El oxígeno singlete es un nombre general para dos estados metaestables de oxígeno molecular (O 2 ) con una energía más alta que en el estado fundamental, triplete . La diferencia de energía entre la energía más baja de O 2 en el estado singulete y la energía más baja del estado triplete es de aproximadamente 11400 kelvin ( T e ( a 1 Δ g ← X 3 Σ g − ) = 7918,1 cm −1 ), o 0,98 eV . Inaugurado por H. Kautsky .
El oxígeno molecular se diferencia de la mayoría de las moléculas por tener un estado fundamental triplete, O 2 ( X 3 Σ g − ). La teoría de los orbitales moleculares predice tres estados singlete excitados de baja altitud O 2 ( a 1 ∆ g ), O 2 ( a′ 1 ∆′ g ) y O 2 ( b 1 ∑ g + la nomenclatura se explica en el artículo Molecular Términos Símbolos ). Estos estados electrónicos difieren solo en el espín y la ocupación de los orbitales antienlazantes π g degenerados . Los estados O 2 ( a 1 ∆ g ) y O 2 ( a′ 1 ∆′ g ) son degenerados . El estado O 2 ( b 1 Σ g + ) es de muy corta duración y rápidamente se relaja a un estado excitado inferior O 2 ( a 1 Δ g ). Por lo tanto, normalmente es el O 2 ( a 1 Δ g ) el que se denomina oxígeno singulete.
La diferencia de energía entre el estado fundamental y el oxígeno singulete es de 94,2 kJ/mol (0,98 eV por molécula) y corresponde a una transición en el rango del IR cercano (alrededor de 1270 nm). En una molécula aislada, la transición está prohibida según las reglas de selección : espín, simetría y paridad . Por lo tanto, la excitación directa del oxígeno en estado fundamental por la luz para la formación de oxígeno singlete es extremadamente improbable, aunque es posible. Como consecuencia, el oxígeno singlete en fase gaseosa tiene una vida extremadamente larga (la vida media del estado en condiciones normales es de 72 minutos). Las interacciones con solventes, sin embargo, reducen la vida útil a microsegundos o incluso nanosegundos.
La química del oxígeno singlete es diferente de la del oxígeno en estado fundamental. El oxígeno singlete puede participar en reacciones orgánicas complejas, como las reacciones de Diels-Alder y eno. Puede generarse en procesos de transferencia de energía por fotoexcitación a partir de moléculas coloreadas como el azul de metileno o las porfirinas , o en procesos químicos como la descomposición espontánea del trióxido de hidrógeno en agua o en la reacción del peróxido de hidrógeno con el hipoclorito . El oxígeno singlete es el principal componente activo de la terapia fotodinámica .
La determinación directa del oxígeno singlete es posible gracias a su fosforescencia muy débil a 1270 nm, que no es visible a simple vista. Sin embargo, a altas concentraciones de oxígeno singulete, la fluorescencia de los llamados dimols de oxígeno singulete (emisión simultánea de dos moléculas de oxígeno singulete en colisiones) se puede observar como un resplandor rojo a 634 nm.
Las moléculas de clorofila son capaces de formar efectivamente un estado excitado triplete de clorofila bajo la acción de la luz y así sensibilizar la formación de oxígeno singlete. Se cree que una de las funciones de los polienos, principalmente los carotenoides , en los sistemas fotosintéticos es prevenir el daño causado por la formación de oxígeno singulete, al disipar el exceso de energía luminosa que ingresa a los componentes fotosintéticos de las células, al desactivar las moléculas de clorofila excitadas en el triplete. estado, o por extinción directa de las moléculas de oxígeno singlete.
También se considera la teoría de que el oxígeno singlete se produce por la acción de la radiación ionizante .
En la biología de los mamíferos , el oxígeno singlete se considera una de las formas especiales de oxígeno activo. En particular, esta forma está asociada con la oxidación del colesterol y el desarrollo de cambios cardiovasculares. Los antioxidantes basados en polifenoles y varios otros pueden reducir la concentración de especies reactivas de oxígeno y prevenir tales efectos.
Las más intrigantes fueron las recientes conclusiones de investigadores europeos de que las moléculas de oxígeno singlete pueden ser los reguladores más importantes de la vida celular, determinando significativamente el mecanismo de iniciación de la apoptosis [Vargas F., 2007].