Фотопереключатель — это тип молекулы, которая может изменять свою структурную геометрию и химические свойства при облучении электромагнитным излучением . Хотя часто используется взаимозаменяемо с термином молекулярная машина , переключатель не выполняет работу при изменении своей формы, в то время как машина выполняет. [1] Однако фотохромные соединения являются необходимыми строительными блоками для молекулярных двигателей и машин, работающих на свету. [2] При облучении светом фотоизомеризация двойных связей в молекуле может привести к изменениям в цис- или транс-конфигурации. [3] Эти фотохромные молекулы рассматриваются для ряда применений.
Химическая структура и свойства
Фотохромное соединение может изменять свою конфигурацию или структуру при облучении светом. Несколько примеров фотохромных соединений включают: азобензол , [6] спиропиран , [ 7] мероцианин , [8] диарилетен , [9] спирооксазин, [10] фульгид, [11] гидразон , [ 12] нобормадиен, [13] тиоиндиго , [14] акриламид-азобензол-четвертичный аммиак, [15] донорно-акцепторные аддукты Стенхауса, [16] [17] стильбен , [18] и т. д.
Изомеризация
При изомеризации из поглощения света может произойти электронный переход π-в-π * или n-в-π * с последующим выделением света ( флуоресценция или фосфоресценция ) или тепла при переходе электронов из возбужденного состояния в основное состояние. Фотостационарное состояние может быть достигнуто, когда облучение светом больше не преобразует одну форму изомера в другую; однако смесь цис- и транс-изомеров всегда будет существовать с более высоким процентом одного по сравнению с другим в зависимости от фотоусловий. [19]
Механизм
Хотя механизм фотоизомеризации все еще обсуждается большинством ученых, все больше доказательств поддерживают цис-/транс-изомеризацию полиенов, благоприятствующую хула-твисту, а не перевороту с одной связью. [20] Переворот с одной связью изомеризуется по реактивной двойной связи, в то время как хула-твист подвергается конформационной изомеризации по соседней одинарной связи. Однако взаимопревращение стереоизомеров стильбена происходит через переворот с одной связью. [21]
Квантовый выход
Одним из важнейших свойств фотопереключателя является его квантовый выход , который измеряет эффективность поглощенного света для индуцирования фотоизомеризации. Квантовый выход моделируется и рассчитывается с использованием кинетики Аррениуса . [22] Фотопереключатели могут находиться в растворе или в твердом состоянии; однако переключение в твердом состоянии сложнее наблюдать из-за отсутствия молекулярной свободы движения, твердой упаковки и быстрого термического возврата в основное состояние. [23] Благодаря химической модификации красное смещение длин волн поглощения, необходимое для того, чтобы вызвать изомеризацию, приводит к индуцированному слабым светом переключению, которое имеет применение в фотофармакологии . [24]
Катализ
Когда фотохромное соединение включено в подходящую каталитическую молекулу, фотопереключаемый катализ может быть результатом обратимых изменений геометрической конформации при облучении светом. [25] Как один из наиболее широко изученных фотопереключателей, азобензол, как было показано, является эффективным переключателем для регулирования каталитической активности благодаря его изомеризации из E в Z конформацию под действием света и его способности термически релаксировать обратно в E-изомер в условиях темноты. [26]
Биологический
Родопсины
Одним из наиболее распространенных биологических примеров в организме человека, который претерпевает структурные изменения при облучении светом, является класс мембраносвязанных фоторецепторов, родопсинов . [28] К ним относятся регуляция меланоцитов , зрение , высвобождение мелатонина и контроль циркадного ритма и т. д. [29] Родопсины являются высокоэффективными фотохромными соединениями, которые могут подвергаться быстрой фотоизомеризации и связаны с различными ретинальными белками [30] наряду со светочувствительными каналами и насосами у микробов. [31]
