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Photochemie mit Singulettsauerstoff
Allgemeine Reaktionskinetik
- Kinetik photoinduzierter
Reaktionen
- Das Reaktionsvolumen
der Kontaktkomplexbildung
- Reaktionskinetik
der durch Oxazaborolidine enantioselektiv katalysierten Reduktion von prochiralen
Ketonen mit Boranreagentien
Endoperoxide
aromatischer Verbindungen, eine hochinteressante Verbindungsklasse
Bei der selbstsensibilisierten Photooxygenierung
aromatischer Verbindungen (A) entstehen durch Reaktion von A mit dem metastabilen
O2(1Dg) Singulettsauerstoff Endoperoxide (APOs). Die
Photochemie der Endoperoxide nimmt eine Sonderstellung ein, siehe auch unseren
neuesten Übersichtsartikel Ref 121.
Man beobachtet Reaktionen aus höher angeregten Zuständen (eine
der seltenen Ausnahmen von der Kasha Regel) und zwei miteinander konkurrierende
Reaktionskanäle: (1) Die irreversible Umlagerungsreaktion erfolgt
aus dem niedrigsten S1 Anregungszustand. (2) Die Cycloreversion,
bei der Aromat und Singulettsauerstoff zurückgebildet werden, erfolgt
bei Anregung höhere Singulettzustände Sn oder Triplettzustände
Tn mit n>=2. Refs. 17,19,
23, 28,30,37-39,43-45,47-49,66,77,82,121.
Unsere zeitaufgelösten
Untersuchungen an APOs mit ps bzw. fs Auflösung haben gezeigt, daß
die Photocycloreversion ein extrem schneller Zweistufenprozeß ist.
Der erste C-O Bindungsbruch benötigt weniger als 350 fs, der zweite,
der zur endgültigen Wiederherstellung des Aromaten führt, braucht
je nach APO zwischen 1.6 und 75 ps. Refs. 46,61,63,68,72,121.
Photochrome Systeme, eine farbige Geschichte
mit Anwendungsperspektiven
Da die Spektren von APO und A weit
auseinander liegen (A absorbiert im VIS, APO nur im UV) und A stark fluoresziert,
APO aber nicht, gibt es unter den Systemen APO/A hochempfindliche und hochreversible
photochrome Systeme, die für Datenspeicherung geeignet sind. Refs. 16,27,30,45,67,88,121.
Ein photochromes System wurde entwickelt, das je nach Bestrahlungswellenlänge
vollständig zum APO ausgebleicht oder ganz ohne Ausbleichen gelesen
werden kann. Ref 30.
Chemische Aktinometer, Lichtmeßgeräte
Chemische Aktinometer sind wohldefinierte
photochemische Reaktionssysteme, die zur einfachen aber verläßlichen
Bestimmung einer Bestrahlungsdosis von UV/VIS Strahlung kalibriert wurden.
Auf der Basis der sauberen Photochemie einiger Photooxygenierungsreaktionen
sind von uns sehr genaue und verläßliche chemische Aktinometer
entwickelt worden. Unter Benutzung eines hochreversiblen photochromen
Systems APO/A wurde sogar ein wiederverwendbares chemisches Aktinometer
vorgestellt. Refs. 32,33,42,43,55,58,65,123.
O2(1Dg) und
O2(1Sg+) Singulettsauerstoff Standards, der Eichmeister
unterwegs
Mit Phenalenon haben wir einen Sensibilisator
von Singulettsauerstoff untersucht, der sich durch eine Quantenausbeute
der Interkombination nach T1 von Eins durch Absorption im UV
und VIS und durch akzeptable Löslichkeit in Lösungsmitteln sämtlicher
Polarität auszeichnet. Für diesen Sensibilisator haben wir Quantenausbeuten
der Bildung von Singulettsauerstoff in 13 Lösungsmitteln unterschiedlichster
Polarität (von H2O bis CCl4) mit verschiedenen
Methoden gemessen. Diese Werte liegen alle nahe bei Eins. Mit unseren
Ergebnissen konnten wir Phenalenon als bisher einzigen universellen Standard
zur quantitativen Bestimmung von Singulettsauerstoff O2(1Dg) in
Lösung etablieren. Mittels zeitaufgelöster Emissionsspektroskopie
im NIR haben wir für Phenalenon auch einen Absolutwert für die
Quantenausbeute der Sensibilisierung von O2(1Sg+) in CCl4 bestimmt. Damit ist Phenalenon
der bisher einzige Standard für die quantitative Bestimmung von O2(1Sg+) in CCl4. Refs.84,86.
