Determinación del rendimiento cuántico de fotoisomerización de un interruptor de fotos de hidrazona

Las moléculas orgánicas fotocrómicas han atraído una atención considerable en una amplia gama de disciplinas científicas, ya que la luz es un estímulo único que puede alejar a un sistema de su equilibrio termodinámico de forma no invasiva¹. La irradiación de luz con energías apropiadas permite la modulación estructural de fotointerruptores con alta precisión espaciotemporal ^2,3,4. Gracias a estas ventajas, se han desarrollado y utilizado varios tipos de fotointerruptores basados en la isomerización configuracional de los dobles enlaces (por ejemplo, estilbenos, azobencenos, iminas, fumaramidas, tioindigos) y apertura/cierre de anillos (por ejemplo, espiropiropirotranos, ditieniletenos, fulgidas, aductos stenhouse donante-aceptor) como componentes centrales de materiales adaptativos a varias escalas de longitud. Las aplicaciones representativas de los fotointerruptores incluyen materiales fotocrómicos, administración de fármacos, receptores y canales conmutables, almacenamiento de información o energía y máquinas moleculares ^{5,6,7,8,9,10,11,12}. En la mayoría de los estudios que presentan fotointerruptores de nuevo diseño, sus propiedades fotofísicas, como λ_max de absorción y emisión, el coeficiente de atenuación molar (ε), la vida útil de la fluorescencia y el rendimiento cuántico de fotoisomerización se caracterizan a fondo. La investigación de tales propiedades proporciona información clave sobre los estados electrónicos y las transiciones que son cruciales para comprender las propiedades ópticas y el mecanismo de isomerización.

Sin embargo, la medición precisa del rendimiento cuántico de fotoisomerización, el número de eventos de fotoisomerización que ocurrieron dividido por el número de fotones en la longitud de onda de irradiación absorbida por el reactivo, a menudo se complica en un entorno de laboratorio típico debido a varias razones. La determinación del rendimiento cuántico de fotoisomerización generalmente se logra monitoreando el avance de la reacción y midiendo el número de fotones absorbidos durante la irradiación. La principal preocupación es que la cantidad de absorción de fotones por unidad de tiempo cambia progresivamente porque la absorción total por la solución cambia con el tiempo a medida que avanza la reacción fotoquímica. Por lo tanto, el número de reactivos consumidos por unidad de tiempo depende de la sección de tiempo en la que se mide durante la irradiación. Por lo tanto, uno está obligado a estimar el rendimiento cuántico de fotoisomerización que se define diferencialmente.

Un problema más problemático surge cuando tanto el reactivo como el fotoproducto absorben la luz en la longitud de onda de irradiación. En este caso, la isomerización fotoquímica ocurre en ambas direcciones (es decir, una reacción fotorevernsibilizable). Los dos rendimientos cuánticos independientes para las reacciones hacia adelante y hacia atrás no se pueden obtener directamente de la velocidad de reacción observada. La intensidad de luz inexacta también es una causa común de error. Por ejemplo, el envejecimiento del bulbo cambia gradualmente su intensidad; la irradiancia de la lámpara de arco de xenón a 400 nm disminuye en un 30% después de 1000 h de^{operación 14}. La propagación de la luz no colimada hace que la irradiancia incidente real sea significativamente menor que la potencia nominal de la fuente. Por lo tanto, es crucial cuantificar con precisión el flujo efectivo de fotones. Cabe destacar que la relajación térmica de la forma metaestable a temperatura ambiente debe ser lo suficientemente pequeña como para ser ignorada.

Este artículo presenta un conjunto de procedimientos para determinar el rendimiento cuántico de fotoisomerización de un fotointerruptor biestable. Varios fotointerruptores de hidrazona desarrollados por el grupo de Aprahamian, el equipo de investigación pionero en el campo, han estado en el punto de mira gracias a su fotoisomerización selectiva y la notable estabilidad de sus isómeros metaestables 15,16,17. Sus fotointerruptores de hidrazona comprenden dos anillos aromáticos unidos por un grupo de hidrazona, y el enlace C = N sufre isomerización selectiva E / Z tras la irradiación en longitudes de onda apropiadas (Figura 1). Se han incorporado con éxito como componentes móviles de sistemas moleculares dinámicos 18,19,20,21. En este trabajo, preparamos un nuevo derivado de hidrazona que contiene grupos amida e investigamos sus propiedades de fotointerferencia para la determinación del rendimiento cuántico de fotoisomerización.

