Ultrakurzzeitspektroskopie von Hemithioindigo und biophysikalisch relevanten Derivaten [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Thorben Cordes

Thorben Cordes

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Ultrakurzzeitspektroskopie von
Hemithioindigo und biophysikalisch
relevanten Derivaten
Thorben Cordes
München 2008Ultrakurzzeitspektroskopie von
Hemithioindigo und biophysikalisch
relevanten Derivaten
Thorben Cordes
Dissertation
an der Fakultät für Physik
der Ludwig-Maximilians-Universität
München
vorgelegt von
Thorben Cordes
aus Wolfsburg
München, den 28.01.2008Erstgutachter: Prof. Dr. Wolfgang Zinth
Zweitgutachter: Prof. Dr. Philip Tinnefeld
Tag der mündlichen Prüfung: 10.3.2008Kurzfassung
Photoinduzierte Isomerisierungsreaktionen von Molekülen mit Kohlenstoff-Doppelbindungen
sind an zahlreichen wichtigen biologischen und biochemischen Prozessen beteiligt. Ein grund-
legendes Verständnis ihrer Reaktionsmechanismen ist deshalb von enormer Bedeutung. Wich-
tige Anwendungen von Molekülen mit Photoisomerisierungsreaktionen sind ihr Einsatz als
mechanische Trigger in Peptidstrukturen oder als optische Datenspeicher. Diese Arbeit stellt
eine spektroskopisch bisher unbearbeitete Verbindungsklasse vor, deren Struktur aus zwei ver-
schiedenen Molekülen (Stilben, Thioindigo) zusammengesetzt ist. Die photochrome Verbin-
−12dung Hemithioindigo isomerisiert im Pikosekundenzeitbereich (1 ps = 10 s). Im Rahmen
der Arbeit kann gezeigt werden, dass spezielle Hemithioindigo-Derivate als Peptidschalter
zum Studium initialer Faltungsprozesse eingesetzt werden können. Diese Demonstration er-
fordert die detaillierte spektroskopische Analyse der Z/E-Isomerisierungsreaktionen des Mo-
leküls. Die vorliegende Arbeit behandelt dabei die folgenden Fragestellungen:
1) Nach welchem Mechanismus läuft die Z/E-Isomerisierung von Hemithioindigo ab?
Die Kombination verschiedener spektroskopischer Techniken (Absorptions-, Emissions- und
Infrarotspektroskopie) erlaubt es, den kinetischen Ablauf der photoinduzierten Isomerisie-
rungsreaktionen zu verfolgen. Unter Ausnutzung aller erzielten Resultate kann ein detaillier-
tes Reaktionsmodell der Pikosekundenreaktionen Z→E und E→Z aufgestellt werden.
2) Wie können bestimmte Charakteristika der Isomerisierung, beispielsweise die Reak-
tionszeit, kontrolliert werden? Es wird gezeigt, dass die Reaktionsraten der photoinduzier-
ten Isomerisierungen durch Potentialbarrieren im elektronisch angeregten Zustand bestimmt
werden. Polare Substituenten erlauben es, die Barrierenhöhe systematisch zu verändern. Diese
Effekte können sogar quantitativ durch das Konzept der linearen freien Enthalpie-Beziehung,
der Hammett-Gleichung, beschrieben werden. Auf diese Weise kann die Reaktionsgeschwin-
digkeit kontrolliert und für unbekannte Substanzen vorhergesagt werden. Die Auswirkungen
der Substituenten-Effekte auf unterschiedliche Parameter werden diskutiert und in ein ge-
meinsames Reaktionsmodell eingebettet.
3) Stilben vs. Thioindigo: Welcher Bestandteil dominiert die dynamischen Eigenschaf-
ten von Hemithioindigo? Zur Klärung dieser Frage werden die Ergebnisse der vorliegenden
Arbeit mit Reaktionsmodellen von Stilben und Thioindigo verglichen. Es wird sehr deutlich,
dass Hemithioindigo und Stilben in vielen Eigenschaften große Ähnlichkeiten aufweisen.
4) Sind Hemithioindigo-Derivate zur Untersuchung initialer Faltungsvorgänge in Chro-
mopeptiden geeignet? Die Arbeit zeigt, dass Hemithioindigo-Aminosäuren als ultraschnelle
mechanische Schalter in Peptidsystemen eingesetzt werden können. Dazu werden verschiede-
ne auf Hemithioindigo basierende Pseudoaminosäuren und Chromopeptide vorgestellt. Unter-
suchungen dieser Modellpeptide zeigen, dass Hemithioindigo auch in Peptidstrukturen eine
Isomerisierung ausführt und das Chromophor als spektroskopische Sonde für Peptidfaltungs-
prozesse genutzt werden kann. Hemithioindigo stellt somit eine vielversprechende Alternative
zu bekannten molekularen Schaltern, wie z. B. Azobenzolderivaten, dar.