Diese Projekte wurden von
der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziell unterstützt.
Allgemeine Reaktionskinetik
Kinetik der photoinduzierten Spaltung von (Coumarin-4-yl)methyl
Estern
Die Freisetzung biologisch aktiver
Verbindungen aus inaktiven Vorläufern (Phototrigger, caged compounds)
ist ein sehr nützliches Werkzeug für das Studium der schnellen
Kinetik und der räumlichen Verteilung der biologischen Antwort in Zellen
oder Gewebekulturen. In Phototriggern ist die biologische Erkennung oder
Aktivität eines Wirkstoffs durch chemische Modifikation mit einer photolabilen
Schutzgruppe (caging group) ausgeschaltet. Erst durch Lichtabsorption wird
die Schutzgruppe abgespalten und der Wirkstoff freigesetzt. (Coumarin-4-yl)methyl
Derivate sind neu entwickelte photolabile Schutzgruppen und wurden bereits
erfolgreich zum Aus- und Anschalten der biologischen Aktivität einer
Reihe von Wirkstoffen verwendet. In enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen
von Prof. Jürgen Bendig, Humboldt Universität Berlin, und Dr. Volker
Hagen, Institut für Molekulare Pharmakologie Berlin, haben wir die
Photokinetik einer Reihe von (Coumarin-4-yl)methyl caged compounds untersucht,
refs. 105,117.
Die Kombination von photochemischen und Fluoreszenz Quantenausbeuten mit
zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen zeigt, dass die Photospaltung
dieser Phototrigger äußerst schnell ist. Die Bildung des stark
fluoreszierenden (6,7-dimethoxycoumarin-4-yl)methyl Alkohols aus den entsprechenden
Estern mit Diethylphosphorsäure und Methylphosphorsäure erfolgt
sogar schon während eines Anregungspulses von 0.5 ns Dauer. Beide caged
compounds gehören zu den schnellsten Phototriggern, ref. 127.
(Coumarin-4-yl)methyl caged compounds sind excellente Phototrigger mit
breitem Anwendungspotential, refs. 125,128.
Diese Untersuchungen wurden
von der Adolf Messer Stiftung unterstützt.
Das Reaktionsvolumen der Kontaktkomplexbildung
Arbeiten zur Bestimmung und Interpretation
von Aktivierungs- und Reaktionsvolumina mittels Hochdruckkinetik oder
photoakustischer Kalorimetrie. Hierbei interessiert insbesondere das Reaktionsvolumen
der Kontaktkomplexbildung. Dieser Prozeß tritt als vorgelagertes
Gleichgewicht bei jeder bimolekularen Reaktion auf. Unsere Untersuchungen
zeigen, daß bei der Bildung des Kontaktkomplexes - also noch ohne
Ausbildung einer chemischen Bindung - in unpolaren Lösungsmitteln
das Reaktionsvolumen -10 ml mol-1 und mehr beträgt.
Dies hat wesentliche Konsequenzen für die Interpretation von Aktivierungs-
und Reaktionsvolumina. Refs. 9-11,14,24,40,54,57,74,93,
95,98,101.
