Кіріспе
Электромагниттік сәулелерді сіңіру арқылы қайталанатын химиялық трансформация Фотохромизм - жарыққа әсер еткен кезде түстің қайталанатын өзгеруі. Бұл химиялық түрдің екі форманың арасындағы электромагниттік сәулеленуді сіңіру арқылы (фотоизомеризация) трансформациясы (фотоауысым), онда екі форманың әртүрлі сіңіру спектрлері бар.
Photochromism is the reversible change of color upon exposure to light. It is a transformation of a chemical species (photoswitch) between two forms by the absorption of electromagnetic radiation (photoisomerization), where the two forms have different absorption spectra.
Күн көзілдірігі
Ең танымал кері фотохромикалық қолданулардың бірі - күн көзілдіріктерінің түстерін өзгертетін линзалар. Фотохромиялық технологияны қолданудың ең үлкен шектеулері материалдарды мыңдаған сағат сыртқы экспозицияға төтеп беру үшін жеткілікті тұрақты ете алмайтындығында, сондықтан ұзақ мерзімді сыртқы қолданулар қазіргі уақытта орынды емес. Фотохроматикалық бояулардың ауысу жылдамдығы бояудың айналасындағы ортаның қаттылығына өте сезімтал. Нәтижесінде олар ерітіндіде тез ауысады, ал полимерлік линза сияқты қатаң ортада баяу ауысады. 2005 жылы бояуларға шыныға айналу температурасы төмен иілгіш полимерлерді (мысалы, силоксандар немесе полибутил акрилаты) қосу олардың қатты линзада әлдеқайда тез ауысуына мүмкіндік береді деп мәлімделген. Силоксен полимерлері қосылған кейбір спироксазиндер қатты линза матрицасында болғанына қарамастан ерітіндіге ұқсас жылдамдықпен ауысады.
Молекулалық химия
Фотохромдық бірліктер супрамолекулярлық химияда кеңінен қолданылған. Олардың жарықпен бақыланатын кері айналатын пішінді өзгерту қабілеті оларды молекулалық тану мотивтерін жасау немесе бұзу үшін немесе олардың айналасындағы форманың өзгеруіне себепші болуы үшін пайдалануға болады дегенді білдіреді. Осылайша фотохромдық бірліктер молекулалық қосқыштардың құрамдас бөліктері ретінде көрсетілді. Фотохромикалық бірліктерді ферменттерге немесе фермент кофакторларына қосу тіпті ферменттерді "жұмылдыру" және "жұмылдыруды" кері айналдыру мүмкіндігін береді, олардың пішінін немесе бағытын өзгертіп, олардың функциялары "жұмылдыру" немесе "бұзылған".
Деректерді сақтау
Фотохромикалық қоспаларды деректерді сақтау үшін пайдалану мүмкіндігін алғаш рет 1956 жылы Йегуда Хиршберг ұсынды. Сол уақыттан бері әртүрлі академиялық және коммерциялық топтар көптеген зерттеулер жүргізді, әсіресе 3D оптикалық деректерді сақтау саласында, бұл бір терабайт деректерді сақтай алатын дискілерді уәде етеді. Бастапқыда, жылулық кері реакцияларға және деструктивті оқу мәселесі осы зерттеулерді қиындатты, бірақ жақында тұрақты жүйелер жасалды.
Жаңалықтар
Қайталанатын фотохромикалар ойыншықтар, косметика, киім және өнеркәсіптік қолданбалар сияқты қосымшаларда да кездеседі. Қажет болса, оларды тұрақты пигментпен біріктіру арқылы қалаған түстердің арасында ауыстыруға болады.
Күн энергиясын сақтау
Копенгаген университетінің химия кафедрасының Күн энергиясын пайдалану орталығының зерттеушілері фотохромды дигидроазулен-винилхелтафуллен жүйесін күн энергиясын жинау және сақтау әдісі ретінде зерттейді.
Тарих
Фотохромизм 1880-жылдардың аяғында, соның ішінде Марквальдтың жұмысында, қатты күйдегі 2,3,4,4 тетрахлорнафтален 1 ((4H) бірінің түстің кері өзгеруін зерттеді. Ол бұл құбылысты "фототропия" деп атады және бұл атау 1950 жылға дейін қолданылды, ол кезде Израильдегі Вейцман ғылым институтының Иегуда Хиршберг "фотохромизм" терминін ұсынды. Фотохромизм органикалық және органикалық емес қосылыстарда да болуы мүмкін, сонымен қатар биологиялық жүйелерде де орын алады (мысалы, көру процесінде ретина).