1. Adquisición del espectro de RMN ^{de 1}H en estado fotoestacionario (PSS)

1. En un tubo de RMN de cuarzo natural que contenga 4,2 mg (0,01 mmol) de interruptor de hidrazona 1, agregue 1,0 ml de dimetilsulfóxido deuterado (DMSO-d ₆). Transfiera la mitad de la solución a otro tubo de RMN.
2. Coloque uno de los tubos de RMN 1 cm delante de una lámpara de arco de xenón equipada con un filtro de paso de banda de 436 nm. Comience la irradiación a la muestra de RMN y registre un espectro de RMN ^{de 1}H todos los días hasta que no haya cambios en los espectros a medida que el interruptor 1 llegue a PSS. Después de llegar a PSS, mantenga el tubo de RMN en la oscuridad a temperatura ambiente y registre el espectro de RMN ^{de 1}H después de 12 h para monitorear el progreso de la relajación térmica.
   NOTA: El interruptor 1 no muestra ningún cambio apreciable en el espectro de RMN ^{de 1}H a temperatura ambiente debido a su naturaleza biestable.
3. Para el otro tubo de RMN, repita el paso 1.2 con un filtro de paso de banda de 340 nm para obtener un espectro de RMN ^{de 1}H en el PSS bajo irradiación de 340 nm.
4. Abra los archivos fid de los espectros de RMN en los PSS con el software de procesamiento de RMN. Integrar un conjunto distintivo de picos (H1: C2 protón de quinolina, H2: protón en posición para el grupo hidrazona, H3: CH₃ de éster etílico) de los distintos isómeros y calcular la relación isomérica (Figura 2).
   NOTA: Las composiciones ([1-Z]:[1-E] relación) bajo irradiación de 436 nm y 340 nm son 8:92 y 82:18, respectivamente.

2. Espectroscopia de absorción UV-Vis en PSS

1. En un vial de vidrio que contenga 12,6 mg (0,03 mmol) de 1, agregue 2 ml de DMSO de grado espectroscopia. Tomar 100 μL de la solución y diluir con 1400 μL de DMSO para hacer 1 mM de solución de 1. Transfiera 20 μL de 1 mM de solución de 1 a una cubeta de cuarzo con una longitud de trayectoria óptica de 1,0 cm y diluya con 1980 μL de DMSO para hacer una solución de 10 μM de 1. Selle la cubeta con un tapón de PTFE y mantenga la muestra en la oscuridad.
2. Prepare otra cubeta de cuarzo que contenga 2 ml de DMSO como muestra en blanco. Mida el espectro UV-Vis de la muestra en blanco para la corrección basal.
3. Coloque la muestra del paso 2,1 1 cm delante de una lámpara de arco de xenón equipada con un filtro de paso de banda de 436 nm. Comience la irradiación a la muestra y mida el espectro UV-Vis cada 2 h hasta que no haya cambios en los espectros a medida que 1 alcanza PSS (Figura 3).
   NOTA: El tiempo necesario para alcanzar PSS para la muestra de espectroscopia UV-Vis es mucho más corto que para la muestra de RMN con una concentración más alta.
4. Repita el paso 2.3 con un filtro de paso de banda de 340 nm para obtener el espectro UV-Vis en el PSS bajo irradiación de 340 nm.
5. Deducir espectros de absorbancia de los 1-Z y 1-E puros utilizando Eq (1) y Eq (2) (Figura 4).
   (1)
   (2)
   Donde R₄₃₆ = la relación de 1-Z en el PSS bajo irradiación de 436 nm; R₃₄₀ = la relación de 1-Z en el PSS bajo irradiación de 340 nm; A₄₃₆ = la absorbancia de 1 en DMSO en el PSS bajo irradiación de 436 nm; A₃₄₀ = la absorbancia de 1 en DMSO en el PSS bajo irradiación de 340 nm.
6. Calcule los coeficientes de atenuación molar de 1-Z y 1-E puros en todas las longitudes de onda dividiendo la absorbancia observada por la concentración de la muestra (10 μM) y la longitud de la trayectoria óptica (1 cm).

