Fotokimya – David Phillips
Fotokimya, ışığın moleküllerle etkileşiminin incelenmesidir. Dünyada çok büyük bir öneme sahiptir çünkü güneş ışığı bu gezegendeki yaşamın vericisidir. Tüm yiyecekler sonuçta güneş ışığının karbondioksit ve suyu tüm türlerin nihai gıdası olan karbonhidrata dönüştüren yeşil bitkiler üzerindeki etkisinden gelir. Görebildiğimiz gerçeği, gözde meydana gelen fotokimyasal reaksiyonlardan kaynaklanmaktadır.
Anlamamız gereken şey, ışığın moleküllerle nasıl etkileşime girdiğidir, bu yüzden moleküllerin yapısı hakkında düşünmemiz gerekir. Basit moleküller bile çiftler halinde hareket eden elektronların paylaşılması veya bağışlanmasıyla birleştirilir. Kuantum mekaniği bize, birbirinden farklı başka bir özelliğe sahip olmadıkça, uzayın aynı bölgesinde iki elektrona sahip olamayacağınızı söyler ve bu özellik elektron dönüşüdür. Elektron kendi ekseni etrafında döner ve böylece bir manyetik alan oluşturur. Birinin manyetik alanı diğerinin manyetik alanını iptal etmedikçe, uzayın aynı fiziksel bölgesinde iki elektrona sahip olamazsınız. Buna singlet (teklem) durumu diyoruz.
Doğru enerjinin ışığı ortaya çıktığında, bu elektronlardan birini bir uzay bölgesinden, dediğimiz yörüngeden, başka bir uzay bölgesine, farklı yörüngeye, şimdi Pauli dışlama ilkesi dediğimiz şeyin kısıtlamaları artık geçerli değil: iki elektronun karşıt dönüşlere sahip olması için hiçbir neden yoktur, böylece manyetik alanları iptal ederler. Bir yörüngeden diğerine bir elektron alma sürecinde, dönüşü değiştiren hiçbir şey yoktur, bu yüzden gerçekleşen ilk şey, heyecanlı elektronik durum olarak adlandırılan şeyi elde etmenizdir. Elektron, kurtulmak için ihtiyaç duyduğu çok fazla enerjiye sahiptir, ancak yine de daha önce olduğu gibi aynı düzenlemeye sahiptir, ancak şimdi, elektronlar farklı orbitallerde olduğundan, elektronlardan birinin dönüşünü değiştirebilirsiniz. Böylece şimdi her iki elektron da aynı dönüşlere sahip ve manyetik alanlar birbirini iptal etmek yerine birbirini güçlendiriyor. Bu yüzden molekül bir bütün olarak küçük bir mıknatıs gibi davranır ve biz buna çoğu molekülde üçlü durum diyoruz.
Üçlü zemin durumuna geri dönmesi için tekrar bir ters çevirme işlemine sahip olmanız gerekir ve bu doğal olarak olası değildir. Yani bir üçlü durum takılıyor, milisaniye ila daha kısa arasında oldukça uzun bir süre yaşıyor, ikaz edilmiş bir singlet durumunda elektron hemen geldiği yere geri atlayabilir. Yani singlet durumları gerçekten çok kısa ömürlüdür ve nanosaniye sırasının doğal ömrü ( 10-9 saniyelik ), ve yaşamdaki bu fark genellikle bir moleküle ikaz edildiğinde ne olduğunu belirler.
Peki, ikaz edilmiş bir singlet durumunun geleceği nelerdir? Başladığı duruma, zemin durumuna geri dönebilir ve emdiği ışığı geri verebilir. Ancak her zaman biraz enerji kaybeder, bu nedenle sözde floresan her zaman emilen ışıktan daha uzun dalga boylarındadır. Bu çok önemli olabilir. Moleküller için bu doğrudur; atomlarda frekansla aynı radyoyu elde edersiniz, emilimdeki emisyon dalga boyuyla aynı ışık dalga boyuna sahip olursunuz. Ancak moleküllerde enerji kaybedersiniz.
Molekül diğer moleküllerle etkileşime girebilir ve bir elektron bağışlayabilir veya sadece enerjisini bağışlayabilir, böylece elektron transfer süreçleri ve enerji transfer süreçleri vardır. Bunlar hem singlet durumundan hem de triplet durumunda ikaz edilebilir. Molekül parçalanabilir, bağlardan birini zayıflatmış olabilirsiniz ve böylece iki parça elde edersiniz; veya çarpıştığı diğer moleküllerle reaksiyona girebilir: birçok farklı şey mümkün olabilir. Fotokimya gerçekten bu süreçlerin oranlarının incelenmesi, bazı moleküllerde ne olduğu ve neden farklı davranışlar elde ettiğinizin rasyonelleştirilmesidir: Bazı moleküller son derece güçlü bir şekilde flüoresan yapar, bu da bazı boyalarda çok yararlıdır, örneğin mikroskopide floresan, probları olarak biyolojide çok yararlıdır, oysa diğer moleküller hiç flüoresan yapmaz, hiçbir şey yapmıyor gibi görünürler, sadece yer durumuna geri dönüp ısı üretirler. Üçlü durum, diğer moleküllerle çok kolay etkileşime girebilecek kadar uzun ömürlüdür.
