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Smartes mit Singulett‐Sauerstoff

Von Wiley-VCH zur Verfügung gestellt

Auch wenn Singulett-Sauerstoff (1O2) ein kurzlebiger, metastabiler, angeregter Zustand des molekularen Sauerstoffs ist, stellt er ein attraktives synthetisches Werkzeug für nachhaltige Oxidationen dar. Darüber hinaus könnte die O2-Sensibilisierung für die Biokonjugation von Proteinen genutzt werden und sich eignen, zelluläre Umgebungen in lebenden Zellen zu untersuchen.

Katalytische Prozesse, die durch photoinduzierten Elektronentransfer initiiert werden, sind gut erforscht. Gegenwärtig wächst das Interesse am Triplett-Energietransfer, auch Sensibilisierung genannt, da sich damit eine hohe Selektivität bei photochemischen Reaktionen erreichen lässt.1,2) Sauerstoff ist eines der wenigen Moleküle mit Triplett-Grundzustand; er kann fast jeden angeregten Triplett-Zustand eines Photosensibilisators quenchen. Bei der Photosensibilisierung sind zwei Hauptmechanismen zu unterscheiden: Typ I und Typ II (Abbildung 1a, S. 66).

a) Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies, b) synthetische Nutzbarkeit von 1O2 für die Erzeugung sauerstoffhaltiger Produkte, c) Konformationsumwandlung bei der diastereoselektiven Oxidation von Prenyl-X-Derivaten.

Beim Typ-I-Mechanismus wird der T1-angeregte Zustand des Photosensibilisators PS* durch Einzelelektronentransfer (SET) gequencht, wobei ein radikalisches Anion PS entsteht. Dieses kann anschließend molekularen Sauerstoff 3O2 zu Superoxid (O2) reduzieren. In selteneren Fällen abstrahiert PS* Wasserstoffatome von Molekülen oder Lösungsmitteln in der Umgebung, wobei Radikale oder Radikalionen entstehen. Diese primären Radikale sind dann häufig an Elektronen- und Wasserstoffatomtransfers beteiligt. Eine dieser Reaktionen ist die Entstehung von O2, der hochreaktive sekundäre Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) generieren kann.

Häufiger ist jedoch die Energieübertragung vom angeregten T1-Zustand des PS* auf den Triplett-Grundzustand molekularen Sauerstoffs 3O2 (3Σg−), wodurch hochenergetischer 1O2 entsteht (1Δg, Typ-II-Mechanismus). Durch das schnelle physikalische und chemische Quenching hat 1O2 eine Lebensdauer zwischen 3 μs und 300 ms.3)

Beim physikalischen Quenching geht Energie von 1O2 auf ein anderes Molekül über, ohne dass eine chemische Veränderung stattfindet. Beim chemischen Quenching dagegen reagiert 1O2 mit einem anderen Molekül, wobei verschiedene Produkte entstehen. 1O2 reagiert dabei bevorzugt mit nukleophilen Verbindungen. Synthetisch bekannte 1O2-Reaktionen zur Erzeugung sauerstoffhaltiger Verbindungen umfassen [2+2]- und [4+2]-Cycloadditionen, Schenck-En-Reaktionen und Oxidierung von Heteroatomen (Abbildung 1b).

Unter diesen Reaktionen hat die En-Reaktion von 1O2 mit Monoalkenen das größte synthetische Potenzial, da sie mit einer Vielfalt an Substraten funktioniert.

