Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Bepaling van de foto-isomerisatie quantumopbrengst van een 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

Foto-isomerisatie kwantumopbrengst is een fundamentele fotofysische eigenschap die nauwkeurig moet worden bepaald in het onderzoek van nieuw ontwikkelde fotoschakelaars. Hier beschrijven we een reeks procedures om de foto-isomerisatie kwantumopbrengst van een fotochrome hydrazone te meten als een model bistabiele fotoschakelaar.

Abstract

Foto-schakelende organische moleculen die lichtgestuurde structurele transformaties ondergaan, zijn belangrijke componenten om adaptieve moleculaire systemen te construeren en ze worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen. In de meeste studies met fotoschakelaars worden verschillende belangrijke fotofysische eigenschappen zoals maximale golflengten van absorptie en emissie, molaire verzwakkingscoëfficiënt, fluorescentielevensduur en foto-isomerisatie kwantumopbrengst zorgvuldig bepaald om hun elektronische toestanden en overgangsprocessen te onderzoeken. Het meten van de kwantumopbrengst van foto-isomerisatie, de efficiëntie van foto-isomerisatie met betrekking tot de geabsorbeerde fotonen, in een typische laboratoriumomgeving is echter vaak gecompliceerd en foutgevoelig omdat het de implementatie van rigoureuze spectroscopische metingen en berekeningen vereist op basis van een geschikte integratiemethode. Dit artikel introduceert een reeks procedures om de foto-isomerisatie kwantumopbrengst van een bistabiele fotoschakelaar te meten met behulp van een fotochrome hydrazone. We verwachten dat dit artikel een nuttige gids zal zijn voor het onderzoek naar bistabiele fotoschakelaars die steeds meer worden ontwikkeld.

Introduction

Fotochrome organische moleculen hebben veel aandacht getrokken in een breed scala van wetenschappelijke disciplines, omdat licht een unieke stimulus is die een systeem niet-invasief van zijn thermodynamische evenwicht kan wegdrijven1. Bestraling van licht met de juiste energieën maakt structurele modulatie van fotoschakelaars met hoge spatiotemporale precisie 2,3,4 mogelijk. Dankzij deze voordelen zijn verschillende soorten fotoschakelaars op basis van configuratie-isomerisatie van de dubbele bindingen (bijv. Stilbenen, azobenzenen, imines, fumaramiden, thioindigos) en ringopening / sluiting (bijv. Spiropyrans, dithienylethenes, fulgiden, donor-acceptor Stenhouse-adducten) ontwikkeld en gebruikt als de kerncomponenten van adaptieve materialen op verschillende lengteschalen. Representatieve toepassingen van fotoschakelaars omvatten fotochrome materialen, medicijnafgifte, schakelbare receptoren en kanalen, informatie- of energieopslag en moleculaire machines 5,6,7,8,9,10,11,12. In de meeste studies die nieuw ontworpen fotoschakelaars presenteren, worden hun fotofysische eigenschappen zoals λmaximale absorptie en emissie, molaire verzwakkingscoëfficiënt (ε), fluorescentielevensduur en foto-isomerisatie kwantumopbrengst grondig gekarakteriseerd. Het onderzoek van dergelijke eigenschappen levert belangrijke informatie op over de elektronische toestanden en overgangen die cruciaal zijn voor het begrijpen van de optische eigenschappen en het isomerisatiemechanisme.

Nauwkeurige meting van foto-isomerisatie kwantumopbrengst - het aantal foto-isomerisatiegebeurtenissen dat plaatsvond gedeeld door het aantal fotonen op de bestralingsgolflengte geabsorbeerd door de reactant - is echter vaak gecompliceerd in een typische laboratoriumomgeving vanwege verschillende redenen. Bepaling van de kwantumopbrengst van de foto-isomerisatie wordt over het algemeen bereikt door de voortgang van de reactie te volgen en het aantal geabsorbeerde fotonen tijdens bestraling te meten. De belangrijkste zorg is dat de hoeveelheid fotonabsorptie per tijdseenheid geleidelijk verandert omdat de totale absorptie door de oplossing in de loop van de tijd verandert naarmate de fotochemische reactie vordert. Daarom is het aantal verbruikte reactanten per tijdseenheid afhankelijk van het tijdsgedeelte waarin het tijdens de bestraling wordt gemeten. Men is dus verplicht om de foto-isomerisatie kwantumopbrengst te schatten die differentieel wordt gedefinieerd.

