광산화 생성

Photooxygenation
The Schenck ene reaction is an example of a photooxygenation.
Schenckene 반응은 타입 II 광산화 생성의 한 예이다.

광산화생성(photoxygenation)[1][2]은 산소가 제품에 포함된 빛에 의한 산화 반응이다.광산화 반응에 대한 초기 연구 관심은 빛, 산소, 광감작제의 조합이 [3]세포에 매우 독성이 있다는 1900년 오스카 라브의 관찰에서 비롯되었다.광산화 생성에 대한 초기 연구는 DNA와 아미노산의 [2]산화적 손상에 초점을 맞췄지만, 최근 연구는 유기 합성과 [4]광역학적 치료에 광산화 생성의 적용을 이끌어냈다.

광산화 반응은 특정 파장(예를 들어 염료 및 색소)의 빛에 노출되었을 때 들뜬 상태로 들어가는 분자인 광증감제에 의해 개시된다.들뜬 감작제는 기질 또는 기저 상태의 분자 산소와 반응하여 궁극적으로 산소화된 분자를 생성하는 일련의 에너지 전달을 시작합니다.따라서 광산화반응은 이들 중간체의 종류와 순서에 따라 분류된다(타입 I, 타입 II 또는 타입[5] III 반응).[2][3]

배경

용어.

이탈리아 산화, 빛의 관여 및 제품에 분자 산소의 결합:

Photooxygenation venn diagram

감광제

Line diagram of porphyrin, chlorin and bacteriochlorin
이 3개의 분자는 많은 합성 감광제의 기초를 형성합니다.

감작제("Sens"로 표시됨)는 플루오레세인 염료, 메틸렌 블루 및 다환 방향족 탄화수소와 같은 화합물로, 전자기 방사(일반적으로 스펙트럼의 가시 범위)를 흡수하고 최종적으로 에너지를 분자 산소 또는 광산화 과정의 기질로 전달할 수 있다.자연적으로 발생하거나 합성된 많은 감작제는 가시 [4]스펙트럼의 빛을 흡수하기 위해 광범위한 방향족 시스템에 의존한다.감광제가 빛에 의해 흥분되면 단일t 상태 Sens*에 도달합니다.그런 다음 이 싱글렛은 시스템 간 교차를 통해 트리플렛 상태(더 안정적인 상태), Sens*로 변환됩니다.Sens*는 세 가지 유형의 광산화 [6]반응에서 기판 또는2 O와 반응합니다.

산소 분자 상태

주요 기사:산소
분자 산소의 삼중항(접지) 및 단일항 상태.

고전적인 루이스 구조에서 분자 산소 O는2 두 산소 원자 사이에 이중 결합을 가진 것으로 묘사된다.하지만, O의 분자2 궤도는 실제로 루이스 구조가 암시하는 것보다 더 복잡합니다.O의 가장2 높은 점유율 분자 궤도(HOMO)는 축퇴 반결합 δ 궤도 쌍으로, 둘2px2py 다 스핀 비쌍 [4]전자에 의해 단독으로 점유된다.이러한 전자는 O가 지면 상태(O로2 표시됨)에서 삼중항 디라디칼이 되는2 원인입니다.

많은 안정적인 분자의 HOMO가 분자 궤도 결합으로 구성되어 있어서 그들의 첫 번째 들뜬 상태에 도달하기 위해 결합에서 반결합으로 중간 정도의 에너지 점프를 필요로 하는 반면, 분자 산소의 HOMO의 반결합 특성은 그것의 지면 상태와 첫 번째 들뜬 상태 사이의 더 낮은 에너지 갭을 허용합니다.이것은 O의2 들뜸을 에너지적으로 덜 제한적인 과정으로 만든다.첫 번째 들뜬 상태인 O는2 지면 상태에서 22kcal/mol 에너지가 증가하며, 반결합 궤도의 두 전자는 모두 퇴화 δ* 오비탈을 차지하며, 산소는 현재 단일 t 상태(O로2 [3]표시됨)에 있다.1O는2 10 ~100 [4]µs의 라이프 타임을 갖는 매우 반응적입니다.

광산화 생성의 종류

세 가지 유형의 광산화 반응은 환경 조건에 따라 다르거나 유사한 생성물을 생성할 수 있기 때문에 진행되는 메커니즘에 따라 구별됩니다.I형 및 II형 반응은 중성 중간체를 통해 진행되며 III형 반응은 대전된 종을 통해 진행됩니다.O의 부재2 또는 존재는 각각 [1]I형과 II형 반응을 구별하는 것이다.

