Química, Luz y Color Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad

Pedro J. Campos

CENQUIOR-CSIC, Madrid, 26 de noviembre de 2015

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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.luz2015.es http://www.light2015.org

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

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Fotónica Energía Impacto económico Conectando el mundo …..

Por qué importa la luz

Temas sobre la luz

Láseres La luz y la vida La luz y la naturaleza Fuentes de luz Arte y cultura

http://www.light2015.org

Y mucho más:

Aplicaciones tecnológicas, luces cósmicas, luz para el desarrollo, historias…..

¿ Y la Química y la luz???

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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….

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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

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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 CH4, NH3, H2O + hν"

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

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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. Anti-helmíntico natural sacado de plantas artemisia (1830).

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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”

•  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”.

•  En 1891 se determina la masa molecular (dímero) y Linebarger (1892) propone la estructura que se confirma en 1966 por difracción de rayos X.

1839-1904

1826-1910

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Comienzos de la Fotoquímica Otros primitivos fotoquímicos

C.T. Liebermann, 1842-1914 Dimerización timoquinona.

Primer proceso [2+2]

W.H. Perkin, 1838-1907 Isomerización cis-trans

de alquenos

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].

Ciamician y Silber en Bolonia Ciamician en la terraza de Bolonia Emanuele Paterno

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Química, luz y color

Isaac Newton (1642-1727)

Los colores de la luz solar El espectro de la luz

Newton, 1666

Robert Boyle (1627-1691)

Experimental History of Colours, 1664 El color como herramienta química:

Química Analítica (Boyle Summer School, Irlanda, 2016)

Teoría de los colores, Newton, Opticks, 1704

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Química, luz y color

Robert Bunsen 1811-1899

Espectroscopio de Bunsen y Kirchhoff (1860)

Espectroscopía -  Emisión -  Absorción -  Atómica -  Molecular: IR, RMN, UV.. Luces atómicas

G. Claude, 1902

Láseres

Láser de rubí (1960) T. Maiman (1927-2007)

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Química, luz y color Luminiscencia: emisión espontánea de radiación (luz visible..) después de que una sustancia haya absorbido energía

Quimioluminiscencia: emisión de luz por una reacción química

•  Lenta oxidación del fósforo blanco •  Luminol y la detección de sangre

•  “Luz química”

Bioluminiscencia: emisión de luz de organismos vivos

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)?

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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

Tira de led RGB

poli(p-fenileno vinileno).

Ledes esenciales para la Química •  Luces monocromáticas, frías y a bajo precio

Otra herramienta fundamental para la Química (Fotoquímica)

LÁSERES  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

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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:

Fotorreceptores 3 tipos de conos Varios tipos de proteínas opsinas •  Eritropsina, sensible a ~ 650 nm (rojo) •  Cloropsina, ~ 530 nm (verde) •  Cianopsina, ~ 430 nm (azul)

Fotón

Fotón

El cerebro interpreta los colores según los estímulos de los conos

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Química, luz y color La Química utiliza la Naturaleza como modelo: Sistemas Biomiméticos

Ejemplo: Retinal como modelo de interruptores y motores moleculares

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Química, luz y color La Química utiliza la Naturaleza como modelo: Sistemas Biomiméticos

Fotón

Ejemplo: Retinal como modelo de interruptores y motores moleculares

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Química, luz y color La Química utiliza la Naturaleza como modelo: Sistemas Biomiméticos

Fotón

Ejemplo: Retinal como modelo de interruptores y motores moleculares

Diseño computacional (D. Sampedro, Univ. Siena, La Rioja…)

Proto%po'experimental'

Síntesis de prototipos (Univ. La Rioja)

Unión de interruptores a péptidos modelo (Univ. La Rioja, Univ. Toronto)

J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6960−6963

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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??

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Química, luz y color Los colores del camaleón

Camaleón común (Chamaeleo chamaeleon)

Sur de España

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Fotoquímica en el siglo XXI Volvemos a los retos de la Luz-Química (Fotoquímica)

Nuevas reacciones con control de quiralidad

Fotocatálisis enantioselectiva.

Química con energía solar Fotoquímica solar

Sistemas moleculares termo-solares (MOST)

Obtención de nuevas estructuras (fármacos..)

Fotosíntesis artificial

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Fotoquímica en el siglo XXI Retos de la Luz-Química (Fotoquímica)

Imágenes biológicas

Aplicaciones biológicas (Fotobiología) Terapia fotodinámica

Nuevos compuestos para tecnología de la luz

LEDes, OLEDes, Láseres

Fotovoltaica

Dispositivos moleculares fotocontrolados (Interruptores y motores)

Fotofísica y Fotoquímica a tiempos muy cortos Espectroscopias a escalas de

femto y attosegundos Pump-probe

Femtoquímica

Y OTROS MUCHOS RETOS…….

Fotoquímica Computacional

Muchas gracias

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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. Hudson, "The History of Chemistry", Chapman & Hall, New York, 1994 •  N. Turro, V. Ramamurthy, J.C. Scaiano, “Principles of Molecular Photochemistry”, Univ. Sci.

Books, Sausalito, CA, 2009. •  P. Suppan, “Chemistry and Light”, RSC, Cambridge, UK, 1994.