히드라존 포토스위치의 광이성체화 양자 수율 결정

요약

광이성체화 양자 수율은 새로 개발된 광스위치의 조사에서 정확하게 결정되어야 하는 기본적인 광물리학적 특성이다. 여기에서, 우리는 모델 이중안정 광스위치로서 광변색 히드라존의 광이성체화 양자 수율을 측정하기 위한 일련의 절차를 설명한다.

초록

광 구동 구조 변환을 겪는 광전환 유기 분자는 적응형 분자 시스템을 구성하는 핵심 구성 요소이며 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. 광 스위치를 사용하는 대부분의 연구에서 흡수 및 방출의 최대 파장, 몰 감쇠 계수, 형광 수명 및 광이성체화 양자 수율과 같은 몇 가지 중요한 광물리학 적 특성은 전자 상태 및 전이 과정을 조사하기 위해 신중하게 결정됩니다. 그러나, 광이성체화 양자 수율의 측정, 흡수된 광자에 대한 광이성체화의 효율은, 전형적인 실험실 설정에서 종종 복잡하고 오류가 발생하기 쉬운 이유는 적절한 통합 방법에 기초한 엄격한 분광학적 측정 및 계산의 구현을 필요로 하기 때문이다. 이 기사에서는 광변색 히드라존을 사용하여 이중안정 광스위치의 광이성체화 양자 수율을 측정하기 위한 일련의 절차를 소개한다. 우리는이 기사가 점점 더 개발되고있는 이중 안정 광 스위치의 조사에 유용한 가이드가 될 것으로 기대합니다.

서문

광변색 유기 분자는 빛이 비침습적으로 열역학적 평형으로부터 시스템을 멀어지게 할 수 있는 독특한 자극이기 때문에 광범위한 과학 분야에서 상당한 주목을 받고 있다¹. 적절한 에너지로 빛을 조사하면 시공간 정밀도가 높은 광스위치의 구조적 변조가 가능합니다 ^2,3,4. 이러한 이점들 덕분에, 이중 결합(예를 들어, 스틸벤, 아조벤젠, 이민, 푸마라미드, 티오인디고스) 및 고리 개구/폐쇄(예를 들어, 스피로피란, 디티에닐렌, 풀지드, 공여체-수용체 스텐하우스 부가물)의 구성 이성체화에 기초한 다양한 유형의 광스위치가 개발되어 다양한 길이 스케일에서 적응성 물질의 핵심 성분으로서 활용되었다. 광스위치의 대표적인 응용 분야에는 광변색 물질, 약물 전달, 전환 가능한 수용체 및 채널, 정보 또는 에너지 저장, 분자 기계 5,6,7,8,9,10,11,12^가 포함됩니다. 새로 설계된 광스위치를 제시하는 대부분의 연구에서, 흡수 및 방출의_λmax, 몰 감쇠 계수 (ε), 형광 수명 및 광이성체화 양자 수율과 같은 광물리학적 특성은 철저하게 특징지어진다. 이러한 특성의 조사는 광학 특성 및 이성체화 메커니즘을 이해하는 데 중요한 전자 상태 및 전이에 대한 핵심 정보를 제공합니다.

그러나, 광이성체화 양자 수율의 정확한 측정-반응물에 의해 흡수된 조사 파장에서 광자의 수로 나뉘어 발생한 광이성체화 이벤트의 수-는 종종 몇 가지 이유로 인해 전형적인 실험실 설정에서 복잡하다. 광이성체화 양자 수율의 결정은 일반적으로 반응의 진행을 모니터링하고 조사 동안 흡수된 광자의 수를 측정함으로써 달성된다. 주요 관심사는 광화학 반응이 진행됨에 따라 용액에 의한 총 흡수가 시간이 지남에 따라 변화하기 때문에 단위 시간당 광자 흡수량이 점진적으로 변한다는 것입니다. 따라서, 단위 시간당 소비되는 반응물의 수는 조사 동안 측정되는 시간 섹션에 따라 달라진다. 따라서, 차등적으로 정의되는 광이성체화 양자 수율을 추정할 의무가 있다.

