Синглетный кислород
Имена | |
---|---|
Название ИЮПАК
Синглетный кислород
| |
Систематическое название ИЮПАК
Диоксиды | |
Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
КЭБ | |
491 | |
Характеристики | |
О 2 | |
Молярная масса | 31.998 g·mol −1 |
Реагирует | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
|
Синглетный кислород , систематически называемый дикислородом (синглетом) и диоксидом , представляет собой газообразный неорганический химикат с формулой O=O (также записываемой как 1
[ТО
2 ] или 1
ТО
2 ), который находится в квантовом состоянии, где все электроны спарены по спинам . Он кинетически нестабилен при температуре окружающей среды, но скорость распада медленная.
Низшим возбужденным состоянием двухатомной молекулы кислорода является синглетное состояние . Это газ, физические свойства которого лишь незначительно отличаются от свойств более распространенного триплетного основного состояния O 2 . Однако с точки зрения химической активности синглетный кислород гораздо более активен по отношению к органическим соединениям. Он отвечает за фотодеградацию многих материалов, но может найти конструктивное применение в препаративной органической химии и фотодинамической терапии . Следовые количества синглетного кислорода обнаруживаются в верхних слоях атмосферы и в загрязненной городской атмосфере, где он способствует образованию повреждающего легкие диоксида азота . [ 1 ] : 355–68 Он часто появляется и сосуществует в средах, которые также выделяют озон , например, в сосновых лесах с фотодеградацией скипидара . [ нужна ссылка ]
Термины «синглетный кислород» и « триплетный кислород каждой формы » происходят от количества электронных спинов . Синглет имеет только одно возможное расположение электронных спинов с общим квантовым спином 0, тогда как триплет имеет три возможных расположения электронных спинов с общим квантовым спином 1, что соответствует трем вырожденным состояниям.
В спектроскопических обозначениях низшие синглетные и триплетные формы О 2 обозначаются как 1 Δg и 3 С −
г соответственно. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
Электронная структура
[ редактировать ]Синглетный кислород относится к одному из двух синглетных электронных возбужденных состояний. Два синглетных состояния обозначаются 1 С +
г и 1 Δg ( предыдущий верхний индекс «1» указывает на синглетное состояние). Синглетные состояния кислорода на 158 и 95 килоджоулей на моль выше по энергии, чем триплетное основное состояние кислорода. В наиболее распространенных лабораторных условиях более высокая энергия 1 С +
g- синглетное состояние быстро превращается в более стабильное с меньшей энергией. 1 Δg синглетное состояние . [ 2 ] В этом более стабильном из двух возбужденных состояний два валентных электрона спарены по спинам на одной π*-орбитали, в то время как вторая π*-орбиталь пуста. Это состояние обозначается термином в заголовке « синглетный кислород» , обычно сокращенно называемым « синглетный кислород». 1 O 2 , чтобы отличить его от молекулы в триплетном основном состоянии, 3 О 2 . [ 2 ] [ 3 ]
Теория молекулярных орбиталей предсказывает основное электронное состояние, обозначаемое символом молекулярного термина. 3 С –
g и два низколежащих возбужденных синглетных состояния с термальными символами 1 Δg и 1 С +
г . Эти три электронных состояния различаются только спином и заполненностью двух разрыхляющих π g -орбиталей кислорода, которые являются вырожденными (равными по энергии). Эти две орбитали классифицируются как разрыхляющие и имеют более высокую энергию. Согласно первому правилу Хунда , в основном состоянии эти электроны неспарены и имеют одинаковый (одинаковый) спин. Это триплетное основное состояние молекулярного кислорода с открытой оболочкой отличается от большинства стабильных двухатомных молекул, которые имеют синглет ( 1 С +
ж ) основные состояния. [ 5 ]
Два менее стабильных возбужденных состояния с более высокой энергией легко доступны из этого основного состояния, опять же в соответствии с первым правилом Хунда ; [ 6 ] первый перемещает один из неспаренных электронов основного состояния высокой энергии с одной вырожденной орбитали на другую, где он «переворачивает» и спаривает другой, и создает новое состояние, синглетное состояние, называемое 1 ( Состояние Δg термин -символ , где предшествующий верхний индекс «1» указывает на синглетное состояние). [ 2 ] [ 3 ] Альтернативно, оба электрона могут оставаться на своих вырожденных орбиталях основного состояния, но спин одного из них может «перевернуться» так, что теперь он станет противоположным второму (т. е. он все еще находится на отдельной вырожденной орбитали, но уже не имеет такого же спина). ; это также создает новое состояние, синглетное состояние, называемое 1 С +
г состояние. [ 2 ] [ 3 ] Основное и два первых синглетных возбужденных состояния кислорода можно описать простой схемой, представленной на рисунке ниже. [ 7 ] [ 8 ]
The 1 Δg . синглетного состояния составляет 7882,4 см-1 −1 выше тройки 3 С −
г основное состояние., [ 3 ] [ 9 ] что в других единицах соответствует 94,29 кДж/моль или 0,9773 эВ. 1 С +
г майки 13 120,9 см −1 [ 3 ] [ 9 ] (157,0 кДж/моль или 1,6268 эВ) над основным состоянием.
