Фотооксигенация

Фотооксигенация молекулярный — это реакция окисления, индуцированная светом, при которой кислород включается в продукт(ы). ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Первоначальный исследовательский интерес к реакциям фотооксигенации возник в результате наблюдений Оскара Рааба в 1900 году о том, что сочетание света, кислорода и фотосенсибилизаторов очень токсично для клеток. ^{[ 3 ]} Ранние исследования фотооксигенации были сосредоточены на окислительном повреждении ДНК и аминокислот. ^{[ 2 ]} но недавние исследования привели к применению фотооксигенации в органическом синтезе и фотодинамической терапии . ^{[ 4 ]}

Реакции фотооксигенации инициируются фотосенсибилизатором , который представляет собой молекулу, которая переходит в возбужденное состояние при воздействии света определенной длины волны (например, красителей и пигментов). Возбужденный сенсибилизатор затем реагирует либо с субстратом, либо с молекулярным кислородом в основном состоянии, запуская каскад передачи энергии, который в конечном итоге приводит к образованию молекулы, насыщенной кислородом. Следовательно, реакции фотооксигенации классифицируются по типу и порядку этих промежуточных продуктов (тип I, тип II или тип III). ^{[ 5 ]} реакции). ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Фон

Терминология

Реакции фотооксигенации легко спутать с рядом процессов, имеющих схожие названия (например, фотосенсибилизированное окисление). Четкие различия можно провести на основе трех признаков: окисления , участия света и включения молекулярного кислорода в продукты:

Сенсибилизаторы

Сенсибилизаторы (обозначаемые как «Сенс») — это соединения, такие как флуоресцеиновые красители , метиленовый синий и полициклические ароматические углеводороды , которые способны поглощать электромагнитное излучение (обычно в видимом диапазоне спектра) и в конечном итоге передавать эту энергию молекулярному кислороду или субстрат процесса фотооксигенации. Многие сенсибилизаторы, как природные, так и синтетические, основаны на обширных ароматических системах для поглощения света видимого спектра. ^{[ 4 ]} Когда сенсибилизаторы возбуждаются светом, они достигают синглетного состояния . ¹Сенс*. Этот синглет затем преобразуется в триплетное состояние (которое более стабильно). ³Sens*, через межсистемное пересечение . ³Sens* — это то, что реагирует либо с субстратом, либо с ³O ₂ в трех типах реакций фотооксигенации. ^{[ 6 ]}

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

Состояния молекулярного кислорода

В классических структурах Льюиса молекулярный кислород O ₂ изображается имеющим двойную связь между двумя атомами кислорода. Однако молекулярные орбитали O ₂ на самом деле более сложны, чем предполагают структуры Льюиса. Высшая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО) O ₂ представляет собой пару вырожденных разрыхляющих π-орбиталей, π _2px * и π _2py *, которые обе по отдельности заняты неспаренными по спину электронами. ^{[ 4 ]} Эти электроны являются причиной того, что O ₂ является триплетным дирадикалом в основном состоянии (обозначается как ³О ₂ ).

В то время как ВЗМО многих стабильных молекул состоят из связывающих молекулярных орбиталей и, следовательно, требуют умеренного скачка энергии от связывания к разрыхляющему, чтобы достичь своего первого возбужденного состояния, разрыхляющая природа ВЗМО молекулярного кислорода допускает меньший энергетический разрыв между его основным состоянием и первым возбужденным состоянием. . Это делает возбуждение О ₂ менее энергетически ограничительным процессом. В первом возбужденном состоянии O ₂ , энергия которого увеличивается на 22 ккал/моль по сравнению с основным состоянием, оба электрона на разрыхляющих орбиталях занимают вырожденную π*-орбиталь, а кислород теперь находится в синглетном состоянии (обозначается как ¹О ₂ ). ^{[ 3 ]} ¹O ₂ очень реактивен, его время жизни составляет 10-100 мкс. ^{[ 4 ]}

Виды фотооксигенации

Три типа реакций фотооксигенации различаются по механизмам, по которым они протекают, поскольку они способны давать разные или схожие продукты в зависимости от условий окружающей среды. Реакции типа I и II протекают через нейтральные интермедиаты, а реакции типа III протекают через заряженные соединения. Отсутствие или наличие ¹O ₂ отличает реакции типа I и типа II соответственно. ^{[ 1 ]}

Тип I

В реакциях I типа фотоактивируемый ³Sens* взаимодействует с подложкой с образованием радикального субстрата , обычно за счет гомолитического разрыва водородной связи на подложке. Этот радикал-субстрат затем взаимодействует с ³O ₂ (основное состояние) с образованием радикала субстрат-O ₂ . Такой радикал обычно гасится путем отрыва водорода от другой молекулы субстрата или растворителя. Этот процесс обеспечивает цепное распространение реакции.

