Фотооксигенация — это реакция окисления, индуцированная светом, при которой молекулярный кислород включается в продукт(ы). [1] [2] Первоначальный исследовательский интерес к реакциям фотооксигенации возник после 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 (реакции типа I, типа II или типа III [5] ). [2] [3]
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 (обозначаемые «Sens») — 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 1 Sens*. Этот синглет затем преобразуется в триплетное состояние (более стабильное) 3 Sens* посредством межсистемного скрещивания . 3 Sens* — это то , что реагирует либо с субстратом, либо с 3 O 2 в трех типах реакций фотооксигенации. [6]
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 3 O 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, и кислород теперь находится в синглетном состоянии (обозначается как 1 O 2 ). [3] 1 O 2 очень реактивен, его время жизни составляет 10-100 мкс. [4]
Три типа реакций фотооксигенации различаются по механизмам, по которым они протекают, поскольку они способны давать разные или сходные 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 присутствие 1 O 2 отличает реакции типа I и типа II соответственно. [1]
В реакциях типа I фотоактивированный 3 Sens* взаимодействует с субстратом с образованием радикального субстрата , обычно посредством гомолитического разрыва водородной связи на субстрате. Этот радикал-субстрат затем взаимодействует с 3 O 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.
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]
В реакциях типа II 3 Sens* передает свою энергию напрямую с 3 O 2 через безызлучательный переход с образованием 1 O 2 . 1 O 2 затем 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 . [2]
[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.
В реакциях типа III происходит перенос электронов между 3 Sens* и субстратом, что приводит к образованию анионного Sens и катионного субстрата. Затем происходит еще один перенос электрона, когда анионный Sens переносит электрон на 3 O 2 с образованием супероксидного аниона O 2 - . Эта передача возвращает Sens в исходное состояние. Затем супероксидный анион и катионный субстрат взаимодействуют с образованием кислородсодержащего продукта.
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]
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 исследованиях Вальдемара Адама 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 (ФДТ) использует фотооксигенацию для разрушения раковой ткани . [12] В опухоль вводят фотосенсибилизатор, 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 вызовет локальную агломерацию и прекратит поступление питательных веществ в опухоль, вызывая тем самым голодание 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]