Исследовать
Были исследованы достижения в восстановлении зрения с помощью фотохромных соединений. Быстрая изомеризация позволяет ретинальным клеткам включаться при активации светом, а достижения в области акриламида-азобензола-четвертичного аммиака показали восстановление зрительных реакций у слепых мышей. [32] Компании, работающие в этой области, включают Novartis , Vedere, Allergan и Nanoscope Therapeutics. [33]
Благодаря включению фотопереключателей в биологические молекулы биологические процессы можно регулировать посредством контролируемого облучения светом. Это включает фотоконтроль конформации и активности пептидов, транскрипции и трансляции ДНК и РНК, регуляцию ферментативной активности и фоторегулируемые ионные каналы. [34] Например, было показано , что оптический контроль связывания лиганда в сывороточном альбумине человека влияет на его аллостерические связывающие свойства. [35] Кроме того, смещенные в красную область азобензолы использовались для контроля ионотропных рецепторов глутамата . [36]
Потенциальные приложения
Фотопереключатели изучаются в биологии, химии материалов и физике и имеют широкий спектр потенциальных применений, особенно в рамках нанотехнологий. [37]
Электроника
В зависимости от изомерного состояния фотопереключатели имеют потенциал для замены транзисторов, используемых в электронике. [38] Благодаря прикреплению фотопереключателей к поверхностям различных подложек можно изменить рабочую функцию. Например, включение диарилетенов в качестве самоорганизующегося монослоя на золотой поверхности обещает быть многообещающим в оптоэлектронных устройствах. [39]
Диарилэтены образуют стабильные молекулярные проводящие соединения, когда они помещены между графеновыми электродами при низкой и комнатной температуре, и действуют как фотоэлектрический переключатель. [40] Объединяя фотопереключатель, содержащий различные самые высокие и самые низкие незанятые молекулярные орбитальные уровни в его открытой и закрытой геометрической конформации, в пленку, состоящую из p- или n-легированных полупроводников , можно управлять переносом заряда с помощью света. [39] Фотоэлектрический элемент подключен к схеме, которая измеряет, сколько электричества генерирует элемент. Схема решает и выдает выход в соответствии с установкой минимального и максимального уровня освещенности . [41]
Поскольку один из фотоизомеров более стабилен, чем другой, изомеризация стабильного изомера в метастабильный приводит к преобразованию световой энергии в свободную энергию как форму химического потенциала и имеет применение в хранении солнечной энергии. [43]
Включение фотопереключаемых молекул в пористые металлоорганические структуры , которые могут поглощать газообразные молекулы, такие как углекислый газ, а также способствовать оптоэлектронике , наномедицине и лучшему хранению энергии. Изменяя химические свойства пор, можно настроить адсорбцию и десорбцию газов для прогресса в области интеллектуальных мембранных материалов. [44]
Нанореакторы и имитаторы клеток
Включение фотопереключаемых молекул, таких как донорно-акцепторные аддукты Стенхауса, в полимерсомы использовалось для формирования наночастиц, которые могут избирательно экспонировать ферменты в ответ на свет, что позволяет им имитировать некоторые функции клеток. [45]
Жидкие кристаллы
Преобразования, управляемые хиральной формой в жидкокристаллических структурах, могут быть достигнуты посредством фотоизомеризации бистабильных гидразонов для создания долгосрочных стабильных полимерных форм. [46] Светозащищенные оптические окна, которые могут изменять поглощательные свойства, могут быть созданы путем хирального легирования жидких кристаллов фотопереключателями гидразона или путем кинетического захвата различных холестерических состояний как функции фотостационарного состояния. [47] Включение фотопереключателей в нематические жидкие кристаллы может изменить самосборку, кристаллическую упаковку и светоотражающие свойства супрамолекулярных взаимодействий. [48]
