Введение

Восстановительная химическая трансформация путем поглощения электромагнитного излучения Фотохромизм - это обратимое изменение цвета при воздействии света. Это преобразование химического вида (фотосвичок) между двумя формами путем поглощения электромагнитного излучения (фотоизомеризация), где две формы имеют разные спектры поглощения.

Солнцезащитные очки

Одним из самых известных обратимых применений фотохромики является изменение цвета линз для солнцезащитных очков. Наибольшее ограничение в использовании фотохромной технологии заключается в том, что материалы не могут быть достаточно стабильными, чтобы выдержать тысячи часов воздействия на открытом воздухе, поэтому долгосрочные наружные применения не подходят в настоящее время. Скорость переключения фотохромных красителей очень чувствительна к жесткости окружающей среды вокруг красителя. В результате они переходят наиболее быстро в растворе и медленно в жесткой среде, такой как полимерная линза. В 2005 году было сообщено, что присоединение гибких полимеров с низкой температурой стеклообразования (например, силоксанов или полибутилового акрилата) к красителям позволяет им гораздо быстрее переключаться в жесткой линзе. Некоторые спироксазины с присоединенными полимерами силоксана переключаются почти на раствор, как скорости, даже если они находятся в жесткой линзовой матрице.

Супрамолекулярная химия

Фотохромные единицы широко используются в сверхмолекулярной химии. Их способность давать светоуправляемое обратимое изменение формы означает, что они могут использоваться для создания или разрушения мотивов молекулярного распознавания или для вызова соответствующего изменения формы в их окружении. Таким образом, фотохромные единицы были продемонстрированы как компоненты молекулярных переключателей. Соединение фотохромных единиц с ферментами или ферментными кофакторами даже обеспечивает возможность обратимо включать и выключать ферменты, изменяя их форму или ориентацию таким образом, что их функции либо "работают", либо "нарушаются".

Хранение данных

Возможность использования фотохромных соединений для хранения данных была впервые предложена в 1956 году Иегудой Хиршбергом. С тех пор было проведено много исследований различными академическими и коммерческими группами, особенно в области 3D-оптического хранения данных, которое обещает диски, которые могут содержать терабайт данных. Первоначально проблемы с тепловыми обратными реакциями и разрушительными показаниями преследовали эти исследования, но в последнее время были разработаны более стабильные системы.

Новинки

Обратимые фотохромики также используются в таких областях, как игрушки, косметика, одежда и промышленное применение. При необходимости их можно заставить менять цвета, сочетая с постоянным пигментом.

Хранение солнечной энергии

Исследователи из Центра эксплуатации солнечной энергии в Химическом факультете Копенгагенского университета изучают фотохромную систему дигидроазулена-винилхлоптопластика как способ сбора и хранения солнечной энергии.

История

Фотохромизм был открыт в конце 1880-х годов, в том числе в работе Марквальда, который изучал обратимое изменение цвета 2,3,4,4 тетрахлоронафталена 1 ((4H) в твердом состоянии. Он назвал это явление "фототропией", и это название использовалось до 1950-х годов, когда Игуда Хиршберг из Института науки Вейцмана в Израиле предложил термин "фотохромизм". Фотохромизм может происходить как в органических, так и в неорганических соединениях, а также имеет свое место в биологических системах (например, сетчатки в процессе зрения).

