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 av Photoisomerization Quantum Yield av en Hydrazone Photoswitch

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

Fotoisomerisering kvanteutbytte er en grunnleggende fotofysisk egenskap som bør bestemmes nøyaktig i undersøkelsen av nyutviklede fotoswitches. Her beskriver vi et sett med prosedyrer for å måle fotoisomerisering kvanteutbyttet av en fotokrom hydrazon som en modell bistable photoswitch.

Abstract

Photoswitching organiske molekyler som gjennomgår lysdrevne strukturelle transformasjoner er viktige komponenter for å konstruere adaptive molekylære systemer, og de brukes i et bredt spekter av applikasjoner. I de fleste studier som bruker fotowitches, er flere viktige fotofysiske egenskaper som maksimal bølgelengder av absorpsjon og utslipp, molar dempingskoeffisient, fluorescenslevetid og fotoisomerisering kvanteutbytte nøye bestemt på å undersøke deres elektroniske tilstander og overgangsprosesser. Imidlertid er måling av fotoisomerisering kvanteutbyttet, effektiviteten av fotoisomerisering med hensyn til absorberte fotoner, i en typisk laboratorieinnstilling ofte komplisert og utsatt for feil fordi det krever implementering av strenge spektroskopiske målinger og beregninger basert på en passende integrasjonsmetode. Denne artikkelen introduserer et sett med prosedyrer for å måle fotoisomerisering kvanteutbyttet av en bistable photoswitch ved hjelp av en fotokromisk hydrazon. Vi forventer at denne artikkelen vil være en nyttig guide for undersøkelse av bistable fotowitches som blir stadig mer utviklet.

Introduction

Fotokromiske organiske molekyler har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet i et bredt spekter av vitenskapelige disipliner, da lys er en unik stimulans som kan drive et system bort fra sin termodynamiske likevekt ikke-invasivt1. Bestråling av lys med passende energier muliggjør strukturell modulering av lysbrytere med høy romlig presisjon 2,3,4. Takket være disse fordelene er ulike typer fotobrytere basert på konfigurasjons isomerisering av de doble bindingene (f.eks. stilbener, azobenzener, iminer, fumaramider, tioindigos) og ringåpning/-lukking (f.eks. spiropyrans, dithienylethenes, fulgides, donor-akseptor Stenhouse adducts) er utviklet og brukt som kjernekomponenter i adaptive materialer på ulike lengdeskalaer. Representative anvendelser av fotowitches involverer fotokrome materialer, legemiddellevering, utkoblingsreseptorer og kanaler, informasjons- eller energilagring og molekylære maskiner 5,6,7,8,9,10,11,12. I de fleste studier som presenterer nydesignede fotobrytere, karakteriseres deres fotofysiske egenskaper som λmaks absorpsjon og utslipp, molar dempingskoeffisient (ε), fluorescenslevetid og fotoisomerisering kvanteutbytte grundig. Undersøkelsen av slike egenskaper gir nøkkelinformasjon om elektroniske tilstander og overganger som er avgjørende for å forstå de optiske egenskapene og isomeriseringsmekanismen.

Imidlertid er nøyaktig måling av fotoisomerisering kvanteutbytte - antall fotoisomeriseringshendelser som oppstod delt av antall fotoner ved bestrålingsbølgelengden absorbert av reaktanten - ofte komplisert i en typisk laboratorieinnstilling på grunn av flere årsaker. Bestemmelse av fotoisomerisering kvanteutbytte oppnås vanligvis ved å overvåke fremme av reaksjon og måle antall absorberte fotoner under bestråling. Den primære bekymringen er at mengden fotonabsorpsjon per enhetstid endres gradvis fordi den totale absorpsjonen av løsningen endres over tid etter hvert som den fotokjemiske reaksjonen fortsetter. Derfor avhenger antall forbrukte reaktanter per enhetstid av tidsseksjonen der den måles under bestrålingen. Dermed er man forpliktet til å estimere fotoisomerisering kvanteutbyttet som er definert differensialt.

