Fotooxygenering

Schenck ene-reaktionen är ett exempel på en fotooxygenering av typ II.

En fotooxygenering är en ljusinducerad oxidationsreaktion där molekylärt syre införlivas i produkten/produkterna. Initialt forskningsintresse för fotooxygeneringsreaktioner uppstod från Oscar Raabs observationer 1900 att kombinationen av ljus, syre och fotosensibilisatorer är mycket giftig för celler. Tidiga studier av fotooxygenering fokuserade på oxidativ skada på DNA och aminosyror, men nyare forskning har lett till tillämpningen av fotooxygenering i organisk syntes och fotodynamisk terapi .

Fotooxygeneringsreaktioner initieras av en fotosensibilisator , som är en molekyl som går in i ett exciterat tillstånd när den utsätts för ljus av en specifik våglängd (t.ex. färgämnen och pigment). Den exciterade sensibilisatorn reagerar sedan med antingen ett substrat eller ett molekylärt syre i grundtillståndet, och startar en kaskad av energiöverföringar som slutligen resulterar i en syresatt molekyl. Följaktligen kategoriseras fotooxygeneringsreaktioner efter typen och ordningen för dessa mellanprodukter (som typ I-, typ II- eller typ III-reaktioner).

Bakgrund

Terminologi

Fotooxygeneringsreaktioner kan lätt förväxlas med ett antal processer med liknande namn (dvs fotosensibiliserad oxidation). Tydliga skillnader kan göras baserat på tre attribut: oxidation , inblandning av ljus och inkorporering av molekylärt syre i produkterna:

Sensibilisatorer

Dessa 3 molekyler utgör grunden för många syntetiska fotosensibilisatorer.

Sensibilisatorer (betecknade "Sens") är föreningar, såsom fluoresceinfärgämnen , metylenblått och polycykliska aromatiska kolväten , som kan absorbera elektromagnetisk strålning (vanligtvis inom det synliga området av spektrumet) och så småningom överföra den energin till molekylärt syre eller substrat för fotooxygeneringsprocessen. Många sensibilisatorer, både naturligt förekommande och syntetiska, förlitar sig på omfattande aromatiska system för att absorbera ljus i det synliga spektrumet. När sensibilisatorer exciteras av ljus når de ett singletttillstånd , ¹ Sens*. Denna singlet omvandlas sedan till ett tripletttillstånd (som är mer stabilt), ³ Sens*, via intersystemkorsning . 3 Sens* är det som reagerar med antingen substratet eller ³ O _{2 i de tre typerna} ^av fotooxygeneringsreaktioner.

${\ce {Sens->[hv]{^{1}Sens^{\ast }}->{^{3}Sens^{\ast }} }}$

Tillstånd av molekylärt syre

Huvudartikel: Oxygen

Triplett (jord) och singlett tillstånd av molekylärt syre .

I klassiska Lewis-strukturer avbildas molekylärt syre, O ₂ , som att det har en dubbelbindning mellan de två syreatomerna. Men de molekylära orbitalerna för O ₂ är faktiskt mer komplexa än vad Lewis-strukturer tycks antyda. Den högsta ockuperade molekylära orbitalen (HOMO) av O ₂ är ett par degenererade antibindande π-orbitaler, π _2px * och π _2py *, som båda är var för sig upptagna av spinn oparade elektroner. Dessa elektroner är orsaken till att O ₂ är en triplett -diradikal i grundtillståndet (indikeras som ³ O ₂ ).

Medan många stabila molekylers HOMO består av bindande molekylära orbitaler och därför kräver ett måttligt energihopp från bindning till antibindning för att nå sitt första exciterade tillstånd, tillåter den antibindande naturen hos molekylärt syres HOMO ett lägre energigap mellan dess grundtillstånd och första exciterade tillstånd. . Detta gör excitering av O2 till _en mindre energiskt restriktiv process. I det första exciterade tillståndet av O ₂ , en energiökning på 22 kcal/mol från grundtillståndet, upptar båda elektronerna i de antibindande orbitalen en degenererad π*-orbital, och syre är nu i ett singletttillstånd (indikerat som 1 ^O 2 ₎ . ¹ O ₂ är mycket reaktiv med en livslängd mellan 10-100 µs.

Typer av fotooxygenering

De tre typerna av fotooxygeneringsreaktioner kännetecknas av de mekanismer som de fortskrider genom, eftersom de kan ge olika eller liknande produkter beroende på miljöförhållanden. Typ I- och II-reaktioner fortskrider genom neutrala mellanprodukter, medan typ III-reaktioner fortskrider genom laddade species. Frånvaron eller närvaron av ¹ O ₂ är det som skiljer typ I- respektive typ II-reaktioner.

