Trendbericht Photochemie 2025

Dieser Trendbericht erläutert Erkenntnisse der letzten beiden Jahre aus der Sicht von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des interdisziplinären, durch die DFG geförderten Konsortiums Transregio 325. Die Autorinnen und Autoren forschen vor allem zu chemischer Photokatalyse und beleuchten besonders Themen mit molekülchemischer Komponente.

Design photoaktiver Metallkomplexe

Das wachsende Interesse an der Photokatalyse stimuliert die Entwicklung neuer photoaktiver Metallkomplexe. Erforscht wird, die Lebensdauer angeregter Zustände zu erhöhen oder Katalysator und Photosensibilisator in einem Molekül zu kombinieren.

So beschrieb die Gruppe um Turro heteroleptische Rh₂-Paddlewheel-Komplexe (1) mit redoxaktiven Benzo[c]cinnolin(bncn)-Liganden, die als selbstsensibilisierte H₂-Evolutionskatalysatoren wirken (Abbildung 1). Bei Anregung gehen sie vom Zustand Rh₂(d*)/L(p/nb) in bncn(p*) über.¹⁾ Wie diese Arbeit zeigt, verändern die verbrückenden Liganden die angeregten Zustände und die Reaktivität bimetallischer Verbindungen.

Basierend auf kationischen Rutheniumkomplexen und anionischen Pyren-Derivaten entwickelten Kerzig und Mitarbeiter eine „Coulomb-Dyade“ (2) für effiziente Energietransfer- und Photoredoxreaktionen.²⁾ Das System kombiniert die Vorteile anorganischer und organischer Chromophore und zeigt hohe Photostabilität und nahezu perfekte Quantenausbeuten für die Reduktion des verwendeten Pyrentetrasulfonats. Das ermöglicht effiziente photochemische Dehalogenierungen und Pinakol-Kupplungen.

Die Ligand-to-Metal-ChargeTransfer-Zustände ²LMCT eines Mangan(IV)-Komplexes (3) von Heinze und Mitarbeitern sind langlebig; seine ⁴LMCT-Zustände dagegen kurzlebig und stark oxidierend – das ermöglicht die Oxidation von Nitrilen und Benzol mit energiearmem Licht (730 bzw. 850 nm).³⁾

Tris(carben)borat-Mn^III- und Mn^IV-Komplexe (4) von Lin haben ebenfalls langlebige LMCT-Zustände im ns- bis ms-Bereich. Mit ihnen lassen sich reduktiv und oxidativ C–N-, C–P-, C–B-, C–S- und C–Se-Einfachbindungen bilden.⁴⁾

Wenger und Mitarbeiter synthetisierten cyclometallierte Fe^III-Komplexe (5) mit langlebigen angeregten Zuständen, deren Lebensdauern und Energien sich durch die Wahl der Liganden stark beeinflussen lassen. Die Komplexe katalysieren beispielsweise C–H-Arylierungen und die Hydroxylierung von Boronsäuren.⁵⁾ Durch Dublett-Triplett-Energietransfer (DTET) vom lumineszierenden ²LMCT-Zustand zu einem Anthracen-Annihilator lässt sich rotes in blaues Licht aufkonvertieren.

Die McCusker-Gruppe beschrieb Polypyridyl-Co^III-Komplexe (6), die im angeregten Zustand Relaxationsdynamik in der invertierten Marcus-Region aufweisen.⁶⁾ Die photophysikalischen Eigenschaften derartiger Chromophore sind ein vielversprechender Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Photokatalysatoren.

Corinna Hess, Robert Wolf

Universität Regensburg

Corinna.Hess@ chemie.uni-regensburg.de,

Robert.Wolf@ chemie.uni-regensburg.de

Lichtinduzierte Homolyse von Metall-Substratkomplexen

Die lichtinduzierte homolytische Bindungsspaltung einer Metall-Substratbindung (α-Spaltung) führt zu Radikalen als Startpunkt für organische Transformationen. Solche Homolysen – in den meisten Fällen dissoziative Ligand-to-metal-charge-transfer(LMCT)-Prozesse – verlaufen aufgrund der Präkoordination von Metall und Substrat (etwa Halogenide, Azide, Enolate, Carboxylate, Alkohole oder Amide) auf einer Zeitskala von Femtosekunden, wie für Kupfer(II)-Halogenide gezeigt wurde.

