Tlen singletowy

Tlen singletowy – forma tlenu cząsteczkowego (O₂) na najniższym stanie wzbudzonym.

Tlen cząsteczkowy może występować w dwóch formach: singletowej i trypletowej. Forma singletowa, czyli forma bez niesparowanych elektronów, nie jest w przypadku tlenu O₂ formą podstawową, lecz wzbudzoną, o wyższej energii, zaś stanem podstawowym jest forma trypletowa (dwurodnik^[1]). Jest to układ odwrotny niż dla większości cząsteczek chemicznych.

Forma singletowa O::O lub O=O oznacza symbolicznie jako ¹O₂

Każda kropka oznacza jeden elektron, kreska – dwa elektrony tworzące wiązanie. Sparowane elektrony niewiążące zostały pominięte.

Tlen singletowy może istnieć w dwóch stanach energetycznych, o odmiennym rozkładzie elektronów na orbitach molekularnych^[2]:

¹Δ_gO₂ – dwa sparowane elektrony na jednym orbitalu π*2p
¹Σ_g⁺O₂ – po jednym elektronie na każdym z orbitali π*2p; elektrony mają przeciwne spiny

Tlen singletowy nadmiarową energię wewnętrzną może uwolnić podczas reakcji utleniania lub na emisję promieniowania podczerwonego o długości fali ~1270 nm. Przy dużym stężeniu tlenu singletowego widoczna może być emisja czerwonego światła (λ = 634 nm) zachodząca podczas zderzenia dwóch cząsteczek ¹O₂.

Reakcjom chemicznym z udziałem tlenu singletowego towarzyszy często emisja światła widzialnego (chemiluminescencja), np. niebieskiego podczas utleniania luminolu^[3].

Diagramy energetyczne orbitali molekularnych dla trzech konfiguracji elektronowych tlenu cząsteczkowego. Od lewej: trypletowy stan podstawowy ³Σ_g⁻; tlen singletowy w stanie wzbudzonym ¹Δ_g; tlen singletowy w stanie wzbudzonym ¹Σ_g⁺. Stany te różnią się jedynie spinem elektronów i obsadzeniem dwóch zdegenerowanych orbitali antywiążących π*. Różnica energii stanów ³Σ_g⁻ i ¹Δ_g wynosi 94,3 kJ/mol, a 158 kJ/mol dla ³Σ_g⁻ i ¹Σ_g⁺^[3].

Otrzymywanie

Emisja czerwonego światła przez tlen singletowy powstający w reakcji Ca(ClO)₂ + H₂O₂

Forma singletowa tlenu powstaje podczas naświetlania światłem UV tlenu w stanie podstawowym w obecności barwnika uczulającego, a także w wyniku niektórych reakcji chemicznych, np. H₂O₂ z NaClO:

ClO⁻ + H₂O₂ → ¹O₂ + H⁺ + Cl⁻ + OH⁻

Czas życia tej formy tlenu wynosi w stanie gazowym do kilkudziesięciu minut^[3].

Reakcje

Askaridol, produkt addycji tlenu singletowego do α-terpinenu

Wysoka reaktywność tlenu singletowego wykorzystywana jest w szeregu reakcji chemicznych w chemii organicznej, zwłaszcza ze związkami nienasyconymi. Pierwszym etapem takich reakcji jest zwykle wytworzenie wodoronadtlenku allilowego R₂C=C(R)-O-O-H lub mostka nadtlenkowego R-O-O-R. Związki te często ulegają reakcjom następczym np. jednoczesnego pęknięcia wiązania O-O i C-C z wytworzenia dwóch grup karbonylowych^[3].

Zobacz też

Term molekularny

Przypisy

↑ Diradicals, [w:] A.D.A.D. McNaught A.D.A.D., A.A. Wilkinson A.A., Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), S.J. Chalk (akt.), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, DOI: 10.1351/goldbook.D01765, ISBN 0-9678550-9-8 (ang.).
↑ 1.2 Co to są reaktywne formy tlenu?. W: Grzegorz Bartosz: Druga twarz tlenu. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 19, seria: Środowisko. ISBN 978-83-01-13847-9.
↑ ^a ^b ^c ^d Michael Laing. The three forms of molecular oxygen. „J. Chem. Educ.”. 66 (6), s. 453-455, 1989. DOI: 10.1021/ed066p453.

[IUPAC-1] Diradicals, [w:] A.D.A.D. McNaught A.D.A.D., A.A. Wilkinson A.A., Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), S.J. Chalk (akt.), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, DOI: 10.1351/goldbook.D01765, ISBN 0-9678550-9-8 (ang.).

[2] 1.2 Co to są reaktywne formy tlenu?. W: Grzegorz Bartosz: Druga twarz tlenu. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 19, seria: Środowisko. ISBN 978-83-01-13847-9.

[Laing-3] Michael Laing. The three forms of molecular oxygen. „J. Chem. Educ.”. 66 (6), s. 453-455, 1989. DOI: 10.1021/ed066p453.

[1]

[2]

[3]