Photochemie: Konzepte, Methoden, Experimente
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Weinheim [u.a.]
Wiley-VCH
1998
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Definition, historischer Abriß und Bedeutung der
Photochemie 1
2 Die konzeptionellen und theoretischen Grundlagen
der Photochemie (W.-D. Stohrer) 5
2.1 Die Natur der elektromagnetischen Strahlung 5
2.2 Die photochemische Reaktion, eine Wanderung auf und
zwischen Potentialflächen 7
2.2.1 Die Born-Oppenheimer-Approximation: Elektronen- und
Schwingungszustände 8
2.2.1.1 Elektronenzustände 10
2.2.1.2 Schwingungszustände 11
2.2.1.3 Die Bedeutung der Born-Oppenheimer-Approximation 12
2.2.2 Die Energie,Jandschaft“ 13
2.3 Orbitale, Konfigurationen und Zustände 16
2.3.1 Die Konfigurationswechselwirkung 23
2.3.1.1 VB-Methode versus MO-Modell 23
2.3.1.2 Die Konsequenzen der Konfigurationswechselwirkung 26
2.3.2 Der elektronisch angeregte Zustand - eine eigenständige
Verbindung 35
2.4 Die Lichtabsorption und -émission 40
2.4.1 Definitionen und Phänomenologisches 40
2.4.2 Das Franck-Condon-Prinzip 42
2.4.3 Der elektrische Dipol stationärer und nichtstationärer
Elektronenzustände 46
2.4.4 Auswahlregeln und Auswahlverbote 49
2.4.4.1 Das Übergangsmoment: Ein Produkt aus drei Faktoren 49
2.4.5 Das „Verbot“ beim Wechsel zwischen Potentialflächen 52
2.4.5.1 Der Orbitalfaktor oder Symmetriefaktor 53
VH! Inhaltsverzeichnis
2.4.5.2 Der Franck-Condon-Faktor 55
2.4.5.3 Der Spinfaktor 56
2.5 Der strahlungslose Wechsel zwischen Potentialflächen 59
2.5.1 Stark gekoppelte Potentialflächen 59
2.5.2 Schwach gekoppelte Potentialflächen 62
2.6 Die Desaktivierung eines durch Lichtabsorption gebildeten
elektronisch angeregten Zustandes 63
2.6.1 Das Jablonski-Diagramm 63
2.6.2 Die Energieübertragung 68
2.6.3 Die Elektronenübertragung 71
2.6.4 Die Exciplexbildung 72
2.7 Der mögliche Ablauf photochemischer Reaktionen 76
3 Photoreaktionen organischer Verbindungen
(M. Tausch) 83
3.1 Tabellarische Übersicht 83
3.2 Photolysen organischer Moleküle 87
3.2.1 Norrish-Typ-I-Reaktion 88
3.2.2 Norrish-Typ-II-Reaktion 89
3.2.3 Stickstoff-Abspaltung 90
3.2.4 Heterolysen in Säuren und Basen (Förster-Zyklus) 92
3.3 Photoadditionen 93
3.3.1 [2+2]-Cycloadditionen 93
3.3.2 [2+2+2]-Cycloadditionen 98
3.3.3 [4+2]-Cycloadditionen 98
3.3.4 Die Patemo-Büchi-Reaktion 99
3.4 Photoisomerisierungen 102
3.4.1 Di-rt-Methanumlag erung 102
3.4.2 Photo-Fries-Umlagerung 104
3.4.3 Die Barton-Reaktion 105
3.4.4 Photoenolisierung 105
3.4.5 Sigmatrope Reaktionen 106
3.4.6 Elektrocyclische Reaktionen 107
3.5 Photoreduktionen, Photooxidationen 108
3.5.1 Photoreduktionen 108
3.5.2 Photooxidationen 110
3.6 Literatur zu Kapitel 3 111
Inhaltsverzeichnis
IX
4 Photochemie im sichtbaren Bereich, solare Photo-
chemie und verwandte Prozesse (D. Wöhrle) 113
4.1 Der sichtbare Bereich im elektromagnetischen Spektrum
und Farbe 114
4.1.1 Entstehen von Farbigkeit 114
4.1.2 Lichtabsorption durch Moleküle und Festkörper 116
4.1.2.1 Farbige organische Verbindungen 116
4.1.2.2 Lichtabsorption durch Metallkomplexe 119
4.1.2.3 Weitere Möglichkeiten für Farbigkeit 123
4.2 Künstliche Lichtquellen und solare Einstrahlung 124
4.2.1 Arbeiten mit künstlichen Lichtquellen 124
4.2.2 Solare Einstrahlung 124
4.3 Photosynthese 129
4.3.1 Bedeutung der Photosynthese und Gesamtreaktion 130
4.3.2 Die Reaktionen der Photosynthese im Überblick 131
4.3.3 Einige wesentliche Schritte im photosynthetischen
Reaktionszentrum 134
4.4 Lösungsprozesse 138
4.4.1 Photooxidationen durch Sauerstoff (Photooxigenierung) 139
4.4.1.1 Elektronenkonfiguration von Sauerstoff 141
4.4.1.2 Photosensibilisierte Darstellung von Singulett-Sauerstoff
in Lösung 142
4.4.1.3 Reaktionen von Singulett-Sauerstoff 146
4.4.1.4 Superoxid-Anion 152
4.4.2 Weitere unter solarer Einstrahlung durchgeführte Reaktionen
über photoinduzierten Energietransfer 153
4.4.3 Photoinduzierter Elektronentransfer im sichtbaren Bereich 155
4.4.4 Photochemie von Metallkomplexen 160
4.4.5 Modellsysteme zur Photosynthese 165
4.5 Photochromie 167
4.5.1 (E)/f20-Isomerisierung 168
4.5.2 Tautomerisierung 169
4.5.3 Homolytische und heterolytische Bindungsspaltungen 170
4.5.4 Pericyclische Reaktionen 170
4.5.5 Elektronentransfer/Redox-Photochromie 173
4.5.6 Mögliche Anwendungen 174
4.6 Literatur zu Kapitel 4 175
X
Inhaltsverzeichnis
5 Photochemie und Photophysik in selbstorganisie-
renden Systemen, hochmolekularen Verbindun-
gen und Festkörpern (D. Wöhrle) 179
5.1 Photochemie in selbstorganisierenden Systemen 179
5.1.1 Wirt/Gast-Systeme 180
5.1.2 Micellen und Liposomen 183
5.1.3 Geordnete Mono-und Multifilme 185
5.1.4 Photoreaktionen in Kristallen 189
5.2 Photochemie in organischen und anorganischen hochmole
kularen Verbindungen 192
5.2.1 Organische Polymere 192
5.2.2 Nicht geordnete hochmolekulare Systeme 196
5.2.2.1 Silikagel 196
5.2.2.2 Schichtminerale 199
5.2.2.3 Molekularsiebe 201
5.3 Photochemische Polymerisation und Photopolymerisation 203
5.3.1 Photochemische Polymerisationen 203
5.3.1.1 Photochemische Initiierung radikalischer Polymerisationen 203
5.3.1.2 Photochemische Initiierung kationischer Polymerisationen 204
5.3.2 Photopolymerisation 205
5.4 Anorganische und organische Halbleiter 206
5.4.1 Anorganische Halbleiter 207
5.4.1.1 Bändermodell anorganischer Halbleiter 207
5.4.1.2 Photo voltazellen anorganischer Halbleiter 212
5.4.1.3 Photoelektrochemische Zellen anorganischer Halbleiter 216
5.4.1.4 Photosensibilisierungszellen 218
5.4.2 Organische Halbleiter 220
5.4.3 Heterogene Photokatalyse an anorganischen Halbleiterteilchen 223
5.4.3.1 S olare Abwasserentgiftung über hetero gene Photokatalyse 224
5.4.3.2 Synthesen über heterogene Photokatalyse 226
5.5 Literatur zu Kapitel 5 228
6 Chemolumineszenz (H. Brandl) 231
6.1 Einleitung und Begriffsbestimmung 231
6.1.1 Klassifikation von Lumineszenzprozessen 231
6.1.2 Vergleich Chemolumineszenz - photochemische Reaktionen 232
XI
233
234
234
235
235
238
242
244
249
251
253
255
256
258
260
262
266
271
271
271
274
274
275
277
278
278
279
280
281
283
Inhaltsverzeichnis
Voraussetzungen für effiziente Chemolumineszenz