반응물과 광생성물이 모두 조사 파장에서 빛을 흡수 할 때 더 번거로운 문제가 발생합니다. 이 경우, 광화학적 이성체화는 양방향으로 일어난다(즉, 광가역적 반응). 전방 및 후진 반응에 대한 두 개의 독립적인 양자 수율은 관찰된 반응 속도로부터 직접 얻을 수 없다. 부정확 한 광도는 또한 오류의 일반적인 원인입니다. 예를 들어, 전구의 노화는 점차적으로 강도를 변화시킵니다. 400nm에서의 제논 아크 램프의 조도는 동작¹⁴의 1000 h 후에 30% 감소한다. 시준되지 않은 빛의 확산은 실제 입사 조도를 소스의 공칭 전력보다 훨씬 작게 만듭니다. 따라서 효과적인 광자 플럭스를 정확하게 정량화하는 것이 중요합니다. 참고로, 실온에서 준안정 형태의 열 이완은 무시되기에 충분히 작아야 한다.

이 백서에서는 이중안정 광스위치의 광이성체화 양자 수율을 결정하기 위한 일련의 절차를 소개한다. 이 분야의 선구적인 연구팀인 Aprahamian의 그룹에 의해 개발된 다수의 히드라존 광스위치는 그들의 선택적 광이성체화와 그들의 준안정 이성질체^15,16,17의 현저한 안정성 덕분에 주목을 받고 있다. 그들의 히드라존 광스위치는 히드라존 그룹에 의해 결합된 두 개의 방향족 고리를 구성하고, C=N 결합은 적절한 파장에서 조사될 때 선택적 E/Z 이성체화를 겪는다(그림 1). 이들은 동적 분자 시스템^18,19,20,21의 운동성 성분으로서 성공적으로 통합^되었다. 이 작업에서, 우리는 아미드 그룹을 담지하는 새로운 히드라존 유도체를 제조하고 광이성체화 양자 수율의 결정을 위해 광전환 특성을 조사했다.

프로토콜

1. 광고정 상태(PSS)에서 ^1HNMR 스펙트럼 획득

1. 히드라존 스위치 1의 4.2 mg (0.01 mmol)을 함유하는 천연 석영 NMR 튜브에, 1.0 mL의 중수소화 디메틸 설폭사이드(DMSO-d ₆)를 첨가한다. 용액의 절반을 다른 NMR 튜브로 옮깁니다.
2. NMR 튜브 중 하나를 436nm 대역통과 필터가 장착된 제논 아크 램프 앞에 1cm 앞에 놓습니다. NMR 샘플에 대한 조사를 시작하고 스위치 ¹이 PSS에 도달함에 따라 스펙트럼에 변화가 없을 때까지 매일 1H NMR 스펙트럼을 기록한다. PSS에 도달한 후, NMR 튜브를 실온에서 어둠 속에 보관하고 ^{12시간 후에 1H}NMR 스펙트럼을 기록하여 열 이완의 진행을 모니터링한다.
   참고: 스위치 1 은 불안정한 특성으로 인해 실온에서 ^1HNMR 스펙트럼에 상당한 변화를 나타내지 않습니다.
3. 다른 NMR 튜브의 경우, 340 nm 대역통과 필터로 단계 1.2를 반복하여 340 nm 조사 하에 PSS에서 ^1HNMR 스펙트럼을 얻었다.
4. NMR 처리 소프트웨어를 사용하여 PSS에서 NMR 스펙트럼의 fid 파일을 엽니다. 구별된 피크 세트(H1:C2 양성자인 퀴놀린, H2: 파라-위치에 있는 양성자를 히드라존기, H3:_CH3 의 에틸 에스테르)의 별개의 이성질체를 통합하고 이성질체 비율을 계산한다(도 2).
   참고: 436nm 및 340nm 조사 하에서의 조성물 ([1-Z]:[1-E] 비율)은 각각 8:92 및 82:18이다.