Радиационные переходы между тремя низколежащими электронными состояниями кислорода формально запрещены как электрические дипольные процессы. [ 10 ] Два синглет-триплетных перехода запрещены как из-за правила спинового отбора ΔS = 0, так и из-за правила четности , запрещающего gg-переходы. [ 11 ] Синглет-синглетный переход между двумя возбужденными состояниями разрешен по спину, но запрещен по четности.
Нижний, O 2 ( 1 Δg Состояние ) обычно называют синглетным кислородом . Разница в энергии 94,3 кДж/моль между основным состоянием и синглетным кислородом соответствует запрещенному синглет-триплетному переходу в ближнем инфракрасном диапазоне при ~1270 нм. [ 12 ] Как следствие, синглетный кислород в газовой фазе относительно долгоживущ (54-86 миллисекунд), [ 13 ] хотя взаимодействие с растворителями сокращает время жизни до микросекунд или даже наносекунд. [ 14 ] В 2021 году время жизни синглетного кислорода в воздухе на границе раздела воздух/твердое тело составило 550 микросекунд. [ 15 ]
Чем выше 1 С +
Состояние g умеренно недолговечно. В газовой фазе он релаксирует преимущественно в триплет основного состояния со средним временем жизни 11,8 секунды. [ 10 ] Однако в таких растворителях, как CS 2 и CCl 4 , он релаксирует до нижнего синглета. 1 Δ g в миллисекундах из-за безызлучательных каналов распада. [ 10 ]
Парамагнетизм из-за орбитального углового момента
[ редактировать ]Оба состояния синглетного кислорода не имеют неспаренных электронов и, следовательно, нет суммарного электронного спина. 1 Δg , Однако является парамагнитным как показывает наблюдение спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Парамагнетизм 1 Δg Состояние обусловлено чистым орбитальным (а не спиновым) электронным угловым моментом. В магнитном поле вырождение уровни расщепляются на два уровня с z-проекциями угловых моментов +1 ħ и −1 ħ вокруг оси молекулы. Магнитный переход между этими уровнями приводит к ЭПР-переход.