Оптическое хранилище
Диарилэтеновые фотопереключатели перспективны для использования в перезаписываемых оптических накопителях . Благодаря облучению светом запись, стирание и чтение могут быть параллельны CD / DVD- накопителям с более высокой производительностью. [49] Новые азо-переносящие фотопереключатели представлены в виде молекулярных шарниров, [50] [51], которые могут быть использованы при проектировании молекулярных машин и оптических устройств. [52]
Фотофармакология
В области фотофармакологии фотопереключатели исследуются как средство контроля активности. При включении фотопереключателя в лекарство, лекарство принимает несколько биологически активных состояний. Свет может использоваться для переключения между этими состояниями, что приводит к удаленному управлению активностью лекарства. Также было показано, что фотопереключатели модулируют свойства поверхностной энергии, которые могут контролировать, как фотопереключаемая оболочка взаимодействует с наночастицами. [53] Фармацевтическая инкапсуляция и распределение в целевых местах с помощью света были продемонстрированы благодаря уникальному изменению свойств и размера микроинкапсулированных наноструктур с фотохромными компонентами. [54]
Самовосстанавливающиеся материалы
Фотопереключатели были исследованы для самовосстанавливающихся полимерных материалов . Первый включает фотонастраиваемость различных функциональных групп, так что реакционная способность может быть смодулирована в одной из изомерных форм, в то время как вторая стратегия включает управляемую светом таутомеризацию валентных связей . [44]
Ссылки
^ Апрамян I (март 2020 г.). «Будущее молекулярных машин». ACS Central Science . 6 (3): 347–358. doi : 10.1021/acscentsci.0c00064. PMC 7099591. PMID 32232135.
^ Kassem S, van Leeuwen T, Lubbe AS, Wilson MR, Feringa BL, Leigh DA (май 2017 г.). «Искусственные молекулярные моторы». Chemical Society Reviews . 46 (9): 2592–2621. doi :10.1039/C7CS00245A. PMID 28426052.
^ Кэмерон Д., Эйслер С. (2018). «Фотопереключаемые двойные связи: синтетические стратегии для настраиваемости и универсальности». Журнал физической органической химии . 31 (10): e3858. doi :10.1002/poc.3858. ISSN 1099-1395.
^ Goulet-Hanssens A, Eisenreich F, Hecht S (май 2020 г.). «Просветление материалов с помощью фотопереключателей». Advanced Materials . 32 (20): e1905966. Bibcode : 2020AdM....3205966G. doi : 10.1002/adma.201905966 . PMID 31975456.
^ Qian H, Pramanik S, Aprahamian I (июль 2017 г.). «Фотохромные гидразонные переключатели с чрезвычайно длинными термическими периодами полураспада». Журнал Американского химического общества . 139 (27): 9140–9143. doi :10.1021/jacs.7b04993. PMID 28644015.
^ Bandara HM, Burdette SC (март 2012). «Фотоизомеризация в различных классах азобензола». Chemical Society Reviews . 41 (5): 1809–25. doi :10.1039/C1CS15179G. PMID 22008710.
^ Kortekaas L, Browne WR (июнь 2019). «Эволюция спиропирана: основы и прогресс необычайно универсального фотохрома». Chemical Society Reviews . 48 (12): 3406–3424. doi : 10.1039/C9CS00203K . PMID 31150035.
^ Klajn R (январь 2014). «Динамические материалы на основе спиропирана». Chemical Society Reviews . 43 (1): 148–84. doi : 10.1039/C3CS60181A . PMID 23979515.
^ Pu SZ, Sun Q, Fan CB, Wang RJ, Liu G (2016-04-14). «Последние достижения в области многофункциональных молекулярных переключателей на основе диарилетена». Journal of Materials Chemistry C. 4 ( 15): 3075–3093. doi :10.1039/C6TC00110F. ISSN 2050-7534.
^ Berkovic G, Krongauz V, Weiss V (май 2000 г.). «Спиропираны и спирооксазины для памяти и переключателей». Chemical Reviews . 100 (5): 1741–1754. doi :10.1021/cr9800715. PMID 11777418.
^ Yokoyama Y (май 2000). «Фульгиды для памяти и переключателей». Chemical Reviews . 100 (5): 1717–1740. doi :10.1021/cr980070c. PMID 11777417.
^ Su X, Aprahamian I (март 2014). «Переключатели, металлосборки и датчики на основе гидразона». Chemical Society Reviews . 43 (6): 1963–81. doi : 10.1039/C3CS60385G . PMID 24429467.