Een lastiger probleem doet zich voor wanneer zowel de reactant als het fotoproduct licht absorberen op de bestralingsgolflengte. In dit geval vindt de fotochemische isomerisatie in beide richtingen plaats (d.w.z. een fotoomkeerbare reactie). De twee onafhankelijke kwantumopbrengsten voor de voorwaartse en achterwaartse reacties kunnen niet rechtstreeks uit de waargenomen reactiesnelheid worden verkregen. Onnauwkeurige lichtintensiteit is ook een veel voorkomende oorzaak van fouten. De veroudering van de lamp verandert bijvoorbeeld geleidelijk de intensiteit; de bestraling van de Xenon-booglamp bij 400 nm neemt na 1000 h van bedrijf14 met 30% af. De verspreiding van niet-gecollimeerd licht maakt de werkelijke invallende bestraling aanzienlijk kleiner dan het nominale vermogen van de bron. Het is dus cruciaal om de effectieve fotonenflux nauwkeurig te kwantificeren. Van belang is dat de thermische ontspanning van de metastabiele vorm bij kamertemperatuur voldoende klein moet zijn om te worden genegeerd.

Dit artikel introduceert een reeks procedures om de foto-isomerisatie kwantumopbrengst van een bistabiele fotoschakelaar te bepalen. Een aantal hydrazone-fotoschakelaars ontwikkeld door de groep van Aprahamian, het baanbrekende onderzoeksteam in het veld, hebben in de schijnwerpers gestaan dankzij hun selectieve foto-isomerisatie en opmerkelijke stabiliteit van hun metastabiele isomeren 15,16,17. Hun hydrazone-fotoschakelaars bestaan uit twee aromatische ringen verbonden door een hydrazonegroep en de C = N-binding ondergaat selectieve E / Z-isomerisatie bij bestraling op geschikte golflengten (figuur 1). Ze zijn met succes opgenomen als de beweeglijke componenten van dynamische moleculaire systemen 18,19,20,21. In dit werk hebben we een nieuw hydrazone-derivaat met amidegroepen voorbereid en de fotoswitching-eigenschappen ervan onderzocht voor de bepaling van de foto-isomerisatie-kwantumopbrengst.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 1H NMR spectrum acquisitie bij fotostationaire toestand (PSS)

  1. Voeg in een nmr-buis van natuurlijk kwarts die 4,2 mg (0,01 mmol) hydrazoneschakelaar 1 bevat, 1,0 ml gedeutereerd dimethylsulfoxide (DMSO-d 6) toe. Breng de helft van de oplossing over in een andere NMR-buis.
  2. Plaats een van de NMR-buizen 1 cm voor een Xenon-booglamp uitgerust met een 436 nm banddoorlaatfilter. Begin met bestraling naar het NMR-monster en registreer elke dag een 1H NMR-spectrum totdat er geen verandering in de spectra is als schakelaar 1 PSS bereikt. Houd na het bereiken van PSS de NMR-buis in het donker bij kamertemperatuur en registreer het 1H NMR-spectrum na 12 uur om de voortgang van thermische ontspanning te controleren.
    OPMERKING: Schakelaar 1 vertoont geen merkbare verandering in het 1H NMR-spectrum bij kamertemperatuur vanwege het bistabiele karakter.
  3. Herhaal voor de andere NMR-buis stap 1.2 met een 340 nm bandpassfilter om een 1H NMR-spectrum te verkrijgen bij het PSS onder 340 nm bestraling.
  4. Open fid-bestanden van de NMR-spectra op de PSSs met NMR-verwerkingssoftware. Integreer een onderscheidende reeks pieken (H1: C2 proton van chinoline, H2: proton in para-positie tot de hydrazonegroep, H3: CH3 van ethylester) van de verschillende isomeren en bereken de isomeerverhouding (figuur 2).
    OPMERKING: Samenstellingen ([1-Z]:[1-E] verhouding) onder 436 nm en 340 nm bestraling zijn respectievelijk 8:92 en 82:18.