2. PSS에서 UV-Vis 흡수 분광법

1. 12.6 mg (0.03 mmol)의 1 mL를 함유하는 유리 바이알에, 2 mL의 분광법 등급 DMSO를 첨가한다. 용액 100 μL를 취하여 1400 μL의 DMSO로 희석하여 1 mM의 1 mM 용액을 만든다. 1의 1 mM 용액 20 μL를 1.0 cm 광학 경로 길이의 석영 큐벳에 옮기고 1980 μL의 DMSO로 희석하여 10 μM 1의 용액을 만들었다. PTFE 마개로 큐벳을 밀봉하고 샘플을 어둠 속에 보관하십시오.
2. 빈 샘플로서 DMSO 2 mL를 함유하는 또 다른 석영 큐벳을 준비한다. 기준선 보정을 위해 빈 샘플의 UV-Vis 스펙트럼을 측정합니다.
3. 단계 2.1로부터의 샘플을 436 nm 대역통과 필터가 장착된 제논 아크 램프의 앞에 1 cm 앞에 놓는다. 샘플에 대한 조사를 시작하고 1 이 PSS에 도달함에 따라 스펙트럼에 변화가 없을 때까지 2시간마다 UV-Vis 스펙트럼을 측정합니다(그림 3).
   참고: UV-Vis 분광법 샘플에 대해 PSS에 도달하는 데 걸리는 시간은 농도가 높은 NMR 샘플보다 훨씬 짧습니다.
4. 340 nm 대역통과 필터로 단계 2.3을 반복하여 340 nm 조사 하에 PSS에서 UV-Vis 스펙트럼을 얻는다.
5. Eq(1) 및 Eq(2)를 사용하여 순수한 1-Z 및 1-E의 흡광도 스펙트럼을 추론한다(그림 4).
   (1)
   (2)
   여기서 _{R436 = 436} nm 조사 하의 PSS에서의 1-Z의 비; _R340 = 340 nm 조사 하의 PSS에서의 1-Z의 비; _A436 = 436 nm 조사 하의 PSS에서의 DMSO 중의 흡광도 1; _A340 = 340 nm 조사 하에 PSS에서의 DMSO 중의 흡광도 1.
6. 관찰된 흡광도를 시료 농도(10 μM)와 광로 길이(1 cm)로 나눔으로써 모든 파장에서 순수한 1-Z 및 1-E의 몰 감쇠 계수를 계산한다.

