Кіріспе
Молекуланың түрі. Фотосуич – электромагниттік сәулелендірумен әсер еткен кезде құрылымдық геометриясы мен химиялық қасиеттерін өзгерте алатын молекуланың бір түрі. Молекулалық машина терминімен көбінесе шатастырылса да, фотосуич пішінін өзгерткенде жұмыс атқармайды, ал молекулалық машина атқарады. Дегенмен, фотохромиялық қосылыстар – жарық энергиямен жұмыс істейтін молекулалық моторлар мен машиналар құру үшін қажетті негізгі элементтер болып табылады. Жарықпен сәулелендіру кезінде молекуладағы екі байланыстардың айналуы (фотоизомеризация) цис немесе транс конфигурацияға өтуіне алып келуі мүмкін. Осы фотохромиялық молекулалар түрлі салаларда қолдануға қарастырылуда.
A photoswitch is a type of molecule that can change its structural geometry and chemical properties upon irradiation with electromagnetic radiation. Although often used interchangeably with the term molecular machine, a switch does not perform work upon a change in its shape whereas a machine does. However, photochromic compounds are the necessary building blocks for light driven molecular motors and machines. Upon irradiation with light, photoisomerization about double bonds in the molecule can lead to changes in the cis or trans configuration. These photochromic molecules are being considered for a range of applications.
Химиялық құрылымдары мен қасиеттері
Фотохромиялық қосылыстар жарық сәулелендіру кезінде өз конфигурациясын немесе құрылымын өзгерте алады. Фотохромиялық қосылыстардың мысалдары: азобензол, спиропиран, мероцианин, диарилетен, спироксазин, фулгид, гидразон, нобормадиен, тиоиндиго, акриламид азобензол төртіншілік аммоний тұзы, донор-акцептор Стэнхаус аддукты, стильбен және т.б.
Изомерлеу
Жарық сіңіруден изомерлендіру кезінде π-ден π*-ға немесе n-ден π*-ға электрондық ауысу жүзеге асуы мүмкін, содан кейін электрондар қозған күйден негізгі күйге өткеңде жарық (флуоресценция немесе фосфоресценция) немесе жылу шығарылады. Егер жарық сәулеленуі изомердің бір түрін екіншісіне айналдырмаса, фотостационарлық күйге қол жеткізіледі; бірақ, фотожағдайларға байланысты цис және транс изомерлерінің қоспасы әрқашан болады, олардың арасында біреуінің үлесі жоғарырақ болады.
Механизм
Фотоизомеризация механизмі көптеген ғалымдар арасында әлі де даулы болғанымен, полиендердің цис/транс изомеризациясы бір байланыстың ауысуына қарағанда хула бұрылысына көбірек бейім екенін көрсететін дәлелдер артып келеді. Бір байланыстың ауысуы реакцияға қабілетті екі байланыста изомерленеді, ал хула бұрылысы жақын орналасқан бір байланыста конформациялық изомерленуге ұшырайды. Дегенмен, стильбеннің стереоизомерлерінің бір-біріне өтуі бір байланыстың ауысуы арқылы жүзеге асырылады.
Кванттық өнімділік
Фотоизомеризацияны А-дан В-ға түсіну: үш жылдамдық А-дан В-ға изомеризацияны толық сипаттайды, мұнда ϕA – кванттық шығым, I – фотон ағыны, β – А-ның сіңіретін фотондарының үлесі, NA – Авогадро тұрақтысы, V – үлгінің көлемі. Фотосвиттер ерітіндіде немесе қатты күйде болуы мүмкін; алайда, қатты күйдегі ауысуды молекулалық қозғалыс еркіндігінің болмауы, тығыз құрылым және негізгі күйге жылдам жылулық қайта оралу салдарынан байқау қиынырақ. Химиялық өзгертулер арқылы изомеризацияны тудыратын сіңіру толқын ұзындығын қызыл спектрге қарай жылдыру, фотофармакологияда қолданылатын жарықпен шақырылған ауысудың төмендеуіне әкеледі.
Катализа
Фотохроматикалық қосылыс тиімді каталитикалық молекулаға енгізілген кезде, жарықпен сәулелендіру арқылы геометриялық конформацияның қайтымды өзгеруі нәтижесінде фотосүйгіш катализ пайда болуы мүмкін. Ең көп зерттелген фотосвиттердің бірі – азобензол, жарық әсерінен Е-ден Z-конформацияға изомеризациялануы және қараңғыда Е-конформацияға жылулық түрде қайта оралу қабілетіне байланысты каталитикалық белсенділікті реттеу үшін тиімді коммутатор екені көрсетілген.
Биологиялық
thumbnailRetinal Photoswitch: Цис-ретиналдың транс-ретиналға өзгеруіне фотонның сіңірілуі. Транс-ретинал өзгергеннен кейін опсинден бөлінеді. Қайта цис изомеріне айналғаннан кейін, родопсинды қайта құруға шамасы жетеді.
Родопсиндер
Адам ағзасында жарыққа түскен кезде құрылымдық өзгерістерге ұшырайтын, кең таралған биологиялық мысалдардың бірі – мембранаға байланысқан фоторецепторлар класы, яғни родопсин. Олар меланоциттерді реттеу, көру қабілеті, мелатонин бөлінуі және тәуліктік ырғақты бақылау сияқты процестерге қатысады. Родопсин – өте тиімді фотохромикалық қосылыстар, олар жылдам фотоизомеризацияға түсе алады және микроорганизмдердегі жарықпен ашылатын каналдар мен сорғылармен қатар түрлі торлық ақуыздармен байланысты.
Оптикалық сақтау
Диарилетин фотосвитштері қайта жазылатын оптикалық жадты жасау үшін үміт береді. Жарықпен сәулелендіру арқылы жазу, жою және оқу CD/DVD жад сияқты параллель жұмыс істей алады, бірақ артық мүмкіндіктерге ие. Жаңа азо тобын қосатын фотосвитштер молекулалық біліктіктер ретінде ұсынылады, оларды молекулалық машиналар мен оптикалық құрылғыларды жобалауда қолдануға болады.
Фотофармакология
Фотофармакология саласында фотоауыстырғыштар белсенділікті бақылау құралы ретінде зерттеледі. Дәріге фотоауыстырғыш қосылғанда, дәрі бірнеше биологиялық белсенді күйге ие болады. Жарықтың көмегімен осы күйлер арасында ауысуға болады, бұл дәрінің әрекетін қашықтан басқаруға мүмкіндік береді. Фотоауыстырғыштар беттік энергия қасиеттерін өзгерте алатыны көрсетілді, бұл фотоауыстырғыш қабықтың нанобөлшектермен өзара әрекеттесуін бақылауға мүмкіндік береді. Фотохроматикалық компоненттері бар микрокапсулаланған наноқұрылымдардың қасиеттері мен мөлшерінің өзгеруіне байланысты, дәрілік заттарды жарық көмегімен белгілі бір орындарға капсулалау және тарату мүмкіндігі дәлелденді.
Өзін-өзі қалпына келтіретін материалдар
Фотосвиттерлер өздігінен жазылатын полимерлік материалдарды зерттеу үшін қолданылды. Бірінші әдіс әртүрлі функционалдық топтардың фототүзету мүмкіндігін пайдаланады, соның арқасында реакциялық қабілеттің изомерлік түрінің біреуінде реттелуіне болады, ал екінші стратегия жарықпен итермеленетін валенттік байланыстың таутомеризациясын қамтиды.