Шолу
Фотохромизмнің қатаң анықтамасы жоқ, бірақ әдетте электр магниттік спектрдің көрінетін бөлігіндегі сіңіру жолағының күшін немесе толқын ұзындығын күрт өзгертетін кері фотохимиялық реакцияға ұшыраған қосылыстарды сипаттау үшін қолданылады. Көп жағдайда сіңіру жолағы тек бір түрінде болады. Фотохимиялық реакцияның "фотохромиялық" деп аталуы үшін қажетті өзгерістер дәрежесі - бұл көзбен көрінетін, бірақ фотохромиялық реакциялар мен басқа фотохимияның арасында ешқандай бөлгіш сызық жоқ. Сондықтан, азобензолдың транс цис изомеризациясы фотохроматикалық реакция деп есептелетін болса, стильбеннің аналогты реакциясы емес. Фотохромизм фотохимиялық реакцияның ерекше жағдайы болғандықтан, фотохромизмді тиісті молекулалық дизайнмен өндіру үшін кез келген фотохимиялық реакция түрі пайдаланылуы мүмкін. Фотохромизмге қатысатын ең көп таралған процестердің кейбіреулері - перициклдік реакциялар, цис транс изомеризациялар, молекулааралық сутекті беру, молекулааралық топтарды беру, диссоциация процестері және электронды беру (окистенуді азайту). Фотохромизмнің тағы бір талабы - молекуланың екі күйі қоршаған орта жағдайында қолайлы уақыт ішінде жылулық жағынан тұрақты болуы керек. Дегенмен, нитроспиропиран (қойнақ температурада ~10 минут ішінде қараңғыда қайта изомерленетін) фотохроматикалық деп саналады. Барлық фотохроматикалық молекулалар белгілі бір жылдамдықпен тұрақты формасына қайта изомерленіп, бұл кері изомерлену қыздыру арқылы жеделдетіледі. Сондықтан фотохроникалық және термохроникалық қосылыстар арасында тығыз байланыс бар. Термиялық кері изомерлендірудің уақыт шкаласы қосымшалар үшін маңызды және молекулалық инженериямен жасалуы мүмкін. "Термиялық тұрақты" деп саналатын фотохроникалық қосылыстарға кейбір диарилетендер жатады, олар 3 ай бойы 80 С қыздырғаннан кейін де изомерленбейді. Фотохроматикалық хромофорлар бояулар болғандықтан және белгілі реакцияларға сәйкес жұмыс істейтіндіктен, олардың қасиеттерін жақсы реттеуге арналған молекулалық инженерия белгілі дизайн модельдерін, кванттық механика есептеулерін және эксперименттерді пайдалану арқылы салыстырмалы түрде оңай қол жеткізілуі мүмкін. Әсіресе, ассорбция жолақтарын спектрдің белгілі бір бөліктеріне сәйкестендіру және жылу тұрақтылығының инженериясы көп көңіл бөлді. Кейде, әсіресе бояу өнеркәсібінде, кері қайтарылмайтын фотохромикалық термині ультрафиолет немесе көрінетін жарық сәулесіне ұшыраған кезде тұрақты түстер өзгерісіне ұшыраған материалдарды сипаттау үшін қолданылады. Фотохромиканың анықтамасы бойынша кері айналатындықтан, техникалық тұрғыдан "қайта түспейтін фотохромика" деген сөз жоқ. Бұл еркін қолданыс, ал бұл қосылыстарды "фотоөңгергіш" немесе "фотореактивті" бояулар деп атаған жөн. Жоғарыда аталған қасиеттерден басқа, фотохромиканың басқа да бірнеше қасиеттері олардың қолданылуы үшін маңызды. Бұларға кванттық өнімділік, шаршауға төзімділік, фотостационарлық күй, полярлық және ерігіштік жатады. Фотохимиялық реакцияның кванттық шығыны фотохромиялық өзгерістің тиімділігін сіңірілген жарық мөлшерімен байланыстырады. Изомеризацияның кванттық өнімділігі жағдайларға қатты тәуелді болуы мүмкін. Фотохроматикалық материалдарда шаршау фотодеградация, фотоағарту, фотоокисдеу және басқа да жанама реакциялар сияқты процестер арқылы кері қайтару қабілетін жоғалтуды білдіреді. Барлық фотохромикалар белгілі бір дәрежеде шаршайды, ал оның жылдамдығы белсендіретін жарыққа және үлгі шарттарына қатты тәуелді. Фотохроматикалық материалдардың екі күйі бар, олардың өзара түрленуі жарықтың әр түрлі толқын ұзындығын пайдалану арқылы бақылана алады. Кез келген толқын ұзындығы бар жарық қозу екі күйдің араласқандығын белгілі бір қатынаста тудырады, оны фотостационарлық күй деп атайды. Кемел жүйеде изомерлердің 1:0 және 0:1 арақатынасын қамтамасыз ету үшін қолданылатын толқын ұзындығы болады, бірақ нақты жүйелерде бұл мүмкін емес, өйткені белсенді сіңіру жолақтары әрқашан белгілі бір дәрежеде бір-бірімен жақындасады. Жұмыс жүйелеріне фотохромика енгізу үшін олар басқа бояулар сияқты проблемаларға ұшырайды. Олар көбінесе бір немесе бірнеше күйде зарядталады, бұл өте жоғары полярлылыққа және полярлылықтың үлкен өзгерістеріне әкеледі. Олар көбінесе ерігіштігін шектейтін ірі конъюгацияланған жүйелерді қамтиды.