Et mer plagsomt problem oppstår når både reaktant og fotoprodukt absorberer lys ved bestrålingsbølgelengden. I dette tilfellet skjer den fotokjemiske isomeriseringen i begge retninger (dvs. en fotoreversibel reaksjon). De to uavhengige kvanteutbyttene for fremre og bakover reaksjoner kan ikke oppnås direkte fra den observerte reaksjonshastigheten. Unøyaktig lysintensitet er også en vanlig årsak til feil. For eksempel endrer aldringen av pæren gradvis intensiteten; utstråling av Xenon lysbue lampe ved 400 nm reduseres med 30% etter 1000 h drift14. Spredningen av ikke-kollatert lys gjør selve hendelsesbestrålingen betydelig mindre enn kildens nominelle kraft. Dermed er det avgjørende å nøyaktig kvantifisere den effektive fotonfluksen. Vær oppmerksom på at termisk avslapning av den metastabile formen ved romtemperatur bør være tilstrekkelig liten til å ignoreres.

Dette dokumentet introduserer et sett med prosedyrer for å bestemme fotoisomerisering kvanteutbyttet av en bistable photoswitch. En rekke hydrazone photoswitches utviklet av gruppen Aprahamian, det banebrytende forskerteamet i feltet, har vært i søkelyset takket være deres selektive fotoisomerisering og bemerkelsesverdige stabilitet av deres metastabile isomers 15,16,17. Deres hydrazone photoswitches består av to aromatiske ringer sammen med en hydrazongruppe, og C = N-bindingen gjennomgår selektiv E / Z-isomerisering ved bestråling ved passende bølgelengder (figur 1). De har blitt innlemmet som motile komponenter i dynamiske molekylære systemer 18,19,20,21. I dette arbeidet utarbeidet vi et nytt hydrazonderivatbærende lager blant grupper og undersøkte sine fotobryteregenskaper for bestemmelse av fotoisomerisering kvanteutbyttet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 1H NMR spektrum oppkjøp på fotostasjonær tilstand (PSS)

  1. I et naturlig kvarts NMR-rør som inneholder 4,2 mg (0,01 mmol) hydrazonbryter 1, tilsett 1,0 ml deutert dimetylsulfoksid (DMSO-d 6). Overfør halvparten av løsningen til et annet NMR-rør.
  2. Plasser et av NMR-rørene 1 cm foran en Xenon lysbuelampe utstyrt med et 436 nm båndpassfilter. Start bestråling til NMR-prøven og registrer et 1H NMR-spektrum hver dag til det ikke er noen endring i spektra når bryter 1 når PSS. Etter å ha nådd PSS, hold NMR-røret i mørket ved romtemperatur og registrer 1 H NMR-spekteretetter 12 timer for å overvåke fremdriften av termisk avslapning.
    MERK: Bryter 1 viser ingen merkbar endring i 1 H NMR-spekteret ved romtemperatur på grunn av sin bistable natur.
  3. For det andre NMR-røret gjentar du trinn 1.2 med et 340 nm bandpassfilter for å få et 1H NMR-spektrum ved PSS under 340 nm bestråling.
  4. Åpne FID-filer av NMR-spektra på PSSs med NMR-prosesseringsprogramvare. Integrer et særegent sett med topper (H1: C2 proton av quinoline, H2: proton i paraposisjon til hydrazongruppen, H3: CH3 av etylstere) av de distinkte isomerene og beregn det isomeriske forholdet (figur 2).
    MERK: Komposisjoner ([1-Z]:[1-E] forhold) under henholdsvis 436 nm og 340 nm bestråling er henholdsvis 8:92 og 82:18.

2. UV-Vis absorpsjonsspektroskopi ved PSS

  1. I et hetteglass med 12,6 mg (0,03 mmol) 1 tilsettes 2 ml spektroskopikvalitet DMSO. Ta 100 μL av løsningen og fortynn med 1400 μL DMSO for å lage 1 mM løsning på 1. Overfør 20 μL 1 mM løsning på 1 til en kvarts cuvette med 1,0 cm optisk banelengde og fortynn med 1980 μL DMSO for å lage en 10 μM løsning på 1. Forsegle cuvette med en PTFE-stopper og hold prøven i mørket.
  2. Forbered en annen kvarts cuvette som inneholder 2 ml DMSO som en tom prøve. Mål UV-Vis-spekteret for den tomme prøven for baseline korreksjon.
  3. Plasser prøven fra trinn 2,1 1 cm foran en Xenon lysbuelampe utstyrt med et 436 nm båndpassfilter. Start bestrålingen av prøven og mål UV-Vis-spekteret hver 2.
    MERK: Tiden det tar å nå PSS for UV-Vis spektroskopiprøven er mye kortere enn for NMR-prøven med høyere konsentrasjon.
  4. Gjenta trinn 2.3 med et 340 nm bandpassfilter for å oppnå UV-Vis-spekteret ved PSS under 340 nm bestråling.
  5. Utlede absorbansspektra av den rene 1-Z og 1-E ved hjelp av Eq (1) og Eq (2) (Figur 4).
    Equation 1 (1)
    Equation 2 (2)
    Der R436 = forholdet mellom 1-Z ved PSS under 436 nm bestråling; R340 = forholdet mellom 1-Z ved PSS under 340 nm bestråling; A436 = absorbansen av 1 i DMSO ved PSS under 436 nm bestråling; A340 = absorbansen av 1 i DMSO ved PSS under 340 nm bestråling.
  6. Beregn molardempingskoeffisientene til rene 1-Z og 1-E ved alle bølgelengder ved å dele den observerte absorbansen ved prøvekonsentrasjonen (10 μM) og den optiske banelengden (1 cm).