2. UV-Vis absorptie spectroscopie bij PSS

  1. Voeg in een glazen injectieflacon met 12,6 mg (0,03 mmol) van 1 ml 2 ml DMSO van spectroscopiekwaliteit toe. Neem 100 μL van de oplossing en verdun met 1400 μL DMSO tot een 1 mM-oplossing van 1. Breng 20 μL van 1 mM-oplossing van 1 over op een kwartscuvet met een optische padlengte van 1,0 cm en verdun met 1980 μL DMSO tot een 10 μM-oplossing van 1. Sluit de cuvette af met een PTFE-stop en bewaar het monster in het donker.
  2. Bereid een ander kwartscuvet met 2 ml DMSO als blancomonster. Meet het UV-Vis-spectrum van het blancomonster voor basislijncorrectie.
  3. Plaats het monster uit stap 2.1 1 cm voor een Xenon booglamp uitgerust met een 436 nm bandpass filter. Begin met de bestraling van het monster en meet het UV-Vis-spectrum om de 2 uur totdat er geen verandering in de spectra is als 1 PSS bereikt (figuur 3).
    OPMERKING: De tijd die nodig is om PSS te bereiken voor het UV-Vis-spectroscopiemonster is veel korter dan voor het NMR-monster met een hogere concentratie.
  4. Herhaal stap 2.3 met een 340 nm bandpassfilter om het UV-Vis spectrum bij het PSS onder 340 nm bestraling te verkrijgen.
  5. Leid absorptiespectra van de zuivere 1-Z en 1-E af met Eq (1) en Eq (2) (figuur 4).
    Equation 1 (1)
    Equation 2 (2)
    waarbij R436 = de verhouding van 1-Z bij het PSS onder 436 nm bestraling; R340 = de verhouding van 1-Z bij het PSS onder 340 nm bestraling; A436 = de absorptie van 1 dmso bij het PSS onder 436 nm bestraling; A340 = de absorptie van 1 in DMSO bij het PSS onder 340 nm bestraling.
  6. Bereken de molaire dempingscoëfficiënten van zuiver 1-Z en 1-E bij alle golflengten door de waargenomen absorptie te delen door de monsterconcentratie (10 μM) en de optische padlengte (1 cm).

3. Kinetische studies over thermische relaxatie

  1. Verwarm de gevulde siliciumolie in een verwarmingsbadcirculatiepomp tot de gewenste temperatuur (131 °C) en controleer of de temperatuur van het bad is gestabiliseerd. Dompel twee NMR-monsters uit stap 1.2 onder in het verwarmingsbad.
    OPMERKING: De temperatuur en duur van de verwarming worden aangepast afhankelijk van de ontspanningssnelheid.
  2. Breng na 1 uur verwarmen de NMR-buizen snel over naar een droogijsbad om de thermische ontspanning veroorzaakt door latente warmte te pauzeren (figuur 5).
    OPMERKING: Onnauwkeurige verwarmingstemperatuur of -tijd kan leiden tot ernstige fouten in de schatting van de snelheidsconstante.
  3. Ontdooi de NMR-monsters uit stap 3.2 bij kamertemperatuur en zorg ervoor dat DMSO wordt ontdooid. Noteer de 1H NMR spectra van de monsters.
  4. Herhaal stap 3.1-3.3 totdat er geen verandering is in de 1H NMR-spectra als 1 het thermodynamische evenwicht bereikt.
  5. Herhaal stap 3.1-3.4 bij verschillende temperaturen (134, 137, 140 en 143 °C).
  6. Open fid-bestanden van de NMR-spectra verkregen tijdens verhitting bij 131 °C. Bereken de gemiddelde isomere verhoudingen zoals beschreven in stap 1.4. Bereken de concentratie van 1-E (metastabiel isomeer) op basis van de totale monsterconcentratie (10 mM) en de isomere verhouding.
  7. Zet de gemiddelde concentratie van 1-E (C E)uit als functie van de opwarmtijd. Voer een exponentiële aanpassing van de gegevens uit om de snelheidsconstante van thermische relaxatie te verkrijgen met behulp van Eq (3)15,22 (figuur 6).
    Equation 3 (3)
    waarbij Equation 4 (M) = de concentratie van 1-E bij de begintoestand; Equation 5 (M) = de concentratie van 1-E bij het thermodynamische evenwicht bij een specifieke temperatuur; k (s-1) = de snelheidsconstante van thermische relaxatie bij een specifieke temperatuur; t(s) = de opwarmtijd.
  8. Herhaal stap 3.6 tot en met 3.7 met behulp van de gegevens die bij verschillende temperaturen zijn verkregen.
  9. Plot ln(k) versus Equation 6 en voer een lineaire fit uit volgens de Arrheniusvergelijking (Eq (4)) om de snelheidsconstante bij kamertemperatuur te extrapoleren (figuur 7).
    Equation 7 (4)
    waarbij A = de pre-exponentiële factor; Ea (J·mol-1) = de activeringsenergie voor thermische ontspanning; R = de ideale gasconstante (8,3145 J·mol-1 K-1); T (K) = de absolute temperatuur.
  10. Bereken de thermische halfwaardetijd van 1-E bij kamertemperatuur met Eq (5).
    Equation 8 (5)
    waarbij τ1/2 (s) = de thermische halfwaardetijd van 1-E bij kamertemperatuur; k (s-1) = de snelheidsconstante van thermische relaxatie bij kamertemperatuur verkregen uit stap 3.9.
  11. Als de snelheidsconstante van thermische relaxatie slechts bij één temperatuur wordt geschat, berekent u de snelheidsconstante bij kamertemperatuur met behulp van de volgende herschikte Eyring-vergelijking (Eq (6))18,23.
    Equation 9 (6)
    Equation 10 (7)
    Waar Equation 11 (J·mol-1) = de Gibbs-activeringsenergie voor thermische relaxatie; k1 (s-1) = de snelheidsconstante van de thermische relaxatie geschat bij de verhoogde temperatuur; k2 (s-1) = de snelheidsconstante van thermische ontspanning bij kamertemperatuur (298,15 K); T1 (K) = de absolute temperatuur waarbij k1 wordt verkregen; (K) = kamertemperatuur (298,15 K).