^ Orrego-Hernández J, Dreos A, Moth-Poulsen K (август 2020 г.). «Разработка фотопереключателей на основе норборнадиена/квадрициклана для молекулярного хранения солнечной тепловой энергии». Accounts of Chemical Research . 53 (8): 1478–1487. doi :10.1021/acs.accounts.0c00235. PMC 7467572. PMID 32662627 .
^ Navrátil R, Wiedbrauk S, Jašík J, Dube H, Roithová J (март 2018 г.). «Преобразование гемитиоиндиго из двухстороннего в односторонний молекулярный фотопереключатель путем изоляции в газовой фазе». Physical Chemistry Chemical Physics . 20 (10): 6868–6876. Bibcode : 2018PCCP...20.6868N. doi : 10.1039/C8CP00096D. PMID 29485646.
^ Polosukhina A, Litt J, Tochitsky I, Nemargut J, Sychev Y, De Kouchkovsky I, et al. (Июль 2012). "Фотохимическое восстановление зрительных реакций у слепых мышей". Neuron . 75 (2): 271–82. doi :10.1016/j.neuron.2012.05.022. PMC 3408583 . PMID 22841312.
^ Lerch MM, Szymański W, Feringa BL (март 2018). «(Фото)химия фотопереключателей Стенхауса: руководящие принципы и проектирование систем». Chemical Society Reviews . 47 (6): 1910–1937. doi :10.1039/C7CS00772H. PMID 29468232.
^ Helmy, Sameh; Oh, Saemi; Leibfarth, Frank A.; Hawker, Craig J.; Read de Alaniz, Javier (2014-12-05). «Проектирование и синтез донорно-акцепторных аддуктов Стенхауса: фотопереключатель видимого света, полученный из фурфурола». Журнал органической химии . 79 (23): 11316–11329. doi :10.1021/jo502206g. ISSN 0022-3263. PMID 25390619.
^ Abourashed EA (24.02.2017). «Обзор стильбенов: применение в химии, науках о жизни и материаловедении». Журнал натуральных продуктов . 80 (2): 577. doi :10.1021/acs.jnatprod.7b00089. ISSN 0163-3864.
^ Робертс Дж. Д., Казерио М. К. (1977-05-15). Основные принципы органической химии, второе издание. Менло-Парк, Калифорния: WA Benjamin, Inc. ISBN978-0-8053-8329-4.
^ Лю RS (июль 2001 г.). «Фотоизомеризация с помощью хула-твиста: фундаментальная супрамолекулярная фотохимическая реакция». Accounts of Chemical Research . 34 (7): 555–62. doi :10.1021/ar000165c. PMID 11456473.
^ Liu RS, Hammond GS (октябрь 2000 г.). «Случай зависящих от среды двойных механизмов фотоизомеризации: переворот одной связи и поворот хула». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (21): 11153–8. Bibcode : 2000PNAS...9711153L. doi : 10.1073/pnas.210323197 . PMC 17169. PMID 11016972 .
^ ab Stranius K, Börjesson K (январь 2017 г.). «Определение квантового выхода фотоизомеризации фотопереключаемых молекул в растворе и твердом состоянии». Scientific Reports . 7 (1): 41145. Bibcode :2017NatSR...741145S. doi :10.1038/srep41145. PMC 5259717 . PMID 28117426.
^ Gonzalez A, Kengmana ES, Fonseca MV, Han GG (июнь 2020 г.). «Твердотельные фотопереключающиеся молекулы: структурный дизайн для изомеризации в конденсированной фазе». Materials Today Advances . 6 : 100058. doi : 10.1016/j.mtadv.2020.100058 .
^ Вегнер HA (май 2012 г.). «Азобензолы в новом переключателе света in vivo». Ангеванде Хеми . 51 (20): 4787–8. дои : 10.1002/anie.201201336. ПМИД 22461191.
