Materials. 1 (12), 16070 (2016).
  12. Roke, D., Wezenberg, S. J., Feringa, B. L. Molecular rotary motors: Unidirectional motion around double bonds. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (38), 9423-9431 (2018).
  13. Stranius, K., Börjesson, K. Determining the photoisomerization quantum yield of photoswitchable molecules in solution and in the solid state. Scientific Reports. 7 (1), 41145 (2017).
  14. Schneider, W. E. Long term spectral irradiance measurements of a 1000-watt xenon arc lamp. NASA-CR. , 132533 (1974).
  15. Qian, H., Pramanik, S., Aprahamian, I. Photochromic hydrazone switches with extremely long thermal half-lives. Journal of the American Chemical Society. 139 (27), 9140-9143 (2017).
  16. Shao, B., et al. Solution and solid-state emission toggling of a photochromic hydrazone. Journal of the American Chemical Society. 140 (39), 12323-12327 (2018).
  17. Shao, B., Qian, H., Li, Q., Aprahamian, I. Structure property analysis of the solution and solid-state properties of bistable photochromic hydrazones. Journal of the American Chemical Society. 141 (20), 8364-8371 (2019).
  18. Moran, M. J., Magrini, M., Walba, D. M., Aprahamian, I. Driving a liquid crystal phase transition using a photochromic hydrazone. Journal of the American Chemical Society. 140 (42), 13623-13627 (2018).
  19. Guo, X., Shao, B., Zhou, S., Aprahamian, I., Chen, Z. Visualizing intracellular particles and precise control of drug release using an emissive hydrazone photochrome. Chemical Science. 11 (11), 3016-3021 (2020).
  20. Yang, S., et al. Dynamic enzymatic synthesis of γ-cyclodextrin using a photoremovable hydrazone template. Chem. 7 (8), 2190-2200 (2021).
  21. Yang, S., et al. Multistage reversible Tg photomodulation and hardening of hydrazone-containing polymers. Journal of the American Chemical Society. 143 (40), 16348-16353 (2021).
  22. Connors, K. A. Chemical kinetics : the study of reaction rates in solution. , VCH. New York. (1990).
  23. Shao, B., Qian, H., Li, Q., Aprahamian, I. Structure property analysis of the solution and solid-state properties of bistable photochromic hydrazones. Journal of the American Chemical Society. 141 (20), 8364-8371 (2019).
  24. Kuhn, H., Braslavsky, S., Schmidt, R. Chemical actinometry (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry. 76 (12), 2105-2146 (2004).
  25. Murov, S. L., Carmichael, I., Hug, G. L. Handbook of hotochemistry 2nd ed. Rev. And expanded. , Marcel Dekker. New York. (1993).
  26. Dürr, H., Bouas-Laurent, H. Photochromism: Molecules and Systems. , Elsevier. Amsterdam. (2003).
  27. Klán, P., Wirz, J. Photochemistry of Organic Compounds: From Concepts to Practice. , Wiley. Hoboken. (2009).
  28. Harris, J. D., Moran, M. J., Aprahamian, I. New molecular switch architectures. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (38), 9414-9422 (2018).
  29. Maafi, M., Brown, R. G. The kinetic model for AB(1ϕ) systems: A closed-form integration of the differential equation with a variable photokinetic factor. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 187, 319-324 (2007).
  30. Lahikainen, M., et al. Tunable photomechanics in diarylethene-driven liquid crystal network actuators. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (42), 47939-47947 (2020).
  31. Mallo, N., et al. Photochromic switching behaviour of donor-acceptor Stenhouse adducts in organic solvents. Chemical Communications. 52, 13576-13579 (2016).
  32. Feldmeier, C., Bartling, H., Riedle, E., Gschwind, R. M. LED based NMR illumination device for mechanistic studies on photochemical reactions - Versatile and simple, yet surprisingly powerful. Journal of Magnetic Resonance. 232, 39-44 (2013).

Tags

Kemi Udgave 180 Kvanteudbytte fotokontakt hydrazonekontakt molær fotonflux UV-Vis-spektroskopi NMR-spektroskopi
Bestemmelse af fotoisomeriseringskvanteudbyttet af en hydrazone-fotoswitch
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jeong, M., Park, J., Lee, K., Kwon,… More

Jeong, M., Park, J., Lee, K., Kwon, S. Determination of the Photoisomerization Quantum Yield of a Hydrazone Photoswitch. J. Vis. Exp. (180), e63398, doi:10.3791/63398 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter