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). 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:

  1. 1ΔgO2 – dwa sparowane elektrony na jednym orbitalu π*2p
  2. 1Σ+gO2 – 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.

Diagramy energetyczne orbitali molekularnych dla trzech konfiguracji elektronowych tlenu cząsteczkowego. Od lewej: trypletowy stan podstawowy 3Σ−g; tlen singletowy w stanie wzbudzonym 1Δg; 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 1Δg wynosi 94,3 kJ/mol, a 158 kJ/mol dla 3Σ−g i 1Σ+g.

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.

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.

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ diradicals, [w:] Compendium of Chemical Terminology, International Union of Pure and Applied Chemistry, wer. 5.0.0, 2025, DOI: 10.1351/goldbook.D01765 (ang.).
  2. ↑ 1.2 Co to są reaktywne formy tlenu?, [w:] Grzegorz Bartosz, Druga twarz tlenu, wyd. 2, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008 (seria Środowisko), s. 19, ISBN 978-83-01-13847-9.
  3. 1 2 3 4 Michael Laing, The three forms of molecular oxygen, „Journal of Chemical Education”, 66 (6), 1989, s. 453–455, DOI: 10.1021/ed066p453 (ang.).