Damit lassen sich Photokatalysen mit unedlen Metallkomplexen initiieren, was wegen der kurzen Lebensdauern ihrer angeregten Zustände bislang als schwierig galt.

Wurden für diesen Reaktionstyp zunächst vor allem Kupfer(II)⁷⁾ und Cer(IV)⁸⁾ untersucht, rückt in jüngster Zeit Eisen(III) in den Fokus (Abbildung 2, S. 57). So können Alkylradikale aus Carbonsäuren durch oxidative Decarboxylierung oder Chlorradikale für die Initiierung von Wasserstoffatomtransfer(HAT)-Prozessen gewonnen werden. Anwendungen dieses Reaktionstyps sind etwa eisenvermittelte decarboxylierende Kupplung von Carbonsäuren (7) mit Nucleophilen (8)⁹⁾ oder eine eisenkatalysierte Hydrocarbonylierung von elektronenarmen Alkenen (10) mit Trioxanen (9)¹⁰⁾.

Kürzlich wurde über die lichtinduzierte β-Spaltung in Eisen(III)-nitrat berichtet,¹¹⁾ wodurch sich Nitroradikale unter milden Bedingungen bilden. Dadurch gelingt die Nitrierung von Aromaten (11) in großer Breite, was eine Alternative zur klassischen Nitrierung darstellt. Die Bildung von Eisen(IV) wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) nachgewiesen.

Oliver Reiser

Universität Regensburg

oliver.reiser@chemie.uni-regensburg.de

Metall-Photoredox-Reaktionen: Syntheseanwendungen

Metallkomplex- und lichtvermittelte Kreuzkupplungen haben sich in den letzten Jahren als Alternative zu klassischen Palladium-katalysierten Methoden etabliert. Im Jahr 2016 haben Doyle und Molander eine Nickel-katalysierte photochemische C(sp³)–H-Arylierung von Ethern veröffentlicht – diese ist synthetisch wertvoll, allerdings mechanistisch nicht vollständig verstanden. Wie Doyle nun zeigte, entstehen Halogenradikale, die als Wasserstoffatomtransfer(HAT)-Reagenzien agieren, durch photochemische Ni–X-Bindungshomolyse aus Nickel(II)dihalogenidkomplexen. Dabei läuft die reduktive Eliminierung über einen Ni^III-Komplex.¹²⁾ Bahamonde nutzte Enantioselektivitäten einer stereoselektiven Variante als Sonde, um einen analogen Mechanismus zu erklären und zu untersuchen, wie Arylhalogenide und der Nickelpräkatalysator die Reaktion beeinflussen.¹³⁾ Wie die Ergebnisse zeigen, fängt im dominierenden Reaktionsweg zum Produkt ein Nickel(II)arylhalogenkomplex das Radikalintermediat ab.

Photochemische nickelkatalysierte Arylierungen erfordern oft unterschiedliche Reaktionsbedingungen je nach Kupplungspartner (C, O, N, S). Mit adaptiver dynamischer homogener Katalyse (AD-HoC) lässt sich vorhersagen, welche Bedingungen sich für die Kreuzkupplung unterschiedlicher Nucleophilklassen eignen.¹⁴⁾ Dazu nutzt AD-HoC ein dynamisches Gleichgewicht mehrerer potenziell aktiver Nickelkomplexe.

MacMillan entwickelte eine Methode zur selektiven Kreuzkupplung primärer und sekundärer Alkohole.¹⁵⁾ Die Alkohole werden zunächst mit N-heterocyclischen Carbenen aktiviert; anschließend bilden sich durch photoinduzierten Elektronentransfer Radikale, die ein Nickelkatalysator sortiert. Dabei bilden primäre Radikale bevorzugt Nickelalkylkomplexe – diese liefern über bimolekulare homolytische Substitution (S_H2) mit sekundären Radikalen das Produkt (Abbildung 3, oben).

Mit einer weiteren Methode aus dem Labor MacMillans lassen sich Metallcarbene photochemisch herstellen.¹⁶⁾ Aus N-Hydroxyphthalimidestern werden Radikale erzeugt, die mit Eisenporphyrinen reagieren. Durch α-Eliminierung entstehen Metallcarbene, die sich zur Cyclopropanierung eignen (Abbildung 3, unten).