3. Estudios cinéticos sobre relajación térmica

1. Calentar el aceite de silicio lleno en un circulador de baño de calefacción a la temperatura deseada (131 °C) y comprobar si la temperatura del baño está estabilizada. Sumerja dos muestras de RMN del paso 1.2 en el baño de calentamiento.
   NOTA: La temperatura y la duración de la calefacción se ajustan en función de la tasa de relajación.
2. Después de 1 h de calentamiento, transfiera los tubos de RMN rápidamente a un baño de hielo seco para pausar la relajación térmica causada por el calor latente (Figura 5).
   NOTA: La temperatura o el tiempo de calentamiento inexactos pueden conducir a un error grave en la estimación de la constante de velocidad.
3. Descongele las muestras de RMN obtenidas del paso 3.2 a temperatura ambiente y asegúrese de que el DMSO se descongele. Registre los espectros de RMN de ¹H de las muestras.
4. Repita los pasos 3.1-3.3 hasta que no haya cambios en los espectros de RMN ^{de 1}H a medida que 1 alcanza el equilibrio termodinámico.
5. Repita los pasos 3.1-3.4 a diferentes temperaturas (134, 137, 140 y 143 °C).
6. Abrir archivos fid de los espectros de RMN obtenidos en el curso del calentamiento a 131 °C. Calcule las relaciones isoméricas promediadas como se describe en el paso 1.4. Calcular la concentración de 1-E (isómero metaestable) en función de la concentración total de la muestra (10 mM) y la relación isomérica.
7. Grafique la concentración promediada de 1-E (C_E) en función del tiempo de calentamiento. Realizar un ajuste exponencial a los datos para obtener la tasa constante de relajación térmica utilizando Eq (3)^15,22 (Figura 6).
   (3)
   Donde (M) = la concentración de 1-E en el estado inicial; (M) = la concentración de 1-E en el equilibrio termodinámico a una temperatura específica; k (^s-1) = la constante de velocidad de relajación térmica a una temperatura específica; t (s) = el tiempo de calentamiento.
8. Repita los pasos 3.6 a 3.7 utilizando los datos obtenidos a diferentes temperaturas.
9. Trazar ln(k) versus y realizar un ajuste lineal según la ecuación de Arrhenius (Eq (4)) para extrapolar la constante de velocidad a temperatura ambiente (Figura 7).
   (4)
   Donde A = el factor preexponencial; E_a (J·^mol-1) = la energía de activación para la relajación térmica; R = la constante de gas ideal (8.3145 J·^{mol-1 K-1}); T (K) = la temperatura absoluta.
10. Calcule la vida media térmica de 1-E a temperatura ambiente utilizando Eq (5).
    (5)
    Donde τ_1/2 (s) = la vida media térmica de 1-E a temperatura ambiente; k (^s-1) = la constante de velocidad de relajación térmica a temperatura ambiente obtenida a partir del paso 3.9.
11. Si la constante de velocidad de relajación térmica se estima solo a una sola temperatura, calcule la constante de tasa a temperatura ambiente utilizando la siguiente ecuación de Eyring reorganizada (Eq (6))^18,23.
    (6)
    (7)
    Donde (J·^mol-1) = la energía de Gibbs de activación para la relajación térmica; k₁ (^s-1) = la constante de relajación térmica estimada a la temperatura elevada; k₂ (^s-1) = la constante de velocidad de relajación térmica a temperatura ambiente (298,15 K); T₁ (K) = la temperatura absoluta a la que se obtiene k₁ ; (K) = temperatura ambiente (298,15 K).

4. Actinometría de ferrioxalato

NOTA: Todos los procedimientos para la actinometría de ferrioxalato deben realizarse en la luz oscura o >600 nm para evitar la influencia de la luz ambiental.