4. Ferrioxalaat actinometrie

OPMERKING: Alle procedures voor ferrioxalaatactinometrie moeten worden uitgevoerd in het donker of >600 nm licht om de invloed van omgevingslicht te voorkomen.

  1. Voeg in een glazen injectieflacon van 20 ml met 29,48 mg (0,06 mmol) kaliumferoxalaattrihydraat 8 ml gedeïoniseerd water toe. Voeg 1 ml van 0,5 M waterig H2SO4 toe aan de ferrioxalaatoplossing en verdun tot 10 ml met gedeïoniseerd water om een ferrioxalaat van 0,006 M te bereiden in 0,05 M waterige H2SO4-oplossing .
  2. Voeg in een andere glazen injectieflacon van 20 ml met 10 mg 1,10-fenanthroline en 1,356 g watervrij natriumacetaat 10 ml 0,5 M waterig H2SO4 toe om een gebufferde fenanthratholetoplossing van 0,1% (w/v) te maken.
  3. Breng 2 ml van de ferrioxalaatoplossing van 0,006 M over van stap 4.1 naar een kwartscuvet met een optische padlengte van 1,0 cm. Sluit de cuvette af met een PTFE-stop en bewaar het monster in het donker.
  4. Bereid als onbeschreven monster een ander kwartscuvet met een inhoud van 2 ml van 0,05 M waterig H2SO4 . Meet de UV-Vis-absorptie van het blancomonster voor basislijncorrectie.
  5. Meet de UV-Vis absorptie van de 0,006 M ferrioxalaat oplossing. Bepaal de geabsorbeerde fractie licht met behulp van de absorpties van de ferrioxalaatoplossing van 0,006 M bij 340 en 436 nm en Eq (8) (figuur 8).
    Equation 12 (8)
    waarbij f = de fractie licht geabsorbeerd door 0,006 M ferrioxalaatoplossing; Eenλ = de absorptie van 0,006 M ferrioxalaatoplossing bij golflengte λ.
  6. Bereid twee kwartscuvetten met een optische padlengte van 1,0 cm en voeg 2 ml van de ferrioxalaatoplossing van 0,006 M toe.
  7. Plaats een van de monsters uit stap 4.6 1 cm voor de Xenon booglamp uitgerust met een 436 nm bandpass filter. Bewaar het andere monster in het donker. Begin met de bestraling van het monster gedurende 90 s. Voeg na bestraling 0,35 ml van de gebufferde 0,1% fenanthroline-oplossing en een magnetische staaf toe aan beide cuvetten, gevolgd door 1 uur roeren in het donker om een [Fe(fen)3]2+ complex te vormen.
    OPMERKING: Ferrioxalaat wordt fotochemisch gereduceerd tot Fe2+, gevolgd door de bijna kwantitatieve vorming van tris-1,10-fenanthroline ijzer (II) complex.
  8. Meet het UV-Vis-absorptiespectrum van het niet-bestraalde monster vanaf stap 4.6 voor basislijncorrectie.
  9. Meet het UV-Vis absorptiespectrum van het bestraalde monster vanaf stap 4.7.
  10. Herhaal stap 4,6-4,9 met een 340 nm bandpassfilter (figuur 9).
    OPMERKING: Zodra het ferrioxalaatmonster aan licht is blootgesteld, kan het monster niet opnieuw worden gebruikt.
  11. Bereken de molaire fotonenflux die bij de cuvette aankomt met Eq (9).
    Equation 13 (9)
    Waarbij I (mol·s-1) = de molaire fotonenflux die bij de cuvette aankomt; ΔA510 = het verschil in absorptie bij 510 nm tussen de niet-bestraalde en doorstraalde monsters; V = het totale volume van de oplossing (2,35 ml); ε510 = de molaire dempingscoëfficiënt van [Fe(phen)3]2+ complex (11100 M-1 cm-1)24; I = de optische padlengte van kwartscuvet (1,0 cm); t = bestralingstijd (90 s); f = de geabsorbeerde fractie licht verkregen uit stap 4.5; ΦFe3+ = de kwantumopbrengst van de fotoreductie van Fe3+ tot Fe2+ (1,22 voor 340 nm, 1,11 voor 436 nm)25.