3. Kinetiske studier på termisk avslapning

  1. Varm opp silisiumoljen som er fylt i en varmebadsirkulasjon til ønsket temperatur (131 °C), og kontroller om temperaturen på badekaret er stabilisert. Senk to NMR-prøver ned fra trinn 1.2 i varmebadet.
    MERK: Temperaturen og varigheten av oppvarmingen justeres avhengig av avslapningsfrekvensen.
  2. Etter 1 t oppvarming, overfør NMR-rørene raskt til et tørt isbad for å pause den termiske avslapningen forårsaket av latent varme (figur 5).
    MERK: Unøyaktig oppvarmingstemperatur eller -tid kan føre til alvorlig feil i estimeringen av hastighetskonstanten.
  3. Tine NMR-prøvene hentet fra trinn 3.2 ved romtemperatur og sørg for at DMSO er tint. Registrer 1H NMR-spektra av prøvene.
  4. Gjenta trinn 3.1-3.3 til det ikke er noen endring i 1H NMR-spektra når 1 når termodynamisk likevekt.
  5. Gjenta trinn 3,1-3,4 ved forskjellige temperaturer (134, 137, 140 og 143 °C).
  6. Åpne fid filer av NMR spektra oppnådd i løpet av oppvarming ved 131 °C. Beregn gjennomsnittlige isomeriske forhold som beskrevet i trinn 1.4. Beregn konsentrasjonen av 1-E (metastabil isomer) basert på den totale prøvekonsentrasjonen (10 mM) og det isomeriske forholdet.
  7. Plott den gjennomsnittlige konsentrasjonen på 1-E (CE) som en funksjon av oppvarmingstiden. Utfør en eksponentiell tilpasning til dataene for å oppnå frekvensen konstant termisk avslapning ved hjelp av Eq (3)15,22 (figur 6).
    Equation 3 (3)
    Hvor Equation 4 (M) = konsentrasjonen av 1-E ved starttilstand Equation 5 ; (M) = konsentrasjonen av 1-E ved den termodynamiske likevekten ved en bestemt temperatur; k (s-1) = hastigheten konstant av termisk avslapning ved en bestemt temperatur; t(s) = oppvarmingstiden.
  8. Gjenta trinn 3.6 til 3.7 ved hjelp av dataene som er innhentet ved forskjellige temperaturer.
  9. Plott ln(k) versus Equation 6 og utfør en lineær passform i henhold til Arrhenius-ligningen (Eq (4)) for å ekstrapolere hastighetskonstanten ved romtemperatur (figur 7).
    Equation 7 (4)
    Der A = den pre-eksponentielle faktoren; Ea (J·mol-1) = aktiveringsenergien for termisk avslapning; R = den ideelle gasskonstanten (8,3145 J·mol-1 K-1); T (K) = absolutt temperatur.
  10. Beregn den termiske halveringstiden på 1-E ved romtemperatur ved hjelp av Eq (5).
    Equation 8 (5)
    Hvor τ1/2 (er) = den termiske halveringstiden på 1-E ved romtemperatur; k (s-1) = hastigheten konstant termisk avslapning ved romtemperatur oppnådd fra trinn 3.9.
  11. Hvis hastighetskonstanten for termisk avslapning bare anslås ved en enkelt temperatur, beregner du hastighetskonstanten ved romtemperatur ved hjelp av følgende omorganiserte Eyring-ligning (Eq (6))18,23.
    Equation 9 (6)
    Equation 10 (7)
    Hvor Equation 11 (J·mol-1) = Gibbs energi av aktivering for termisk avslapning; k1 (s-1) = hastigheten konstant av termisk avslapning estimert ved forhøyet temperatur; k2 (s-1) = hastigheten konstant termisk avslapning ved romtemperatur (298,15 K); T1 (K) = den absolutte temperaturen der k1 oppnås; (K) = romtemperatur (298,15 K).

