Fotooksygenacja

Reakcja Schenckene jest przykładem fotooksygenacji typu II.

Fotooksygenacja to indukowana światłem reakcja utleniania, w której tlen cząsteczkowy jest włączany do produktu (produktów). Początkowe zainteresowanie badawcze reakcjami fotooksygenacji zrodziło się z obserwacji Oscara Raaba z 1900 r., że połączenie światła, tlenu i fotosensybilizatorów jest wysoce toksyczne dla komórek. Wczesne badania fotooksygenacji koncentrowały się na uszkodzeniach oksydacyjnych DNA i aminokwasów, ale ostatnie badania doprowadziły do ​​zastosowania fotooksygenacji w syntezie organicznej i terapii fotodynamicznej .

Reakcje fotooksygenacji są inicjowane przez fotosensybilizator , czyli cząsteczkę, która przechodzi w stan wzbudzenia pod wpływem światła o określonej długości fali (np. barwników i pigmentów). Wzbudzony sensybilizator reaguje następnie z substratem lub tlenem cząsteczkowym w stanie podstawowym, rozpoczynając kaskadę transferów energii, które ostatecznie skutkują utlenioną cząsteczką. W konsekwencji reakcje fotooksygenacji są klasyfikowane według rodzaju i kolejności tych związków pośrednich (jako reakcje typu I, typu II lub typu III).

Tło

Terminologia

Reakcje fotooksygenacji łatwo pomylić z wieloma procesami o podobnych nazwach (np. fotosensybilizacja). Można dokonać wyraźnego rozróżnienia na podstawie trzech atrybutów: utleniania , udziału światła i włączenia tlenu cząsteczkowego do produktów:

Uczulacze

Te 3 cząsteczki stanowią podstawę wielu syntetycznych fotosensybilizatorów.

Sensybilizatory (oznaczane jako „Sens”) to związki, takie jak barwniki fluoresceinowe , błękit metylenowy i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne , które są zdolne do pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego (zwykle w widzialnym zakresie widma) i ostatecznie przekazują tę energię tlenowi cząsteczkowemu lub substratowi procesu fotooksygenacji. Wiele sensybilizatorów, zarówno naturalnie występujących, jak i syntetycznych, opiera się na rozbudowanych układach aromatycznych do pochłaniania światła w zakresie widzialnym. Kiedy sensybilizatory są wzbudzane przez światło, osiągają stan singletowy , ¹ czułość*. Ten singlet jest następnie przekształcany w stan trypletowy (który jest bardziej stabilny), ³ Sens*, poprzez przejście międzysystemowe . 3 Sens* reaguje albo z substratem, albo z ^{3 O} 2 _w trzech typach reakcji fotooksygenacji.

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

Stany tlenu cząsteczkowego

Główny artykuł: tlen

trypletowe (podstawowe ) i singletowe tlenu cząsteczkowego.

W klasycznych strukturach Lewisa tlen cząsteczkowy O2 _jest przedstawiany jako posiadający podwójne wiązanie między dwoma atomami tlenu. Jednak orbitale molekularne O2 _są w rzeczywistości bardziej złożone niż sugeruje to struktura Lewisa. Najwyżej zajęty orbital molekularny (HOMO) O ₂ to para zdegenerowanych antywiążących orbitali π, π _2px * i π _2py *, które są pojedynczo zajęte przez niesparowane elektrony spinowe. Te elektrony są przyczyną tego, że O ₂ jest trypletem dwurodnikowy w stanie podstawowym (oznaczony jako ³ O ₂ ).

Podczas gdy HOMO wielu stabilnych cząsteczek składa się z wiążących orbitali molekularnych i dlatego wymaga umiarkowanego skoku energii od wiązania do antywiązania, aby osiągnąć ich pierwszy stan wzbudzony, antywiążący charakter HOMO tlenu cząsteczkowego pozwala na mniejszą przerwę energetyczną między jego stanem podstawowym a pierwszym stanem wzbudzonym. To sprawia, że ​​wzbudzanie O2 jest _procesem mniej restrykcyjnym energetycznie. W pierwszym stanie wzbudzonym O ₂ , przy wzroście energii o 22 kcal/mol w stosunku do stanu podstawowego, oba elektrony na orbitali antywiążących zajmują zdegenerowany orbital π*, a tlen jest teraz w stanie singletowym ( oznaczonym jako ¹ O ₂ ). ¹ O ₂ jest bardzo reaktywny z czasem życia pomiędzy 10-100µs.

Rodzaje fotooksygenacji

Trzy rodzaje reakcji fotooksygenacji wyróżniają się mechanizmami, przez które przebiegają, ponieważ mogą one dawać różne lub podobne produkty w zależności od warunków środowiskowych. Reakcje typu I i II przebiegają przez obojętne związki pośrednie, podczas gdy reakcje typu III przebiegają przez cząsteczki naładowane. Brak lub obecność ^{1O2 jest} _tym , co odróżnia odpowiednio reakcje typu I i typu II.

typ I

W reakcjach typu I fotoaktywowany ^3Sens * oddziałuje z podłożem, dając substrat rodnikowy , zwykle poprzez zerwanie wiązania homolitycznego wiązania wodorowego na podłożu. Ten rodnik substratu oddziałuje następnie z ³ O ₂ (stan podstawowy), dając rodnik substratu-O ₂ . Taki rodnik jest na ogół wygaszany przez abstrakcję wodoru z innej cząsteczki substratu lub z rozpuszczalnika. Proces ten pozwala na propagację łańcucha reakcji.