vKurzfassung
Abstract
Photoinduced isomerizations of molecules with carbon-carbon double-bonds play an import-
ant role in biology and chemistry. Therefore, it is essential to fully understand the basic reac-
tion mechanisms of the underlying photochemical processes. The photoswitchable molecules
may be used as mechanical triggers in peptide structures or for optical data storage. Within
the present study a class of novel photochromic compounds, called hemithioindigo, is in-
vestigated. The molecular structure of the photochromic molecules consists of two different
molecular parts, stilbene and thioindigo. The isomerization reactions are found to proceed on
−12a picosecond timescale (1 ps = 10 s). The compounds are hence interesting candidates for
the use as ultrafast mechanical triggers. This study will show that hemithioindigo is capable of
initiating folding-processes in chromopeptide structures. This demonstration requires a detai-
led spectroscopic analysis of the isomerization reactions Z→E and E→Z and of the molecular
physics of hemithioindigo. The following questions are adressed:
1) What is the molecular mechanism of hemithioindigo photoisomerization? The kinetic
courses of both isomerization reactions (Z→E and E→Z) of an ω-amino acid based on hemi-
thioindigo are investigated using several spectroscopic techniques (transient absorption in the
visible/infrared range and transient fluorescence). All obtained results point to a sequential
reaction model with short-lived intermediate states (picosecond timescale). The rate-limiting
steps of the isomerization reactions are determined by barriers on the excited state potential
surface.
2) Which parameters of the isomerization are influenced by chemical substitution? The
existence of energy barriers on the excited state potential surface is shown by temperature
dependent measurements. The barrier height and hence the isomerization rate is drastically
changed upon the substitution of hemithioindigo molecules with polar groups. The observed
substituent-effects in the stilbene-part of the molecule can be quantitatively described using
the empirical Hammett-relation. A strongly differing behaviour is found for the thioindigo-
substitution. The combined results allow the prediction and control of the reaction rate of
hemithioindigo by applying adequate substitution. The findings give a detailed picture of the
isomerization reaction and involved intermediate states.
3) Stilbene vs. thioindigo: which molecular part dominates the dynamic properties of
hemithioindigo? A detailed comparison of the obtained results with data from the literature
on stilbene and thioindigo answers this question: the photochemistry and nearly all characte-
ristics of hemithioindigo are very similar to those of stilbene.
4) Are pseudo amino-acids suitable to act as trigger molecules in peptide
structures? Several hemithioindigo pseudo amino-acids and chromopeptides are investiga-
ted. The study of these compounds shows that the hemithioindigo chromophore also isomeri-
zes while attached to a peptide structure. The isomerization rate is not strongly influenced, but
interactions between the chromophore and a cyclic peptide structure are observed in a transi-
ent absorption experiment. So, hemithioindigo can be used as a mechanical trigger in peptide
structures and may additionally serve as a spectroscopic probe for fast transient changes in
a peptide environment. The introduced chromopeptides are promising alternatives to known
switches like azobenzene-derivatives.
viInhaltsverzeichnis
Kurzfassung v
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 7
2.1 Untersuchungsmethoden ............................ 7
2.1.1 Stationäre Spektroskopie ........................ 7
2.1.2 Zeitaufgelöste Spektroskopie: Transiente Absorption (TA) ...... 9
2.2 Datenverarbeitung und Modellierung...................... 14
2.3 Stilben...................................... 19
2.4 Thioindigo.................................... 2
2.5 Parametervariationen .............................. 25
2.5.1 Temperatur ............................... 25
2.5.2 Lösungsmittelparameter ........................ 26
2.5.3 Substitution: Qualitative und Quantitative Effekte........... 26
3 Experimentelle Methoden 31
3.1 Das Lasersystem ................................ 31
3.2 Frequenzkonversion............................... 33
3.3 Das Pump-Probe Spektrometer ......................... 36
3.4 Probenvorbereitung und Charakterisierung................... 38
4 Die Grundlagen der photoinduzierten Z/E-Isomerisierung von Hemithio-
indigo 41
4.1 Sichtbare Spektroskopie ............................ 42
4.2 Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie.................... 46
4.3 Infrarotspektroskopie .............................. 48
4.4 Entwicklung eines kinetischen Modells 51
4.4.1 Sequentielle Reaktionsmodelle..................... 52
4.4.2 Reaktionsmodelle mit Verzweigungen ................. 54
4.4.3 Kombinierte Modelle.......................... 54
4.4.4 HTI ω-Aminosäure: kinetisches Reaktionsmodell Z→E ....... 54
4.4.5 HTI ω E→Z 56
4.4.6 Diskussion des vorgestellen sequentiellen Modells .......... 57
viiInhaltsverzeichnis
5 Parametervariationen: Temperatur und Substitution 59
5.1 HTI-System I: Das unsubstituierte Referenzsystem .............. 60
5.1.1 Spektroskopische Eigenschaften .................... 60
5.1.2 System I unsubstit