4. Ferrioksalate actinometri

MERK: Alle prosedyrer for feroksalat actinometri må utføres i mørket eller >600 nm lys for å forhindre påvirkning av omgivelseslys.

  1. I et 20 ml hetteglass som inneholder 29,48 mg (0,06 mmol) kalium ferrioksalattrihydrat, tilsett 8 ml deionisert vann. Tilsett 1 ml 0,5 M vandig H2SO4 til feroksalatoppløsningen og fortynn til 10 ml med deionisert vann for å tilberede en 0,006 M feroksaltat i 0,05 M vandig H2SO4-løsning .
  2. I et annet 20 ml hetteglass som inneholder 10 mg 110-fenantropin og 1,356 g vannfri natriumacetat, tilsett 10 ml 0,5 M vandig H2SO4 for å lage en bufret 0,1% (w / v) fenanthroline løsning.
  3. Overfør 2 ml av 0,006 M feroksalatoppløsningen fra trinn 4.1 til en kvartscuvette med 1,0 cm optisk banelengde. Forsegle cuvette med en PTFE-stopper og hold prøven i mørket.
  4. Forbered en annen kvarts cuvette som inneholder 2 ml 0,05 M vandig H2SO4 som en tom prøve. Mål UV-Vis-absorbansen av den tomme prøven for baseline korreksjon.
  5. Mål UV-Vis-absorbansen til 0,006 M-feroksalatoppløsningen. Bestem fraksjonen av lys som absorberes ved hjelp av absorbansene til 0,006 M-feroksalatoppløsningen ved 340 og 436 nm og Eq (8) (figur 8).
    Equation 12 (8)
    Hvor f = brøkdelen av lys absorbert av 0,006 M feroksalatoppløsning; Enλ = absorbansen av 0,006 M feroksalatoppløsning ved bølgelengde λ.
  6. Forbered to kvarts cuvettes med 1,0 cm optisk banelengde og tilsett 2 ml av 0,006 M feroksalatoppløsningen.
  7. Plasser en av prøvene fra trinn 4,6 1 cm foran Xenon lysbuelampe utstyrt med et 436 nm bandpassfilter. Hold den andre prøven i mørket. Start bestråling til prøven i 90 s. Etter bestråling tilsettes 0,35 ml av den bufrede 0,1% fenantropinoppløsningen og en magnetisk stang til begge cuvettene etterfulgt av omrøring i 1 time i mørket for å danne et [Fe(phen)3]2+ kompleks.
    MERK: Ferriksalat er fotokjemisk redusert til Fe2+, etterfulgt av den nesten kvantitative dannelsen av tris-1,10-fenanthroline jern (II) kompleks.
  8. Mål UV-Vis-absorpsjonsspekteret for den ikke-bestrålede prøven fra trinn 4.6 for baseline korreksjon.
  9. Mål UV-Vis-absorpsjonsspekteret for den bestrålede prøven fra trinn 4.7.
  10. Gjenta trinn 4.6-4.9 med et 340 nm båndpassfilter (figur 9).
    MERK: Når ferritoksalatet er utsatt for lys, kan ikke prøven brukes på nytt.
  11. Beregn molar fotonfluksen som ankommer cuvette ved hjelp av Eq (9).
    Equation 13 (9)
    Hvor jeg (mol·s-1) = molar photon flux ankommer cuvette; ΔA510 = forskjellen i absorbans ved 510 nm mellom de ikke-bestrålede og bestrålede prøvene; V = det totale volumet av løsning (2,35 ml); ε510 = molar dempingskoeffisienten til [Fe(phen)3]2+ kompleks (11100 M-1 cm-1)24; I = den optiske banelengden på kvartscuvette (1,0 cm); t = bestrålingstid (90 s); f = den absorberte brøkdelen av lys oppnådd fra trinn 4.5; ΦFe3+ = kvanteutbyttet til fotoreduksjonen av Fe3+ til Fe2+ (1,22 for 340 nm, 1,11 for 436 nm)25.

