單線態氧

Chemical compound 單線態氧是一種氣態無機化學物質，分子式為 O=O（也寫作1O2或1O2 ), 它處於所有電子自旋配對的量子態。它在環境溫度下動力學不穩定，但衰減速度很慢。

雙原子氧分子的最低激發態是單線態。它是一種氣體，其物理性質與更普遍的 基態的三重態O2物理性質僅略有不同。然而，就其化學反應性而言，單線態氧對有機化合物的反應性要高得多。它參與許多材料的光降解，但可以在製備有機化學和光動力療法中發揮建設性作用。在高層大氣和污染的城市大氣中發現了微量的單線態氧，它有助於形成對肺有害的二氧化氮。

術語「單線態氧」和「三線態氧」源自每種形式的電子自旋數。單重態只有一種可能的電子自旋排列，總量子自旋為 0，而三重態有三種可能的電子自旋排列，總量子自旋為 1，對應於三個簡併態。

在光譜符號中，O2的最低單線態和三線態形式分別標記為1Δg和3Σ。

## 電子結構

單線態氧是指兩個單線態電子激發態之一。兩個單線態表示為1Σ和 1Δg（前面的上標「1」表示單重態）。兩個單重態氧的能量分別比三重態氧高每摩爾158和每摩爾95千焦。在最常見的實驗室條件下，較高的能量1Σ單重態迅速轉換為更穩定、能量更低的1Δg單重態。這兩種激發態中的這種更穩定的狀態有兩個價電子在一個 π* 軌道中自旋配對，而第二個 π* 軌道是空的。這兩種狀態氧氣稱為單線態氧，通常縮寫為1O2，以區別於三線態基態分子3O2。

分子軌道理論預測氧氣有由分子項符號表示的電子基態和兩個低位激發單重態，項符號為1Σ和 1Δg。這三種電子態的不同之處僅在於自旋數和氧的兩個簡併的反鍵πg軌道的占據狀況。這兩個軌道被歸類為反鍵軌道並且具有更高的能量。遵循洪德最大多重度規則，在基態下，這些電子不成對並且具有相似（相同）的自旋。分子氧的這種開殼三重態基態不同於大多數穩定的雙原子分子，後者具有單線態 ( 1Σ ) 基態。

再次根據洪德最大多重度規則，可以很容易地從該基態獲得兩個不太穩定、能量較高的激發態；第一個將一個高能未配對的基態電子從一個簡併軌道移動到另一個，在那裡它自旋翻轉並與另一個配對，並創建一個新狀態，稱為1Δg（能項符號，其中前面的上標「1」表示它是單態）狀態的單線態。或者，兩個電子都可以保持在它們的簡併基態軌道中，但是一個電子的自旋可以「翻轉」，因此它現在與第二個電子擁有相反自旋（即，它仍然在一組簡併軌道中，但兩個電子自旋方向不同） ;這也創建了一個新狀態，稱為1Σ單重態。氧的基態和前兩個單線態激發態可以通過下圖中的簡單分子軌域圖來描述。

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1Δg單重態的能量較三重態3Σ基態高 7882.4cm−1。在其他單位中對應於 94.29 kJ/mol 或 0.9773 eV。1Σ單線態能量比基態高 13120.9 cm -1 （相當於157.0 kJ/mol 或 1.6268 eV）。

氧氣的三種低位電子態之間的輻射躍遷是禁阻的電偶極子過程。由於自旋選擇規則ΔS = 0 和禁止 g-g 躍遷的奇偶校驗規則，這兩個單線態-三線態躍遷被禁阻。兩個激發態之間的單線態-單線態躍遷是自旋允許的，但宇稱禁止。

較低的 O2 ( 1Δg ) 態通常稱為單線態氧。單線態氧和三線態氧(基態)的能量差 基態 94.3kJ/mol 對應於近紅外線~1270奈米處自旋禁阻的單線態-三線態躍遷。因此，氣相中的單線態氧壽命相對較長（54-86 毫秒），而單線態氧與溶劑的相互作用將單線態氧的壽命縮短至微秒甚至奈秒。2021 年，空氣/固體界面處空氣中單線態氧的壽命經測量為 550 微秒。