5. Bepaling van de foto-isomerisatie kwantumopbrengst

  1. Bereid een kwartscuvet met een optische padlengte van 1,0 cm met 2 ml DMSO als blancomonster. Meet de UV-Vis-absorptie van het blancomonster voor basislijncorrectie.
  2. Bereid een kwartscuvet met een optische padlengte van 1,0 cm met 2 ml 10 μM-oplossing van 1 in DMSO verkregen uit stap 2.4 (Z-verrijkt). Sluit de cuvetten af met een PTFE-stop.
  3. Plaats het monster uit stap 5,2 1 cm voor de Xenon-booglamp die is uitgerust met een 436 nm bandpassfilter. Begin met de bestraling bij 436 nm naar het monster en meet het UV-Vis-absorptiespectrum met verschillende intervallen totdat er geen verandering in de spectra is als 1 PSS bereikt (figuur 10).
    OPMERKING: De bestralingsopstelling moet exact dezelfde zijn als die welke wordt gebruikt voor de meting van de molaire fotonenflux. Het bestralingsinterval moet worden aangepast op basis van de snelheid van foto-isomerisatie. Over het algemeen zijn 15-20 gegevenspunten voordat PSS wordt bereikt geschikt.
  4. Bereid een kwartscuvet met een optische padlengte van 1,0 cm met 2 ml 10 μM-oplossing van 1 in DMSO verkregen uit stap 2.3 (E-verrijkt). Sluit de cuvetten af met een PTFE-stop.
  5. Vervang het 436 nm bandpassfilter door het 340 nm bandpassfilter en herhaal stap 5.3 voor het monster verkregen uit stap 5.4.
  6. Bereken de fotokinetische factor F(t) met behulp van de waargenomen absorpties uit stap 5.3 en Eq (10)26.
    Equation 14 (10)
    Waarbij Airr,t = de absorptie bij de bestralingsgolflengte op tijdstip t.
  7. Bereken de pseudo-kwantumopbrengst Q met behulp van de fotokinetische factorwaarden verkregen uit stap 5.6 en Eq (11)27.
    Equation 15 (11)
    Waarbij Q (M-1 cm-1) = de pseudo-kwantumopbrengst gedefinieerd als ; Equation 16; V(L) = het volume van het monster; I (mol·s-1) = de molaire fotonenflux die bij de cuvette aankomt; l (cm) = de optische padlengte; t1, t2 (s) = de twee opeenvolgende bestralingspunten; F(t1), F(t2) = de fotokinetische factoren op respectievelijk tijdstip t1 en t2; Aobs,t1, Aobs,t2, Aobs,∞ = de absorpties bij specifieke golflengte op tijdstip , respectievelijk t1 en t2 bij PSS.
    OPMERKING: Het gebruik van absorpties bij λmax van 1-Z wordt aanbevolen voor de nauwkeurigheid.
  8. Bereken de gemiddelde waarde van de pseudo-kwantumopbrengst met behulp van de eerste tien gegevenspunten.
  9. Bereken de unidirectionele kwantumopbrengsten voor Z-to-E en E-to-Z foto-isomerisaties met Eq (12) en Eq (13).
    Equation 17 (12)
    Equation 18 (13)
    waarbij ΦZ→E, ΦE→Z = de unidirectionele kwantumopbrengsten voor respectievelijk Z-tot-E- en E-tot-Z-foto-isomerisatieprocessen; Equation 19, Equation 20 (M-1 cm-1) = de molaire dempingscoëfficiënten van 1-Z en 1-E bij de bestralingsgolflengte; Equation 21, Equation 22 (M) = de concentraties van respectievelijk 1-Z en 1-E bij PSS; Ctot (M) = de totale concentratie van 1.
  10. Herhaal stap 5.6-5.9 met behulp van de gegevens verkregen uit stap 5.5 voor de berekening van de unidirectionele foto-isomerisatie kwantumopbrengsten onder bestraling bij 340 nm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bij bestraling van 1 in een NMR-buis met 436 nm licht (Z:E = 54:46 in begintoestand) neemt het aandeel 1-E toe als gevolg van de dominante Z-tot-E-isomerisatie van de hydrazone C=N-binding (figuur 1). De isomere verhouding kan gemakkelijk worden verkregen uit de relatieve signaalintensiteiten van verschillende isomeren in het 1H NMR-spectrum (figuur 2). Na 5 dagen bestraling bij 436 nm bereikt het monster PSS met 92% 1-E. Langdurige bestraling is nodig om PSS te bereiken vanwege de hoge monsterconcentratie (10 mM) en zwakke intensiteit van de lichtbron. Daaropvolgende bestraling bij 340 nm induceert E-tot-Z-isomerisatie en bereikt PSS met 82% 1-Z na 3 dagen bestraling.