1. En un vial de vidrio de 20 ml que contenga 29,48 mg (0,06 mmol) de trihidrato de ferrioxalato de potasio, agregue 8 ml de agua desionizada. Añadir 1 mL de H 2 SO₄ acuoso_de0,5 M a la solución de ferrioxalato y diluir a 10 mL con agua desionizada para preparar un ferrioxalato de 0,006 M en solución acuosa de H₂SO_{4 de} 0,05 M.
2. En otro vial de vidrio de 20 ml que contenga 10 mg de 1,10-fenantrolina y 1,356 g de acetato de sodio anhidro, agregue 10 ml de H 2 SO₄ acuoso_de0,5 M para hacer una solución tamponada de fenantrolina al 0,1% (p/v).
3. Transfiera 2 ml de la solución de ferrioxalato de 0,006 M del paso 4,1 a una cubeta de cuarzo con una longitud de trayectoria óptica de 1,0 cm. Selle la cubeta con un tapón de PTFE y mantenga la muestra en la oscuridad.
4. Preparar otra cubeta de cuarzo que contenga 2 mL de 0,05 M acuosos H₂SO₄ como muestra en blanco. Mida la absorbancia UV-Vis de la muestra en blanco para la corrección basal.
5. Mida la absorbancia UV-Vis de la solución de ferrioxalato de 0,006 M. Determinar la fracción de luz absorbida utilizando las absorbancias de la solución de ferrioxalato de 0,006 M a 340 y 436 nm y Eq (8) (Figura 8).
   (8)
   Donde f = la fracción de luz absorbida por 0,006 M de solución de ferrioxalato; A_λ = la absorbancia de la solución de ferrioxalato de 0,006 M en longitud de onda λ.
6. Prepare dos cubetas de cuarzo con una longitud de trayectoria óptica de 1,0 cm y agregue 2 ml de la solución de ferrioxalato de 0,006 M.
7. Coloque una de las muestras del paso 4,6 1 cm delante de la lámpara de arco de xenón equipada con un filtro de paso de banda de 436 nm. Mantenga la otra muestra en la oscuridad. Iniciar la irradiación a la muestra durante 90 s. Después de la irradiación, agregue 0,35 ml de la solución tamponada de fenantrolina al 0,1% y una barra magnética a ambas cubetas, seguido de agitar durante 1 h en la oscuridad para formar un complejo [Fe(phen)₃]²⁺ .
   NOTA: El ferrioxalato se reduce fotoquímicamente a Fe²⁺, seguido de la formación casi cuantitativa del complejo de hierro (II) tris-1,10-fenantrolina.
8. Mida el espectro de absorción UV-Vis de la muestra no irradiada del paso 4.6 para la corrección basal.
9. Mida el espectro de absorción UV-Vis de la muestra irradiada a partir del paso 4.7.
10. Repita los pasos 4.6-4.9 con un filtro de paso de banda de 340 nm (Figura 9).
    NOTA: Una vez que la muestra de ferrioxalato se expone a la luz, la muestra no se puede reutilizar.
11. Calcule el flujo de fotones molares que llega a la cubeta utilizando Eq (9).
    (9)
    Donde I (mol·^s-1) = el flujo de fotones molares que llega a la cubeta; ΔA₅₁₀ = la diferencia de absorbancia a 510 nm entre las muestras no irradiadas e irradiadas; V = el volumen total de la solución (2,35 ml); ε₅₁₀ = el coeficiente de atenuación molar del complejo [Fe(phen)₃]²⁺ (11100 ^{M-1 cm-1})²⁴; I = la longitud de la trayectoria óptica de la cubeta de cuarzo (1,0 cm); t = tiempo de irradiación (90 s); f = la fracción absorbida de luz obtenida a partir del paso 4.5; Φ_Fe³⁺ = el rendimiento cuántico de la fotorreducción de Fe³⁺ a Fe²⁺ (1,22 para 340 nm, 1,11 para 436 nm)²⁵.