En-Reaktionen

Die En-Reaktion von 1O2 mit Monoalkenen wird seit vielen Jahren erforscht, dennoch sind ihre mechanistischen Details umstritten. Ein Vorschlag lautet: Der Angriff von 1O2 auf die Doppelbindung könnte in Bezug auf die ungesättigte Bindung stereospezifisch erfolgen, sodass der Wasserstoff auf der gleichen Seite entfernt wird, wie sich 1O2 nähert. Singleton, Foote und Hook schlugen jedoch auf Grundlage von Berechnungen und Experimenten zu 13C- und 2H-Teilchen einen zweistufigen Mechanismus für die 1O2-Addition an einfache Alkene vor, der keine Zwischenstufe enthält.4) Anders als bei biologischen enzymkatalysierten Dioxygenierungen ist die Stereokontrolle bei Schenck‘schen Oxidationen in der Regel nur mäßig, was jedoch durch Kombination verschiedener Steuerungseffekte zu überwinden ist. Während Alkylgruppen in allylischer Position die Stereoselektivität nur mäßig beeinflussen, führen heteroatomare Substituenten zu elektrostatischen und orbitalen Wechselwirkungen und einer bemerkenswerten Diastereokontrolle (Abbildung 1c).5)

Das mechanistische Verständnis der Schenck-En-Reaktion hat in den letzten 20 Jahren zu Synthesen etlicher Naturstoffe geführt, in denen die photosensibilisierte 1O2-En-Reaktion der Schlüsselschritt ist.

1O2 in der Synthese: Artemisinin

Sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, die sich von 1O2 ableiten, sind empfindliche, aber nützliche und vielseitige Zwischenprodukte für Umwandlungen wie Reduktion und Umlagerungen.

Die wohl bekannteste Anwendung von 1O2 in der Synthese ist die Herstellung des natürlichen Sesquiterpenlacton-Peroxids Artemisinin, einem Antimalariamittel (Nobelpreis für Medizin 2015). Die Totalsynthese von Artemisinin gilt als ungeeignet für die Produktion in großem Maßstab, da sie weniger als 5 Prozent Ausbeute über 15 Schritte liefert. Ein idealer Ausgangspunkt für das synthetische Artemisinin ist die Artemisinsäure (1), die sich in höheren Ausbeuten aus der Pflanze extrahieren oder in gentechnisch veränderter Hefe herstellen lässt. Einen Durchflussreaktor für die Artemisininsynthese haben Seeberger und Team im Jahr 2012 entwickelt.6)

Die wichtigsten Umwandlungen, um Artemisinin (5) zu gewinnen, erfordern eine Reaktionskaskade. Diese umfasst eine 1O2-vermittelte En-Reaktion, eine Hock-Spaltung des resultierenden Hydroperoxids (2) gefolgt von einer Oxidation mit Triplettsauerstoff ((3)(4)) und eine abschließende Peracetalisierung (Abbildung 2a). Modifikationen nutzen Hochleistungs-LEDs mit 72 W statt einer 450-W-Quecksilber-Mitteldrucklampe und ersetzen den Photokatalysator Tetraphenylporphyrin (TPP) durch das stabilere und effizientere 9,10-Dicyanoanthracen (DCA). Schließlich wurde das Lösungsmittel Dichlormethan gegen das umweltfreundlichere Toluol ausgetauscht. Mit diesen Bedingungen ließ sich die Ausbeute auf 65 % Prozent steigern.7)

a) Die Durchflusssynthese des Antimalariamittels Artemisinin, b) vorgeschlagener Mechanismus für die oxidative Umlagerungs-Kopplungsreaktion zur effizienten Funktionalisierung von Tetrahydro-β-Carbolinen (THβCs) und Produktbeispiele, c) möglicher Mechanismus für die Synthese von Glochidin und Glochidicin aus 2-Hexylfuran. PS: Photosensibilisator.

1O2 in der Synthese: Indolalkaloide

Das Tetrahydro-β-Carbolin(THβC)-Gerüst ist wichtiger Bestandteil natürlicher und synthetischer Indolalkaloide. Mehrere THβCs sind in vermarkteten Arzneimitteln und Arzneimittelkandidaten enthalten, darunter der Blutdrucksenker Reserpin, Pinolin, das ein starkes Antioxidationsmittel und Monoaminooxidase-A-Inhibitor ist, und Tadalafil, das gegen gutartige Prostatavergrößerung und bei Lungenhochdruck eingesetzt wird.