Тенебресценция
Тенебресценция, кері фотохромизм деп те аталады, бұл жарыққа ұшыраған кезде минералдардың түсі өзгеру қабілеті. Эффект шексіз қайталануы мүмкін, бірақ қыздырумен жойылады. Тенебресентті минералдарға хакманит, сподумен және тугтупит жатады.
Фотохромикалық кешендер
Фотохромикалық кешен - лигандында фотореактивті бөліктері бар химиялық қосылыстың түрі. Бұл кешендердің ерекше құрылымы бар: фотосүйгіш органикалық қосылыстар металл кешендеріне қосылады. Фотобақыланатын бөліктер үшін термиялық және фотохимиялық тұрақты хромофорлар (азобензол, диарилетен, спиропиран және т.б.) әдетте қолданылады. Металл кешендері үшін әр түрлі функциялары бар (редокс реакциясы, люминесценция, магнетизм және т.б.) қолданылады. Фотохроматикалық бөліктер мен металл бөліктер бір-біріне өте жақын, олар бір-бірінің молекулалық орбиталдарына әсер етеді. Осы қосылыстардың олардың бөліктері (мысалы, хромофорлар немесе металдар) көрсететін физикалық қасиеттерін сыртқы тітіркендіргіштер арқылы олардың басқа орындарын ауыстыру арқылы бақылауға болады. Мысалы, кейбір кешендердің фотоизомеризациялық мінез-құлқы олардың металл бөліктерін тотығу және азайту арқылы ауыстырылуы мүмкін. Кейбір басқа қосылыстар олардың люминесценциялық мінез-құлқында, металл орындарының магниттік өзара әрекеттесуінде немесе металдың лигандтық үйлестірілуіне тұрақтылығы фотоизомеризациялау арқылы олардың фотохромдық бөліктері арқылы өзгертілуі мүмкін.
Фотохроматикалық материалдардың кластары
Фотохроматикалық молекулалар әр түрлі кластарға жатады: триарилметандар, стильбендер, азастилбендер, нитрондар, фулгидтер, спиропирандар, нафтапирандар, спиро оксазиндер, хинондар және басқалар.
Спиропирандар және спироксазиндер
Фотохромдардың ең көне және ең көп зерттелген туыстарының бірі - спиропиран. Бұларға өте жақын спироксазиндер. Мысалы, оксазиннің спиро түрі түссіз лейко бояу болып табылады; оксазиннің конъюгацияланған жүйесі мен молекуланың басқа хош иісті бөлігі sp3 гибридтелген "спиро" көміртегінің көмегімен бөлінеді. Ультрафиолет сәулесінен сәулеленгеннен кейін спирокарбон мен оксазин арасындағы байланыс үзіледі, сақина ашылады, спирокарбон sp2 гибридтелуіне жетеді және жазықтыққа айналады, ароматтық топ айналады, π орбиталдарын молекуланың қалған бөлігімен сәйкестендіреді және көрінетін жарықтың фотондарын сіңіруге қабілетті конъюгацияланған жүйе қалыптасады, сондықтан да түрлі-түсті болып көрінеді. Ультрафиолет сәулесі шығарылғанда молекулалар біртіндеп негізгі күйіне оралады, көміртек-оттегі байланысы қайта құрылады, спирокарбон қайтадан sp3 гибридті болады және молекула өзінің түссүз күйіне қайта оралады. Фотохромдардың бұл класы бір түрінде термодинамикалық тұрақсыз болып, төмен температураға салқындатқаннан кейін қараңғыда тұрақты түріне қайта оралады. Олардың өмір сүру мерзімі УФ-сәуле сәулесіне ұшырауынан да әсер етуі мүмкін. Көптеген органикалық бояулар сияқты олар оттегімен және еркін радикалдармен ыдырайды. Бояуларды полимерлік матрицаға қосу, тұрақтандырғыш қосу немесе басқа да тәсілдермен оттегі мен химиялық заттарға кедергі жасау олардың өмір сүру мерзімін ұзартады.