3. 열 이완에 관한 운동 연구

1. 가열욕 순환기에 채워진 실리콘 오일을 원하는 온도(131°C)로 가열하고 욕조의 온도가 안정화되었는지 확인한다. 단계 1.2의 NMR 샘플 2개를 가열 욕조에 잠급니다.
   참고 : 온도와 가열 기간은 이완 속도에 따라 조정됩니다.
2. 1시간 가열 후 NMR 튜브를 드라이 아이스 욕조로 신속하게 옮겨 잠열로 인한 열 이완을 일시 중지합니다(그림 5).
   참고: 부정확한 가열 온도 또는 시간은 속도 상수의 추정에 심각한 오류를 초래할 수 있습니다.
3. 단계 3.2로부터 수득된 NMR 샘플을 실온에서 해동시키고 DMSO가 해동되도록 한다. 샘플의 ^1HNMR 스펙트럼을 기록한다.
4. 1HNMR 스펙트럼에 변화가 없을 때까지 3.1-3.3단계를 반복하면 1이 열역학적 평형에 도달합니다.
5. 서로 다른 온도(134, 137, 140 및 143°C)에서 3.1-3.4단계를 반복합니다.
6. 131°C에서 가열하는 과정에서 얻어진 NMR 스펙트럼의 fid 파일을 여십시오. 단계 1.4에 기재된 바와 같이 평균화된 이성질체 비율을 계산한다. 총 시료 농도( 10 mM)와 이성질체 비율을 기준으로 1-E (준안정 이성질체)의 농도를 계산한다.
7. 가열 시간의 함수로서 1-E(Ce_)의 평균 농도를 플롯한다. 데이터에 지수 맞춤을 수행하여 Eq(3)^15,22를 사용하여 열 이완 속도 상수를 구합니다(그림 6).
   (3)
   여기서 (M) = 초기 상태에서의 1-E의 농도; Where (M) = the concentration of 1-E at the initial state; (M) = 특정 온도에서의 열역학적 평형에서의 1-E의 농도; Where (M) = the concentration of 1-E at the initial state; (M) = 특정 온도에서의 열역학적 평형에서의 1-E의 농도; Where (M) = the concentration of 1-E at the initial state; (M) = 특정 온도에서의 열역학적 평형에서의 1-E의 농도; k(^s-1) = 특정 온도에서의 열 이완의 속도 상수; t(들) = 가열 시간.
8. 서로 다른 온도에서 얻은 데이터를 사용하여 3.6~3.7단계를 반복합니다.
9. 플롯 ln(k) 대 Arrhenius 방정식(Eq(4))에 따라 선형 피팅을 수행하여 실온에서 속도 상수를 추정합니다(그림 7).
   (4)
   여기서 A = 사전 지수 계수; _Ea (J·^mol-1) = 열 이완을 위한 활성화 에너지; R = 이상적인 가스 상수 (8.3145 J·mol-1 ^K-1); T(K) = 절대 온도.
10. Eq (5)를 사용하여 실온에서 1-E의 열 반감기를 계산하십시오.
    (5)
    여기서_τ1/2(들) = 실온에서 1-E의 열 반감기; k(^s-1) = 단계 3.9로부터 얻어진 상온에서의 열 이완의 속도 상수.
11. 열이완의 속도상수가 단일 온도에서만 추정되는 경우, 다음의 재배열된 아이어링 방정식(Eq(6))^18,23을 사용하여 상온에서의 속도 상수를 계산한다.
    (6)
    (7)
    여기서 (J·^mol-1) = 열 이완을 위한 활성화의 깁스 에너지; k1(^s-1) = 상승된 온도에서 추정된 열 이완의 속도 상수; k2₍^s-1) = 실온에서의 열이완 속도 상수(298.15 K); T1(K) = k1이 얻어지는 절대 온도; (K) = 실온 (298.15 K).

4. 페리옥살레이트 액티노메트리

참고: 페리옥살레이트 액티노메트리에 대한 모든 절차는 주변광의 영향을 방지하기 위해 어두운 빛 또는 >600nm 빛에서 수행되어야 합니다.

