Détermination du rendement quantique de photoisomérisation d’un photocommutateur Hydrazone
Summary
Le rendement quantique de photoisomérisation est une propriété photophysique fondamentale qui doit être déterminée avec précision dans l’étude des photocommutateurs nouvellement développés. Ici, nous décrivons un ensemble de procédures pour mesurer le rendement quantique de photoisomérisation d’une hydrazone photochromique en tant que modèle de photocommutateur bistable.
Abstract
Les molécules organiques photocommutantes qui subissent des transformations structurelles entraînées par la lumière sont des composants clés pour construire des systèmes moléculaires adaptatifs, et elles sont utilisées dans une grande variété d’applications. Dans la plupart des études utilisant des photocommutateurs, plusieurs propriétés photophysiques importantes telles que les longueurs d’onde maximales d’absorption et d’émission, le coefficient d’atténuation molaire, la durée de vie de la fluorescence et le rendement quantique de la photoisomérisation sont soigneusement déterminées pour étudier leurs états électroniques et leurs processus de transition. Cependant, la mesure du rendement quantique de la photoisomérisation, l’efficacité de la photoisomérisation par rapport aux photons absorbés, dans un environnement de laboratoire typique est souvent compliquée et sujette à l’erreur car elle nécessite la mise en œuvre de mesures spectroscopiques rigoureuses et de calculs basés sur une méthode d’intégration appropriée. Cet article présente un ensemble de procédures pour mesurer le rendement quantique de photoisomérisation d’un photocommutateur bistable à l’aide d’une hydrazone photochromique. Nous prévoyons que cet article sera un guide utile pour l’étude des photocommutateurs bistables qui sont de plus en plus développés.
Introduction
Les molécules organiques photochromiques ont attiré une attention considérable dans un large éventail de disciplines scientifiques, car la lumière est un stimulus unique qui peut éloigner un système de son équilibre thermodynamique de manière non invasive1. L’irradiation de la lumière avec des énergies appropriées permet une modulation structurelle des photocommutateurs avec une précision spatio-temporelle élevée 2,3,4. Grâce à ces avantages, divers types de photocommutateurs basés sur l’isomérisation configurationnelle des doubles liaisons (par exemple, stilbènes, azobenzènes, imines, fumaramides, thioindigos) et l’ouverture/fermeture de l’anneau (par exemple, spiropyranes, dithienylethenes, fulgides, adduits Stenhouse donneur-accepteur) ont été développés et utilisés comme composants de base de matériaux adaptatifs à différentes échelles de longueur. Les applications représentatives des photocommutateurs impliquent les matériaux photochromiques, l’administration de médicaments, les récepteurs et canaux commutables, le stockage d’informations ou d’énergie et les machines moléculaires 5,6,7,8,9,10,11,12. Dans la plupart des études présentant des photocommutateurs nouvellement conçus, leurs propriétés photophysiques telles que λmax d’absorption et d’émission, le coefficient d’atténuation molaire (ε), la durée de vie de la fluorescence et le rendement quantique de photoisomérisation sont caractérisées de manière approfondie. L’étude de ces propriétés fournit des informations clés sur les états et les transitions électroniques qui sont cruciales pour comprendre les propriétés optiques et le mécanisme d’isomérisation.
Cependant, la mesure précise du rendement quantique de photoisomérisation – le nombre d’événements de photoisomérisation qui se sont produits divisé par le nombre de photons à la longueur d’onde d’irradiation absorbée par le réactif – est souvent compliquée dans un environnement de laboratoire typique pour plusieurs raisons. La détermination du rendement quantique de photoisomérisation est généralement obtenue en surveillant l’avancement de la réaction et en mesurant le nombre de photons absorbés pendant l’irradiation. La principale préoccupation est que la quantité d’absorption de photons par unité de temps change progressivement parce que l’absorption totale par la solution change au fil du temps au fur et à mesure que la réaction photochimique se poursuit. Par conséquent, le nombre de réactifs consommés par unité de temps dépend de la section de temps dans laquelle il est mesuré pendant l’irradiation. Ainsi, on est obligé d’estimer le rendement quantique de photoisomérisation qui est défini différentiellement.
Un problème plus gênant survient lorsque le réactif et le photoproduit absorbent la lumière à la longueur d’onde d’irradiation. Dans ce cas, l’isomérisation photochimique se produit dans les deux sens (c.-à-d. une réaction photoréversible). Les deux rendements quantiques indépendants pour les réactions avant et arrière ne peuvent pas être obtenus directement à partir de la vitesse de réaction observée. Une intensité lumineuse inexacte est également une cause fréquente d’erreur. Par exemple, le vieillissement de l’ampoule change progressivement d’intensité; l’irradiance de la lampe à arc au xénon à 400 nm diminue de 30% après 1000 h de fonctionnement14. La propagation de la lumière non collimée rend l’irradiance incidente réelle nettement inférieure à la puissance nominale de la source. Ainsi, il est crucial de quantifier avec précision le flux de photons effectif. Il convient de noter que la relaxation thermique de la forme métastable à température ambiante doit être suffisamment faible pour être ignorée.
Cet article présente un ensemble de procédures pour déterminer le rendement quantique de photoisomérisation d’un photocommutateur bistable. Un certain nombre de photocommutateurs d’hydrazone développés par le groupe d’Aprahamian, l’équipe de recherche pionnière dans le domaine, ont été à l’honneur grâce à leur photoisomérisation sélective et à la stabilité remarquable de leurs isomères métastables 15,16,17. Leurs photocommutateurs d’hydrazone comprennent deux cycles aromatiques reliés par un groupe d’hydrazone, et la liaison C = N subit une isomérisation sélective E / Z lors de l’irradiation à des longueurs d’onde appropriées (Figure 1). Ils ont été incorporés avec succès en tant que composants mobiles de systèmes moléculaires dynamiques 18,19,20,21. Dans ce travail, nous avons préparé un nouveau dérivé d’hydrazone portant des groupes amides et étudié ses propriétés de photocommutation pour la détermination du rendement quantique de photoisomérisation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diverses stratégies pour régler les propriétés spectrales et de commutation des photocommutateurs ont été développées, et le registre des photocommutateurs s’étend rapidement28. Il est donc crucial de déterminer correctement leurs propriétés photophysiques, et nous prévoyons que les méthodes résumées dans cet article seront un guide utile pour les expérimentateurs. A condition que le taux de relaxation thermique soit très lent à température ambiante, la mesure des composition…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par les subventions de recherche de l’Université Chung-Ang en 2019 et la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF-2020R1C1C1011134).
Materials
| 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 |
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