Photooxygenation type diagram

타입 I

타입 I반응에서 광활성화된 Sens*는 기판과 상호작용하여 래디칼 기판을 생성한다.보통 기판상의 수소결합의 균질결합 파괴를 통해 이루어진다.이 기질 래디칼은 O(지면 상태)와2 상호작용하여 기질2 O 래디칼을 생성한다.이러한 래디칼은 일반적으로 다른 기질 분자 또는 용매로부터 수소를 추출함으로써 급랭된다.이 프로세스를 통해 반응의 연쇄 전파가 가능합니다.

예:디라디칼 중간체의 산소 포집

I형 광산화 반응은 디라디칼 종을 형성하고 포획하는 과정에서 자주 사용된다.Mirbach 등은 아조 화합물이 광분해로 용해되어 디라디칼 탄화수소를 형성한 후 분자 [7]산소에 의해 단계적 방식으로 포획되는 반응 중 하나를 보고했다.

Azide photolysis oxygen trapping

타입 II

타입 II 반응에서는 Sens*는 에너지를 무방사선 천이를 통해 O와 직접2 전달하여 O를 생성합니다2.1그런2 다음 O는 시클로드 디션(가장 일반적으로 [4+2]), 1,2-다이옥세탄을 생성하기 위한 이중 결합 및 올레핀과의 [2]에네 반응을 포함한 다양한 방법으로 기질에 첨가된다.

예: 프로스타글란딘 합성의 전구체

시스-2-시클로펜텐-1,4-디올을 생성하기 위해 시클로펜타디엔에 대한 싱글트 산소의 [4+2] 시클로로드 디온은 프로스타글란딘 [8]합성과 관련된 일반적인 단계이다.결합 [4+2] 시클로디션을 통해 처음 추가된 싱글트 산소는 불안정한 엔도페록시드를 형성합니다.이후 과산화물 결합을 감소시키면 두 개의 알코올 그룹이 생성됩니다.

4+2 cycloaddition cyclopentadiene O2

타입 III

III형 반응에서는 Sens*와 기판 사이에 음이온성 Sens와 양이온성 기판이 되는 전자전달이 있다.음이온성 Sens가 O에2 전자를 전달하여 초산화 음이온 O를2− 형성하는 또 다른 전자 전달이 발생합니다.이 전송은 Sens를 접지 상태로 되돌립니다.그런 다음 초산화 음이온과 양이온 기질이 상호작용하여 산화된 생성물을 형성합니다.

예: 인도리진 광산화

인돌리진(인돌의 복소환 방향족 유도체)의 광산화 작용은 기계적 및 합성적 맥락에서 모두 연구되었다.I형 또는 II형 광산화 메커니즘을 진행하는 대신, 일부 연구자들은 9,10-디시아노안트라센(DCA)을 광센서로서 사용하는 것을 선택함으로써 인돌리진 유도체와 슈퍼옥시드 음이온 래디칼의 반응을 이끌어냈다.반응은 분리되지 않은(따라서 [9]묘사되지 않은) 인돌리진 래디칼 양이온 중간체를 통해 진행된다는 점에 유의하십시오.

Indolizine superoxide photooxygenation

적용들

유기합성

주요 기사:유기합성

3종류의 광산화효소는 모두 유기합성의 맥락에서 적용되었다.특히 타입 II 광산화제네이션은 (싱글렛 산소를 생성하는 데 필요한 낮은 에너지 양 때문에) 가장 널리 사용되는 것으로 입증되었으며 "유기 [10]화합물의 광화학 산소 기능화를 위한 가장 강력한 방법 중 하나"로 설명되어 왔다.이러한 반응은 모든 일반적인 용제 및 광범위한 감작제와 함께 진행될 수 있습니다.

유기 합성에 있어서 타입 II 광산화 작용의 많은 적용은 비환식 알케인과 [10]싱글트 산소의 Ene-reaction에 대한 Waldemar Adam의 연구에서 비롯되었다.시스 효과와 적절한 조향 그룹의 존재를 통해 이 반응은 높은 위치 결정적 및 디스테레오 선택적(diaste reoselectivity)을 제공할 수 있습니다. 이 두 가지 중요한 입체 화학적 [11]제어입니다.

Singlet oxygen ene-reaction stereodirection

광역학적 치료

주요 기사:광역학적 치료

광역학적 치료(PDT)는 암 조직을 [12]파괴하기 위해 광산화작용을 사용한다.광감작제를 종양에 주입하고 특정 파장의 빛이 조직에 노출되어 Sens를 자극합니다.들뜬 Sens는 일반적으로 I형 또는 II형 광산화 메커니즘을 따라 세포에 산화 손상을 일으킨다.종양세포에 대한 광범위한 산화적 손상은 종양세포를 죽일 것이다.또한 인근 혈관의 산화적 손상은 국소적인 응집을 유발하고 종양에 대한 영양 공급을 [13]차단하여 종양을 굶주리게 할 것이다.