5. Determinación del rendimiento cuántico de fotoisomerización

1. Prepare una cubeta de cuarzo con una longitud de trayectoria óptica de 1,0 cm que contenga 2 ml de DMSO como muestra en blanco. Mida la absorbancia UV-Vis de la muestra en blanco para la corrección basal.
2. Preparar una cubeta de cuarzo con una longitud de trayectoria óptica de 1,0 cm que contenga 2 mL de solución de 10 μM de 1 en DMSO obtenida a partir del paso 2.4 (enriquecido con Z). Selle las cubetas con un tapón de PTFE.
3. Coloque la muestra del paso 5,2 1 cm delante de la lámpara de arco de xenón equipada con un filtro de paso de banda de 436 nm. Iniciar la irradiación a 436 nm a la muestra y medir el espectro de absorción UV-Vis con diferentes intervalos hasta que no haya ningún cambio en los espectros a medida que 1 alcanza PSS (Figura 10).
   NOTA: La configuración de irradiación debe ser exactamente la misma que la utilizada para la medición del flujo de fotones molares. El intervalo de irradiación debe ajustarse en función de la tasa de fotoisomerización. En general, 15-20 puntos de datos antes de llegar a PSS son adecuados.
4. Preparar una cubeta de cuarzo con una longitud de trayectoria óptica de 1,0 cm que contenga 2 ml de solución de 10 μM de 1 en DMSO obtenida a partir del paso 2.3 (enriquecido con E). Selle las cubetas con un tapón de PTFE.
5. Reemplace el filtro de paso de banda de 436 nm por el filtro de paso de banda de 340 nm y repita el paso 5.3 para la muestra obtenida del paso 5.4.
6. Calcular el factor fotocinético F(t) utilizando las absorbancias observadas a partir del paso 5.3 y Eq (10)²⁶.
   (10)
   Donde A^irr,t = la absorbancia en la longitud de onda de irradiación en el tiempo t.
7. Calcular el rendimiento pseudocuántico Q utilizando los valores del factor fotocinético obtenidos del paso 5.6 y Eq (11)²⁷.
   (11)
   Donde Q (^{M-1 cm-1}) = el rendimiento pseudo cuántico definido como ; ; V(L) = el volumen de la muestra; I (mol·^s-1) = el flujo de fotones molares que llega a la cubeta; l (cm) = la longitud de la trayectoria óptica; t₁, t₂ (s) = los dos puntos de tiempo consecutivos de irradiación; F(t₁), F(t₂) = los factores fotocinéticos en el tiempo t₁ y t₂, respectivamente; A^obs,t₁, A^obs,t₂, A^obs,∞ = las absorbancias en longitud de onda específica en el tiempo , t₁ y t₂ en PSS, respectivamente.
   NOTA: Se recomienda el uso de absorbancias a λ_máximo de 1-Z para mayor precisión.
8. Calcule el valor promediado del rendimiento pseudo cuántico utilizando los primeros diez puntos de datos.
9. Calcule los rendimientos cuánticos unidireccionales para las fotoisomerizaciones de Z a E y E a Z utilizando Eq (12) y Eq (13).
   (12)
   (13)
   Donde Φ_Z→E, Φ_E→Z = los rendimientos cuánticos unidireccionales para los procesos de fotoisomerización Z-to-E y E-to-Z, respectivamente; , (^{M-1 cm-1}) = los coeficientes de atenuación molar de 1-Z y 1-E en la longitud de onda de irradiación; , (M) = las concentraciones de 1-Z y 1-E en PSS, respectivamente; C_tot (M) = la concentración total de 1.
10. Repita los pasos 5.6-5.9 utilizando los datos obtenidos del paso 5.5 para el cálculo de los rendimientos cuánticos de fotoisomerización unidireccional bajo irradiación a 340 nm.

Tras la irradiación de 1 en un tubo de RMN con luz de 436 nm (Z:E = 54:46 en el estado inicial), la proporción de 1-E aumenta debido a la isomerización dominante de Z a E del enlace hidrazona C=N (Figura 1). La relación isomérica se puede obtener fácilmente a partir de las intensidades de señal relativas de distintos isómeros en el espectro de RMN ^{de 1}H (Figura 2). Después de 5 días de irradiación a 436 nm, la muestra alcanza PSS que contiene 92% de 1-E. Se requiere irradiación prolongada para alcanzar PSS debido a la alta concentración de la muestra (10 mM) y la débil intensidad de la fuente de luz. La irradiación posterior a 340 nm induce la isomerización de E a Z, alcanzando PSS que contiene 82% de 1-Z después de 3 días de irradiación.

