Кіріспе
Оттегінің барлық электрондары спин жұптасқан. Синглет оттегі, жүйелі түрде диоксиген(синглет) және диоксиден деп аталады, формуласы O=O (немесе жазылуы мүмкін) – газ тәрізді бейорганикалық химиялық зат, ол барлық электрондары спин жұптасқан кванттық күйде болады. Бұл зат қоршаған температурада кинетикалық тұрақсыздыққа ұшырайды, бірақ ыдырау жылдамдығы баяу. Диатомдық оттегі молекуласының ең төменгі қозу күйі – синглет күйі. Ол физикалық қасиеттерімен O2 триплеттік негізгі күйінен аздап ғана ерекшеленетін газ. Дегенмен, химиялық реакцияға қабілеттілігі тұрғысынан, синглет оттегі органикалық қосылыстармен әлдеқайда белсенді әрекеттеседі. Ол көптеген материалдардың фотодеградациясына себепкер болады, бірақ оны дайындамалы органикалық химияда және фотодинамикалық терапияда пайдалы қолдануға болады. Синглет оттегінің іздері жоғарғы атмосферада және ластанған қалалық атмосферада кездеседі, онда ол өкпеге зиян келтіретін азот диоксидінің түзілуіне әсер етеді. Ол көбінесе озонды да өндіретін ортада, мысалы, қарағай ормандарында терпентиннің фотодеградациясымен бірге пайда болады және олар бірге кездеседі. "Синглет оттегі" және "триплет оттегі" терминдері әрбір форманың электрон спиндерінің санына байланысты. Синглетте электрон спиндерінің жалпы кванттық спині 0 болатын бір ғана мүмкін орналасуы бар, ал триплетте электрон спиндерінің жалпы кванттық спині 1 болатын үш мүмкін орналасуы бар, бұл үш дегенеративті күйге сәйкес келеді. Спектроскопиялық белгілеуде O2-нің ең төменгі синглет және триплет формалары тиісінше 1Δg және 3Σ деп белгіленеді.
Singlet oxygen, systematically named dioxygen(singlet) and dioxidene, is a gaseous inorganic chemical with the formula O=O (also written as or ), which is in a quantum state where all electrons are spin paired. It is kinetically unstable at ambient temperature, but the rate of decay is slow. The lowest excited state of the diatomic oxygen molecule is a singlet state. It is a gas with physical properties differing only subtly from those of the more prevalent triplet ground state of O2. In terms of its chemical reactivity, however, singlet oxygen is far more reactive toward organic compounds. It is responsible for the photodegradation of many materials but can be put to constructive use in preparative organic chemistry and photodynamic therapy. Trace amounts of singlet oxygen are found in the upper atmosphere and in polluted urban atmospheres where it contributes to the formation of lung damaging nitrogen dioxide. It often appears and coexists confounded in environments that also generate ozone, such as pine forests with photodegradation of turpentine. The terms 'singlet oxygen' and 'triplet oxygen' derive from each form's number of electron spins. The singlet has only one possible arrangement of electron spins with a total quantum spin of 0, while the triplet has three possible arrangements of electron spins with a total quantum spin of 1, corresponding to three degenerate states. In spectroscopic notation, the lowest singlet and triplet forms of O2 are labeled 1Δg and 3Σ, respectively.