THβCs direkt zu funktionalisieren ist schwierig, was möglicherweise an ihrer einzigartigen, aber unkontrollierbaren chemischen Reaktivität liegt. Wie Chen und Mitarbeiter im Jahr 2018 zeigten, lassen sich Tetrahydro-β-Carboline (6) durch eine oxidative Umlagerungs-/Kopplungsreaktion in Pyrrolo[3,4-b]chinolin-9-Amine (9) umwandeln (Abbildung 2b). Die instabilen Dioxetan-Zwischenprodukte (7) entstehen durch die [2+2]-Cycloaddition zwischen dem photogenerierten 1O2 und den Substraten. Dem Screening der Reaktionsbedingungen zufolge ist [Ru(bpy)3Cl2] der beste Photokatalysator für die Reaktion, da er selektiv das gespaltene Produkt (8) liefert und keine Produktgemische. Andere gängige Sensibilisatoren wie Bengalrosa (BR) und Methylenblau (MB) dagegen liefern Produktgemische. Saures Aufarbeiten und Behanden mit Anilinen liefern die Pyrrolo[3,4-β]chinolin-9-amine (9) in 60 bis 95 % Ausbeute.8)

1O2 in der Synthese: von flach zu dreidimensional

Mit 1O2 hat Vassilikogiannakis‘ Gruppe Reaktionskaskadensequenzen erzeugt: Diese verwandeln einfache, leicht zugängliche und relativ flache Moleküle wie Furanderivate im Syntheseprozess in komplexe dreidimensionale Gerüste.9) Ein Beispiel für diese Strategie ist die Synthese der natürlich vorkommenden Imidazolalkaloide Glochidin und Glochidicin.10) Die einstufige Synthese beginnt mit der Photooxygenierung des leicht zugänglichen 2-Hexylfurans (10), wozu sichtbares Licht aus einer LED-Leiste genutzt wird. Es folgt eine In-situ-Reduktion von (11) zu (12). Durch Zufügen eines Äquivalents käuflichen Histamins bildet sich ausschließlich 2-Pyrrolidinon (13). Der N-Acyliminium-vermittelte Cyclisierungsschritt gelingt, indem das Lösungsmittel Methanol gegen Ameisensäure ausgetauscht und die Lösung bei Raumtemperatur für 18 Stunden gerührt wird. Der Stickstoffangriff (Pfad a, Abbildung 2c) lässt sich so fördern, dass sich das kinetische Produkt Glochidin (14) in 62 % Ausbeute isolieren lässt.

Um das verwandte Naturprodukt Glochidicin durch den Pictet-Spengler-Cyclisierungsschritt zu erhalten, wurde die gleiche Reaktion unter Rückflussbedingungen durchgeführt. Dabei bildet sich das oxidierte Analogon zusammen mit dem gewünschten Produkt in einem Verhältnis von 2:3. Wird Bengalrosa durch Methylenblau ersetzt, entsteht das oxidierte Produkt durch eine protonengekoppelte Elektronentransferreaktion (PCET). Nach Vermutung der Autoren begünstigen protische Lösungsmittel den PCET-Mechanismus, da die Enolform des Zwischenprodukts (13) durch Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Lösungsmittel stabilisiert wird. Das beschleunigt die Protonenübertragung auf die Base, etwa Histamin, und die Elektronenübertragung auf Methylenblau. Wird Histamin in Dichlormethan statt in Methanol zugegeben, bildet sich ausschließlich (15), ohne dass ein oxidiertes Lactam vorliegt (Pfad b, Abbildung 2c).