Een kortere bestralingstijd is nodig om PSS te bereiken in het UV-Vis-spectroscopie-experiment (10 uur en 4 uur voor bestraling bij respectievelijk 436 en 340 nm) vanwege de lagere monsterconcentratie (10 μM). Omdat het moeilijk is om de zuivere isomeren te isoleren door chromatografie of te verkrijgen door foto-isomerisatie, worden UV-Vis absorptiespectra van 1 in de PSSs gebruikt om de absorptiespectra van de zuivere 1-Z en 1-E af te leiden (figuur 4). De golflengte van het absorptiemaximum (λmax, 398 nm voor 1-Z en 375 nm voor 1-E) en de molaire dempingscoëfficiënt (ε) kan worden verkregen uit de afgeleide spectra. UV-Vis spectra van de zuivere isomeren suggereren dat de onvolledige foto-isomerisatie wordt toegeschreven aan het omgekeerde fotochemische proces, d.w.z. absorptieband overlap op de bestralingsgolflengten.

Voor het bepalen van de foto-isomerisatie kwantumopbrengst worden eerst de snelheid van thermische relaxatie en de effectieve molaire fotonenflux onderzocht. Omdat het metastabiele isomeer 1-E zeer stabiel is bij kamertemperatuur, wordt thermisch aangedreven E-tot-Z-isomerisatie gecontroleerd bij verhoogde temperaturen (van 131 tot 143 °C) met behulp van 1H NMR-spectroscopie en worden de eerste-orde snelheidsconstanten van ontspanning geschat (figuur 6). De verkregen snelheidsconstanten bij verschillende temperaturen worden vervolgens uitgezet tegen de reciproke temperatuur en lineair aangepast met behulp van de Arrheniusvergelijking (Eq (4)) (figuur 7). De snelheid van thermische relaxatie ((2,2 ± 0,5) × 10-10 s-1) en de halfwaardetijd van 1-E (101 ± 24 jaar) bij kamertemperatuur kan dan worden geëxtrapoleerd. Het is dus veilig om het effect van thermische relaxatie in het foto-isomerisatieproces bij kamertemperatuur te negeren. Men kan ook de herschikte Eyring-vergelijking (Eq (6)) in stap 3.11 gebruiken om de halfwaardetijd te schatten als er slechts één snelheidsconstante beschikbaar is.

Voor de bepaling van de effectieve molaire fotonenflux in de bestralingsopstelling moet de fractie licht die door ferrioxalaatoplossing (f) wordt geabsorbeerd, nauwkeurig worden gemeten (figuur 8). Hoewel in dit protocol een ferrioxalaatoplossing van 0,006 M wordt gebruikt, wordt een oplossing van 0,15 M aanbevolen bij gebruik van >440 nm licht voor bestraling vanwege de lage absorptie25. Zodra de f is gemeten, wordt de ferrioxalaatoplossing onderworpen aan het fotoreductie-experiment. Na bestraling wordt het ferrioxalaat gereduceerd tot een ferro-ion (Fe2+) dat vervolgens wordt gecoördineerd door drie fenanthrolineliganden om het [Fe(phen)3]2+ complex te vormen. De mate van fotoreductie kan vervolgens worden verkregen door de absorptie van [Fe(phen)3]2+ complex te meten (figuur 9). De effectieve molaire fotonenflux kan worden berekend uit de bekende molaire dempingscoëfficiënt van [Fe(phen)3]2+ complex en kwantumopbrengst van de fotoreductie bij de bestralingsgolflengte. Het bestralingsvermogen van de bij dit experiment gebruikte lichtbron is voldoende om de molaire fotonenflux zonder verdunning van het bestraalde monster te berekenen. Indien de absorptie van het doorstraalde monster hoger is dan 1, moet het ferrioxalaatmonster na doorstraling worden verdund.

Zodra de effectieve molaire fotonenflux en molaire dempingscoëfficiënten van de zuivere isomeren zijn verkregen, is het nu mogelijk om de kwantumopbrengst van de foto-isomerisatie te bepalen. Foto-isomerisatie van 1 wordt uitgevoerd met dezelfde bestralingsopstelling als het actinometrie-experiment en bewaakt door UV-Vis-spectroscopie. Omdat de fotochemische isomerisatie omkeerbaar is bij de bestralingsgolflengten, zijn individuele kwantumopbrengsten voor de voorwaartse en achterwaartse reacties verstrikt in de totale reactiesnelheid en kunnen ze niet direct worden bepaald. Het is dus noodzakelijk om eerst de pseudo-kwantumopbrengst (Q) te berekenen bij de bestralingsgolflengte waaruit de individuele kwantumopbrengsten daarna worden geëxtraheerd. De pseudo-kwantumopbrengst wordt gedefinieerd door Eq (14), waarmee de twee lineaire afhankelijke stappen kunnen worden uitgedrukt met een lineair onafhankelijk Eq (15) (Aanvullende informatie).