較高能量的1Σ狀態非常短暫。在氣相中，它主要弛豫到基態三重態，平均壽命為 11.8 秒。然而，在CS2和CCl4等溶劑中，1Σ氧氣會透過非輻射衰變通道，在幾毫秒內弛豫到較低能量的單線態1Δg。

### 軌道角動量引起的順磁性

兩種單線態氧態都沒有不成對的電子，因此沒有淨電子自旋。然而，如電子順磁共振(EPR) 光譜的觀察所示， 1Δg是順磁性的。1Δg狀態的順磁性是由於淨軌道（而不是自旋）電子角動量產生的。在磁場中的簡併$M_L$水平分為兩個水平，其圍繞分子軸角動量的 z 投影分別為 +1 ħ和 −1 ħ。這些能級之間的磁性轉變產生了$g=1$ 的EPR 過渡。

## 生產

存在多種用於產生單線態氧的方法。光化學方法是在作為敏化劑的有機染料（例如孟加拉玫瑰紅、亞甲藍或卟啉）存在的情況下照射三線態氧氣導致單線態氧的生成。從三重激發態丙酮酸與水中溶解氧的反應中也發現了高濃度的穩定單線態氧。單線態氧也可以在非光化學條件下、化學合成中產生。一種化學方法涉及由三乙基矽烷和臭氧原位生成的三乙基矽烷三氧化氫的分解。

(C2H5)3SiH + O3 → (C2H5)3SiOOOH → (C2H5)3SiOH + O2 (1Δg)

過氧化氫與次氯酸鈉水溶液反應也能生成單線態氧：

H2O2 + NaOCl → O2 (1Δg) + NaCl + H2O

第三種方法通過亞磷酸酯臭氧化物釋放單線態氧，而亞磷酸鹽臭氧化物又是原位生成的，例如臭氧化亞磷酸三苯酯。亞磷酸鹽臭氧化物會分解產生單線態氧，而這種方法的一個優點是它適用於非水性條件：

(RO)3P + O3 → (RO)3PO3

(RO)3PO3 → (RO)3 PO + O2 (1Δg)

## 反應

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由於電子層的不同，單線態和三線態氧的化學性質不同；單線態氧具有高活性。單線態氧的壽命取決於介質。在普通有機溶劑中，壽命只有幾微秒，而在缺乏 C-H 鍵的溶劑中，壽命可以長達幾秒。

### 有機化學

與基態三線態氧不同，單線態氧可參與Diels–Alder 4+2- 和 2+2-環加成反應和烯反應。它能將硫醚氧化成亞碸。有機金屬絡合物通常會被單線態氧降解。與某些底物形成1,2-二氧雜環丁烷；環狀二烯如1,3-環己二烯形成 4+2環加成物。

單線態氧與呋喃之間的4+2-環加成反應廣泛應用於有機合成中。

在與烯丙基的單線態氧反應中，例如香茅油，通過烯丙基質子的提取顯示，在似烯反應中，產生烯丙基氫過氧化物，R-O-OH（R =烷基），然後可以還原相應的烯丙醇。

## 生物化學

在哺乳動物生物學中，單線態氧是一種活性氧，與低密度脂蛋白膽固醇的氧化和由此產生的心血管效應有關。多酚抗氧化劑可以清除和降低活性氧的濃度，並可以防止這種有害的氧化作用。

## 延伸閱讀

- Bodner, GM (2002) Lecture Demonstration Movie Sheets: 8.4 Liquid Oxygen—Paramagnetism and Color, West Lafayette, IN, USA: Purdue University Department of Chemistry, see Liquid Oxygen---Paramagnetism and Color and Lecture Demonstration Movie Sheets，2015年8月11日訪問;請參閱Bodner, G.M； K. Keyes & TJ Greenbowe (1995)普渡大學講座演示手冊，第 2 版，美國紐約州紐約市：John Wiley and Sons。較早出現的關於不同氧氣量子態磁性的參考資料。

## 外部連結

- NIST 網路手冊有關氧氣內容
- 關於單線態氧的光化學和光生物學教程
- 紅色單線態氧Dimol發射的演示（普渡大學）

## 基本資料

- 英文名：Dioxidene
- Gmelin：491
- ChEBI：26689
- 3D模型（JSmol）：O=O
- StdInChI：1S/O2/c1-2
- StdInChIKey：MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N
- O：2
- 水溶性：起反應