PDT에서 사용할 Sens를 선택할 때 고려해야 할 중요한 사항은 들뜬 상태에 도달하기 위해 Sens가 흡수하는 빛의 특정 파장입니다.조직의 최대 침투는 800 nm의 파장을 중심으로 이루어지기 때문에, 이 범위를 중심으로 흡수하는 Sens를 선택하는 것이 진피의 가장 바깥쪽 층 아래에 있는 종양에 PDT가 영향을 미칠 수 있으므로 유리하다.800 nm 미만의 파장에서는 빛이 세포의 고분자에 의해 산란되기 시작하고 800 nm 이상의 파장에서는 빛을 흡수하여 [4]열로 변환하기 시작하기 때문에 800 nm의 빛의 창은 조직을 관통하는 데 가장 효과적입니다.

레퍼런스

  1. ^ a b IUPAC (1997). A. D. McNaught and A. Wilkinson (ed.). Compendium of Chemical Terminology. Blackwell Scientific Publications, Oxford. doi:10.1351/goldbook. ISBN 978-0-9678550-9-7.
  2. ^ a b c d M. R. Iesce; et al. (2005). "Photooxygenation of Heterocycles". Curr. Org. Chem. 9 (2): 109–139. doi:10.2174/1385272053369222.
  3. ^ a b c C.S. Foote (1968). "Mechanisms of Photosensitized Oxidation". Science. 162 (3857): 963–970. Bibcode:1968Sci...162..963F. doi:10.1126/science.162.3857.963.
  4. ^ a b c d e I. J. MacDonald, and T. J. Dougherty (2001). "Basic principles of photodynamic therapy". Journal of Porphyrins and Phthalocyanines. 5 (2): 105–129. doi:10.1002/jpp.328.
  5. ^ 최근의 (2000년 이후) 문헌의 대부분은 "타입 III" 분류를 포함하고 있지만, 오래된 기사들은 타입 I과 타입 II를 광산화 반응의 명명된 클래스로만 인정하고 있다.
  6. ^ C.S. Foote (1987). Type I and Type II Mechanisms of Photodynamic Action. ACS Symposium Series. Vol. 339. pp. 22–38. doi:10.1021/bk-1987-0339.ch002. ISBN 978-0-8412-1026-4.
  7. ^ Mirbach, Marlis; M. Manfred; A. Saus (1982). "High-pressure photochemistry and ultraviolet spectroscopy in gas–liquid systems". Chemical Reviews. 82 (1): 59–76. doi:10.1021/cr00047a003.
  8. ^ Stork, Gilbert; P. Sher; H. Chen (October 1986). "Radical Cyclization-Trapping in the Synthesis of Natural Products. A Simple, Stereocontrolled Route to Prostaglandin Fza". J. Am. Chem. Soc. 108 (20): 6384–6385. doi:10.1021/ja00280a043.
  9. ^ Li, Yun; H. Hu; J. Ye; H. Fun; H. Hu; J. Xu (2004). "Reaction modes and mechanism in indolizine photooxygenation reactions". Journal of Organic Chemistry. 69 (7): 2332–2339. doi:10.1021/jo035070d.
  10. ^ a b Rumbach, edited by Jochen Mattay and Axel G. Griesbeck in cooperation with Christian Stammel, Joachim Hirt and Thomas (1994). Jochen Mattay and Axel Griesbeck (ed.). Photochemical key steps in organic synthesis : an experimental course book. Weinheim: VCH. ISBN 978-3-527-29214-1. {{cite book}}: first=범용명(도움말)이 있습니다.
  11. ^ Adam, Waldemar; W. Bruenker (1993). "Diastereoselective and regioselective photooxygenation of a chiral allylic amine and its acyl derivatives: stereochemical evidence for a steering effect by the amino group in the ene reaction of singlet oxygen". J. Am. Chem. Soc. 115 (7): 3008–3009. doi:10.1021/ja00060a072.
  12. ^ Dougherty, Thomas (May 1987). "Photosensitizers: therapy and detection of malignant tumors". Photochemistry and Photobiology. 45 (445): 879–889. doi:10.1111/j.1751-1097.1987.tb07898.x.
  13. ^ Chen, Qun; Z. Huang; H. Chen; H. Shapiro; J. Beckers; F. Hetzel (August 2002). "Improvement of Tumor Response by Manipulation of Tumor Oxygenation During Photodynamic Therapy". Photochemistry and Photobiology. 76 (2): 197–203. doi:10.1562/0031-8655(2002)0760197IOTRBM2.0.CO2.