Reaktionskinetik der durch Oxazaborolidine
enantioselektiv katalysierten Reduktion von prochiralen Ketonen mit Boranreagentien
Die biologische und pharmazeutische
Wirksamkeit chiraler Verbindungen ist im allgemeinen auf nur eine Enantiomerenform
begrenzt. Die andere Form ist entweder nicht wirksam oder hat gar, wie
im Fall des Wirkstoffs von Contergan, verheerende Wirkungen. Da bei einer
chemischen Synthese von chiralen Verbindungen immer nur das racemische
Gemisch entsteht, bei dem beide Enantiomeren in gleichen Teilen vorhanden
sind, ist die Herstellung von biologischen Wirkstoffen häufig mit
aufwendigen und kostenintensiven Reinigungsprozeduren zur Abtrennung des
unerwünschten Enantiomeren verbunden. Deshalb wird die gezielte Herstellung
enantiomerenreiner Verbindungen aus ökonomischen und ökologischen
Gründen immer wichtiger.
Die durch Oxazaborolidine (OABs)
katalysierte enantioselektive Reduktion von Ketonen mit Boranreagentien,
die sogenannte Corey-Bakshi-Shibata (CBS) Reaktion, hat wegen ihres hohen
synthetischen Potentials große Aufmerksamkeit gefunden. Je nach Keton,
OAB, Reduktionsmittel und Reaktionsführung werden unterschiedliche,
häufig aber sehr hohe Enantiomerenüberschüsse (bis zu 99%
ee) erzielt. Viele Studien haben sich mit der weiteren Verbesserung der Enantioselektivität
beschäftigt. Da es aber keine Informationen über die Reaktionsgeschwindigkeiten
der katalysierten enantioselektiven und der mit ihr konkurrierenden direkten
racemischen Boranreduktion gab, waren diese Optimierungsversuche jedoch
im wesentlichen empirischer Natur. Deshalb ist für jedes System immer
noch eine beträchtliche experimentelle Feinabstimmung zur Ermittlung
der optimalen Reaktionsparameter für hohe ee Werte notwendig. Das zeigt,
daß reaktionskinetische Untersuchungen, die wesentliche Informationen
über die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte der direkten und der
katalysierten Reduktion liefern können, für ein besseres Verständnis
dieser sehr interessanten und wichtigen Reaktion unbedingt erforderlich sind.
Solche Untersuchungen wurden
in unserer Arbeitsgruppe erstmals durchgeführt. Es wurden die direkte
und die durch vier verschiedene OABs katalysierte Reduktion des prochiralen
Ketons Pinakolon (P) durch Boran-THF (B-T), Boran-DMS (B-D) und Catecholboran
(CB) in THF untersucht. Schon die ebenfalls studierten direkten Reduktionen
zeigen komplexe zusammengesetzte Kinetiken. Für B-T und B-D sind die
Hauptreaktionen erster Ordnung in P und Boranreagenz, für CB jedoch
ist die Reaktion nullter Ordnung in P und zweiter Ordnung in CB! Dennoch
gelang es, diese Kinetiken durch numerische Integration quantitativ zu beschreiben.
Die eigentliche katalysierte
Reduktion konkurriert mit der direkten Reduktion. Für die Boranreagentien
B-T und B-D ergibt sich ein sehr ähnliches Verhalten. In der Reihe der
vier OABs verschiebt sich die Reaktionsordnung in P von erster nach nullter
Ordnung. Die Reaktionsordnung im OAB ist jeweils 1, im Boranreagenz kleiner
als 1. Für eines der OABs läßt sich der gesamte katalytische
Zyklus durch numerische Integration quantitativ beschreiben. Der Vergleich
der vier OABs zeigt, daß der geschwindigkeitsbestimmende Schritt
der Katalyse ein Hydridtransfer in dem ternären Komplex aus OAB, Boranreagenz
und Pinakolon sein muß. Dieses Ergebnis bestätigt den von Corey
postulierten Mechanismus der CBS Reaktion. Die Abstufung in der Reaktivität
der Katalysatoren korreliert mit den gemessenen ee Werten. Refs. 98,99,104,
107.
Diese Untersuchungen wurden
vom BMBF und von der Adolf Messer Stiftung unterstützt.
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