1. 칼륨 페리옥살레이트 삼수화물 29.48 mg(0.06 mmol)을 함유하는 20 mL 유리 바이알에, 8 mL의 탈이온수를 첨가한다. 페리옥살레이트 용액에 0.5 M 수성 H2SO4 1 mL를 첨가하고, 탈이온수로 10 mL로 희석하여 0.05 M 수성_H2SO4용액 중의 0.006 M 페리옥살레이트_를 제조하였다.
2. 1,10-페난트롤린 10mg과 무수 아세트산나트륨 1.356g을 함유하는 또 다른 20mL 유리 바이알에 0.5M 수성_H2SO410mL를 첨가하여 완충된 0.1%(w/v) 페난트롤린 용액을 만든다.
3. 단계 4.1에서 0.006 M 페리옥살레이트 용액 2 mL를 1.0 cm 광학 경로 길이를 갖는 석영 큐벳으로 옮긴다. PTFE 마개로 큐벳을 밀봉하고 샘플을 어둠 속에 보관하십시오.
4. 블랭크 샘플로서 0.05 M 수성_{H2SO4 2}mL를 함유하는 또 다른 석영 큐벳을 제조하였다. 기준선 보정을 위해 블랭크 샘플의 UV-Vis 흡광도를 측정한다.
5. 0.006 M 페리옥살레이트 용액의 UV-Vis 흡광도를 측정하였다. 340 및 436 nm에서 0.006 M 페리옥살레이트 용액과 Eq(8)의 흡광도를 사용하여 흡수된 광의 분율을 확인하였다(도 8).
   (8)
   여기서 f = 0.006 M 페리옥살레이트 용액에 의해 흡수된 광의 분획; _{A λ} = 파장 λ에서 0.006 M 페리옥살레이트 용액의 흡광도.
6. 1.0cm 광학 경로 길이의 석영 큐벳 2개를 준비하고 0.006M 페리옥살레이트 용액 2mL를 첨가합니다.
7. 단계 4.6에서 샘플 중 하나를 436 nm 대역 통과 필터가 장착된 제논 아크 램프 앞에 1 cm 앞에 놓습니다. 다른 샘플은 어둠 속에 보관하십시오. 90초 동안 샘플에 대한 조사를 시작하십시오. 조사 후, 완충된 0.1% 페난트롤린 용액 0.35 mL와 마그네틱 바를 양쪽 큐벳에 첨가한 다음, 어둠 속에서 1시간 동안 교반하여 [Fe(phen)₃]²⁺ 복합체를 형성하였다.
   참고: 페리옥살레이트는 광화학적으로^Fe2+로 환원되고, 이어서 트리스-1,10-페난트롤린 철(II) 착물의 거의 정량적 형성이 뒤따른다.
8. 기준선 보정을 위해 단계 4.6으로부터 조사되지 않은 샘플의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 측정한다.
9. 단계 4.7로부터 조사된 샘플의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 측정한다.
10. 340nm 대역통과 필터를 사용하여 4.6-4.9단계를 반복합니다(그림 9).
    참고: 페리옥살레이트 샘플이 빛에 노출되면 샘플을 재사용할 수 없습니다.
11. Eq (9)를 사용하여 큐벳에 도착하는 몰 광자 플럭스를 계산하십시오.
    (9)
    여기서 I(mol·^s-1) = 큐벳에 도착하는 몰광자 플럭스; ΔA510 = 조사되지 않은 샘플과 조사되지 않은 샘플 사이의₅₁₀ nm에서의 흡광도의 차이; V = 용액의 총 부피 (2.35 mL); ε₅₁₀ = [Fe(phen)₃]2+ 착물 (11100 ^{M-1 cm-1})의 몰 감쇄 계수 ²⁴; I = 석영 큐벳의 광학 경로 길이 (1.0 cm); t = 조사 시간(90 s); f = 단계 4.5로부터 수득된 광의 흡수된 분획; ΦFe3+ = Fe3+에서^Fe2+로의 광환원의 양자 수율(³⁴⁰ nm의 경우 1.22, _⁴³⁶ nm의 경우 1.11)²⁵.