^ Dorel R, Feringa BL (июнь 2019). «Фотопереключаемый катализ на основе изомеризации двойных связей». Chemical Communications . 55 (46): 6477–6486. doi : 10.1039/C9CC01891C . PMID 31099809.
^ Roelz M, Butschke B, Breit B (май 2024 г.). «Азобензол-интегрированные лиганды NHC: универсальная платформа для катализа металлов, переключаемого видимым светом». Журнал Американского химического общества . 146 (19): 13210–13225. doi : 10.1021/jacs.4c01138 . PMID 38709955.
^ "Фотохимические изменения в опсине". Chemistry LibreTexts . 2013-10-02 . Получено 2021-02-24 .
^ Ernst OP, Lodowski DT, Elstner M, Hegemann P, Brown LS, Kandori H (январь 2014 г.). «Микробные и животные родопсины: структуры, функции и молекулярные механизмы». Chemical Reviews . 114 (1): 126–63. doi :10.1021/cr4003769. PMC 3979449 . PMID 24364740.
^ "Фотохимическая реакция | химическая реакция". Энциклопедия Британника .
^ Инузука К, Беккер РС (июль 1968). «Механизм фотоизомеризации в ретиналях и его значение в родопсине». Nature . 219 (5152): 383–5. Bibcode :1968Natur.219..383I. doi :10.1038/219383a0. PMID 5667083. S2CID 4160990.
^ Kandori H (апрель 2020 г.). «Биофизика родопсинов и оптогенетика». Biophysical Reviews . 12 (2): 355–361. doi :10.1007/s12551-020-00645-0. PMC 7242518. PMID 32065378 .
^ Polosukhina A, Litt J, Tochitsky I, Nemargut J, Sychev Y, De Kouchkovsky I, et al. (Июль 2012). "Фотохимическое восстановление зрительных реакций у слепых мышей". Neuron . 75 (2): 271–82. doi :10.1016/j.neuron.2012.05.022. PMC 3408583 . PMID 22841312.
^ Ратнер М (февраль 2021 г.). «Светоактивируемая генная терапия для лечения слепоты входит в клинику». Nature Biotechnology . 39 (2): 126–127. doi :10.1038/s41587-021-00823-9. PMID 33564161.
^ Szymański W, Beierle JM, Kistemaker HA, Velema WA, Feringa BL (август 2013 г.). «Обратимый фотоконтроль биологических систем путем включения молекулярных фотопереключателей». Chemical Reviews . 113 (8): 6114–78. doi : 10.1021/cr300179f . PMID 23614556.
^ Putri RM, Zulfikri H, Fredy JW, Juan A, Tananchayakul P, Cornelissen JJ, et al. (Июль 2018 г.). «Фотопрограммирование аллостерии в сывороточном альбумине человека». Bioconjugate Chemistry . 29 (7): 2215–2224. doi :10.1021/acs.bioconjchem.8b00184. PMC 6053643. PMID 29975051 .
^ Kienzler MA, Reiner A, Trautman E, Yoo S, Trauner D, Isacoff EY (ноябрь 2013 г.). «Красно-смещенный, быстро релаксирующий азобензольный фотопереключатель для видимого светового контроля ионотропного глутаматного рецептора». Журнал Американского химического общества . 135 (47): 17683–6. doi :10.1021/ja408104w. PMC 3990231. PMID 24171511 .
^ Синикропи А. «Биомиметические фотопереключатели». Неорганика Химика Акта . 470 : 360–364. doi : 10.1016/j.ica.2017.08.041. ISSN 0020-1693.
^ ab Goulet-Hanssens A, Eisenreich F, Hecht S (май 2020 г.). «Просветление материалов с помощью фотопереключателей». Advanced Materials . 32 (20): e1905966. Bibcode : 2020AdM....3205966G. doi : 10.1002/adma.201905966 . PMID 31975456.
^ Jia C, Migliore A, Xin N, Huang S, Wang J, Yang Q и др. (июнь 2016 г.). «Ковалентно связанные одиночные молекулярные соединения со стабильной и обратимой фотопереключаемой проводимостью». Science . 352 (6292): 1443–5. Bibcode :2016Sci...352.1443J. doi :10.1126/science.aaf6298. PMID 27313042. S2CID 206649097.