Электрондық құрылым
Синглеттік оттегі — электрондық қозған күйлердің екі түрінің бірі. Бұл екі жеке күй 1Σ және 1Δg деп белгіленеді (алдыңғы "1" суперскрипті жеке күйді білдіреді). Оттегінің жеке күйлерінің энергиясы үштік негізгі күйдегі оттегіден 158 және 95 килоджоуль/моль артық. Көптеген зертханалық жағдайларда жоғары энергиялы 1Σ синглеттік күйі жылдам тұрақты, төмен энергиялы 1Δg синглеттік күйіне айналады. Бұл негізгі күйден екі нашар тұрақты, жоғары энергиялы қозған күйге оңай қол жеткізіледі, бұл Хундтың бірінші ережесіне сәйкес келеді; біріншісі жоғары энергиялы жұптаспаған негізгі күйдегі электрондардың біреуін бір дегенерациялық орбитадан екіншісіне жылдырады, онда ол «қайтарылады» және екіншісімен жұптасады, соның нәтижесінде 1Δg күйі деп аталатын жаңа жеке күй пайда болады (алдыңғы "1" суперскрипті оны жеке күй ретінде көрсетеді). 1Δg синглеттік күйінің энергиясы 3Σ үштік негізгі күйінен 7882,4 см−1 жоғары, бұл басқа бірліктерде 94,29 кДж/моль немесе 0,9773 ЭВ-қа тең. 1Σ синглетінің энергиясы 13 120,9 см−1 құрайды. Екі жеке күй арасындағы спин-триплеттік ауысу спин таңдау ережесі ΔS = 0 және g-g ауысуларына тыйым салатын паритет ережесіне байланысты тыйым салынған. Екі қозған күй арасындағы жеке-жеке ауысу спинге рұқсат етілген, бірақ паритетке тыйым салынған. Төменгі, O2(1Δg) күйі әдетте синглеттік оттегі деп аталады. Негізгі күй мен синглеттік оттегі арасындағы 94,3 кДж/моль энергия айырмашылығы шамамен 1270 нм толқын ұзындығындағы жақын инфрақызыл сәулеленуде тыйым салынған спин-триплеттік ауысуға сәйкес келеді. Осының салдарынан газ фазасындағы синглеттік оттегінің өмір сүру мерзімі салыстырмалы түрде ұзақ (54–86 миллисекунд), бірақ еріткіштермен өзара әрекеттесу өмір сүру мерзімін микросекундтарға немесе тіпті наносекундтарға дейін қысқартады. 2021 жылы ауадағы синглеттік оттегінің ауа-қатты беткейіндегі өмір сүру мерзімі 550 микросекунд деп өлшенді. Жоғары 1Σ күйінің өмір сүру мерзімі өте қысқа. Газ фазасында ол негізінен 11,8 секундтық орташа өмір сүру мерзімімен негізгі күйдің үштік түріне дейін демалады. 1Δg күйінің парамагнетизмі таза орбиталық (спиндік емес) электрондық бұрыштық импульске байланысты. Магниттік өрісте дегенерациялық деңгейлер молекулалық осьтің айналасындағы +1ħ және −1ħ z проекцияларына ие екі деңгейге бөлінеді. Осы деңгейлер арасындағы магниттік ауысу ЭПР ауысуына әкеледі.
Органикалық химия
Жердегі оттегіден өзгеше, синглет оттегі Диелс-Альдер [4+2] және [2+2] циклоаддиция реакцияларына, сондай-ақ формальды келісімді эне реакцияларына қатысады. Кейбір субстраттармен 1,2 диокситандар түзіледі; 1,3 циклогексадиен сияқты циклді диендер [4+2] циклоаддиция аддукттарын құрайды. Синглет оттегі мен фурандар арасындағы [4+2] циклоаддиция органикалық синтезде кеңінен қолданылады. Синглет оттегінің алкеникалық аллил топтарымен, мысалы, цитронелламен реакциясында, аллиль протонының алынуы нәтижесінде эне реакциясына ұқсас реакция жүзеге асып, R–O–OH (R = алкил) аллиль гидропероксиді түзіледі, оны тиісті аллиль спиртіне дейін тотықсыздауға болады. Сумен реакцияда үш тізбектелген оттек атомынан тұратын ерекше молекула – триоксидан пайда болады.
Биохимия
Фотосинтезде хлорофилл молекулаларының жарық энергиясын сіңіруі нәтижесінде синглеттік оттегі пайда болуы мүмкін. Фотосинтездік жүйелерде каротиноидтардың бірі – хлорофилл молекулаларынан артық жарық энергиясын кетіру немесе синглеттік оттегі молекулаларын тікелей залалсыздандыру арқылы пайда болған синглеттік оттегінің келтіретін зиянды алдын алу. Сүтқоректілер биологиясында синглеттік оттегі – реактивті оттегі түрлерінің бірі, ол ТЖХ холестеролының тотығуымен және одан туындайтын жүрек-қантамырлық салдарлармен байланысты. Полифенол антиоксиданттары реактивті оттегі түрлерінің концентрациясын төмендетіп, олардың зиянды тотықтыру әсерлерін болдырмауы мүмкін. Жарықпен белсендірілгенде синглеттік оттегі өндіретін пигменттерді қабылдау терінің күшті фотосезімталдығына әкелуі мүмкін (фототоксикалық әсер, адамдардағы фотосезімталдық, фотодерматит, фитофотодерматит). Бұл, әсіресе, шөппен қоректенетін жануарлар үшін маңызды (Жануарлардағы фотосезімталдыққа қараңыз). Синглеттік оттегі – фотодинамикалық терапиядағы белсенді зат.
Аналитикалық және физикалық химия
Текше оттегінің ыдырауымен бірге, үштік негізгі күйге өтетінінде жарқырауы байқалады. Бұл құбылыс алғаш рет рубрен эндопероксидінің жылулық деградациясы кезінде анықталған.