Производство
[ редактировать ]Существуют различные способы получения синглетного кислорода. Облучение газообразного кислорода в присутствии органического красителя в качестве сенсибилизатора, такого как бенгальский розовый , метиленовый синий или порфирины — фотохимический метод — приводит к его получению. [ 19 ] [ 9 ] Сообщается о больших стационарных концентрациях синглетного кислорода в результате реакции пировиноградной кислоты в триплетном возбужденном состоянии с растворенным кислородом в воде. [ 20 ] Синглетный кислород также можно получить химическими методами без облучения. Один химический метод включает разложение триэтилсилилгидротриоксида, образующегося in situ из триэтилсилана и озона. [ 21 ]
- (C 2 H 5 ) 3 SiH + O 3 → (C 2 H 5 ) 3 SiOOOH → (C 2 H 5 ) 3 SiOH + O 2 ( 1 Δ г )
Другой метод использует реакцию перекиси водорода с гипохлоритом натрия в водном растворе: [ 19 ]
- H 2 O 2 + NaOCl → O 2 ( 1 Δ г ) + NaCl + H 2 O
Ретро -реакция Дильса-Альдера с пероксидом дифенилантрацена также может давать синглетный кислород вместе с дифенилантраценом: [ 22 ]
Третий метод высвобождает синглетный кислород посредством фосфитных озонидов, которые, в свою очередь, генерируются in situ, например, трифенилфосфитный озонид . [ 22 ] [ 23 ] Озониды фосфита разлагаются с образованием синглетного кислорода: [ 24 ]
- ) 3П + О3 → РО) 3РО3 ( ( РО
- (RO) 3PO3 ( RO + ) 3PO O2 → ( 1 Δ г )
Преимущество этого метода в том, что он пригоден для неводных условий. [ 24 ]
Реакции
[ редактировать ]Из-за различий в электронных оболочках синглетный и триплетный кислород различаются по своим химическим свойствам; Синглетный кислород обладает высокой реакционной способностью. [ 25 ] Время жизни синглетного кислорода зависит от среды и давления. В обычных органических растворителях время жизни составляет всего несколько микросекунд, тогда как в растворителях, не имеющих связей CH, время жизни может достигать нескольких секунд. [ 24 ] [ 26 ]
В отличие от кислорода в основном состоянии, синглетный кислород участвует в реакциях Дильса-Альдера [4+2]- и [2+2] -циклоприсоединения и формальных согласованных еновых реакциях ( реакция Шенкена ), вызывая фотооксигенацию . [ 24 ] Окисляет тиоэфиры до сульфоксидов. Металлоорганические комплексы часто разлагаются синглетным кислородом. [ 27 ] [ 28 ] С некоторыми субстратами 1,2-диоксетаны образуются ; циклические диены, такие как 1,3-циклогексадиен, образуют аддукты [4+2] циклоприсоединения . [ 29 ]
[4+2]-циклоприсоединение синглетного кислорода к фуранам широко используется в органическом синтезе . [ 30 ] [ 31 ]
В реакциях синглетного кислорода с алкеновыми аллильными группами , например, цитронеллы, показано, что путем отрыва аллильного протона в еноподобной реакции образуется аллилгидропероксид R –O–OH (R = алкил ), который затем может быть восстановлен. соответствующему аллиловому спирту . [ 24 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
В реакциях с водой триоксидан — необычная молекула с тремя последовательно связанными атомами кислорода. образуется [ нужна ссылка ]
Биохимия
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Август 2015 г. ) |
При фотосинтезе синглетный кислород может быть получен из светособирающих молекул хлорофилла . Одна из ролей каротиноидов в фотосинтетических системах заключается в предотвращении повреждений, вызванных вырабатываемым синглетным кислородом, путем удаления избыточной световой энергии из молекул хлорофилла или непосредственного гашения молекул синглетного кислорода.
В млекопитающих биологии синглетный кислород является одной из активных форм кислорода , которая связана с окислением ЛПНП холестерина и, как следствие, с сердечно-сосудистыми эффектами. Полифенольные антиоксиданты могут удалять и снижать концентрацию активных форм кислорода, а также предотвращать такие вредные окислительные эффекты. [ 35 ]
Прием внутрь пигментов, способных продуцировать синглетный кислород при активации светом, может вызвать тяжелую фоточувствительность кожи (см. Фототоксичность , Фоточувствительность у человека , фотодерматит , фитофотодерматит ). Это особенно беспокоит травоядных животных (см. Фоточувствительность у животных ).
Синглетный кислород является активным веществом в фотодинамической терапии .
Аналитическая и физическая химия
[ редактировать ]Синглетный кислород люминесцирует одновременно с его распадом в основное триплетное состояние. Это явление впервые наблюдалось при термическом разложении эндоперекиси рубрена . [ 36 ]
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Малликен Р.С. (1928). «Интерпретация полос кислорода воздуха; электронные уровни молекулы кислорода» . Природа . 122 (3075): 505. Бибкод : 1928Natur.122..505M . дои : 10.1038/122505a0 . S2CID 4105859 .