Se requiere un tiempo de irradiación más corto para alcanzar PSS en el experimento de espectroscopia UV-Vis (10 h y 4 h para irradiación a 436 y 340 nm, respectivamente) debido a la menor concentración de la muestra (10 μM). Como es difícil aislar los isómeros puros por cromatografía u obtenerlos por fotoisomerización, se utilizan espectros de absorción UV-Vis de 1 en los PSS para deducir los espectros de absorción de los puros 1-Z y 1-E (Figura 4). La longitud de onda del máximo de absorción (λ_máx., 398 nm para 1-Z y 375 nm para 1-E) y el coeficiente de atenuación molar (ε) se pueden obtener a partir de los espectros deducidos. Los espectros UV-Vis de los isómeros puros sugieren que la fotoisomerización incompleta se atribuye al proceso fotoquímico inverso, es decir, la superposición de la banda de absorción en las longitudes de onda de irradiación.

Para determinar el rendimiento cuántico de fotoisomerización, primero se investiga la tasa de relajación térmica y el flujo efectivo de fotones molares. Debido a que el isómero metaestable 1-E es altamente estable a temperatura ambiente, la isomerización E-a-Z impulsada térmicamente se monitorea a temperaturas elevadas (de 131 a 143 ° C) utilizando espectroscopia de RMN ^{de 1}H, y se estiman las constantes de relajación de primera orden (Figura 6). Las constantes de velocidad obtenidas a diferentes temperaturas se trazan frente a la temperatura recíproca y se ajustan linealmente utilizando la ecuación de Arrhenius (Eq (4)) (Figura 7). La tasa de relajación térmica ((2,2 ± 0,5) × ^{10-10 s-1}) y la vida media de 1-E (101 ± 24 años) a temperatura ambiente se pueden extrapolar. Por lo tanto, es seguro ignorar el efecto de la relajación térmica en el proceso de fotoisomerización a temperatura ambiente. También se puede usar la ecuación de Eyring reorganizada (Eq (6)) que se muestra en el paso 3.11 para estimar la vida media si solo hay una constante de tasa disponible.

Para la determinación del flujo de fotones molares efectivo en la configuración de irradiación, la fracción de luz absorbida por la solución de ferrioxalato (f) debe medirse con precisión (Figura 8). Aunque en este protocolo se utiliza una solución de ferrioxalato de 0,006 M, se recomienda una solución de 0,15 M si se utiliza luz de >440 nm para la irradiación debido a la baja absorbancia²⁵. Una vez medida la f , la solución de ferrioxalato se somete al experimento de fotorreducción. Tras la irradiación, el ferrioxalato se reduce a un ion ferroso (Fe²⁺) que posteriormente es coordinado por tres ligandos de fenantrolina para formar el complejo [Fe(phen)₃]²⁺ . El grado de fotorreducción se puede obtener midiendo la absorción del complejo [Fe(phen)₃]²⁺ (Figura 9). El flujo de fotones molares efectivo se puede calcular a partir del coeficiente de atenuación molar conocido del complejo [Fe(phen)₃]²⁺ y el rendimiento cuántico de la fotorreducción en la longitud de onda de irradiación. El poder de irradiación de la fuente de luz utilizada en este experimento es suficiente para calcular el flujo de fotones molares sin dilución de la muestra irradiada. Si la absorbancia de la muestra irradiada es superior a 1, la muestra de ferrioxalato debe diluirse después de la irradiación.

Una vez que se obtienen los coeficientes efectivos de flujo de fotones molares y atenuación molar de los isómeros puros, ahora es posible determinar el rendimiento cuántico de fotoisomerización. La fotoisomerización de 1 se lleva a cabo utilizando la misma configuración de irradiación que el experimento de actinometría y se monitorea mediante espectroscopia UV-Vis. Como la isomerización fotoquímica es reversible en las longitudes de onda de irradiación, los rendimientos cuánticos individuales para las reacciones hacia adelante y hacia atrás se entrelazan en la velocidad de reacción general y no se pueden determinar directamente. Por lo tanto, es necesario calcular primero el rendimiento pseudo cuántico (Q) en la longitud de onda de irradiación de la que se extraen los rendimientos cuánticos individuales después. El rendimiento pseudo cuántico está definido por Eq (14), que permite la expresión de los dos pasos dependientes lineales con un Eq lineal independiente (15) (Información suplementaria).

