Conceitos Básicos
Fotoquímica é o estudo de reações químicas, processos e mecanismos iniciados pela luz. Este artigo explora os fundamentos da fotoquímica, suas aplicações e a importância que ela possui tanto na natureza quanto na tecnologia.
Noções básicas de fotoquímica
Quando uma molécula absorve luz, ela ganha energia. A luz, na forma de fótons, excita a molécula do estado eletrônico basic para um estado excitado. Eventualmente, este estado excitado irá relaxar de volta ao estado basic e dissipar energia. Muitas vezes, esse relaxamento é feito simplesmente pela emissão de um fóton com a mesma energia, mas às vezes ocorrem rearranjos químicos ou reações que dissipam parte ou toda essa energia. Essas reações são chamadas de reações fotoquímicas porque geralmente não podem ocorrer a partir do estado eletrônico basic, portanto os fótons são essenciais para conduzir as reações.
Uma das reações fotoquímicas mais comuns é chamada de fotodissociação. Numa reação de fotodissociação, parte da energia adquirida através da absorção de um fóton é dissipada pela quebra de uma ou mais ligações na molécula. A fotodissociação do ozônio, importante reação que ocorre em nossa atmosfera, é mostrada abaixo:
Esta reação ocorre quando a luz ultravioleta (UV) quebra uma das ligações do ozônio, criando assim um radical livre de oxigênio. Os radicais desempenham um papel nas reações de fotodissociação devido à sua alta reatividade e capacidade de impulsionar ainda mais as reações químicas.
Moléculas e Luz
Dependendo da estrutura eletrônica de uma molécula, diferentes comprimentos de onda de luz podem ser absorvidos. A luz visível pode ser absorvida por muitas moléculas orgânicas, especialmente aquelas com ligações duplas conjugadas. Muitas vezes, essas moléculas parecem coloridas ao olho humano devido aos comprimentos de onda da luz visível que absorvem e subsequentemente refletem. Um exemplo disso é uma molécula encontrada na cenoura, o betacaroteno, que absorve luz azul e violeta. Por causa dessas cores específicas absorvidas, a luz que vemos aparece como laranja.
A maioria das reações fotoquímicas é impulsionada pela luz UV. No entanto, a luz visível na fotoquímica é menos prejudicial e menos energética, oferecendo potencial para processos mais controlados e sustentáveis. Por causa disso, muitos pesquisadores estão visando reações fotoquímicas que usariam a luz visível como alternativa.
Reações Clássicas em Fotoquímica Orgânica
Existem algumas reações fotoquímicas que desempenham um papel essencial na síntese orgânica e que são utilizadas em escala industrial porque a luz é o único método viável de realizar certas transformações.
Reação Norrlandesa
Uma reação clássica é a reação de Norrish, que envolve compostos carbonílicos submetidos à clivagem fotoquímica de ligações adjacentes ao grupo carbonila na presença de luz UV. Em uma reação Norrish Tipo I, o composto carbonílico absorve um fóton de luz UV. Isto resulta numa clivagem homolítica da ligação localizada entre o carbono carbonílico e o carbono adjacente, produzindo duas espécies de radicais. As cetonas sofrem esse tipo de reação para formar radicais alquil e acil. Existem também Reações Norrish Tipo II, onde ocorre uma transferência intramolecular do átomo de hidrogênio do carbono gama para o oxigênio carbonílico excitado após a exposição à luz. Forma-se um birradical, que às vezes pode ser reorganizado. Este rearranjo pode levar à formação de alcenos ou aldeídos. Ambas são reações úteis na modificação de moléculas complexas. As aplicações incluem química de polímeros e produtos farmacêuticos.
Reação Tipo I
Reação Tipo II
(2+2) Reação de Cicloadição
A reação de cicloadição (2+2) é outro excelente exemplo de reação fotoquímica em química orgânica. Esta reação envolve dois alcenos reagindo sob luz UV para formar um anel ciclobutano. Essa luz excita a molécula, permitindo uma configuração eletrônica que permite a formação de novas ligações que não seriam possíveis em condições normais. Anéis tensos de quatro membros são componentes valiosos na síntese farmacêutica e na síntese de materiais, dando a esta reação um papel importante na química sintética. Um exemplo disso são as ligações duplas de duas moléculas de etileno que se combinam na presença de luz UV para formar um ciclobutano.
Reação Paternò-Büchi
Outra reação fotoquímica (2+2) de cicloadição entre um composto carbonílico e um alceno, chamada reação de Paternò-Büchi, resulta na formação de um oxetano. Um oxetano é um anel de quatro membros contendo oxigênio. Quando o carbono carbonílico absorve um fóton após ser excitado pela exposição à luz UV, ele reage com o alceno para formar as novas ligações.
Essas reações fotoquímicas orgânicas mostram como a luz permite a ocorrência de reações que não ocorrem em condições térmicas normais. Essas reações são altamente aplicáveis em indústrias como farmacêutica, polímeros e ciência de materiais.
Aplicações da Fotoquímica
Fotossíntese
Fotossíntese é provavelmente o exemplo mais comum de fotoquímica. Este processo envolve a conversão de energia luminosa em energia química. Muitas plantas e outras bactérias absorvem a luz photo voltaic e a convertem em energia armazenada na glicose, permitindo a sustentação da vida.
Fotomedicina
Drogas ativadas por luz são uma forma de atingir e destruir células cancerígenas. As terapias fotodinâmicas baseiam-se no conhecimento das reações fotoquímicas e permitem tratamentos mais direcionados e menos invasivos.
Química Ambiental
A química atmosférica depende fortemente de reações fotoquímicas para formar e decompor vários poluentes. Por exemplo, a poluição atmosférica nas cidades é um resultado direto de reações envolvendo óxidos de nitrogênio e outros compostos orgânicos induzidos pela luz photo voltaic.
Visão e Processos Biológicos
A visão humana é outro excelente exemplo de fotoquímica. Uma reação fotoquímica no pigmento rodopsina é desencadeada quando a luz photo voltaic entra no olho, permitindo que o cérebro interprete a luz como algo.
Desafios da Fotoquímica
Como as reações fotoquímicas ocorrem com a luz, controlá-las com precisão é difícil. Nos organismos vivos e nos ambientes industriais, o desafio é ainda maior. Há muita pesquisa a ser feita e, no futuro, o objetivo é que as reações fotoquímicas possam ser melhor compreendidas e avançadas para permitir a abordagem de questões ambientais e médicas.
Conclusão
A fotoquímica é um campo multidisciplinar que corresponde a muitos aspectos da ciência e da tecnologia. Ao aproveitar o poder da luz para impulsionar reações químicas, a fotoquímica apresenta-se como uma área poderosa da ciência que tem o potencial de moldar o futuro no que diz respeito à compreensão do mundo pure, bem como ao futuro da tecnologia.
