Fotochromizmus

Pojem fotochromizmus (niekedy spomínaný aj ako fototropizmus) bol prvýkrát uvedený v roku 1867 a to v „The Photochemistry of the Future“, kde sa Giacomo Ciamician zmienil o dôležitosti fotochromických substancií. Termín fotochromizmus sa používa na charakterizovanie molekúl, ktoré môžu byť reverzibilne prepínané medzi dvomi stavmi, za podmienky, že najmenej jedna z reakcií sprevádzajúca túto zmenu, je indukovaná svetelným impulzom. Takto dôjde k svetlom podmienenej premene medzi dvoma formami s rôznymi absorpčnými spektrami. Tieto dve formy sa samozrejme nelíšia iba absorpčnými spektrami, ale taktiež vo viacerých vlastnostiach, ako napr. v redoxnom potenciáli, dielektrickej konštante atď. Fotochromizmus nie je len syntetický, chemický fenomén, ale taktiež prírodný fenomén, týkajúci sa väčšiny biologických fotoreceptorov, ako je napr. rodopsín v oku človeka.

Fotochromický systém

Vo fotochromickom systéme sú interkonvertované dva izoméry. Reakcia prebieha ako preusporiadanie elektrónov alebo preusporiadanie nukleárnej štruktúry molekuly, pričom môže, ale nemusí dôjsť k reverzibilnému prerušeniu väzieb. Svetelná excitácia spôsobuje prepnutie zo stabilného izoméru A do menej stabilného izoméru B s vyššou energetickou hladinou. Po prekonaní väčšej či menšej energetickej bariéry je preto očakávaný prechod izoméru B späť do stavu A. Z tohto dôvodu sú fotochemické systémy pod kinetickou kontrolou. Po fotochemickej konverzii, ktorá môže byť použitím lasera vykonaná v priebehu niekoľkých femtosekúnd, sa očakáva spontánna spätná reakcia. Táto môže byť rýchla ako aj pomalá. Jej rýchlosť závisí od systému. Niekedy môže byť fotoprodukt kineticky stabilný a spätná reakcia nastane len za použitia sekundárneho svetelného stimulu.

Únava materiálu

Pri fotochromických reakciách dochádza k spätným reakciám, kedy sa fotogenerovaný produkt vráti do pôvodného stavu. Ak dôjde k vedľajšej reakcii, pri ktorej vzniká iná molekula ako je izomér A alebo izomér B, dochádza k postupnému rozloženiu pôvodnej molekuly, čo má za následok znemožnenie použitia takýchto zlúčenín v praktických aplikáciách.

Reakčný čas

Čo sa týka reakčného času priebehu fotochromických reakcií, je veľmi krátky. Konkrétne napr. pre diaryletény, fotochemická elektrocyklická reakcia medzi dvomi stavmi s otvoreným a uzatvoreným kruhom nastáva v priebehu niekoľkých pikosekúnd.

Delenie fotochromických systémov

Fotochromické systémy sa podľa termálnej stability fotogenerovaných izomérov delia na dve triedy, a to:

• T-typ - termálne reverzibilné systémy, ktoré sa pod vplyvom tepla reverzibilne vracajú do ich pôvodnej formy,
• P-typ - fotogenerované izoméry, ktoré sú tepelne stabilné a fotochemicky reverzibilné.

Triedy fotochromických materiálov

Najviac používané triedy zlúčenín ako fotochromické zlúčeniny sú:

• diaryletény
• fulgidy
• spiropyrány
• azobenzény
• dihydroazulény

Avšak len dva typy patria do skupiny P-typu, a to diaryletény a furylfulgidové deriváty. Veľká pozornosť sa venuje práve výskumu týchto skupín s potenciálnym použitím čistých alebo biologicky modifikovaných molekúl ako súčastí optických pamätí.

Aplikácie fotochromizmu

Skúmanie fotochromizmu viedlo k objaveniu jeho nesmierneho komerčného významu. Navrhovanie a syntéza fotochromických molekúl sa aktuálne intenzívne skúmajú, práve pre ich potenciálne aplikácie v:

• informačných pamätiach
• zobrazovacích zariadeniach
• očných šošovkách
• ochranných šošovkách a filtroch

Fotoprepínateľná aktivácia enzýmov poskytuje spôsob ako spúšťať biokatalytickú transformáciu prostredníctvom aktivácie a deaktivácie enzýmu.

Koncept fotoprepínateľných biomateriálov sa môže vzťahovať na rôzne, v živom organizme prebiehajúce funkcie, a to na úrovni:

• kofaktorov
• inhibítorov
• enzýmov
• receptorov
• hormónov
• komplexov antigén-protilátka
• DNA atď.

To otvára široké spektrum aplikácií v rôznych vedeckých disciplínach.

Fotoprepínateľné enzýmy môžu zohrávať dôležitú úlohu v terapeutických biomateriáloch. Enzýmy a proteíny majú široké terapeutické využitie, ale často sa stáva, že práve ich pôsobenie na nesprávnom mieste, môže byť škodlivé, zhubné, ba až fatálne. Napríklad trombín je jeden z dôležitých faktorov zrážanlivosti krvi. Krv bez aktívneho enzýmu nemá schopnosť zrážanlivosti. Ak by sa na tejto vlastnosti aktivácie a deaktivácie zrážanlivosti podieľala svetlom stimulovaná aktivácia, bol by to veľký pokrok v používaní fotoprepínateľných enzýmov v chémii v oblasti medicíny. Nesmierny význam pre aplikáciu fotoprepínateľných materiálov má aj využitie fotoizomerizovateľných antigénov ako aktívnych komponentov v imunosenzoroch. Fotoprepinateľná interakcia medzi fotoprepínateľným antigénom a protilátkou môže byť použitá na modelovanie povrchov biomateriálom. Fotoprepínateľné interakcie medzi fotoizomerizovateľnými substrátmi a ich receptormi, fotoizomerizovateľnými antigénmi a ich protilátkami alebo fotoizomerizovateľnými inhibítormi a proteínmi, vedú k navrhovaniu nových chromatografických separačných metód. Komplementárna schopnosť interakcie medzi komplexom enzým–substrát, antigén–protilátka, hormón–receptor a ďalšie páry so schopnosťou rozpoznania umožňujú separáciu biomateriálov.

Odkazy

Chemický portál