Обзор

Фотохромизм не имеет строгого определения, но обычно используется для описания соединений, которые подвергаются обратимой фотохимической реакции, когда поглощающая полоса в видимой части электромагнитного спектра резко меняет силу или длину волны. Во многих случаях поглотительная полоса присутствует только в одной форме. Степень изменения, необходимая для фотохимической реакции, называется "фотохромной", это то, что кажется драматическим для глаза, но по сути нет разделительной линии между фотохромными реакциями и другими фотохимическими процессами. Поэтому, в то время как трансцис изомеризация азобензола считается фотохромной реакцией, аналогичная реакция стильбена - нет. Поскольку фотохромизм является лишь особым случаем фотохимической реакции, практически любой тип фотохимической реакции может быть использован для получения фотохромизма с соответствующей молекулярной конструкцией. Некоторые из наиболее распространенных процессов, участвующих в фотохромизме, - это перициклические реакции, цис-транс-изомеризация, внутримолекулярный перенос водорода, внутримолекулярные групповые переносы, процессы диссоциации и перенос электронов (окислительное сокращение). Еще одно требование фотохромизма заключается в том, что два состояния молекулы должны быть термостабильными в условиях окружающей среды в течение разумного времени. Тем не менее, нитроспиропиран (который обратно изомеризируется в темноте более ~ 10 минут при комнатной температуре) считается фотохромным. Все фотохромные молекулы в определенной степени изомеризируются обратно в более стабильную форму, и эта обратная изомеризация ускоряется нагревом. Следовательно, существует тесная связь между фотохромными и термохромными соединениями. Временная шкала тепловой обратной изомеризации важна для применения и может быть молекулярно сконструирована. К фотохромным соединениям, считающимся "термостабильными", относятся некоторые диарилетины, которые не резолируются даже после нагрева при 80 °C в течение 3 месяцев. Поскольку фотохромные хромофоры являются красителями и работают в соответствии с хорошо известными реакциями, их молекулярная инженерия для тонкой настройки их свойств может быть достигнута относительно легко с использованием известных моделей проектирования, расчетов квантовой механики и экспериментов. В частности, настройка поглотительных полос на определенные части спектра и инженерия тепловой стабильности получили большое внимание. Иногда, и особенно в промышленности красителей, термин необратимый фотохромный используется для описания материалов, которые претерпевают постоянное изменение цвета при воздействии ультрафиолетового или видимого излучения света. Поскольку по определению фотохромики обратимы, технически не существует такого понятия, как "необратимый фотохромик" - это нестандартное использование, и эти соединения лучше называть "фотоизменяемыми" или "фотореактивными" красителями. Помимо уже упомянутых свойств, для их использования важно несколько других свойств фотохромики. К ним относятся квантовая отдача, устойчивость к усталости, фотостационарное состояние, полярность и растворимость. Квантовая отдача фотохимической реакции определяет эффективность фотохромного изменения относительно количества поглощаемого света. Квантовая отдача изомеризации может сильно зависеть от условий. В фотохромных материалах усталость относится к потере обратимости процессами, такими как фоторазложение, фотообеливание, фотоокисление и другие побочные реакции. Все фотохромики страдают от усталости в некоторой степени, и ее скорость сильно зависит от активирующего света и условий образца. Фотохромные материалы имеют два состояния, и их взаимное преобразование может контролироваться с использованием различных длин волн света. Возбуждение с любой длиной волны света приведет к смеси двух состояний в определенном соотношении, называемом фотостационарным состоянием. В идеальной системе, существуют длины волн, которые могут быть использованы для обеспечения 1:0 и 0:1 соотношения изомеров, но в реальных системах это невозможно, так как активные поглощающие полосы всегда перекрываются в некоторой степени. Для того, чтобы включить фотохромику в рабочие системы, они страдают от тех же проблем, что и другие красители. Они часто заряжены в одном или нескольких состояниях, что приводит к очень высокой п...

Тенебресценция

Тенебресценция, также известная как обратимый фотохромизм, - это способность минералов менять цвет при воздействии света. Эффект может повторяться бесконечно, но разрушается нагревом. К минералам, содержащим тенбер, относятся хакманит, сподумен и тугтупит.

Фотохромные комплексы

Фотохромный комплекс - это химическое соединение, которое имеет фотореактивные части на своем лиганде. Эти комплексы имеют специфическую структуру: фотосменяемые органические соединения присоединены к металлокомплексам. Для фотоконтролируемых частей термически и фотохимически стабильные хромофоры (азобензол, диарилетен, спиропиран и т.д.) обычно используются. А для металлокомплексов, широкий спектр соединений, которые имеют различные функции (редокс-отклик, люминесценция, магнетизм и т.д.) применяются. Фотохромные части и металлические части настолько близки, что могут влиять на молекулярные орбитали друг друга. Физические свойства этих соединений, показанные их частями (т.е. хромофорами или металлами), могут контролироваться путем переключения их других мест с помощью внешних стимулов. Например, поведение фотоизомеризации некоторых комплексов может быть изменено путем окисления и уменьшения их металлических частей. Некоторые другие соединения могут быть изменены в их луминесцентном поведении, магнитном взаимодействии металлических участков или стабильности металла к координации лигандов путем фотоизомеризации их фотохромных частей.

Классы фотохромных материалов

Фотохромные молекулы могут принадлежать к различным классам: триарилметан, стильбен, азастилбен, нитроны, фулгиды, спиропираны, нафтапираны, спирооксазины, хиноны и другие.