Пример: захват кислорода дирадикальными промежуточными соединениями.

Реакции фотооксигенации типа I часто используются в процессе образования и улавливания дирадикальных частиц. Мирбах и др. сообщили об одной такой реакции, в которой азосоединение подвергается фотолизу с образованием двухрадикального углеводорода, а затем поэтапно захватывается молекулярным кислородом: ^{[ 7 ]}

Тип II

В реакциях II типа ³Sens* передает свою энергию напрямую ³O ₂ посредством безызлучательного перехода для создания ¹О ₂ . ¹Затем O ₂ присоединяется к субстрату различными способами, включая: циклоприсоединение (чаще всего [4+2]), присоединение к двойным связям с образованием 1,2-диоксетанов и реакции ена с олефинами ( реакция Шенка ). ^{[ 2 ]}

Пример: предшественник синтеза простагландинов.

[4+2]-циклоприсоединение синглетного кислорода к циклопентадиену с образованием цис -2-циклопентен-1,4-диола является обычной стадией синтеза простагландинов . ^{[ 8 ]} Первоначальное присоединение синглетного кислорода в результате согласованного [4+2] циклоприсоединения образует нестабильный эндопероксид . Последующее восстановление связанной перекиси приводит к образованию двух спиртовых групп.

Тип III

В реакциях III типа происходит перенос электрона между ³Sens* и субстрат, в результате чего получают анионный Sens и катионный субстрат. Затем происходит еще один перенос электрона, когда анионный Sens переносит электрон на ³O ₂ с образованием супероксид-аниона, O ₂⁻. Эта передача возвращает Sens в исходное состояние. Затем супероксидный анион и катионный субстрат взаимодействуют с образованием кислородсодержащего продукта.

Пример: фотооксигенация индолизина.

Фотооксигенация индолизинов (гетероциклических ароматических производных индола) исследовалась как в механистическом, так и в синтетическом контексте. Вместо того, чтобы действовать по механизму фотооксигенации типа I или типа II, некоторые исследователи решили использовать 9,10-дицианоантрацен (DCA) в качестве фотосенсибилизатора, что приводит к реакции производного индолизина с анион-радикалом супероксида. Обратите внимание, что реакция протекает через промежуточный катион-радикал индолизин, который не был выделен (и поэтому не показан): ^{[ 9 ]}

Приложения

Органический синтез

Все три типа фотооксигенации нашли применение в органическом синтезе. В частности, фотооксигенация типа II оказалась наиболее широко используемой (из-за небольшого количества энергии, необходимой для генерации синглетного кислорода) и была описана как «один из самых мощных методов фотохимической оксифункционализации органических соединений». ^{[ 10 ]} Эти реакции могут протекать во всех распространенных растворителях и с широким спектром сенсибилизаторов.

Многие из применений фотооксигенации типа II в органическом синтезе основаны на Исследования Вальдемара Адама по еновой реакции синглетного кислорода с ациклическими алкенами. ^{[ 10 ]} Благодаря цис-эффекту и наличию соответствующих управляющих групп реакция может даже обеспечить высокую региоселективность и диастереоселективность - два ценных стереохимических контроля. ^{[ 11 ]}

Фотодинамическая терапия

Фотодинамическая терапия (ФДТ) использует фотооксигенацию для разрушения раковой ткани . ^{[ 12 ]} Фотосенсибилизатор вводится в опухоль, а затем на ткань воздействуют светом определенной длины волны, чтобы возбудить Sens. Возбужденный Sens обычно следует механизму фотооксигенации типа I или II, что приводит к окислительному повреждению клеток. Обширное окислительное повреждение опухолевых клеток убивает опухолевые клетки. Кроме того, окислительное повреждение близлежащих кровеносных сосудов приведет к локальной агломерации и прекращению поступления питательных веществ в опухоль, тем самым вызывая голод опухоли. ^{[ 13 ]}