(14)

(15)

Mediante el uso de Eq (15), el rendimiento pseudo cuántico se puede obtener a partir de la absorbancia total observada y el tiempo de irradiación en el que se mide (Eq. (15) en la Información suplementaria). F(t), el llamado factor fotocinético, es una variable dependiente del tiempo que no se puede integrar directamente cuando tanto 1-Z como 1-E absorben luz en la longitud de onda de irradiación. Cuando el intervalo de irradiación entre el tiempo t₁ y t₂ es corto, la integración de F(t) del tiempo t₁ a t₂ se aproxima a (t₂ - t₁) {F(t₁) + F(t₂)}/2 para dar Eq (11) (paso 5.7 y Eq. (27) en la Información Suplementaria ). Los valores promediados del rendimiento pseudocuántico calculado son 43,0 ± 4,6 ^{M-1 cm-1} a 436 nm y 405,6 ± 20,3 ^{M-1 cm-1} a 340 nm (Tabla 1).

(11)

La relación numérica entre Φ_Z→E y Φ_E→Z se obtiene en base a la relación isomérica en PSS (Eq. (23) en la Información Suplementaria) y, finalmente, los rendimientos cuánticos individuales se pueden determinar utilizando Eq (12) y Eq (13) (paso 5.9).

(12)

(13)

Los rendimientos cuánticos de fotoisomerización unidireccional estimados son Φ_Z→E = 1,3 ± 0,1%, Φ_E→Z = 0,6 ± 0,1% bajo irradiación de 436 nm y Φ_Z→E = 2,0 ± 0,1%, Φ_E→Z = 4,6 ± 0,2% bajo irradiación de 340 nm.

Figura 1: Isomerización E/Z del interruptor de hidrazona 1 inducida por la luz y el calor. Los dos isómeros 1-Z y 1-E se interconvierten por fotoirradiación a diferentes longitudes de onda. Metastable 1-E puede relajarse térmicamente a 1-Z. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: ¹espectros de RMN H de 1 (A) antes y después de la irradiación a (B) 436 nm o (C) 340 nm para alcanzar PSS en DMSO-d ₆ a 298.15 K. Las composiciones de PSS a 436 y 340 nm consisten en 8 y 82% de 1-Z, respectivamente. Abreviatura: PSSs = estados fotoestacionarios. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Una configuración experimental para la fotoisomerización y la actinometría de ferrioxalato. La solución de muestra en una cubeta se coloca 1 cm delante de la lámpara de arco Xe equipada con un filtro de paso de banda. Abreviatura: d = distancia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Espectros de absorción UV-Vis de 1 (1 × ^10-5 M en DMSO). Las líneas sólidas azules y rojas indican espectros de absorción de 1 en PSS bajo irradiación de 436 y 340 nm, respectivamente. Las líneas discontinuas azules y rojas indican espectros de absorción deducidos de 1-E y 1-Z puros, respectivamente. Abreviatura: PSSs = estados fotoestacionarios. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Una configuración experimental para monitorear el proceso de relajación térmica. Se utiliza un circulador de baño calefactor para mantener la temperatura constante durante el calentamiento de la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Gráfico de la concentración de 1-E versus tiempo de calentamiento en DMSO-d ₆ a diferentes temperaturas. Las constantes de velocidad de relajación térmica a diferentes temperaturas se obtienen de las parcelas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Diagrama de Arrhenius de la isomerización térmica E-to-Z de 1 en DMSO-d ₆. La extrapolación del ajuste lineal sugiere que la vida media térmica de 1-E a temperatura ambiente es de 101 ± 24 años. Abreviaturas: k = la constante de velocidad de relajación térmica; T = temperatura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: Fracción de luz absorbida por 0,006 M de ferrioxalato en solución acuosa de H₂SO_{4 de} 0,05 M. Las fracciones medidas de luz absorbida en las longitudes de onda de fotoirradiación se utilizan en la actinometría de ferrioxalato. Abreviatura: f = fracción de luz absorbida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9: Diferencias de absorbancia entre las muestras de ferrioxalato irradiadas (línea azul: irradiadas a 436 nm, líneas rojas: irradiadas a 340 nm) y no irradiadas. La diferencia de absorbancia a 510 nm (ΔA₅₁₀) y el valor conocido del coeficiente de atenuación molar del complejo [Fe(phen)₃]²⁺ (ε₅₁₀ = 11100 ^{M-1 cm-1}) se utilizan para calcular el flujo de fotones molares. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10: Espectros UV-Vis monitoreados tras irradiación. Irradiación con irradiación (A) 436 nm y (B) 340 nm. Gráficos de la absorbancia a 398 nm (λ_máximo del 1-Z puro) durante la irradiación a (C) 436 nm y (D) 340 nm frente al tiempo. Los valores promediados del rendimiento pseudo cuántico se obtienen utilizando los primeros diez puntos de datos en C y D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1: Rendimientos pseudo cuánticos estimados y rendimientos cuánticos de fotoisomerización unidireccional bajo las longitudes de onda de irradiación. Haga clic aquí para descargar esta tabla.

