Strategies for Red-Light Photoswitching

Abstract

Vuorovaikutteiset, muotoutuvat ja jopa älykkäät molekyylirakenteet ovat avain uuden sukupolven lääkeaineisiin ja toiminnallisiin materiaaleihin. Valokytkimet eli yhdisteet, jotka isomeroituvat reversiibelisti valon vaikutuksesta johtaen makroskooppisten ominaisuuksien muutoksiin, ovat erottamaton osa tätä tulevaisuutta. Mahdolliset sovelluskohteet ulottuvat lääketieteestä elektroniikkaan ja robotiikkaan. Valitettavasti useimmat valokytkinrakenteet, esimerkiksi laajalti käytetyt atsobentseenit, absorboivat ultraviolettivaloa, joka on vahingollista monille materiaaleille ja erityisesti eläville soluille. Jotta valokytkinten koko potentiaali voidaan hyödyntää, tarvitaan harmittomalla näkyvällä valolla toimivia yhdisteitä. Puna- tai infrapunavalo olisi ihanteellinen ärsyke biologian alalla käytettäville kytkimille. Sama pätee myös molekyylimoottoreihin eli yhdisteisiin, jotka pyörivät valon vaikutuksesta yksisuuntaisesti. Lisäksi sekä kytkinten että moottorien tulisi isomerisoitua valon vaikutuksesta tehokkaasti ja nopeasti, termisten isomerisaatioreaktioiden tulisi olla sovelluskohteesta riippuen hitaita tai nopeita ja yhdisteiden tulisi toimia hyvin erilaisissa ympäristöissä. Näiden ominaisuuksien hallitsemiseksi on tärkeää ymmärtää niiden taustalla olevat mekanismit.

Tässä väitöskirjassa tutkimme kolmea keinoa toteuttaa valokytkentä punaisella valolla: (i) atsobentseenien absorptiospektrin siirtäminen rakennetta muokkaamalla, (ii) uusien, valmiiksi punaista valoa absorboivien rakenteiden hyödyntäminen ja (iii) epäsuora valokytkentä punavalolla aktivoitavia katalyyttejä hyödyntäen. Tarkastelemme strategioita teoreettiselta kannalta ja osoitamme, että niistä jokainen mahdollistaa valokytkennän punaista valoa käyttäen. Kullakin strategialla on etunsa ja haasteensa tehokkaan, nopean ja kestävän valokytkennän toteuttamiseksi. Tästä johtuen yksi ihanteellinen valokytkinmalli ei voi saavuttaa kaikkia eri sovelluksille asetettuja tavoitteita, vaan tulevaisuuden haaste on löytää kuhunkin käyttöön paras ratkaisu. Samoja periaatteita voidaan soveltaa myös molekyylimoottoreihin, jolloin molekulaarisen tason yksisuuntainen kiertoliike voidaan saada aikaan näkyvällä valolla. Lisäksi punaisella valolla toimivien valokytkinten rakenteita hyödyntämällä moottorien rotaatiota saadaan tehostettua.

Responsive, adaptive and even intelligent molecular systems have been identified as the key to next-generation pharmaceuticals and functional materials. Photoswitches, compounds that isomerise reversibly between two distinct ground-state species upon excitation with light and consequently give rise to a macroscopic effect, are an integral part of this future. Their potential application areas range from photopharmacology to optoelectronics and soft robotics. However, most conventional photoswitch structures such as azobenzenes absorb ultraviolet light, high-energy photons that are detrimental to many artificial materials and especially to living systems. To harness their full potential, photoswitches should function efficiently with visible light that is benign to the environment. Red or near-infrared light would be the ideal stimulus for switches utilised in biological context, as these wavelengths are least absorbed by living tissue. The same applies to light-driven molecular motors, compounds that exhibit unidirectional rotation upon photoexcitation. In addition to absorption in the red part of the visible spectrum, both switches and motors should exhibit efficient and fast photoisomerisation, favourable thermal isomerisation kinetics and tolerance towards different environments in order to be useful in real-life applications. In this light, it is crucial to understand the underlying fundamental mechanisms that govern these attributes.

In this thesis, we explore three different approaches to realise photoswitching with red light: (i) synthetic modifications of azobenzenes, (ii) utilisation of new photoswitch cores that inherently absorb low-energy photons, and (iii) indirect isomerisation with red-light photocatalysts. We study each strategy from a theoretical viewpoint and demonstrate that they all provide means to induce isomerisation with red light, each with unique advantages and challenges in terms of promoting efficient, fast and robust switching. As a result, a single optimal photoswitch system cannot be designed; instead, the challenge lies in identifying the best design for each application. The same principles can also be applied to molecular motors, giving rise to visible-light-powered unidirectional rotary motion on a molecular level. We show that drawing inspiration from red-light-absorbing photoswitches has repercussions not only on the visible-light absorption but also on enhanced rotation dynamics.