Equation 23 (14)

Equation 24 (15)

Door eq (15) te gebruiken, kan de pseudo-kwantumopbrengst worden verkregen uit de waargenomen totale absorptie- en bestralingstijd waarop deze wordt gemeten (Eq. (15) in de aanvullende informatie). F(t), de zogenaamde fotokinetische factor, is een tijdsafhankelijke variabele die niet direct kan worden geïntegreerd wanneer zowel 1-Z als 1-E licht absorberen op de bestralingsgolflengte. Wanneer het bestralingsinterval tussen tijd t1 en t2 kort is, wordt de integratie van F(t) van tijd t1 tot t2 benaderd op (t2 - t1) {F(t1) + F(t2)}/2 om Eq (11) (stap 5.7 en Eq. (27) in de Aanvullende informatie te geven ). De gemiddelde waarden van de berekende pseudo-kwantumopbrengst zijn 43,0 ± 4,6 M-1 cm-1 bij 436 nm en 405,6 ± 20,3 M-1 cm-1 bij 340 nm (tabel 1).

Equation 26 (11)

De numerieke relatie tussen ΦZ→E en ΦE→Z wordt verkregen op basis van de isomere verhouding bij PSS (Eq. (23) in de aanvullende informatie) en ten slotte kunnen de individuele kwantumopbrengsten worden bepaald met behulp van Eq (12) en Eq (13) (stap 5.9).

Equation 27 (12)

Equation 25 (13)

De geschatte unidirectionele foto-isomerisatie kwantumopbrengsten zijn ΦZ→E = 1,3 ± 0,1%, ΦE→Z = 0,6 ± 0,1% onder 436 nm bestraling en ΦZ→E = 2,0 ± 0,1%, ΦE→Z = 4,6 ± 0,2% onder 340 nm bestraling.

Figure 1
Figuur 1: E/Z isomerisatie van hydrazone schakelaar 1 geïnduceerd door licht en warmte. De twee isomeren 1-Z en 1-E interconverteren door fotoirradiatie op verschillende golflengten. Metastabiele 1-E kan thermisch ontspannen tot 1-Z. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: 1H NMR spectra van 1 (A) voor en na bestraling bij (B) 436 nm of (C) 340 nm om PSSs te bereiken in DMSO-d 6 bij 298,15 K. PSS-samenstellingen bij 436 en 340 nm bestaan uit respectievelijk 8 en 82% 1-Z. Afkorting: PSSs = photostationary states. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Een experimentele opstelling voor foto-isomerisatie en ferrioxalaat actinometrie. De monsteroplossing in een cuvette wordt 1 cm voor de Xe-booglamp geplaatst die is uitgerust met een bandpassfilter. Afkorting: d = afstand. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: UV-Vis absorptiespectra van 1 (1 × 10-5 M in DMSO). Blauwe en rode ononderbroken lijnen duiden op absorptiespectra van 1 in PSSs onder respectievelijk 436 en 340 nm bestraling. Blauwe en rode stippellijnen geven afgeleide absorptiespectra aan van respectievelijk zuiver 1-E en 1-Z. Afkorting: PSSs = photostationary states. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Een experimentele opstelling voor het monitoren van het thermische relaxatieproces. Een verwarmingsbadcirculatiepomp wordt gebruikt om de temperatuur constant te houden tijdens het verwarmen van het monster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Grafiek van de concentratie van 1-E versus de verwarmingstijd in DMSO-d 6 bij verschillende temperaturen. De snelheidsconstanten van thermische ontspanning bij verschillende temperaturen worden verkregen uit de percelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Arrhenius plot van de thermische E-tot-Z isomerisatie van 1 in DMSO-d 6. Extrapolatie van de lineaire pasvorm suggereert dat de thermische halfwaardetijd van 1-E bij kamertemperatuur 101 ± 24 jaar is. Afkortingen: k = de snelheidsconstante van thermische relaxatie; T = temperatuur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: De fractie geabsorbeerd licht door 0,006 M ferrioxalaat in 0,05 M waterige H2SO4-oplossing . De gemeten fracties van geabsorbeerd licht op de fotoirradiatiegolflengten worden gebruikt in de ferrioxalaat actinometrie. Afkorting: f = fractie geabsorbeerd licht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Absorptieverschillen tussen de bestraalde (blauwe lijn: bestraald bij 436 nm, rode lijn: bestraald bij 340 nm) en niet-bestraalde ferrioxalaatmonsters. Het absorptieverschil bij 510 nm (ΔA510) en de bekende waarde van de molaire dempingscoëfficiënt van [Fe(phen)3]2+ complex (ε510 = 11100 M-1 cm-1) worden gebruikt om de molaire fotonenflux te berekenen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: Gecontroleerde UV-Vis spectra bij bestraling. Bestraling met (A) 436 nm en (B) 340 nm bestraling. Plots van de absorptie bij 398 nm (λmax van de zuivere 1-Z) tijdens bestraling bij (C) 436 nm en (D) 340 nm versus tijd. Gemiddelde waarden van de pseudo-kwantumopbrengst worden verkregen met behulp van de eerste tien gegevenspunten in C en D. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Tabel 1: Geschatte pseudo-kwantumopbrengsten en unidirectionele foto-isomerisatie-kwantumopbrengsten onder de bestralingsgolflengten. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Aanvullende informatie: Een gebruikershandleiding om een geschikte procedure te kiezen voor het bepalen van de foto-isomerisatie kwantumopbrengst van een bistabiele schakelaar en karakterisering van verbinding 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Er zijn verschillende strategieën ontwikkeld om de spectrale en schakeleigenschappen van fotoschakelaars af te stemmen en het register van fotoschakelaars breidt zich snel uit28. Het is dus cruciaal om hun fotofysische eigenschappen correct te bepalen, en we verwachten dat de methoden die in dit artikel worden samengevat een nuttige gids zullen zijn voor experimentatoren. Op voorwaarde dat de thermische relaxatiesnelheid zeer langzaam is bij kamertemperatuur, maakt meting van PSS-samenstellingen bij verschillende bestralingsgolflengten, molaire verzwakkingscoëfficiënten van de zuivere isomeren, effectieve molaire fotonenflux, zand pseudo-kwantumopbrengst de schatting van de unidirectionele foto-isomerisatie kwantumopbrengsten mogelijk. Experimentele uitkomsten die in dit werk werden gepresenteerd, onthulden dat fotofysische eigenschappen van 1 niet significant verschillen van die van het niet-gesubstitueerde oudermolecuul15. Dit resultaat suggereert dat de amidekoppeling een nuttige verbinding kan zijn met andere moleculen die van belang zijn voor hun structurele modulatie.