- Чжоу, Пи-Тай; Вэй, Гуор-Цо; Линь, Чи-Хун; Вэй, Чинг-Йен; Чанг, Чи-Хунг (1 января 1996 г.). «Прямое спектроскопическое свидетельство фотосенсибилизированного O2 765 нм (1Σ+g → 3Σ-g) и O2 Dimol 634 и 703 нм ((1Δg)2 → (3Σ-g)2) вибронной эмиссии в растворе». Журнал Американского химического общества . 118 (12): 3031–3032. дои : 10.1021/ja952352p . ISSN 0002-7863 .
- Фёлдес Т., Чермак П., Мацко М., Вейс П., Мако П. (январь 2009 г.). «Резонаторная спектроскопия синглетного кислорода, генерируемого в микроволновой плазме». Письма по химической физике . 467 (4–6): 233–236. Бибкод : 2009CPL...467..233F . CiteSeerX 10.1.1.186.9272 . дои : 10.1016/j.cplett.2008.11.040 .
- Носака Ю., Даймон Т., Носака А.Ю., Мураками Ю. (2004). «Образование синглетного кислорода в фотокаталитической водной суспензии TiO₂». Физ. хим. хим. Физ . 6 (11): 2917–2918. Бибкод : 2004PCCP....6.2917N . дои : 10.1039/B405084C . </ref>
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уэйн Р.П. (1969). «Синглетный молекулярный кислород». Питтс Дж.Н., Хаммонд Г.С., Нойес В.А. (ред.). Достижения фотохимии . Том. 7. С. 311–71. дои : 10.1002/9780470133378.ch4 . ISBN 9780470133378 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Клан П., Вирц Дж. (2009). Фотохимия органических соединений: от концепций к практике (изд. 2010 г.). Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания: Wiley. ISBN 978-1405190886 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Аткинс П., де Паула Дж (2006). Физическая химия Аткинса (8-е изд.). У.Х.Фриман. стр. 482–3 . ISBN 978-0-7167-8759-4 .
- ^ Хилл К. «Символы молекулярных терминов» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 5 сентября 2017 года . Проверено 10 октября 2016 г.
- ^ Левин И.Н. (1991). Квантовая химия (4-е изд.). Прентис-Холл. п. 383. ИСБН 978-0-205-12770-2 .
- ^ Фример А.А. (1985). Синглетный кислород: Том I, Физико-химические аспекты . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 100-1 4–7. ISBN 9780849364396 .
- ^ О триплетном основном состоянии в правой части диаграммы см. CEHousecroft и AGSharpe Inorganic Chemistry , 2-е изд. (Пирсон Прентис-Холл, 2005), стр.35. ISBN 0130-39913-2
- ^ Об изменениях в синглетных состояниях слева и в центре см. Ф. Альберта Коттона и Джеффри Уилкинсона . Передовая неорганическая химия , 5-е изд. (Джон Уайли 1988), стр.452. ISBN 0-471-84997-9
- ^ Перейти обратно: а б с Швейцер С., Шмидт Р. (май 2003 г.). «Физические механизмы генерации и дезактивации синглетного кислорода». Химические обзоры . 103 (5): 1685–757. дои : 10.1021/cr010371d . ПМИД 12744692 .
- ^ Перейти обратно: а б с Уэлдон, Дин; Поулсен, Тина Д.; Миккельсен, Курт В.; Огилби, Питер Р. (1999). «Синглет-Сигма: «Другой» синглетный кислород в растворе» . Фотохимия и фотобиология . 70 (4): 369–379. дои : 10.1111/j.1751-1097.1999.tb08238.x . S2CID 94065922 .
- ^ Томас Энгель; Филип Рид (2006). Физическая химия . ПИРСОН Бенджамин Каммингс. п. 580. ИСБН 978-0-8053-3842-3 .