‘’Yani fotokimya gerçekten de ışıkla uyarılmış moleküllerin kaderinin incelenmesidir.’’
1930’larda ampirik bir çalışmaydı, ancak kuantum teorisinin gelişimi gerçekten çeşitli süreçlerin oranları hakkında rasyonalizasyon yapmamıza izin verdi. Örneğin, bir elektronun bir molekülün temel durumundan, uyarılmış bir durum oluşturduğunuz başka bir yörüngeye transferi, kuantum mekaniği tarafından dikte edilen seçim kurallarına tabidir; hem uzamsal olarak hem de elektronun dönüşü nedeniyle bir geçişe tamamen izin verilirse, o zaman çok çok güçlü bir soğurma süreciniz olur. Açıkçası boya olarak bu türden bir şey kullanırsınız çünkü maksimum renk efektlerine sahip olmak istersiniz, eğer absorpsiyon spektrumun görünür kısmındaysa bir boyanız olur, bu nedenle gökkuşağının bazı renklerini alırsınız ve diğerlerini bırakmak Boyalar genellikle bu çok güçlü geçişlere sahiptir.
Bu absorpsiyon işlemi sırasında bir elektronun dönüşünü değiştirmek son derece zordur, bu nedenle bu absorpsiyonda 100.000 daha az yoğunluk faktörüne sahipsiniz. Bunu görmek çok zor; özel durumlar kullanırsanız yapabilirsiniz. Ve bir sürü başka küçük kısıtlama var: yani sahip olabileceğiniz maksimum değer, bazı boya maddelerinde çok güçlü bir soğurmadır, minimum değer, elektronun dönüşünü değiştirmeye çalıştığınız yer olabilir ve bu son derece zayıf olabilir.
Absorpsiyon üzerine ürettiğiniz uyarılmış singlet halinin kaderi gerçekten de bu kuantum mekaniği kurallarına bağlıdır. Geçiş kolaysa, yukarı çıkmak kolaysa, aşağı inmek de kolaydır ve böylece beklediğiniz moleküller son derece floresan, çok güçlü floresan olur ve biz bu özelliklerden faydalanabiliriz.
Molekülde, üçlü durumu oluşturmak için dönüş değişimini artıran bir şey varsa, elektronlardan biri dönüşünü tersine çevirir, o zaman uzun ömürlü bir durumla baş başa kalırsınız: temel duruma düşmeyecek ve vermeyecektir. Bazı durumlarda olabilir: buna fosforesans denir. Ancak genellikle takılır ve çevre ile etkileşime girer ve önemli etkileşimlerden biri, uyarılmış duruma bitişik basit moleküller ile olabilir. Yani bir enerji transfer süreci, örneğin, üçlü halden moleküler oksijene, ki bu alışılmadık bir şekilde kendisi bir üçlü halidir, en düşük enerji halinde olmasına rağmen, eşleşmemiş elektronlara sahip olduğu için bir üçlüdür ve bu da oksijenin tekli halini üretir. , enerjileri değiştirirsiniz, elektronlardan birini değiştirirsiniz, temel durum oksijeninden daha yüksek enerjiye sahip bir singlet durumu üretir ve bu, etrafındaki hemen hemen her şeyle reaksiyona giren ve hasara, bozulmaya neden olan olağanüstü derecede reaktif bir türdür. Örneğin polimerler, güneş ışığının etkisi altında bununla ilişkili bir mekanizma aracılığıyla kolayca bozunur.
Böyle bir işlemde ve aslında elektron transfer işlemlerinde üretilen singlet oksijeni çok çeşitli kimyasal şeyler yapmak için kullanabiliriz. Ama onlarla biyolojik şeyler de yapabiliriz. Aslında bitkiler, fotosentetik süreci yürütmek için kullanılan klorofili yok edecek singlet oksijen üretmeye karşı bir savunma mekanizmasına sahiptir. Oksijenle etkileşime girmeden önce uyarılmış üçlü durumu ortadan kaldıran bir üçlü durum temizleyicisine sahiptirler, böylece kendini korur. Ancak bu fenomeni insan dokusuna fiilen zarar vermek için kullanabiliriz ve bu bizi bunu etkileyen parametreler üzerine bir tartışmaya götürür. Biz bu sürece fotodinamik terapi diyoruz.
Çevirmen: Kübra Alataş
Kaynak: David Phillips, Photochemistry, https://serious-science.org/photochemistry-10410 , Erişim Tarihi: 29.07.2023