Диарилетендер
"Диарлитендерді" алғаш рет Ири енгізді және содан бері олардың жоғары термодинамикалық тұрақтылығы есебінен кеңінен қызығушылық туды. Олар 6 пи электроциклді реакция арқылы жұмыс істейді, оның термиялық аналогы стерикалық кедергіге байланысты мүмкін емес. Таза фотохроматикалық бояулар әдетте кристалды ұнтақ түрінде болады және түс өзгеруіне жету үшін оларды еріткішке еріту керек немесе қолайлы матрицаға шашырату керек. Алайда кейбір диарлитендер изомерлендіру кезінде пішінін өте аз өзгертеді, сондықтан кристалл түрінде қалып, түрленуі мүмкін.
Азобензолдар
Азобензендердің фотохроматикалық трансцис изомерленуі молекулалық ауыстырғыштарда кеңінен қолданылған, көбінесе оның формасының изомерленуі нәтижесінде супрамолекулалық нәтиже алу үшін пайдаланған. Атап айтқанда, тажырлы эфирлерге қосылған азобенздер ауыстырылатын рецепторларды береді, ал моноқабаттардағы азобенздер бет қасиеттерінің жарықпен бақыланатын өзгерістерін қамтамасыз ете алады.
Фотохромиялық кинондар
Кейбір кинондар, әсіресе феноксинафтацен киноны, фенил тобының бір оттегі атомынан екіншісіне көшіп кету қабілеті нәтижесінде фотохромикалық қасиетке ие. Жақсы жылу тұрақтылығы бар кинондар дайындалды, сондай-ақ оларда редокстық белсенділіктің қосымша ерекшелігі бар, бұл фотоникалық және электрондық ынталандырулардың қоспасымен жұмыс істейтін көптеген молекулалық түрлендіргіштердің құрылысына әкеледі.
Органикалық емес фотохромикалар
Көптеген органикалық емес заттар фотохромикалық қасиеттерге ие, көбінесе органикалық фотохромикаларға қарағанда шаршауға әлдеқайда жақсы төзімділікпен. Әсіресе күміс хлориді фотохроматикалық линзаларды өндіруде кеңінен қолданылады. Басқа күміс және мырыш галоидтары да фотохроматикалық. Иттрий оксидриді фотохроматикалық қасиеттері бар басқа да органикалық емес материал.
Фотохроматикалық координациялық қосылыстар
Фотохроматикалық үйлесімділік кешендері жоғарыда аталған органикалық қосылыстармен салыстырғанда өте сирек кездеседі. Фотохроматикалық үйлестіру қосылыстарының екі негізгі класы бар. Натрий нитропруссиді және рутений сульфоксиді қосылыстарына негізделгендер. Рутений сульфоксид кешендерін Рак және оның әріптестері жасады. Әрекет ету тәсілі - сульфоксид лигандының S-тен O-ға немесе O-дан S-ке рутений полипиридин фрагментіне қозылған күйдегі изомеризациясы. Ru мен S немесе O арасындағы байланыстың айырмашылығы түстің күрт өзгеруіне және Ru ((III/II) редукциялық потенциалдың өзгеруіне әкеледі. Негізгі күйі әрқашан S-байланысты, ал метатұрақ күйі әрқашан O-байланысты болады. Әдетте 100 нм-ге жуық сіңіру максимумының өзгеруі байқалады. Бұл кластың метастабильді күйлері (O-байланысты изомерлері) көбінесе термиялық жағынан тиісті негізгі күйлеріне (S-байланысты изомерлеріне) қайта оралады, дегенмен бірқатар мысалдар екі түсті кері фотохромизмді көрсетеді. Бұл қосылыстардың ультра жылдам спектроскопиясы 1,5 наносекундтан 48 пикосекундқа дейінгі ерекше жылдам изомерлендіру өмірін көрсетті.