- ^ Гай П. Брассер; Сьюзан Соломон (15 января 2006 г.). Аэрономия средней атмосферы: химия и физика стратосферы и мезосферы . Springer Science & Business Media. стр. 220–. ISBN 978-1-4020-3824-2 .
- ^ Физические механизмы генерации и дезактивации синглетного кислорода Клод Швейцер
- ^ Уилкинсон Ф., Хелман В.П., Росс А.Б. (1995). «Константы скорости распада и реакций низшего электронно-возбужденного синглетного состояния молекулярного кислорода в растворе. Расширенный и переработанный сборник». Дж. Физ. хим. Ссылка. Данные . 24 (2): 663–677. Бибкод : 1995JPCRD..24..663W . дои : 10.1063/1.555965 . S2CID 9214506 .
- ^ Андрес М. Дурантини (2021). «Межчастичная доставка и обнаружение летучего синглетного кислорода на границе раздела воздух/твердое тело». Экологические науки и технологии . 55 (6): 3559–3567. Бибкод : 2021EnST...55.3559D . doi : 10.1021/acs.est.0c07922 . ПМИД 33660980 . S2CID 232114444 .
- ^ Хасегава К., Ямада К., Сасасе Р., Миядзаки Р., Кикучи А., Яги М. (2008). «Прямые измерения абсолютной концентрации и времени жизни синглетного кислорода в газовой фазе методом электронного парамагнитного резонанса». Письма по химической физике . 457 (4): 312–314. Бибкод : 2008CPL...457..312H . дои : 10.1016/j.cplett.2008.04.031 .
- ^ Руцци М., Сартори Э., Москателли А., Худяков И.В., Турро Нью-Джерси (июнь 2013 г.). «ЭПР-исследование синглетного кислорода в газовой фазе с временным разрешением». Журнал физической химии А. 117 (25): 5232–40. Бибкод : 2013JPCA..117.5232R . CiteSeerX 10.1.1.652.974 . дои : 10.1021/jp403648d . ПМИД 23768193 .
- ^ Фалик А.М. и др. (1965). «Спектр парамагнитного резонанса 1 ? г молекулы кислорода». J. Chem. Phys . 42 (5): 1837–1838. Bibcode : 1965JChPh..42.1837F . doi : 10.1063/1.1696199 . S2CID 98040975 .
- ^ Перейти обратно: а б Грир А. (2006). «Открытие Кристофером Спенсером Футом роли синглетного кислорода [ 1 О 2 ( 1 Δg 10.1021 / )] в реакциях фотосенсибилизированного окисления». Acc. Chem. Res. 39 (11): 797–804. doi : ar050191g . PMID 17115719 .
- ^ Евгений А.Дж. , Гусман М.И. (сентябрь 2019 г.). «Производство синглетного кислорода ( 1 O 2 ) во время фотохимии водной пировиноградной кислоты: влияние pH и потока фотонов при стационарной концентрации O 2 (водн.)» . Экологическая наука и технология . 53 (21): 12425–12432. Bibcode : 2019EnST... 5312425E acs.est.9b03742 doi : 10.1021 . PMID 31550134 /
- ^ Кори Э.Дж. , Мехротра М.М., Хан А.У. (апрель 1986 г.). «Поколение 1 Δg doi из триэтилсилана и озона». Журнал Американского химического общества . 108 9): 2472–3. ( : 10.1021/ja00269a070 . PMID 22175617 .
- ^ Перейти обратно: а б Пей, Цзянь. Основная химия ( органическая . 4-е изд.), ISBN 978-7-301-27212-1 . Ошибка цитирования: именованная ссылка «:0» была определена несколько раз с разным содержимым (см. страницу справки ).
- ^ Housecroft CE, Sharpe AG (2008). «Глава 15: Группа 16 элементов». Неорганическая химия (3-е изд.). Пирсон. п. 438 ф . ISBN 9780131755536 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Вассерман Х.Х., ДеСимоне Р.В., Чиа К.Р., Банвелл М.Г. (2001). «Синглетный кислород». Энциклопедия реагентов для органического синтеза . Электронная энциклопедия реагентов для органического синтеза EROS . Джон Уайли и сыновья. дои : 10.1002/047084289X.rs035 . ISBN 978-0471936237 .