Quantenausbeute und Intensität von CL-Prozessen
Chemisch-elektronische Anregungsprozesse (chemitronische
Konversion)
Chemolumineszenz-Systeme
Chemolumineszenz bei der Autoxidation von
weißem Phosphor
Das Luminol und seine Derivate als CL-Systeme
Lucigenin und Acridin-Derivate als CL-System
CL des Peroxyoxalat-Systems
Die Singulett-Sauerstoff-Chemolumineszenz
Chemolumineszenz bei der Trautz-Schorigin (TS)-Reaktion
Die Chemolumineszenz von Tetrakis(dimethyl-
amino)ethylen TD AE
Die Siloxen-Chemolumineszenz
Siloxenderivate und ihre Eigenschaften
Chemolumineszenz von Rutheniumkomplexverbindungen
Ozoninduzierte Chemolumineszenz
1,2-Dioxethane als Chemolumineszenz-System
Literatur zu Kapitel 6
Photochemie in Technik, Biologie und Medizin
Photochemie in der Technik und möglicher Anwendung
(D. Wöhrle)
Photochemische Prozesse in der industriellen chemischen
Synthese
Optische Informationsspeicherung
Photographische Prozesse
Farbphotographie
Photolithographie, Photoresists
Photochemie und synthetische Polymere
Photochemische Polymerisation
Photoabbau und Lichtschutz von Polymeren
Solarenergienutzung
Wasserstoff als Energieträger
Das Speichersystem Norbomadien-Quadricyclan,
weitere Beispiele
XII Inhaltsverzeichnis
7.1.6 Laserchemie 284
7.1.7 Molekulare Funktionseinheiten 286
7.2 Der Photoreaktor Atmosphäre (M. Tausch) 288
7.3 Photochemie und Biologie (M. Tausch, D. Wöhrle) 296
7.3.1 Photochemische Prozesse zur Steuerung von
Lebensfunktionen 296
7.3.1.1 Mögliche Rolle der Photochemie in der Entwicklung des
Lebens, Photosynthese 296
7.3.1.2 Die Erregungskaskade beim Sehprozeß 297
7.3.1.3 Bakteriorhodopsin 301
7.4 Photochemie/Photophysik und Medizin (D. Wöhrle) 302
7.4.1 Fluoreszenzdiagnostik 302
7.4.2 Photodynamische Krebstherapie 303
7.4.3 Weitere photochemische Methoden 307
7.5 Photochemie, alkoholische Getränke und ausgiebiges
Sonnenbaden (D. Wöhrle) 308
7.6 Literatur zu Kapitel 7 310
8 Arbeitsmethoden und Versuche 313
8.1 Arbeitsmethoden zur Durchführung
photochemischer Experimente (D. Wöhrle) 313
8.1.1 Allgemeine Anforderungen an photochemische Experimente 313
8.1.1.1 Vorsichtsmaßnahmen bei Durchführung photochemischer
Experimente 314
8.1.1.2 Gerätematerialien, Lösungsmittel, Verunreinigungen,
Sauerstoff 315
8.1.1.3 Photochemisch aktive Verbindung 316
8.1.1.4 Strahlung 318
8.1.2 Strahlungsquellen 319
8.1.2.1 Gasentladungsstrahler 322
8.1.2.2 Glühlampe 324
8.1.2.3 Quarz-Wolfram-Halogenlampen 324
8.1.2.4 Laser 325
8.1.3 Filter und Monochromatoren 325
8.1.3.1 Graufilter 326
8.1.3.2 Selektion von Wellenlängenbereichen 326
8.1.3.3 Enge Wellenlängenbereiche, monochromatische Strahlung 327
Inhaltsverzeichnis Xm
8.1.4 Strahlungsdetektoren (Aktinometer) 328
8.1.4.1 Physikalische Aktinometer 328
8.1.4.2 Chemische Aktinometer 329
8.1.5 Photochemische Apparaturen 331
8.1.5.1 Außenbelichtung 332
8.1.5.2 Innenbelichtung 333
8.1.6 Übungen 334
8.2 Instrumenten analytische Methoden (D. Wöhrle) 337
8.2.1 Optische Spektroskopie 337
8.2.1.1 Absorptionsspektroskopie 338
8.2.1.2 Lumineszenzspektroskopie. 339
8.2.2 Zeitaufgelöste optische Spektroskopie 342