^ Вудфорд, Крис (4 декабря 2009 г.). «Как работают фотоэлементы?». Объясните это .
^ Patel SK, Cao J, Lippert AR (июль 2017 г.). «Объемный трехмерный цифровой световой фотоактивируемый дисплей на красителях». Nature Communications . 8 : 15239. Bibcode : 2017NatCo...815239P. doi : 10.1038/ncomms15239. PMC 5508202. PMID 28695887 .
^ Sun CL, Wang C, Boulatov R (2019). «Применение фотопереключателей в хранении солнечной энергии». ChemPhotoChem . 3 (6): 268–283. doi :10.1002/cptc.201900030. ISSN 2367-0932. S2CID 155439646.
^ abc Goulet-Hanssens A, Eisenreich F, Hecht S (май 2020 г.). «Просветление материалов с помощью фотопереключателей». Advanced Materials . 32 (20): e1905966. Bibcode : 2020AdM....3205966G. doi : 10.1002/adma.201905966 . PMID 31975456.
^ Ryabchun A, Li Q, Lancia F, Aprahamian I, Katsonis N (январь 2019 г.). «Shape-Persistent Actuators from Hydrazone Photoswitches». Журнал Американского химического общества . 141 (3): 1196–1200. doi :10.1021/jacs.8b11558. PMC 6346373. PMID 30624915 .
^ Moran MJ, Magrini M, Walba DM, Aprahamian I (октябрь 2018 г.). «Управление фазовым переходом жидкого кристалла с использованием фотохромного гидразона». Журнал Американского химического общества . 140 (42): 13623–13627. doi :10.1021/jacs.8b09622. PMID 30293432. S2CID 207195468.
^ Zhang X, Koz B, Bisoyi HK, Wang H, Gutierrez-Cuevas KG, McConney ME и др. (декабрь 2020 г.). «Электро- и фотоуправляемое ортогональное переключение спиральной суперструктуры, обеспечиваемое аксиально хиральным молекулярным переключателем». ACS Applied Materials & Interfaces . 12 (49): 55215–55222. doi :10.1021/acsami.0c19527. PMID 33237715. S2CID 227174963.
^ Rosenbaum LC (7 ноября 2018 г.). "Органические фотохромные соединения" (PDF) . Universitat Konstanz .
^ Kazem-Rostami M, Moghanian A (2017). «Производные оснований Хюнлиха как фоточувствительные Λ-образные шарниры». Organic Chemistry Frontiers . 4 (2): 224–228. doi :10.1039/C6QO00653A.
^ Norikane Y, Tamaoki N (июль 2004 г.). «Управляемый светом молекулярный шарнир: новая молекулярная машина, демонстрирующая зависящий от интенсивности света фотоответ, использующий транс-цис-изомеризацию азобензола». Organic Letters . 6 (15): 2595–8. doi :10.1021/ol049082c. PMID 15255699.
^ Kazem-Rostami M (5 декабря 2016 г.). «Проектирование и синтез фотопереключаемых соединений Ʌ-формы с использованием каркаса основания Трегера». Синтез . 49 (6): 1214–1222. doi :10.1055/s-0036-1588913. S2CID 99913657.
^ Velema WA, Szymanski W, Feringa BL (февраль 2014 г.). «Фотофармакология: за пределами доказательства принципа» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 136 (6): 2178–91. doi :10.1021/ja413063e. hdl : 11370/d6714f52-c2c8-4e48-b345-238e98bcc776 . PMID 24456115. S2CID 197196311.
^ Guo X, Shao B, Zhou S, Aprahamian I, Chen Z (2020-03-18). «Визуализация внутриклеточных частиц и точный контроль высвобождения лекарств с использованием эмиссионного гидразонового фотохрома». Chemical Science . 11 (11): 3016–3021. doi : 10.1039/C9SC05321B . ISSN 2041-6539. PMC 8157519 . PMID 34122804.