5. Bestemmelse av fotoisomerisering kvanteutbytte

  1. Forbered en kvartscuvette med 1,0 cm optisk banelengde som inneholder 2 ml DMSO som den tomme prøven. Mål UV-Vis-absorbansen av den tomme prøven for baseline korreksjon.
  2. Forbered en kvarts cuvette med 1,0 cm optisk banelengde som inneholder 2 ml 10 μM oppløsning på 1 i DMSO oppnådd fra trinn 2.4 (Z-beriket). Forsegle cuvettene med en PTFE-stopper.
  3. Plasser prøven fra trinn 5,2 1 cm foran Xenon lysbuelampe utstyrt med et 436 nm båndpassfilter. Start bestråling ved 436 nm til prøven og mål UV-Vis absorpsjonsspekteret med forskjellige intervaller til det ikke er noen endring i spektra når 1 når PSS (figur 10).
    MERK: Bestrålingsoppsettet må være nøyaktig det samme som det som brukes til molar photon flux-målingen. Bestrålingsintervallet bør justeres basert på fotoisomeriseringshastigheten. Vanligvis er 15-20 datapunkter før du når PSS egnet.
  4. Forbered en kvartscuvette med 1,0 cm optisk banelengde som inneholder 2 ml 10 μM oppløsning på 1 i DMSO oppnådd fra trinn 2.3 (E-beriket). Forsegle cuvettene med en PTFE-stopper.
  5. Bytt ut 436 nm båndpassfilteret med 340 nm båndpassfilteret og gjenta trinn 5.3 for prøven hentet fra trinn 5.4.
  6. Beregn den fotokinetiske faktoren F(t) ved hjelp av de observerte absorbansene fra trinn 5.3 og Eq (10)26.
    Equation 14 (10)
    Hvor en irr,t = absorbansen ved bestrålingsbølgelengden på tidspunktet t.
  7. Beregn pseudokvanteutbyttet Q ved hjelp av de fotokinetiske faktorverdiene hentet fra trinn 5.6 og Eq (11)27.
    Equation 15 (11)
    Der Q (M-1 cm-1) = pseudo-kvanteutbyttet definert som ; Equation 16; V(L) = volumet av prøven; I (mol·s-1) = molar foton fluxen som ankommer cuvette; l (cm) = den optiske banelengden; t1, t2 (s) = de to påfølgende tidspunktene for bestråling; F(t1), F(t2) = de fotokinetiske faktorene ved henholdsvis t1 og t2; Enobs,t1, Aobs,t2, Aobs,∞ = absorbansene ved spesifikk bølgelengde om gangen , henholdsvis t1 og t2 ved PSS.
    MERK: Bruk av absorbanser ved λmaks 1-Z anbefales for nøyaktighet.
  8. Beregn den gjennomsnittlige verdien av pseudo-kvanteutbyttet ved hjelp av de ti første datapunktene.
  9. Beregn de enveis kvanteutbyttene for Z-til-E- og E-til-Z-fotoisomeriseringer ved hjelp av Eq (12) og Eq (13).
    Equation 17 (12)
    Equation 18 (13)
    Der ΦZ→E, ΦE→Z = det enveis kvanteutbyttet for henholdsvis Z-til-E- og E-til-Z-fotoisomeriseringsprosesser; Equation 19, Equation 20 (M-1 cm-1) = molar dempingskoeffisientene på henholdsvis 1-Z og 1-E ved bestrålingsbølgelengden; Equation 21, Equation 22 (M) = konsentrasjonene av henholdsvis 1-Z og 1-E ved PSS; Ctot (M) = den totale konsentrasjonen på 1.
  10. Gjenta trinn 5.6-5.9 ved hjelp av dataene hentet fra trinn 5.5 for beregning av kvanteutbyttet for enveis fotoisomerisering under bestråling ved 340 nm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved bestråling av 1 i et NMR-rør med 436 nm lys (Z:E = 54:46 i starttilstand), øker andelen 1-E på grunn av den dominerende Z-til-E-isomeriseringen av hydrazonE C=N-bindingen (figur 1). Det isomeriske forholdet kan lett oppnås fra de relative signalintensitetene til distinkte isomerer i 1H NMR-spekteret (figur 2). Etter 5 dagers bestråling ved 436 nm når prøven PSS som inneholder 92% av 1-E. Langvarig bestråling er nødvendig for å nå PSS på grunn av den høye prøvekonsentrasjonen (10 mM) og svak intensitet av lyskilden. Etterfølgende bestråling ved 340 nm induserer E-til-Z-isomerisering, og når PSS som inneholder 82% av 1-Z etter 3 dagers bestråling.