Enantioselektive aerobe Oxidation

1O2 reagiert im Allgemeinen nicht mit gesättigten Kohlenwasserstoffen. Dennoch leitet 1O2 eine direkte oxidative Hydroperoxidation/Lactonisierung von α-Ether-C-H-Bindungen ein, und das unter außergewöhnlich milden Bedingungen, nämlich bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck.11,12) 1O2 wurde in situ erzeugt: entweder durch Photosensibilisierung von Triplett-Sensibilisatoren wie Ir(ppy)2acac, Bengalrosa oder meso-Tetraphenylporphyrin (meso-TPP), durch direkte Photoanregung molekularen Sauerstoffs mit Licht von 760 nm oder 1270 nm oder durch Dunkelreaktion von H2O2 mit Na2MoO2 oder HClO. Die Geschwindigkeit der Reaktion von THF mit 1O2 liegt bei 3,8·103 M–1s–1 und ähnelt damit der für ein inaktiviertes Olefin wie 2-Methylpropen (4,4·103 M–1s–1). Diese Reaktionsgeschwindigkeit entspricht einer 1O2-Lebensdauer von etwa 21 μs und der gemessenen Quantenausbeute für die Reaktion von 1O2 mit THF-Lösungsmittel (0,93). Zum Vergleich: In CCl4 hat 1O2 eine Lebensdauer von 900 μs.

Um die Anwendbarkeit dieser Reaktion zu erforschen, wurden Substrate, die cyclische oder lineare aliphatische Ether enthalten, in Gegenwart von Luft und eines Photosensibilisators bestrahlt. Wenn die Substrate α-Methylen-C-H- und α-Methin-C-H-Bindungen enthalten, erfolgt die Hydroperoxidation selektiv und ausschließlich an der Methin-C-H-Bindung ((16), (17), (18), Abbildung 3). Liegen α-benzylische C-H- und α-Methylen-C-H-Bindungen vor, ist die Hydroperoxidation selektiv und ausschließlich an der α-benzylischen C-H-Bindung ((19)).

a) Singulett-Sauerstoff-Reaktion mit Tetrahydrofuran und Substrate mit komplexer Struktur; b) mechanistische Studie zur 1O2-vermittelten direkten aliphatischen α-etherischen C-H-oxidativen Funktionalisierung von (S)-2-Methyl-THF.

Um zu erforschen, ob sich 1O2 zur Funktionalisierung von α-Ether-C-H-Bindungen von Ether-Molekülen eignet, wurde (-)-Ambroxid (22) in einer Dichlormethan-Acetonitril-Lösung (9:1) in Gegenwart von meso-TPP (1·10–5 M) und 10 Molprozent Triethylboran (Et3B) photolysiert. Nach 15-stündigem Bestrahlen mit blauem LED-Licht wurde Sclareolid (23) in 72 % Ausbeute erhalten. Wie erwartet erfolgt die Lactonisierung selektiv und ausschließlich an der α-Ether-C-H-Bindung dieses makrocyclischen Ethers, nicht an Methyl-, Methylen- oder Methin-C-H-Bindungen.

Obwohl die stereoelektronischen Aspekte der Hydroperoxidation der α-C-H-Bindung durch 1O2 nicht bekannt sind, wird aus chiralem (S)-2-Methyl-THF (24) (98 % ee) (R)-2-Hydroperoxyl-2-Methyl-THF (25) in >96 % ee gebildet. Diese Reaktion erfolgt also in einem einzigen Schritt durch direktes Einschieben, wobei die Konfiguration erhalten bleibt.

Biomakromoleküle 1O2-vermittelt modifizieren

1O2 ist extrem reaktiv gegenüber biologisch relevanten funktionellen Gruppen, sodass sich die Photosensibilisierung besonders gut als indirekte Methode eignet, um Biomakromoleküle zu modifizieren oder um Hybridmaterialien herzustellen.13,14) Unter physiologischen Bedingungen reagieren Cystein, Methionin, Histidin, Tyrosin und Tryptophan mit 1O2 mit Raten von >107 M–1s–1, was sie zu den wichtigsten Stellen der oxidativen Modifikation macht. Die Reaktionen reichen von der einfachen Oxidation von Heteroatomen bis hin zu Cyclisierungen, Ringöffnungen- und Vernetzungen. Deren Zwischenstufen und Produkte wurden hauptsächlich durch Studien mit isolierten Aminosäuren in ihrer geschützten oder ungeschützten Form oder mit einfachen Peptiden geklärt.