Przykład: pułapkowanie tlenu w dwurodnikowych półproduktach

Reakcje fotooksygenacji typu I są często wykorzystywane w procesie tworzenia i wychwytywania gatunków dwurodnikowych . Mirbach i in. opisali jedną z takich reakcji, w której związek azowy jest lizowany przez fotolizę z wytworzeniem dwurodnikowego węglowodoru, a następnie stopniowo wychwytywany przez tlen cząsteczkowy:

Typ II

W reakcjach typu II ³ Sens* przenosi swoją energię bezpośrednio z ³ O ₂ poprzez przejście bez promieniowania, tworząc ¹ O ₂ . ¹ O ₂ następnie dodaje się do substratu na różne sposoby, w tym: cykloaddycje (najczęściej [4+2]), dodawanie podwójnych wiązań w celu uzyskania 1,2-dioksetanów i reakcje enowe z olefinami .

Przykład: prekursor syntezy prostaglandyn

[4+2] cykloaddycja tlenu singletowego do cyklopentadienu w celu utworzenia cis -2-cyklopenteno-1,4-diolu jest częstym etapem syntezy prostaglandyn . Początkowy dodatek tlenu singletowego, poprzez skoordynowaną cykloaddycję [4+2], tworzy niestabilny endonadtlenek . Późniejsza redukcja związanego nadtlenku daje dwie grupy alkoholowe.

Typ III

W reakcjach typu III następuje przeniesienie elektronu między ³ Sens* a substratem, w wyniku czego powstaje anionowy Sens i kationowy substrat. Następnie następuje kolejne przeniesienie elektronu, w którym anionowy Sens przenosi elektron do ³ O _{2 ,} tworząc anion ponadtlenkowy O ₂ ⁻ . Ten transfer przywraca Sens do stanu podstawowego. Anion ponadtlenkowy i substrat kationowy wchodzą następnie w interakcję, tworząc utleniony produkt.

Przykład: fotooksygenacja indolizyny

Fotooksygenacja indolizyn (heterocyklicznych aromatycznych pochodnych indolu) była badana zarówno w kontekście mechanistycznym, jak i syntetycznym. Zamiast przechodzić przez mechanizm fotooksygenacji typu I lub typu II, niektórzy badacze zdecydowali się użyć 9,10-dicyjanoantracenu (DCA) jako fotosensybilizatora, co prowadzi do reakcji pochodnej indolizyny z anionowym rodnikiem ponadtlenkowym. Należy zauważyć, że reakcja przebiega przez pośredni kation rodnika indolizyny, który nie został wyizolowany (a zatem nie jest przedstawiony):

Aplikacje

Synteza organiczna

Główny artykuł: Synteza organiczna

Wszystkie 3 rodzaje fotooksygenacji zostały zastosowane w kontekście syntezy organicznej. W szczególności fotooksygenacje typu II okazały się najczęściej stosowane (ze względu na niewielką ilość energii potrzebnej do wytworzenia tlenu singletowego) i zostały opisane jako „jedna z najpotężniejszych metod fotochemicznej oksyfunkcjonalizacji związków organicznych”. Reakcje te mogą przebiegać we wszystkich typowych rozpuszczalnikach iz szeroką gamą sensybilizatorów.

Wiele zastosowań fotooksygenacji typu II w syntezie organicznej wywodzi się z badań Waldemara Adama nad enową reakcją tlenu singletowego z acyklicznymi alkenami. Dzięki efektowi cis i obecności odpowiednich grup sterujących reakcja może zapewnić nawet wysoką regioselektywność i diastereoselektywność - dwie cenne kontrole stereochemiczne.

Terapia fotodynamiczna

Główny artykuł: Terapia fotodynamiczna

Terapia fotodynamiczna (PDT) wykorzystuje fotooksygenację do niszczenia tkanki nowotworowej . Fotosensybilizator jest wstrzykiwany do guza, a następnie tkanka jest eksponowana na określone długości fal światła w celu wzbudzenia Sens. Wzbudzony Sens generalnie podlega mechanizmowi fotooksygenacji typu I lub II, co powoduje uszkodzenie oksydacyjne komórek . Rozległe uszkodzenia oksydacyjne komórek nowotworowych zabiją komórki nowotworowe. Również uszkodzenia oksydacyjne pobliskich naczyń krwionośnych spowodują miejscową aglomerację i odcięcie dopływu składników odżywczych do guza, a tym samym zagłodzenie guza.

Ważną kwestią przy wyborze Sens do zastosowania w PDT jest określona długość fali światła, jaką Sens będzie absorbował, aby osiągnąć stan wzbudzony. Ponieważ maksymalna penetracja tkanek jest osiągana przy długości fali 800 nm, wybór Sens, który absorbuje w tym zakresie, jest korzystny, ponieważ pozwala PDT oddziaływać na guzy znajdujące się pod najbardziej zewnętrzną warstwą skóry właściwej. Okno światła 800 nm jest najskuteczniejsze w penetracji tkanek, ponieważ przy długości fali krótszej niż 800 nm światło zaczyna być rozpraszane przez makrocząsteczki komórek, a przy długości fali większej niż 800 nm cząsteczki wody zaczną absorbować światło i zamieniać je w ciepło.