8.2.2.1 Zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie 342
8.2.2.2 Zeitaufgelöste Emissionsspektroskopie 344
8.3 Quantifizierung photochemischer Reaktionen und photophysi-
kalischer Prozesse (D. Wöhrle) 345
8.3.1 Ausbeute, Wirkungsgrad, Quantenausbeute und Effektivität 345
8.3.2 Photokinetik 346
8.3.3 Grundsätzliche Überlegungen zum energetischen Ablauf 351
8.4 Versuche zur Photochemie und Photophysik
(M. Tausch, D. Wöhrle) 357
8.4.1 TabeUarische Übersicht zu den Versuchen 358
8.4.2 Versuchvorschriften 362
Themenbereich: Photolysen organischer Moleküle 362
Themenbereich: Photoadditionen 369
Themenbereich: Photoisomerisierungen 378
Themenbereich: Photochemische Kettenreaktionen 385
Themenbereich: Photooxidationen, Photoreduktionen 403
Themenbereich: Reaktionen an und mit Halbleitern 426
Themenbereich: Experimente zu Absorption, Lumineszenz,
Lebensdauer, Quantenausbeute und Kinetik 443
8.5 Versuche zur Chemolumineszenz (H. Brandl) 466
8.5.1 Tabellarische Übersicht zu den Versuchen 466
8.5.2 Versuchsvorschriften 467
Themenbereich: Chemolumineszenz des weißen Phosphors 467
Themenbereich: Chemolumineszenz des Luminols 469
Themenbereich: Chemolumineszenz des Lucigenins 473
Themenbereich: Chemolumineszenz des Peroxyoxalat-Systems 474
Themenbereich: Chemolumineszenz von Singulett-Sauerstoff 476
XIV Inhaltsverzeichnis
Themenbereich: Die Trautz-Schorigin-Reaktion 479
Themenbereich: Chemolumineszenz bei der Autoxidation von
Tetrakis(dimethylamino)ethylen (TDAE) 480
Themenbereich: Chemolumineszenz von Siloxen 481
Themenbereich: Oszillierende Reaktion mit
Chemolumineszenz 482
Themenbereich: Ozonolyse 483
8.6 Allgemeine Literatur zu Kapitel 8 484
9 Anhang (D. Wöhrle) 487
9.1 Angaben über Einheiten, Umrechnungsfaktoren,
Größenordnungen 487
9.2 Glossar zu Definitionen in der Photochemie 497
9.3 Weitere Literatur zur Photochemie 512
Kompakt, interdisziplinär, praxisorientiert - so präsentiert sich
dieses facettenreiche Lehrbuch der Photochemie.
Das gut strukturierte und sehr verständlich geschriebene Werk
macht den Leser mit allen bedeutenden photochemischen
Prozessen vertraut. Das Spektrum reicht dabei von den klassischen
photochemischen Reaktionen, über die Photosynthèse. Chemo-
lumineszen/. Photovoltaik und Photopolymerisaüonen bis hin zur
photodynamischen Krebstherapie. Die vielschichtigen Lerninhalle
werden stets kompetent und anschaulich dargestellt, und die Über-
prüfung und Vertiefung des Lernstoffes ist anhand zahlreicher
aktueller Literaturhinweise zu jedem Kapitel gewährleistet.
Der zweite Teil des Buches stellt ausführlich Methoden und
Experimente zu den Lei Hinhalten vor. Diese Versuche werden
sicherlich das experimentelle Repertoire von vielen Vorlesungen
und Praktika bereichern und auch wertvolle Anregungen für
Forschungsarbeiten liefern.
Ein ..Lichtblick“ für Chemiker.
Physiker. Biologen. Mediziner...
kurz für alle, die eine Einführung
in die vielfältigen Wechsel-
wirkungen zwischen Licht und
Materie suchen !
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