Mit oxidationsassoziierten chemischen Reaktionen wurden Proteine funktionalisiert, um lebende Systeme zu analysieren. Vor kurzem berichteten Nakamura und Mitarbeitende über eine histidinselektive Markierungsmethode, die auf 1-Methyl-4-arylurazol(Maura)-Reagenzien basiert. Die Methode erwies sich als effizienter und selektiver Trapper für ein solches Histidin, das mit 1O2 oxidiert worden ist.15) Dem Vorschlag der Autoren zufolge greift das deprotonierte Maura-Anion (26) das entstehende kurzlebige Histidin-Endoperoxid (27) an. Nach Entfernen von Wasser ergibt sich das gewünschte Konjugat (28) (Abbildung 4a).

Wird Bengalrosa verwendet, verläuft die Konjugationsreaktion vollkommen selektiv für Histidin. Im Gegensatz dazu ermöglicht [Ru(bpy)3]Cl2 als Photokatalysator, gleichzeitig Tyrosin zu markieren, da es sowohl die Single Electron Transfers (SETs) als auch die 1O2-Bildung katalysiert. Dieser duale Markierungsansatz eignet sich für größere Proteine wie bovines Serumalbumin (BSA) und Ubiquitin.

Auch die fragmentierte kristallisierbare Region (Fc-Region) von Antikörpern wie Trastuzumab oder Cetuximab lässt sich selektiv markieren, wenn bestimmte Magnetkügelchen genutzt werden: Diese sind mit einem Fc-bindenden Liganden sowie mit [Ru(bpy)3]2+ dekoriert und wurden zusätzlich zur Abtrennung der Antikörper aus einem Gemisch verwendet (Abbildung 4b). Die Tatsache, dass die Markierung auf die Fc-Fragmente der Antikörper beschränkt ist, unterstreicht die kurze Diffusionsdistanz von 1O2.

a) Histidin-Markierung auf Basis photogenerierten Singulettsauerstoffs, b) Design einer photoaktivierbaren Proteinmarkierung über 1O2.

Proximity-dependent labeling

Proximity-dependent labeling (PDL) dient der Identifizierung schwacher und kurzlebiger Proteininteraktionen. Die Selektivität der 1O2-Reaktivität eignet sich für PDL, und zwar in einer Art 1O2-gesteuerter Klick-Chemie.16,17) Die neueste Technik, Spray (singlet oxygen activated protein labeling, coupled to mass spectrometry), nutzt einen genetisch codierten 1O2-Photosensibilisator (SOG) und 1O2-reaktive Moleküle (Abbildung 4b). Bei Bestrahlen mit blauem Licht erzeugt SOG 1O2, das die Thiolgruppe des Markierungsmoleküls oxidiert. Diese reagiert mit Cysteinresten auf der Oberfläche nahe gelegener Proteine und bildet eine Disulfidbindung. Die markierten Proteine lassen sich durch Streptavidin-Biotin-Wechselwirkung von den unmarkierten Proteinen trennen und anschließend durch Hydroxylaminspaltung freisetzen. Spaltung mit Trypsin reichert die markierten Peptide an, die dann durch Tandem-Massenspektrometrie nachweisbar sind.18)

Schlussfolgerungen

Umwandlungen mit 1O2 nutzen oft Sonnenlicht und sind daher preisgünstig, verursachen minimale Abfälle und sind daher umweltfreundlicher als viele andere Synthesen. Allerdings ist es schwierig, die Prozesse für die industrielle Nutzung zu skalieren – dazu sind 1O2-Lebensdauer und Produktionseffizienz sowie Stabilität zu erhöhen, und Sensibilisatoren müssten wiederverwertbar sein. In diesem Zusammenhang sind Durchflussreaktorsysteme vielversprechend.19)

Die Autorin

Anzhela Galstyan, Jahrgang 1981, ist seit Dezember 2021 Juniorprofessorin an der Universität Duisburg-Essen. Ihre aktuellen Forschungsinteressen sind Synthese, Selbstorganisation, nanotechnologische und biologische Anwendungen photoaktiver Verbindungen. Sie promovierte an der TU Dortmund und der International Max Planck Research School in Chemical and Molecular Biology. Es folgte ein Postdoktorat bei Luisa De Cola am Center for Nanotechnology der WWU Münster und am Europäischen Institut für Molekulare Bildgebung, Universitätsklinikum Münster.