Typ I

I typ I-reaktioner interagerar den fotoaktiverade ³ Sens* med substratet för att ge ett radikalsubstrat , vanligtvis genom homolytisk bindningsbrytning av en vätebindning på substratet. Denna substratradikal interagerar sedan med ³⁰² (grundtillstånd) för att ge en substrat- _{O2 -} radikal . En sådan radikal släcks i allmänhet genom att man abstraherar ett väte från en annan substratmolekyl eller från lösningsmedlet. Denna process möjliggör kedjeförökning av reaktionen.

Exempel: Syrefångst av diradikala mellanprodukter

Fotooxygeneringsreaktioner av typ I används ofta i processen att bilda och fånga diradikala arter. Mirbach et al. rapporterade om en sådan reaktion där en azoförening lyseras via fotolys för att bilda det diradikala kolvätet och sedan fångas stegvis av molekylärt syre:

Typ II

I typ II-reaktioner överför ³ Sens* sin energi direkt med ³ O ₂ via en strålningsfri övergång för att skapa ¹ O ₂ . ¹⁰² adderas sedan till substratet på en mängd olika sätt, inklusive: cykloadditioner (oftast [4 + 2]) _, tillägg till dubbelbindningar för att ge 1,2-dioxetaner och enreaktioner med olefiner .

Exempel: prekursor till prostaglandinsyntes

[4+2]-cykloadditionen av singlettsyre till cyklopentadien för att skapa cis -2-cyklopenten-1,4-diol är ett vanligt steg involverat i syntesen av prostaglandiner . Den initiala tillsatsen av singlettsyre, genom den samordnade [4+2] cykloadditionen, bildar en instabil endoperoxid . Efterföljande reduktion av den bundna peroxiden producerar de två alkoholgrupperna.

Typ III

I typ III-reaktioner sker en elektronöverföring mellan ³ Sens* och substratet, vilket resulterar i ett anjoniskt Sens och ett katjoniskt substrat. En annan elektronöverföring sker sedan där den anjoniska Sens överför en elektron till ³ O ₂ för att bilda superoxidanjonen, O ₂ ⁻ . Denna överföring återställer Sens till sitt grundtillstånd. Superoxidanjonen och det katjoniska substratet interagerar sedan för att bilda den syresatta produkten.

Exempel: fotooxygenering av indolizin

Fotooxygenering av indoliziner (heterocykliska aromatiska derivat av indol) har undersökts i både mekanistiska och syntetiska sammanhang. Istället för att gå igenom en typ I- eller typ II-fotooxygeneringsmekanism har vissa forskare valt att använda 9,10-dicyanoantracen (DCA) som fotosensibilisator, vilket leder till reaktionen av ett indolizinderivat med superoxidanjonradikalen. Observera att reaktionen fortskrider genom en katjonintermediär av indolizinradikal som inte har isolerats (och således inte avbildas):

Ansökningar

Organisk syntes

Huvudartikel: Organisk syntes

Alla tre typerna av fotooxygenering har använts i samband med organisk syntes. I synnerhet har fotooxygenering av typ II visat sig vara den mest använda (på grund av den låga mängd energi som krävs för att generera singlettsyre) och har beskrivits som "en av de mest kraftfulla metoderna för fotokemisk oxifunktionalisering av organiska föreningar." Dessa reaktioner kan fortgå i alla vanliga lösningsmedel och med ett brett spektrum av sensibiliseringsmedel.

Många av tillämpningarna av fotooxygenering av typ II i organisk syntes kommer från Waldemar Adams undersökningar av en-reaktionen av singlettsyre med acykliska alkener. Genom cis-effekten och närvaron av lämpliga styrgrupper kan reaktionen till och med ge hög regioselektivitet och diastereoselektivitet - två värdefulla stereokemiska kontroller.

Fotodynamisk terapi

Huvudartikel: Fotodynamisk terapi

Fotodynamisk terapi (PDT) använder fotooxygenering för att förstöra cancervävnad . En fotosensibilisator injiceras i tumören och sedan exponeras specifika våglängder av ljus för vävnaden för att excitera Sens. Den exciterade Sens följer i allmänhet en fotooxygeneringsmekanism av typ I eller II för att resultera i oxidativ skada på celler. Omfattande oxidativ skada på tumörceller kommer att döda tumörceller. Också oxidativ skada på närliggande blodkärl kommer att orsaka lokal agglomeration och skära av näringstillförseln till tumören, vilket svälter ut tumören.

En viktig faktor vid val av Sens som ska användas i PDT är den specifika våglängden av ljus som Sens kommer att absorbera för att nå ett exciterat tillstånd. Eftersom den maximala penetrationen av vävnader uppnås runt våglängder på 800 nm, är det fördelaktigt att välja Sens som absorberar runt detta intervall eftersom det gör att PDT kan påverka tumörer under det yttersta lagret av dermis. Fönstret med 800 nm ljus är mest effektivt för att penetrera vävnader eftersom vid våglängder kortare än 800 nm börjar ljuset spridas av cellers makromolekyler och vid våglängder längre än 800 nm kommer vattenmolekyler att börja absorbera ljuset och omvandla det till värme .