Voor de bepaling van de kwantumopbrengst is het essentieel om een goede integratiemethode voor de fotokinetische factor te gebruiken (zie Aanvullende informatie). Kritische factoren voor de keuze van de integratiemethode zijn: (1) of beide isomeren licht absorberen op de bestralingsgolflengte (fotoreversibiliteit)26, (2) of de fotoirradiatie begon met een zuiver isomeer29,30, en (3) of de absorptie bij de bestralingsgolflengte veel kleiner is dan 0,1 of groter dan 227. In dit werk is fotochemische isomerisatie van 1 omkeerbaar bij de bestralingsgolflengten en beginnen de fotoswitching-experimenten met isomere mengsels. De absorptie bij de bestralingsgolflengten is niet klein genoeg (0,02366 bij 436 nm en 0,06638 bij 340 nm) om de fotokinetische factor te benaderen. In dit geval wordt de integratie van de fotokinetische factor voor een kort bestralingsinterval benaderd door lineaire interpolatie (geval 2 in Aanvullende informatie). Voor degenen die proberen de foto-isomerisatie kwantumopbrengst van bistabiele fotoschakelaars te bepalen, wordt de afleiding van relevante vergelijkingen in verschillende omstandigheden gepresenteerd in Aanvullende informatie.

Van belang is dat de in dit artikel beschreven methoden niet kunnen worden gebruikt voor fotoschakelaars met niet-uniforme fotochemische processen (bijv. Vorming van een langlevend tussenproduct of meerdere fotoproducten) of met snelle thermische relaxatieprocessen31. Fotochemische isomerisatie van 1 is een uniform proces en hoeft geen rekening te houden met de thermische relaxatie vanwege de goedheid ervan. Om de pss-samenstelling en de snelheid van het thermische proces van fotoschakelaars met snelle thermische relaxatie nauwkeurig te bepalen, is een speciale experimentele opstelling voor in situ bestraling tijdens spectroscopische analyse vereist (bijvoorbeeld een UV-Vis-spectrofotometer uitgerust met een extra lichtbron voor loodrechte bestraling, optische vezels die in het NMR-monster kunnen worden ingebracht)32 . Het is ook belangrijk om een lichtbron met een smalle bandbreedte te gebruiken door een bandpassfilter of een laser te gebruiken voor uniforme energie-excitatie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren geen belangenconflicten te hebben.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de Chung-Ang University Research Grants in 2019 en de 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

Chemie Quantum yield photoswitch hydrazone switch molaire fotonenflux UV-Vis spectroscopie NMR spectroscopie
Bepaling van de foto-isomerisatie quantumopbrengst van een 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