En kortere bestrålingstid er nødvendig for å nå PSS i UV-Vis spektroskopieksperimentet (henholdsvis 10 t og 4 t for bestråling ved henholdsvis 436 og 340 nm) på grunn av den nedre prøvekonsentrasjonen (10 μM). Siden det er vanskelig å isolere de rene isomerene ved kromatografi eller oppnå dem ved fotoisomerisering, brukes UV-Vis absorpsjonsspektra på 1 i PSS-ene til å utlede absorpsjonsspektraet til den rene 1-Z og 1-E (figur 4). Bølgelengden på absorpsjons maksimum (λmax, 398 nm for 1-Z og 375 nm for 1-E) og molar dempingskoeffisient (ε) kan fås fra det utledede spektraet. UV-Vis-spektra av de rene isomerene antyder at den ufullstendige fotoisomeriseringen tilskrives den omvendte fotokjemiske prosessen, det vil si at absorpsjonsbåndet overlapper ved bestrålingsbølgelengdene.

For å bestemme fotoisomerisering kvanteutbyttet, blir frekvensen av termisk avslapning og den effektive molar fotonfluks først undersøkt. Fordi den metastabile isomeren 1-E er svært stabil ved romtemperatur, overvåkes termisk drevet E-til-Z-isomerisering ved forhøyede temperaturer (fra 131 til 143 °C) ved hjelp av 1H NMR-spektroskopi, og førsteordenshastighetskonstantene for avslapning er estimert (figur 6). De oppnådde hastighetskonstantene ved forskjellige temperaturer plottes deretter kontra gjensidig temperatur og lineært monteres ved hjelp av Arrhenius-ligningen (Eq (4)) (figur 7). Graden av termisk avslapning ((2,2 ± 0,5) × 10-10 s-1) og halveringstiden på 1-E (101 ± 24 år) ved romtemperatur kan deretter ekstrapoleres. Dermed er det trygt å ignorere effekten av termisk avslapning i fotoisomeriseringsprosessen ved romtemperatur. Man kan også bruke den omorganiserte Eyring-ligningen (Eq (6)) vist i trinn 3.11 for å estimere halveringstiden hvis bare én satskonstant er tilgjengelig.

For fastsettelse av den effektive molar fotonfluksen i bestrålingsoppsettet, bør fraksjonen av lys absorbert av feroksalatoppløsning (f) måles nøyaktig (figur 8). Selv om en 0,006 M feroksalatløsning brukes i denne protokollen, anbefales en 0,15 M løsning hvis du bruker >440 nm lys for bestråling på grunn av den lave absorbansen25. Når f er målt, blir feroksalatoppløsningen utsatt for fotoreduksjonseksperimentet. Ved bestråling reduseres feroksalatet til en jernholdig ion (Fe2+) som deretter koordineres med tre fenantropinligander for å danne [Fe(phen)3]2+- komplekset. Graden av fotoreduksjon kan deretter oppnås ved å måle absorpsjonen av [Fe(phen)3]2+ kompleks (figur 9). Den effektive molar fotonfluksen kan beregnes ut fra den kjente molardempingskoeffisienten til [Fe(phen)3]2+ kompleks og kvanteutbytte av fotoreduksjonen ved bestrålingsbølgelengden. Bestrålingskraften til lyskilden som brukes i dette eksperimentet er nok til å beregne molar fotonfluksen uten fortynning av den bestrålede prøven. Hvis absorbansen av den bestrålede prøven er høyere enn 1, bør ferrioksalatprøven fortynnes etter bestråling.

Når de effektive molar photon flux og molar dempingskoeffisientene til de rene isomerene er oppnådd, er det nå mulig å bestemme fotoisomerisering kvanteutbyttet. Fotoisomerisering av 1 utføres ved hjelp av samme bestrålingsoppsett som aktinometrieksperimentet og overvåkes av UV-Vis spektroskopi. Ettersom den fotokjemiske isomeriseringen er reversibel ved bestrålingsbølgelengdene, blir individuelle kvanteutbytter for fremre og bakoverreaksjoner viklet inn i den totale reaksjonshastigheten og kan ikke bestemmes direkte. Det er derfor nødvendig å først beregne pseudo-kvanteutbyttet (Q) ved bestrålingsbølgelengden som de enkelte kvanteutbyttene ekstraheres fra etterpå. Pseudokvanteutbyttet er definert av Eq (14), som tillater uttrykket av de to lineære avhengige trinnene med en lineær uavhengig Eq (15) (Tilleggsinformasjon).