5. 광이성체화 양자 수율의 결정

1. 블랭크 샘플로서 2 mL의 DMSO를 함유하는 1.0 cm 광학 경로 길이의 석영 큐벳을 제조하였다. 기준선 보정을 위해 블랭크 샘플의 UV-Vis 흡광도를 측정한다.
2. 단계 2.4로부터 수득된 DMSO 중의 10 μM 용액 2 mL를 함유하는 1.0 cm 광로 길이의 석영 큐벳을 제조하였다 (Z-농축됨). 큐벳을 PTFE 마개로 밀봉하십시오.
3. 단계 5.2로부터의 샘플을 436 nm 대역통과 필터가 장착된 제논 아크 램프의 앞에 1 cm 앞에 놓는다. 샘플에 436nm에서 조사를 시작하고 1 이 PSS에 도달함에 따라 스펙트럼에 변화가 없을 때까지 다른 간격으로 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 측정합니다 (그림 10).
   참고: 조사 설정은 몰광자 플럭스 측정에 사용된 것과 정확히 동일해야 합니다. 조사 간격은 광이성체화 속도에 따라 조정되어야 한다. 일반적으로 PSS에 도달하기 전에 15-20 개의 데이터 포인트가 적합합니다.
4. 단계 2.3으로부터 수득된 DMSO 중의 10 μM 용액 2 mL를 함유하는 1.0 cm 광로 길이의 석영 큐벳을 제조하였다 (E-농축됨). 큐벳을 PTFE 마개로 밀봉하십시오.
5. 436nm 대역통과 필터를 340nm 대역통과 필터로 교체하고 단계 5.4에서 얻은 샘플에 대해 5.3단계를 반복합니다.
6. 단계 5.3 및 Eq(10)²⁶에서 관찰된 흡광도를 사용하여 광동역학 인자 F(t)를 계산한다.
   (10)
   여기서 A^irr,t = 시간 t에서의 조사 파장에서의 흡광도.
7. 단계 5.6 및 Eq(11)²⁷로부터 수득된 광동역학 인자 값을 사용하여 의사 양자 수율 Q를 계산한다.
   (11)
   여기서 Q(M-1 ^cm-1) = 로 정의된 의사 양자 수율; ; V(L) = 샘플의 부피; I (mol·^s-1) = 큐벳에 도착하는 몰 광자 플럭스; l(cm) = 광로 길이; t1, t2(들) = 2개의 연속적인 조사 시점; F(_t1), F(t2) = 시간 t1 및 _t2에서의 광동역학 인자; A obs,t1, A obs,t2, A^obs,∞ = PSS에서의 특정 파장에서의 흡수율, _^t1 및 ^t2 각각.
   참고: 정확도를 위해 λ_max의 1-Z에서 흡광도를 사용하는 것이 좋습니다.
8. 처음 열 개의 데이터 포인트를 사용하여 의사 양자 수율의 평균 값을 계산합니다.
9. Eq (12) 및 Eq (13)를 사용하여 Z-to-E 및 E-to-Z 광이성체화에 대한 단방향 양자 수율을 계산하십시오.
   (12)
   (13)
   여기서 ΦZ→E, _ΦE→Z = Z-to-E 및 E-to-Z 광이성체화 공정에 대한 단방향 양자 수율; 조사 파장에서의 (M-1 cm-1) = 1-Z 및 1-E의 몰 감쇠 계수; , (M) = PSS에서의 1-Z 및 1-E의 몰 감쇠 계수; , (M) = PSS에서의 1-Z 및 ^1-E의 농도; _Ctot(M) = 총 농도 1.
10. 340 nm에서 조사하의 단방향 광이성체화 양자 수율의 계산을 위해 단계 5.5로부터 수득된 데이터를 사용하여 단계 5.6-5.9를 반복한다.

결과

436nm 빛을 갖는 NMR 튜브에 1을 조사하면(초기 상태에서 Z:E = 54:46), 히드라존 C=N 결합의 우세한 Z-to-E 이성체화로 인해 1-E의 비율이 증가합니다(그림 1). 이성질체 비는 ^1HNMR 스펙트럼에서 별개의 이성질체의 상대적 신호 강도로부터 용이하게 얻어질 수 있다(도 2). 436 nm에서 5일간 조사한 후, 샘플...

토론

광스위치의 스펙트럼 및 스위칭 특성을 조정하기 위한 다양한 전략이 개발되었으며, 광스위치의 등록이 급속히 확대되고 있다⁽²⁸). 따라서 광물리적 특성을 올바르게 결정하는 것이 중요하며이 기사에 요약 된 방법이 실험자에게 유용한 지침이 될 것으로 기대합니다. 단, 열이완 속도가 실온에서 매우 느리다면, 상이한 조사 파장에서의 PSS 조성물의 측정, 순수 이성질체의 몰 감?...

자료

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