Bestimmung der Photoisomerisierungsquantenausbeute eines Hydrazon-Photoschalters

Photochrome organische Moleküle haben in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Disziplinen beträchtliche Aufmerksamkeit erregt, da Licht ein einzigartiger Reiz ist, der ein System nicht-invasiv aus seinem thermodynamischen Gleichgewicht treiben kann¹. Die Bestrahlung von Licht mit geeigneten Energien ermöglicht die strukturelle Modulation von Photoschaltern mit hoher raumzeitlicher Präzision ^2,3,4. Dank dieser Vorteile wurden verschiedene Arten von Photoschaltern, die auf der Konfigurationsisomerisierung der Doppelbindungen (z. B. Stilbene, Azobenzene, Imine, Fumaramide, Thioindigos) und Ringöffnung/-verschluss (z. B. Spiropyrane, Dithienylethene, Fulgide, Donor-Akzeptor-Stenhouse-Addukte) basieren und als Kernkomponenten adaptiver Materialien auf verschiedenen Längenskalen verwendet wurden. Repräsentative Anwendungen von Photoschaltern umfassen photochrome Materialien, Wirkstoffabgabe, schaltbare Rezeptoren und Kanäle, Informations- oder Energiespeicher und molekulare Maschinen 5,6,7,8,9,10,11,12. In den meisten Studien, die neu entwickelte Photoschalter präsentieren, werden ihre photophysikalischen Eigenschaften wie λ_max der Absorption und Emission, molarer Dämpfungskoeffizient (ε), Fluoreszenzlebensdauer und Photoisomerisierungsquantenausbeute gründlich charakterisiert. Die Untersuchung solcher Eigenschaften liefert Schlüsselinformationen über die elektronischen Zustände und Übergänge, die für das Verständnis der optischen Eigenschaften und des Isomerisierungsmechanismus entscheidend sind.

Die genaue Messung der Photoisomerisierungsquantenausbeute – die Anzahl der Photoisomerisierungsereignisse, die durch die Anzahl der Photonen bei der vom Reaktanten absorbierten Bestrahlungswellenlänge dividiert wurden – ist jedoch in einer typischen Laborumgebung aus mehreren Gründen oft kompliziert. Die Bestimmung der Photoisomerisierungsquantenausbeute wird im Allgemeinen durch die Überwachung des Fortschreitens der Reaktion und die Messung der Anzahl der absorbierten Photonen während der Bestrahlung erreicht. Die Hauptsorge ist, dass sich die Menge der Photonenabsorption pro Zeiteinheit progressiv ändert, da sich die Gesamtabsorption durch die Lösung im Laufe der Zeit ändert, während die photochemische Reaktion fortschreitet. Daher hängt die Anzahl der verbrauchten Reaktanden pro Zeiteinheit von dem Zeitabschnitt ab, in dem sie während der Bestrahlung gemessen wird. Somit ist man verpflichtet, die unterschiedlich definierte Photoisomerisierungsquantenausbeute abzuschätzen.

Ein problematischeres Problem entsteht, wenn sowohl der Reaktant als auch das Photoprodukt Licht bei der Bestrahlungswellenlänge absorbieren. In diesem Fall erfolgt die photochemische Isomerisierung in beide Richtungen (d.h. eine photoreversible Reaktion). Die beiden unabhängigen Quantenausbeuten für die Vorwärts- und Rückwärtsreaktion können nicht direkt aus der beobachteten Reaktionsgeschwindigkeit gewonnen werden. Ungenaue Lichtintensität ist auch eine häufige Fehlerursache. Zum Beispiel ändert die Alterung der Glühbirne allmählich ihre Intensität; Die Bestrahlungsstärke der Xenon-Bogenlampe bei 400 nm nimmt nach 1000 h Betrieb¹⁴ um 30% ab. Die Streuung von nicht kollimiertem Licht macht die tatsächlich einfallende Bestrahlungsstärke deutlich kleiner als die Nennleistung der Quelle. Daher ist es entscheidend, den effektiven Photonenfluss genau zu quantifizieren. Bemerkenswert ist, dass die thermische Relaxation der metastabilen Form bei Raumtemperatur so gering sein sollte, dass sie ignoriert werden kann.

Dieses Papier stellt eine Reihe von Verfahren zur Bestimmung der Photoisomerisierungsquantenausbeute eines bistabilen Photoschalters vor. Eine Reihe von Hydrazon-Photoschaltern, die von der Gruppe von Aprahamian, dem bahnbrechenden Forschungsteam auf diesem Gebiet, entwickelt wurden, standen dank ihrer selektiven Photoisomerisierung und bemerkenswerten Stabilität ihrer metastabilen Isomere^15,16,17 im Rampenlicht. Ihre Hydrazon-Photoschalter bestehen aus zwei aromatischen Ringen, die durch eine Hydrazongruppe verbunden sind, und die C=N-Bindung durchläuft bei Bestrahlung bei geeigneten Wellenlängen eine selektive E/Z-Isomerisierung (Abbildung 1). Sie wurden erfolgreich als bewegliche Komponenten dynamischer molekularer Systeme 18,19,20,21 integriert. In dieser Arbeit haben wir ein neues Hydrazonderivat mit Amidgruppen vorbereitet und seine photoschaltenden Eigenschaften für die Bestimmung der Photoisomerisierungsquantenausbeute untersucht.