Спиропираны и спируксазины

Одним из старейших и, возможно, наиболее изученных семейств фотохромов являются спиропиры. Очень тесно связаны с ними спируксазины. Например, спиро-форма оксазина является бесцветным лейко-красителем; конъюгированная система оксазина и другая ароматическая часть молекулы отделена sp3-гибридизированным "спиро" углеродом. После облучения ультрафиолетовым светом связь между спироуглеродом и оксазином ломается, кольцо открывается, спироуглерод достигает гибридизации sp2 и становится плоским, ароматическая группа вращается, выравнивает свои π-орбитали с остальной частью молекулы, и образуется конъюгированная система с способностью поглощать фотоны видимого света, и поэтому выглядит цветным. Когда удалён источник УФ, молекулы постепенно возвращаются к своему основному состоянию, углеродная кислородная связь реформируется, спироуглерод снова становится sp3 гибридизированным, и молекула возвращается в свое бесцветное состояние. Этот класс фотохромов, в частности, термодинамически нестабилен в одной форме и возвращается к стабильной форме в темноте, если не охлаждается до низких температур. На их продолжительность жизни также может повлиять воздействие ультрафиолетового света. Как и большинство органических красителей, они подвержены деградации кислородом и свободными радикалами. Присоединение красителей к полимерной матрице, добавление стабилизатора или создание барьера для кислорода и химических веществ другими способами продлевает их срок службы.

Диарилетины

"Диарилеты" были впервые введены Ири и с тех пор получили широкий интерес, в основном из-за их высокой термодинамической стабильности. Они работают с помощью электроциклической реакции 6 пи, тепловой аналог которой невозможен из-за стерического препятствия. Чистые фотохромные красители обычно имеют вид кристаллического порошка, и для достижения изменения цвета их обычно нужно растворить в растворителе или рассеять в подходящей матрице. Однако некоторые диарилетины при изомеризации так мало меняют форму, что могут преобразовываться, оставаясь в кристаллической форме.

Азобензоны

Фотохромная трансцисная изомеризация азобензонов широко используется в молекулярных переключателях, часто используя преимущества изменения формы при изомеризации для получения супрамолекулярного результата. В частности, азобензоны, включенные в короновые эфиры, дают переключаемые рецепторы, а азобензоны в монослоях могут обеспечивать светоконтролируемые изменения свойств поверхности.

Фотохромные хиноны

Некоторые хиноны, и особенно феноксинафтаценхинон, обладают фотохромичностью, обусловленной способностью фенильной группы мигрировать из одного атома кислорода в другой. Были получены хиноны с хорошей термической стабильностью, а также они обладают дополнительной особенностью окислительно-восстановительной активности, что приводит к построению многих молекулярных переключателей состояния, которые работают с помощью смеси фотонических и электронных стимулов.

Неорганические фотохромики

Многие неорганические вещества также обладают фотохромными свойствами, часто имея гораздо лучшую устойчивость к усталости, чем органические фотохромики. В частности, хлорид серебра широко используется в производстве фотохромных линз. Другие галоиды серебра и цинка также фотохромичны. Оксигидрид иттрия - еще один неорганический материал с фотохромическими свойствами.

Фотохромные координационные соединения

Фотохромные координационные комплексы относительно редки по сравнению с органическими соединениями, перечисленными выше. Существует два основных класса фотохромных координационных соединений. На основе нитропруссида натрия и соединений сульфоксида рутения. Комплексы сульфоксида рутения были созданы и разработаны Раком и его коллегами. Способ действия - изомеризация в возбужденном состоянии сульфоксидного лиганда на фрагменте рутения полипиридина от S к O или O к S. Разница в связях между Ru и S или O приводит к резкой смене цвета и изменению потенциала редукции Ru (III/II). Основное состояние всегда связано S, а метастабильное состояние всегда связано O. Как правило, наблюдаются изменения максимума поглощения почти 100 нм. Метастабильные состояния (о-связанные изомеры) этого класса часто термообразуются в их соответствующие основополагающие состояния (S-связанные изомеры), хотя ряд примеров демонстрирует двуцветный обратимый фотохромизм. Ультрабыстрая спектроскопия этих соединений выявила исключительно быстрые сроки изомеризации от 1,5 наносекунд до 48 пикосекунд.