Важным фактором при выборе Sens для использования в ФДТ является определенная длина волны света, которую Sens будет поглощать для достижения возбужденного состояния. Поскольку максимальное проникновение в ткани достигается при длинах волн 800 нм, выбор Sens, которые поглощают в этом диапазоне, является предпочтительным, поскольку позволяет ФДТ воздействовать на опухоли под самым внешним слоем дермы. Окно света с длиной волны 800 нм наиболее эффективно проникает в ткани, поскольку при длинах волн короче 800 нм свет начинает рассеиваться макромолекулами клеток, а при длинах волн более 800 нм молекулы воды начинают поглощать свет и преобразовывать его в тепло. . ^{[ 4 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ИЮПАК (1997). А.Д. Макнот и А. Уилкинсон (ред.). Сборник химической терминологии . Научные публикации Блэквелла, Оксфорд. дои : 10.1351/goldbook . ISBN 978-0-9678550-9-7 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д г-н Исце; и др. (2005). «Фотооксигенация гетероциклов». Курс. Орг. Хим . 9 (2): 109–139. дои : 10.2174/1385272053369222 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с К.С. Фут (1968). «Механизмы фотосенсибилизированного окисления». Наука . 162 (3857): 963–970. Бибкод : 1968Sci...162..963F . дои : 10.1126/science.162.3857.963 . ПМИД 4972417 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и И. Дж. Макдональд и Т. Дж. Догерти (2001). «Основные принципы фотодинамической терапии». Журнал порфиринов и фталоцианинов . 5 (2): 105–129. дои : 10.1002/jpp.328 .
^ Большая часть недавней (после 2000 г.) литературы включает классификацию «Тип III»; однако в более старых статьях признаются только Тип I и Тип II как названные классы реакций фотооксигенации.
^ К.С. Фут (1987). «Механизмы фотодинамического действия типа I и типа II». Серия симпозиумов ACS . 339 : 22–38. дои : 10.1021/bk-1987-0339.ch002 . ISBN 978-0-8412-1026-4 .
^ Мирбах, Марлис; М. Манфред; А. Саус (1982). «Фотохимия высокого давления и ультрафиолетовая спектроскопия в системах газ–жидкость». Химические обзоры . 82 (1): 59–76. дои : 10.1021/cr00047a003 .
^ Аист, Гилберт; П. Шер; Х. Чен (октябрь 1986 г.). «Радикальная циклизация-ловушка при синтезе натуральных продуктов. Простой стереоконтролируемый путь к простагландину Fza». Дж. Ам. хим. Соц . 108 (20): 6384–6385. дои : 10.1021/ja00280a043 .
^ Ли, Юн; Х. Ху; Дж. Йе; Х. Веселье; Х. Ху; Цзюй Сюй (2004). «Режимы и механизм реакций фотооксигенации индолизина». Журнал органической химии . 69 (7): 2332–2339. дои : 10.1021/jo035070d . ПМИД 15049627 .
^ Jump up to: ^а ^б Румбах (1994). Маттай, Йохен; Грисбек, Аксель Г. (ред.). Фотохимические ключевые этапы органического синтеза: экспериментальный учебник . Вайнхайм: ВЧ. ISBN 978-3-527-29214-1 .
^ Адам, Вальдемар; В. Брункер (1993). «Диастереоселективное и региоселективное фотооксигенирование хирального аллильного амина и его ацильных производных: стереохимические доказательства регулирующего эффекта аминогруппы в еновой реакции синглетного кислорода». Дж. Ам. хим. Соц . 115 (7): 3008–3009. дои : 10.1021/ja00060a072 .
^ Догерти, Томас (май 1987 г.). «Фотосенсибилизаторы: терапия и выявление злокачественных опухолей». Фотохимия и фотобиология . 45 (445): 879–889. дои : 10.1111/j.1751-1097.1987.tb07898.x . ПМИД 2957705 . S2CID 7007756 .
^ Чен, Цюнь; З. Хуан; Х. Чен; Х. Шапиро; Дж. Беккерс; Ф. Хетцель (август 2002 г.). «Улучшение реакции опухоли путем манипулирования оксигенацией опухоли во время фотодинамической терапии». Фотохимия и фотобиология . 76 (2): 197–203. doi : 10.1562/0031-8655(2002)0760197IOTRBM2.0.CO2 . S2CID 222101072 .

