JoVE Logo
Faculty Resource Center
Authors
Librarians
High Schools
About

Sign In

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Acknowledgements

Materials

References

Chemistry

Bepaling van de foto-isomerisatie quantumopbrengst van een Hydrazone photoswitch

Published: February 7th, 2022

DOI:

10.3791/63398

1Department of Chemistry, Chung-Ang University
* These authors contributed equally

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.

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.

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....

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 da.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 .......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Dit werk werd ondersteund door de Chung-Ang University Research Grants in 2019 en de National Research Foundation of Korea (NRF-2020R1C1C1011134).

....

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

NameCompanyCatalog NumberComments
1,10-phenanthrolineSigma-Aldrich131377-2.5G
340 nm bandpass filter, 25 mm diameter, 10 nm FWHMEdmund Optics#65-129
436 nm bandpass filter, 25 mm diameter, 10 nm FWHMEdmund Optics#65-138
Anhydrous sodium acetateAlfa aesarA13184.30
Dimethyl sulfoxideSamchunD1138HPLC grade
Dimethyl sulfoxide-d6Sigma-Aldrich151874-25g
Gemini 2000; 300 MHz NMR spectrometerVarian
H2SO4Duksan235
Heating bathJeioTechCW-05G
MestReNova 14.1.1Mestrelab Research S.L., https://mestrelab.com/
Natural quartz NMR tubeNorellS-5-200-QTZ-7
Potassium ferrioxalate trihydrateAlfa aesar31124.06
Quartz absorption cellHellmaHE.110.QS10
UV-VIS spectrophotometerScincoS-3100
Xenon arc lampThorlabsSLS205Fiber adapter was removed

  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. , (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. , (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. , (1993).
  26. Dürr, H., Bouas-Laurent, H. . Photochromism: Molecules and Systems. , (2003).
  27. Klán, P., Wirz, J. . Photochemistry of Organic Compounds: From Concepts to Practice. , (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).

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2024 MyJoVE Corporation. All rights reserved