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光異性化

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アゾベンゼンの光異性化[1]

光異性化（ひかりいせいか、英: photoisomerization）とは、化学において、光励起によって誘起される異性化の一形態である[2]。光スイッチ機能を持つ化合物において、可逆的および不可逆的な光異性化の双方が知られている。しかし、「光異性化」という用語は、可逆的な過程を指すことが多い。

応用

眼における化合物レチナールの光異性化は、視覚を可能にしている。

光異性化の機能を持つ基質は、例えば書き換え可能なCDやDVD、3次元光データストレージなどの色素として実用化されている。さらに、光異性化分子への関心は、分子スイッチ[3][4]、分子モーター[5]、分子エレクトロニクスといった分子マシンにも向けられている。

光異性化プロセスを利用する別の分野として、液晶の線形および非線形特性を変化させるための添加剤としての利用がある[6]。光異性化によって液晶バルク内の分子の再配向を誘起することが可能であり、これはホログラフィー[7]、空間フィルター[8]、光スイッチング[9]などに利用されている。

液晶のドーピングに用いられる一般的なアゾ色素であるメチルレッド分子

光異性化の分類

光異性化はいくつかの種類に大別できる。trans-cis（または E-Z）変換の例としてはスチルベンやアゾベンゼンが挙げられる。この種の化合物は二重結合を有しており、二重結合を中心とした回転や反転によって2つの状態間で異性化が起こる[10]。開環・閉環転移の例としてはフルギド（英語版）やジアリールエテンが挙げられる。この種の化合物は、特定の波長の光が照射されることで、結合の開裂および形成が起こる。さらに別の分類として、ジ-π-メタン転位（英語版）などがある。

代表的な化合物

アゾベンゼン[1]、スチルベン[11]、スピロピラン[12]は、光異性化を示す代表的な化合物群である。

ノルボルナジエンからクアドリシクランへの光異性化

触媒の存在下において、ノルボルナジエンは約300 nmの紫外線照射によりクアドリシクランへと変換される。クアドリシクランがノルボルナジエンに戻る際、その環ひずみエネルギーが熱（ΔH = −89 kJ/mol）として放出される。この反応は、太陽エネルギーの貯蔵（光スイッチ）への応用が提案されている[13]。

錯体化学

多くの錯体は感光性を有しており、その多くが光異性化を起こす[14]。その一例として、無色の塩化ビス(トリフェニルホスフィン)白金(II)が、黄色のtrans-異性体へと変換される反応が挙げられる。

PtCl2(PPh3)2の光異性化

一部の配位錯体は光照射によってスピン状態が変化する。すなわち、これらは光感受性スピンクロスオーバー錯体である[15]。

高スピン状態と低スピン状態の間で切り替わる、[Fe(pyCH2NH2)3]2+の光誘起スピンクロスオーバー

関連項目

脚注

出典

  1. 1 2 Natansohn, Almeria; Rochon, Paul (2002). “Photoinduced Motions in Azo-Containing Polymers”. Chemical Reviews 102 (11): 4139–4176. doi:10.1021/cr970155y. PMID 12428986.
  2. ↑ “Photoisomerization”. IUPAC Compendium of Chemical Terminology. (2009). doi:10.1351/goldbook.P04622. ISBN 978-0-9678550-9-7
  3. ↑ Mammana, A. (2011). “A Chiroptical Photoswitchable DNA Complex”. The Journal of Physical Chemistry B 115 (40): 11581–11587. doi:10.1021/jp205893y. hdl:11370/cca715c8-861f-4500-943f-028c95e8e55e. PMID 21879715etal
  4. ↑ Mokdad, A; Belof, J; Yi, S; Shuler, S; McLaughlin, M; Space, B; Larsen, R (2008). “Photophysical Studies of the Trans to Cis Isomerization of the Push−Pull Molecule: 1-(Pyridin-4-yl)-2-(N-methylpyrrol-2-yl)ethene (mepepy)”. The Journal of Physical Chemistry B 112 (36): 8310–8315. Bibcode:2008JPCA..112.8310M. doi:10.1021/jp803268r. PMID 18700732.
  5. ↑ Vachon, J. (2014). “An ultrafast surface-bound photo-active molecular motor”. Photochemical and Photobiological Sciences 13 (2): 241–246. Bibcode:2014PhPhS..13..241V. doi:10.1039/C3PP50208B. PMID 24096390etal
  6. ↑ Janossy, I.; Szabados, L. (1 October 1998). “Optical reorientation of nematic liquid crystals in the presence of photoisomerization”. Physical Review E 58 (4): 4598. Bibcode:1998PhRvE..58.4598J. doi:10.1103/PhysRevE.58.4598.
  7. ↑ Chen, Alan G; Brady, David J (1992). “Real-time holography in azo-dye-doped liquid crystals”. Optics Letters 17 (6): 441–3. Bibcode:1992OptL...17..441C. doi:10.1364/OL.17.000441. PMID 19784354.
  8. ↑ Kato, Jun-ichi; Yamaguchi, Ichirou (1996). “Nonlinear spatial filtering with a dye-doped liquid-crystal cell”. Optics Letters 21 (11): 767–769. Bibcode:1996OptL...21..767K. doi:10.1364/OL.21.000767. PMID 19876152.
  9. ↑ Maly, Kenneth E; Wand, Michael D (2002). “Bistable ferroelectric liquid crystal photoswitch triggered by a dithienylethene dopant”. Journal of the American Chemical Society 124 (27): 7898–7899. doi:10.1364/OPEX.13.002358. PMID 19495125.
  10. ↑ Kazem-Rostami, Masoud; Akhmedov, Novruz G.; Faramarzi, Sadegh (2019). “Spectroscopic and computational studies of the photoisomerization”. Journal of Molecular Structure 1178: 538–543. Bibcode:2019JMoSt1178..538K. doi:10.1016/j.molstruc.2018.10.071.
  11. ↑ Waldeck, David H. (1991). “Photoisomerization dynamics of stilbenes”. Chemical Reviews 91 (3): 415–436. doi:10.1021/cr00003a007.
  12. ↑ Klajn, Rafal (2014). “Spiropyran-based dynamic materials”. Chem. Soc. Rev. 43 (1): 148–184. doi:10.1039/C3CS60181A. PMID 23979515.
  13. ↑ Dubonosov, Alexander D.; Bren, Vladimir A.; Chernoivanov, V. A. (2002). “Norbornadiene–quadricyclane as an abiotic system for the storage of solar energy”. Russian Chemical Reviews 71 (11): 917–927. Bibcode:2002RuCRv..71..917D. doi:10.1070/RC2002v071n11ABEH000745.
  14. ↑ D. M. Roundhill (1994). Photochemistry and Photophysics of Metal Complexes. Springer. ISBN 978-1-4899-1495-8
  15. ↑

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