Equation 23 (14)

Equation 24 (15)

Ved å bruke Eq (15) kan pseudokvanteutbyttet oppnås fra den observerte totale absorbansen og bestrålingstiden der det måles (Eq. (15) i tilleggsinformasjonen). F(t), den såkalte fotokinetiske faktoren, er en tidsavhengig variabel som ikke kan integreres direkte når både 1-Z og 1-E absorberer lys ved bestrålingsbølgelengden. Når bestrålingsintervallet mellom tid t1 og t2 er kort, er integreringen av F(t) fra tid t1 til t2 omtrentlig til (t2 - t1) {F(t1) + F(t2)}/2 for å gi Eq (11) (trinn 5.7 og Eq. (27) i den supplerende informasjonen ). De gjennomsnittlige verdiene for det beregnede pseudo-kvanteutbyttet er 43,0 ± 4,6 M-1 cm-1 ved 436 nm og 405,6 ± 20,3 M-1 cm-1 ved 340 nm (tabell 1).

Equation 26 (11)

Den numeriske relasjonen mellom ΦZ→E og ΦE→Z oppnås basert på det isomeriske forholdet ved PSS (Eq. (23) i tilleggsinformasjonen), og til slutt kan de individuelle kvanteutbyttene bestemmes ved å bruke Eq (12) og Eq (13) (trinn 5.9).

Equation 27 (12)

Equation 25 (13)

De estimerte enveis fotoisomerisering kvanteutbyttene 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 av hydrazonbryter 1 indusert av lys og varme. De to isomerene 1-Z og 1-E interkonverterer ved fotoirradiering ved forskjellige bølgelengder. Metastable 1-E kan termisk slappe av til 1-Z. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: 1H NMR-spektra på 1 (A) før og etter bestråling ved (B) 436 nm eller (C) 340 nm for å nå PSS i DMSO-d 6 ved 298,15 K. PSS-komposisjoner på henholdsvis 436 og 340 nm består av henholdsvis 8 og 82% av 1-Z. Forkortelse: PSSs = fotostasjonære tilstander. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Et eksperimentelt oppsett for fotoisomerisering og feroksalat actinometri. Prøveløsningen i en cuvette er plassert 1 cm foran Xe buelampe utstyrt med et bandpassfilter. Forkortelse: d = avstand. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: UV-Vis absorpsjonsspektra på 1 (1 × 10-5 M i DMSO). Blå og røde faste linjer indikerer absorpsjonsspektra på 1 i PSS under henholdsvis 436 og 340 nm bestråling. Blå og røde stiplede linjer indikerer utledet absorpsjonsspektra av henholdsvis ren 1-E og 1-Z. Forkortelse: PSSs = fotostasjonære tilstander. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Et eksperimentelt oppsett for overvåking av den termiske avslapningsprosessen. En varmebadsirkulasjon brukes til å opprettholde temperaturen konstant under oppvarming av prøven. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Plott av konsentrasjonen på 1-E kontra oppvarmingstid i DMSO-d 6 ved forskjellige temperaturer. Hastigheten konstanter av termisk avslapning ved forskjellige temperaturer er hentet fra tomtene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Arrhenius-plottet til den termiske E-til-Z-isomeriseringen av 1 i DMSO-d 6. Ekstrapolering av den lineære passformen antyder at den termiske halveringstiden på 1-E ved romtemperatur er 101 ± 24 år. Forkortelser: k = hastigheten konstant av termisk avslapning; T = temperatur. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Fraksjonen av absorbert lys med 0,006 M ferritoksalat i 0,05 M vandig H2SO4-oppløsning . De målte fraksjonene av absorbert lys ved fotoirradieringsbølgelengdene brukes i feroksalatet actinometri. Forkortelse: f = brøkdel av lys absorbert. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: Absorbansforskjeller mellom bestrålet (blå linje: bestrålet ved 436 nm, rød linje: bestrålet ved 340 nm) og ikke-bestrålede feroksalateprøver. Absorbansforskjellen ved 510 nm (ΔA510) og den kjente verdien av molar dempingskoeffisienten til [Fe(phen)3]2+ komplekset (ε510 = 11100 M-1 cm-1) brukes til å beregne molar photon flux. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10: Overvåket UV-Vis-spektra ved bestråling. Bestråling med (A) 436 nm og (B) 340 nm bestråling. Besitter absorbansen ved 398 nm (λmaks av ren 1-Z) under bestråling ved (C) 436 nm og (D) 340 nm versus tid. Gjennomsnittlige verdier av pseudo-kvanteutbyttet oppnås ved hjelp av de ti første datapunktene i C og D. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tabell 1: Estimerte pseudo-kvanteutbytter og enveis fotoisomerisering kvanteutbytter under bestrålingsbølgelengdene. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