Información complementaria: Una guía del usuario para elegir un procedimiento apropiado para determinar el rendimiento cuántico de fotoisomerización de un interruptor biestable y la caracterización del compuesto 1. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Se han desarrollado varias estrategias para ajustar las propiedades espectrales y de conmutación de los fotointerruptores, y el registro de fotointerruptores se está expandiendo rápidamente²⁸. Por lo tanto, es crucial determinar correctamente sus propiedades fotofísicas, y anticipamos que los métodos resumidos en este artículo serán una guía útil para los experimentadores. Siempre que la tasa de relajación térmica sea muy lenta a temperatura ambiente, la medición de las composiciones de PSS en diferentes longitudes de onda de irradiación, los coeficientes de atenuación molar de los isómeros puros, el flujo efectivo de fotones molares, el rendimiento pseudo cuántico de arena permite la estimación de los rendimientos cuánticos de fotoisomerización unidireccional. Los resultados experimentales presentados en este trabajo revelaron que las propiedades fotofísicas de 1 no son significativamente diferentes de las de la molécula madre no sustituida¹⁵. Este resultado sugiere que el enlace amida puede ser una correa útil a otras moléculas de interés para su modulación estructural.

Para la determinación del rendimiento cuántico, es esencial utilizar un método de integración adecuado para el factor fotocinético (ver Información suplementaria). Los factores críticos para elegir el método de integración son: (1) si ambos isómeros absorben la luz en la longitud de onda de irradiación (fotoreversibilidad)²⁶, (2) si la fotoirradiación comenzó con un isómero puro^29,30, y (3) si la absorción en la longitud de onda de irradiación es mucho menor que 0,1 o mayor que 2²⁷. En este trabajo, la isomerización fotoquímica de 1 es reversible en las longitudes de onda de irradiación, y sus experimentos de fotointerferencia comienzan con mezclas isoméricas. La absorción en las longitudes de onda de irradiación no es lo suficientemente pequeña (0,02366 a 436 nm y 0,06638 a 340 nm) para hacer una aproximación del factor fotocinético. En este caso, la integración del factor fotocinético para un intervalo de irradiación corto se aproxima mediante interpolación lineal (caso 2 en Información suplementaria). Para aquellos que intentan determinar el rendimiento cuántico de fotoisomerización de los fotointerruptores biestables, la derivación de ecuaciones relevantes en diferentes circunstancias se presenta en Información suplementaria.

Cabe destacar que los métodos descritos en este artículo no se pueden utilizar para fotointerruptores con procesos fotoquímicos no uniformes (por ejemplo, formación de un intermedio de larga duración o múltiples fotoproductos) o con procesos rápidos de relajación térmica³¹. La isomerización fotoquímica de 1 es un proceso uniforme y no tiene que tener en cuenta la relajación térmica debido a su biestabilidad. Para determinar con precisión la composición de PSS y la velocidad del proceso térmico de los fotointerruptores con relajación térmica rápida, se requiere una configuración experimental especial para la irradiación in situ durante el análisis espectroscópico (por ejemplo, un espectrofotómetro UV-Vis equipado con una fuente de luz adicional para irradiación perpendicular, fibra óptica que se puede insertar en la muestra de RMN)³² . También es importante utilizar una fuente de luz con un ancho de banda estrecho mediante el uso de un filtro de paso de banda o un láser para una excitación de energía uniforme.