Química, Luz y Color - Los avances de la química
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Química, Luz y Color Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad CENQUIOR-CSIC, Madrid, 26 de noviembre de 2015 Pedro J. Campos El 20 de diciembre de 2013, la Organización de las Naciones Unidas (ONU), en su 68ª Asamblea Anual proclamó 2015 como el: Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz. http://www.light2015.org http://www.luz2015.es Hechos históricos 2015: • 1015. Ibn Al-Haytham (Alhazen), estudios de óptica • 1815, Fresnel, carácter ondulatorio de la luz • 1865, Maxwell, teoría electromagnética de propagación de luz • 1905, Einstein, efecto fotoeléctrico • 1915, Einstein, relatividad general, la luz en la cosmología Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 2 http://www.light2015.org Por qué importa la luz Fotónica Energía Impacto económico Conectando el mundo ….. Temas sobre la luz Láseres La luz y la vida La luz y la naturaleza Fuentes de luz Arte y cultura Y mucho más: Aplicaciones tecnológicas, luces cósmicas, luz para el desarrollo, historias….. ¿ Y la Química y la luz??? Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 3 Revista Angewandte Chemie: Número 39 de 2015, especial IYL, 21 de septiembre de 2015 Editorial del Prof. Thorsten Bach, Tech. Univ. Munich More Chemistry with Light! More Light in Chemistry! No encuentra conexión en IYL de la Química y la Luz ¿Por qué la Química es ignorada cuando se habla de la luz? Importancia de la conexión Luz-Química: Fotoquímica • Nuevas estructuras, moléculas, fármacos • Química con energía solar, fotosíntesis artificial • Interdisciplinariedad fotoquímica: Dispositivos moleculares accionados con luz Imágenes biológicas OLED’s Terapia fotodinámica Fotovoltaica…. Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 4 QUÍMICA Y LUZ Otras contribuciones: M.D.E. Forbes What We Talk About When We Talk About Light, ACS Cent. Sci. 2015, 1, 354. M. Francl The enlightenment of chemistry, Nature Chemistry 2015, 7, 761. J. Kemsley, Illuminating Chemistry, Chemical & Engineering News, october 12, 2015 Raymond Carver 1938-1988 Sello israelí de 2015. Visión e IYL Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 5 QUÍMICA Y LUZ: Fotoquímica FOTOQUÍMICA: descripción de los fenómenos físicos y químicos inducidos por la absorción de fotones en sistemas químicos (átomos, moléculas, cristales...) Importancia de procesos fotoquímicos Primeras biomoléculas: Atmósfera primitiva NH3, H2O + hν" CH4, Fotosíntesis: CO2 + H2O + hν → (CH2O)n + O2 Energía solar: Calor directo, MOST (Molecular Solar Thermal) Conversión en electricidad Conversión química Procesos industriales: caprolactama, vitamina D, fotocloración (disolventes, insecticidas, polímeros..) Un visionario, Giacomo Ciamician (1857-1922): “Energía solar… en áridas regiones se levantarán colonias industriales sin humo, ni chimeneas. Bosques de tubos de vidrio se levantarán en las llanuras y edificios de cristal crecerán….” (1912) QUÍMICA VERDE Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 6 Historia de la Fotoquímica Antigüedad: Tecnología solar • Alejandro Magno, “fotocromismo militar” • Fuente de calor: Arquímedes (S. III, a.C.), A. Libavius (S. XVI), espejos y lentes. • J. Priestley, A. Lavoisier (S. XVIII) Primeras reacciones fotoquímicas • C.W. Scheele, 1777, descomposición de AgCl por la luz con liberación de cloro y plata (Fotografía!) • J.W. Döbereiner, 1831, reducción de oxalato de FeIII con luz a FeII. Otras reducciones fotoquímicas de Ag, Pt, Ir • Fotoquímica orgánica, reacción de la santonina. Antihelmíntico natural sacado de plantas artemisia (1830). Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 7 Comienzos de la Fotoquímica Fotoquímica de la santonina • H. Trommsdorff, 1834, santonina se vuelve amarilla al sol y sus cristales se rompen. Propone que se forma “una modificación isomérica”. • W. Heldt (1847) lo confirma, “santoninas blanca y amarilla son idénticas en composición pero diferentes en su construcción molecular” 1839-1904 • Fausto A. Sestini (1866-82) y después S. Cannizzaro (1876-86) estudian las reacciones y proponen estructuras de los fotoproductos. • En 1965 se identifican todos los fotoproductos (J.D.M. Asher, G.A. Sim, J.Chem.Soc. 1965, 1584). Fotodimerización de antraceno • J. Fritzsche en 1867 observó que el antraceno en benceno daba un sólido insoluble (“parafoteno”) con la luz solar. Como formaba antraceno al fundir, concluyó que era un “polímero”. 1826-1910 • En 1891 se determina la masa molecular (dímero) y Linebarger (1892) propone la estructura que se confirma en 1966 por difracción de rayos X. Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 8 Comienzos de la Fotoquímica Otros primitivos fotoquímicos Escuela fotoquímica italiana: 1860-1914 • F. Sestini, Escuela Agraria, Pisa. Santonina. • S. Cannizzaro, 1826-1910, Univ. Palermo, Roma. Santonina. • G. Ciamician, Univ. Roma (1885) – Bolonia (1889-1921). Santonina, fotoreducciones. Escuela Fotoquímica de Bolonia. • P. Silber, Bolonia, colaborador de Ciamician. • E. Paterno, 1847-1935, Palermo y Roma, discípulo de Cannizzaro. Cicloadición [2+2]. Emanuele Paterno W.H. Perkin, 1838-1907 Isomerización cis-trans de alquenos Ciamician y Silber en Bolonia C.T. Liebermann, 1842-1914 Dimerización timoquinona. Primer proceso [2+2] Ciamician en la terraza de Bolonia 9 Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos Química, luz y color Isaac Newton (1642-1727) Robert Boyle (1627-1691) Los colores de la luz solar El espectro de la luz Newton, 1666 Teoría de los colores, Newton, Opticks, 1704 Experimental History of Colours, 1664 El color como herramienta química: Química Analítica (Boyle Summer School, Irlanda, 2016) Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 10 Química, luz y color Robert Bunsen 1811-1899 Espectroscopía - Emisión Espectroscopio de Bunsen y Kirchhoff (1860) - Absorción - Atómica - Molecular: IR, RMN, UV.. Luces atómicas Láseres Láser de rubí (1960) G. Claude, 1902 T. Maiman (1927-2007) Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 11 Química, luz y color Luminiscencia: emisión espontánea de radiación (luz visible..) después de que una sustancia haya absorbido energía Bioluminiscencia: emisión de luz de organismos vivos Quimioluminiscencia: emisión de luz por una reacción química • Lenta oxidación del fósforo blanco • Luminol y la detección de sangre • “Luz química” Electroluminiscencia: Emisión de luz en respuesta al paso de una corriente eléctrica o a un campo eléctrico intenso. Estos materiales suelen ser semiconductores. Descubierto en 1907 en SiC y es el fundamento de los modernos LED (Light Emitting Diode, Biard, Holonyak, 1962) La Química y los LEDs (ledes)? Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 12 Química, luz y color Ledes: requieren compuestos semiconductores Semiconductores metálicos: GaAlAs (rojo, 660 nm), GaP (verde, 555), GaN (azul, 470), InGaN (azul, alta intensidad, PNF 2014) Polímeros orgánicos semiconductores: OLED Ledes esenciales para la Química • Luces monocromáticas, frías y a bajo precio poli(p-fenileno vinileno). Otra herramienta fundamental para la Química (Fotoquímica) LÁSERES Tira de led RGB Luces monocromáticas de alta intensidad (Fotoquímica) Fuentes de radiación en técnicas espectroscópicas (MALDI, LIF, IR-Raman, etc.) Estudios mecanísticos (detección de intermedios, LFP, espectroscopia “Pump-probe”...) Separación isotópica: fotoionización, fotodisociación, etc 13 Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos Química, luz y color Color: Sensación producida por la luz que impresiona los órganos visuales y que depende de la longitud de onda (RAE). Estructura del ojo: Fo Fotón tó n Fotorreceptores 3 tipos de conos Varios tipos de proteínas opsinas • Eritropsina, sensible a ~ 650 nm (rojo) • Cloropsina, ~ 530 nm (verde) • Cianopsina, ~ 430 nm (azul) El cerebro interpreta los colores según los estímulos de los conos Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 14 Química, luz y color La Química utiliza la Naturaleza como modelo: Sistemas Biomiméticos Ejemplo: Retinal como modelo de interruptores y motores moleculares 15 Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos Química, luz y color La Química utiliza la Naturaleza como modelo: Sistemas Biomiméticos Ejemplo: Retinal como modelo de interruptores y motores moleculares Fo tó n Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 16 Química, luz y color La Química utiliza la Naturaleza como modelo: Sistemas Biomiméticos Ejemplo: Retinal como modelo de interruptores y motores moleculares Diseño computacional (D. Sampedro, Univ. Siena, La Rioja…) Síntesis de prototipos (Univ. La Rioja) Unión de interruptores a péptidos modelo (Univ. La Rioja, Univ. Toronto) Proto%po'experimental' Fo tó n J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6960−6963 17 Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos Química, luz y color Color: no solo depende del tipo de material, también de forma, tamaño de partícula.. Nanociencia-Nanotecnología Ejemplos de relación color-tamaño Suspensiones de CdSe/ZnS de diferente tamaño Copa Licurgo, S. IV, Roma. Luz reflejada, verde Luz trasmitida, roja Nanopartículas de Au Estudiada por Faraday, S. XIX Un camaleón?? Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 18 Química, luz y color Los colores del camaleón Camaleón común (Chamaeleo chamaeleon) Sur de España Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 19 Fotoquímica en el siglo XXI Volvemos a los retos de la Luz-Química (Fotoquímica) Nuevas reacciones con control de quiralidad Fotocatálisis enantioselectiva. Obtención de nuevas estructuras (fármacos..) Fotoquímica solar Química con energía solar Sistemas moleculares termo-solares (MOST) Fotosíntesis artificial Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos 20 Fotoquímica en el siglo XXI Retos de la Luz-Química (Fotoquímica) Imágenes biológicas Aplicaciones biológicas (Fotobiología) Nuevos compuestos para tecnología de la luz Terapia fotodinámica LEDes, OLEDes, Láseres Fotovoltaica Dispositivos moleculares fotocontrolados (Interruptores y motores) Fotofísica y Fotoquímica a tiempos muy cortos Fotoquímica Computacional Espectroscopias a escalas de femto y attosegundos Pump-probe Femtoquímica Y OTROS MUCHOS RETOS……. Química, luz y color- Los Avances de la Química - Pedro J. Campos Muchas gracias 21 Química, luz y color. Bibliografía • T. Bach, “More Chemistry with light! More Light in Chemistry”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11294. • T. Bach, et al. “Enantioselective Catalysis of Photochemical Reactions”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 55, 3872. • P. Edmons, “A todo color”, National Geographic España, septiembre 2015, 80. • M.D.E. Forbes, “What We Talk About When We Talk About Light”, ACS Cent. Sci. 2015, 1, 354. • M. Francl, “The enlightenment of chemistry”, Nature Chemistry 2015, 7, 761. • N. Hoffmann, “Photochemical Reactions as Key Steps in Organic Synthesis”, Chem. Rev. 2008, 108, 1052. • J. Kemsley, “Illuminating Chemistry”, Chemical & Engineering News, october 12, 2015. • G. Nebbia, G.B. Kauffman, “Prophet of Solar Energy: A Retrospective View of Giacomo Ciamician, the Founder of Green Chemistry” Chem. Educator 2007, 12, 362. • H. Roth, “The Beginnings of Organic Photochemistry”, Angew. Chem. Int. Ed. 1989, 28, 1193. • W. H. Brock, "Historia de la Química", Alianza Editorial, Madrid, 1998. • J. 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