- ^ Хо Р.Ю., Либман Дж.Ф., Валентайн Дж.С. (1995). «Обзор энергетики и реакционной способности кислорода». В Foote CS (ред.). Активный кислород в химии . Лондон: Blackie Academic & Professional. стр. 1–23. дои : 10.1007/978-94-007-0874-7_1 . ISBN 978-0-7514-0371-8 .
- ^ Кунтнер Н (2018). « Моделирование электронного возбуждения в кислородно-гелиевых разрядах и плазменном горении ». Университет Штутгарта. дои = http://dx.doi.org/10.18419/opus-9925
- ^ Кленнан Э.Л., Пейс А (2005). «Достижения в химии синглетного кислорода». Тетраэдр . 61 (28): 6665–6691. дои : 10.1016/j.tet.2005.04.017 .
- ^ Огилби PR (август 2010 г.). «Синглетный кислород: под солнцем действительно есть что-то новое». Обзоры химического общества . 39 (8): 3181–209. дои : 10.1039/b926014p . ПМИД 20571680 .
- ^ Кэри Ф.А., Сундберг Р.Дж. (1985). Структура и механизмы (2-е изд.). Нью-Йорк: Пленум Пресс. ISBN 978-0306411984 .
- ^ Монтаньон, Т.; Калайцакис, Д.; Триантафиллакис, М.; Стратакис, М.; Василикояннакис, Г. (2014). «Фураны и синглетный кислород: почему это мощное партнерство принесет еще больше пользы» . Химические коммуникации . 50 (98): 15480–15498. дои : 10.1039/C4CC02083A . ПМИД 25316254 .
- ^ Гогаре, А.А.; Грир, А. (2016). «Использование синглетного кислорода для синтеза натуральных продуктов и лекарств». Химические обзоры . 116 (17): 9994–10034. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00726 . ПМИД 27128098 .
- ^ Стивенсон Л.М., Грдина М.Дж., Орфанопулос М. (ноябрь 1980 г.). «Механизм еновой реакции между синглетным кислородом и олефинами». Отчеты о химических исследованиях . 13 (11): 419–425. дои : 10.1021/ar50155a006 .
- ^ Эта реакция не является настоящей еновой реакцией , поскольку она не согласована; синглетный кислород образует эксиплекс «эпоксид-оксид», который затем отщепляет водород. См. Alberti et al., op. цит.
- ^ Альстерс П.Л., Жари В., Нарделло-Ратадж В., Жан-Мари А. (2009). «Темное синглетное оксигенирование β-цитронеллола: ключевой этап в производстве оксида розы». Исследования и разработки органических процессов . 14 : 259–262. дои : 10.1021/op900076g .
- ^ Карп Г., ван дер Гир П. (2004). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты (4-е изд., Изд. Wiley International). Нью-Йорк: Дж. Уайли и сыновья. п. 223. ИСБН 978-0471656654 .
- ^ Франц, Карл А.; Кер, Вольфганг Г.; Сигель, Альфред; Вечорек, Юрген; Адам, Вальдемар (2000). «Люминесцентные материалы». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a15_519 . ISBN 3-527-30673-0 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Боднер, Г.М. (2002) Листы демонстрационных видеороликов лекций: 8.4 Жидкий кислород — парамагнетизм и цвет, Вест-Лафайет, Индиана, США: Химический факультет Университета Пердью, см. « Жидкий кислород — Парамагнетизм и цвет» и демонстрационные видеоролики лекций , по состоянию на 11 августа. 2015 г.; альтернативно см. Bodner, GM; К. Киз и Т.Дж. Гринбоу (1995) Демонстрационное пособие по лекциям Университета Пердью, 2-е изд., стр. Будет определено позже, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: Джон Уайли и сыновья. [Ранее появившаяся ссылка на магнитные свойства состояний кислорода.]