Tilleggsinformasjon: En brukerveiledning for å velge en passende prosedyre for å bestemme fotoisomerisering kvanteutbyttet av en bistabil bryter og karakterisering av sammensatte 1. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ulike strategier for å justere spektral- og bytteegenskapene til fotowitches er utviklet, og registeret over fotowitches vokser raskt28. Det er derfor viktig å bestemme deres fotofysiske egenskaper riktig, og vi forventer at metodene oppsummert i denne artikkelen vil være en nyttig guide til eksperimenter. Forutsatt at den termiske avslapningshastigheten er veldig treg ved romtemperatur, måling av PSS-komposisjoner ved forskjellige bestrålingsbølgelengder, tillater molar dempingskoeffisienter av de rene isomerene, effektiv molar fotonfluks, sand pseudo kvanteutbyttet estimering av de enveis fotoisomerisering kvanteutbyttene. Eksperimentelle resultater presentert i dette arbeidet viste at fotofysiske egenskaper på 1 ikke er vesentlig forskjellig fra det ubegrunnede foreldremolekylet15. Dette resultatet antyder at amide linkage kan være en nyttig tether til andre molekyler av interesse for deres strukturelle modulasjon.

For fastsettelse av kvanteutbyttet er det viktig å bruke en riktig integrasjonsmetode for den fotokinetiske faktoren (se Tilleggsinformasjon). Kritiske faktorer for valg av integrasjonsmetode er: (1) om begge isomerene absorberer lys ved bestrålingsbølgelengden (fotoreversibility)26, (2) om fotoirradiasen startet med en ren isomer29,30, og (3) om absorpsjonen ved bestrålingsbølgelengden er mye mindre enn 0,1 eller større enn 227. I dette arbeidet er fotokjemisk isomerisering av 1 reversibel ved bestrålingsbølgelengdene, og fotobrytereksperimentene starter med isomeriske blandinger. Absorpsjon ved bestrålingsbølgelengdene er ikke tilstrekkelig liten (0,02366 ved 436 nm og 0,06638 ved 340 nm) for å gjøre en tilnærming av den fotokinetiske faktoren. I dette tilfellet er integrering av fotokinetisk faktor for et kort bestrålingsintervall tilnærmet lineær interpolering (tilfelle 2 i supplerende informasjon). For de som prøver å bestemme fotoisomerisering kvanteutbyttet av bistable fotowitches, er avledning av relevante ligninger under forskjellige omstendigheter presentert i Supplerende informasjon.

Vær oppmerksom på at metodene beskrevet i denne artikkelen ikke kan brukes til fotobrytere med ikke-ensartede fotokjemiske prosesser (f.eks. dannelse av et langvarig mellomliggende eller flere fotoprodukter) eller med raske termiske avslapningsprosesser31. Fotokjemisk isomerisering av 1 er en jevn prosess og trenger ikke å ta hensyn til termisk avslapning på grunn av sin bi ustabilitet. For å nøyaktig bestemme PSS-sammensetningen og frekvensen av termisk prosess av fotoswitches med rask termisk avslapning, er det nødvendig med et spesielt eksperimentelt oppsett for in situ bestråling under spektroskopisk analyse (f.eks. et UV-Vis spektrofotometer utstyrt med en ekstra lyskilde for vinkelrett bestråling, optisk fiber som kan settes inn i NMR-prøven)32 . Det er også viktig å bruke en lyskilde med en smal båndbredde ved å bruke et båndpassfilter eller en laser for jevn energieksitasjon.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av 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

Kjemi Utgave 180 Quantum utbytte fotobryter hydrazonbryter molar fotonfluks UV-Vis spektroskopi NMR spektroskopi
Bestemmelse av Photoisomerization Quantum Yield av en Hydrazone Photoswitch
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