[IUPAC-1997-1] Jump up to: ^а ^б ИЮПАК (1997). А.Д. Макнот и А. Уилкинсон (ред.). Сборник химической терминологии . Научные публикации Блэквелла, Оксфорд. дои : 10.1351/goldbook . ISBN 978-0-9678550-9-7 .

[iesce-2005-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д г-н Исце; и др. (2005). «Фотооксигенация гетероциклов». Курс. Орг. Хим . 9 (2): 109–139. дои : 10.2174/1385272053369222 .

[foote-1968-3] Jump up to: ^а ^б ^с К.С. Фут (1968). «Механизмы фотосенсибилизированного окисления». Наука . 162 (3857): 963–970. Бибкод : 1968Sci...162..963F . дои : 10.1126/science.162.3857.963 . ПМИД 4972417 .

[macdonald-2001-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и И. Дж. Макдональд и Т. Дж. Догерти (2001). «Основные принципы фотодинамической терапии». Журнал порфиринов и фталоцианинов . 5 (2): 105–129. дои : 10.1002/jpp.328 .

[5] Большая часть недавней (после 2000 г.) литературы включает классификацию «Тип III»; однако в более старых статьях признаются только Тип I и Тип II как названные классы реакций фотооксигенации.

[foote-1970-6] К.С. Фут (1987). «Механизмы фотодинамического действия типа I и типа II». Серия симпозиумов ACS . 339 : 22–38. дои : 10.1021/bk-1987-0339.ch002 . ISBN 978-0-8412-1026-4 .

[7] Мирбах, Марлис; М. Манфред; А. Саус (1982). «Фотохимия высокого давления и ультрафиолетовая спектроскопия в системах газ–жидкость». Химические обзоры . 82 (1): 59–76. дои : 10.1021/cr00047a003 .

[8] Аист, Гилберт; П. Шер; Х. Чен (октябрь 1986 г.). «Радикальная циклизация-ловушка при синтезе натуральных продуктов. Простой стереоконтролируемый путь к простагландину Fza». Дж. Ам. хим. Соц . 108 (20): 6384–6385. дои : 10.1021/ja00280a043 .

[9] Ли, Юн; Х. Ху; Дж. Йе; Х. Веселье; Х. Ху; Цзюй Сюй (2004). «Режимы и механизм реакций фотооксигенации индолизина». Журнал органической химии . 69 (7): 2332–2339. дои : 10.1021/jo035070d . ПМИД 15049627 .

[rumbach-1994-10] Jump up to: ^а ^б Румбах (1994). Маттай, Йохен; Грисбек, Аксель Г. (ред.). Фотохимические ключевые этапы органического синтеза: экспериментальный учебник . Вайнхайм: ВЧ. ISBN 978-3-527-29214-1 .

[11] Адам, Вальдемар; В. Брункер (1993). «Диастереоселективное и региоселективное фотооксигенирование хирального аллильного амина и его ацильных производных: стереохимические доказательства регулирующего эффекта аминогруппы в еновой реакции синглетного кислорода». Дж. Ам. хим. Соц . 115 (7): 3008–3009. дои : 10.1021/ja00060a072 .

[Dougherty-1987-12] Догерти, Томас (май 1987 г.). «Фотосенсибилизаторы: терапия и выявление злокачественных опухолей». Фотохимия и фотобиология . 45 (445): 879–889. дои : 10.1111/j.1751-1097.1987.tb07898.x . ПМИД 2957705 . S2CID 7007756 .

[Chen-2002-13] Чен, Цюнь; З. Хуан; Х. Чен; Х. Шапиро; Дж. Беккерс; Ф. Хетцель (август 2002 г.). «Улучшение реакции опухоли путем манипулирования оксигенацией опухоли во время фотодинамической терапии». Фотохимия и фотобиология . 76 (2): 197–203. doi : 10.1562/0031-8655(2002)0760197IOTRBM2.0.CO2 . S2CID 222101072 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]