AUF EINEN BLICK

Durch sichtbares Licht induzierte aerobe Oxidationsreaktionen eignen sich, um komplexe Zielverbindungen herzustellen.

Die Reaktionen sind preisgünstig, einfach durchzuführen und verursachen kaum Abfall.

Für eine industrielle Anwendung sind allerdings Prozessparameter zu optimieren.

Die Beiträge zur Serie Synthese im Blickpunkt 2021/22 haben im Wechsel Dorian Didier und Anzhela Galstyan verfasst.

  • 1 F. Strieth-Kalthoff, F. Glorius, Chem 2020, 6, 1888–1903
  • 2 J. Grosskopf, T. Kratz, T. Rigotti, T. Bach, Chem. Rev. 2021, doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00272
  • 3 M. Bregnhøj, M. Westberg, B. F. Minaev, P. R. Ogilby, Acc. Chem. Res. 2017, 50, 1920–1927
  • 4 D. A. Singleton, C. Hang, M. J. Szymanski, M. P. Meyer, A. G. Leach, K. T. Kuwata, J. S. Chen, A. Greer, C. S. Foote, K. N. Houk, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 1319–1328
  • 5 P. Bayer, R. Pérez-Ruiz, A. Jacobi von Wangelin, ChemPhotoChem 2018, 2, 559–570
  • 6 D. Kopetzki, F. Levesque, P. H. Seeberger, Chemistry 2013, 19, 5450–5456
  • 7 D. Kopetzki, F. Levesque, P. H. Seeberger, Chem. Eur. J. 2013, 19, 5450–5456
  • 8 J. Ye, J. Wu, T. Lv, G. Wu, Y. Gao, H. Chen, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14968–14972
  • 9 G. Vassilikogiannakis, ChemPhotoChem 2020, 4, 385–387
  • 10 G. I. Ioannou, D. Kalaitzakis, G. Vassilikogiannakis, Eur. J. of Org. Chem. 2016, 2016, 3304–3306
  • 11 W. Ding, L. Q. Lu, Q. Q. Zhou, Y. Wei, J. R. Chen, W. J. Xiao, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 63–66
  • 12 A. Sagadevan, K. C. Hwang, M. D. Su, Nat. Commun. 2017, 8, 1812
  • 13 V. M. Lechner, M. Nappi, P. J. Deneny, S. Folliet, J. C. K. Chu, M. J. Gaunt, Chem. Rev. 2021, doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00357
  • 14 K. A. Ryu, C. M. Kaszuba, N. B. Bissonnette, R. C. Oslund, O. O. Fadeyi, Nat. Rev. Chem. 2021, 5, 322–337
  • 15 K. Nakane, S. Sato, T. Niwa, M. Tsushima, S. Tomoshige, H. Taguchi, M. Ishikawa, H. Nakamura, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 7726–7731.
  • 16 P. Wang, W. Tang, Z. Li, Z. Zou, Y. Zhou, R. Li, T. Xiong, J. Wang, P. Zou, Nat. Chem. Biol. 2019, 15, 1110–1119
  • 17 T. Tamura, M. Takato, K. Shiono, I. Hamachi, Chem. Lett. 2020, 49, 145–148
  • 18 T. L. To, K. F. Medzihradszky, A. L. Burlingame, W. F. DeGrado, H. Jo, X. Shu, Bioorg. Med. Chem. Lett. 2016, 26, 3359–3363
  • 19 A. Hansen, M. Renner, A. G. Griesbeck, T. Büsgen, Chem. Commun. 2020, 56, 15161–15164
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