Burkhard König

Universität Regensburg

Burkhard.Koenig@ chemie.uni-regensburg.de

Detektion photochemischer Intermediate

Um Reaktionsmechanismen durch Experimente aufzuklären, müssen Schlüsselintermediate detektiert und charakterisiert werden. Ein wichtiges Werkzeug hierzu ist besonders in der Photochemie und -katalyse die zeitaufgelöste Spektroskopie. Je nach Detektionswellenlänge lassen sich damit geschlossen- wie offenschalige Intermediate charakterisieren, und zwar durch UV/Vis-, IR-, EPR- und NMR-Spektren. Deutlich macht dies etwa die photochemische Umsetzung eines Lewis-Säurekomplexes (Abbildung 4a): Darin belegt zeitaufgelöste Spektroskopie durch transiente Absorption auf multiplen Zeitskalen, dass die Verbindung vom neutralen Komplex über radikalische Spezies zum Ionenpaar übergeht.¹⁷⁾ Für jedes Intermediat ergibt sich ein isosbestischer Punkt. Quantenchemische Simulationen der Spektren der Intermediate erlauben eine eindeutige Zuordnung zu postulierten Intermediaten und bestätigen so den vorgeschlagenen homolytischen Mechanismus. Für offenschalige Systeme bietet sich die zeitaufgelöste EPR-Spektroskopie an.

Ein Verfahren, das auch in konventioneller Continuous-Wave(CW)-Messung in erster Ableitung ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei Zeitauflösung bis 50 ns liefert, nutzt einen neuen Ansatz zur Detektion: Ultrawide Single-sideband Phase-sensitive Detection (U-PSD) (Abbildung 4b).¹⁸⁾

Photochemische Reaktionen in Wasser sind wichtig, um Abfall durch organische Lösungsmittel zu reduzieren. An Phasengrenzen sind die Reaktanden jedoch normalerweise zu gering konzentriert für NMR-Spektroskopie. Indem die Schmelzpunkte zweier Substrate durch Mischen gesenkt wurden, bildeten sich Öltropfen in Wasser, die nur aus Elektrondonor/-akzeptor(EDA)-Komplexen bestehen. In diesen reinen Phasen ließen sich Nuclear-Overhauser-Effekt(NOE)-Kontakte zwischen EDA-Komplex und Wasser detektieren, die die beschleunigte Photokatalyse in Wasser erklären (Abbildung 4c).¹⁹⁾

Jenseits der Beobachtung und Charakterisierung von Intermediaten bieten Konzepte mit sequenzieller Anregung die Möglichkeit, selektiv Reaktionspfade zu eröffnen. Bei der Vibrationally-promoted-electronic-resonance(Viper)-Methode wird zunächst ein Infrarot-Puls auf die Schwingungsresonanz eines Moleküls abgestimmt, ehe vorwiegend diese schwingungsangeregte Spezies elektronisch angeregt wird. Bredenbeck und Kollegen setzten so gezielt bestimmte Abgangsgruppen frei, etwa für Isotopologe eines para-Hydroxyphenacyl-Photokäfigs (Abbildung 4d).²⁰⁾

Jürgen Hauer

TU München

juergen.hauer@tum.de

Julia Rehbein, Patrick Nuernberger, Ruth Gschwind, Universität Regensburg

julia.rehbein@ur.de, patrick.nuernberger@ur.de, ruth.gschwind@ur.de

Organophotoredoxkatalyse

Organische Photoredoxkatalysatoren sind ein präzises Werkzeug, etwa zur Alkenfunktionalisierung: Unter den Bedingungen von Carreira et al. cyclisieren ω-ungesättigte Amin-, Carbonsäure- und Alkoholderivate (12) zu den gesättigten Heterocyclen (13) (Abbildung 5a).²¹⁾ Mit dem Chinoxalin-Photoredoxkatalysator (14)²²⁾ und dem Co^II-Salenkomplex (15) isomerisieren mehrere protische Nucleophile durch eine Sequenz aus Hydrocobaltierung der Alkenfunktion und anschließender intramolekularer Substitution. Ein mechanistischer Schlüsselschritt ist hierbei die photoreduktive Erzeugung eines Co^I-Komplexes, aus dem durch Protonierung ein Co^III-Hydridkomplex entsteht.²³⁾ Der Co^III-Rest wird in zwei Schritten durch ein Nucleophil substituiert: Zunächst oxidiert die radikalkationische Form des Photoredoxkatalysators in einer Dunkelreaktion thermisch Co^III zu Co^IV. Anschließend wird Co^IV durch das Nucleophil substituiert, wodurch der Reaktionszyklus geschlossen wird.

Wie ebenfalls Carreiras Gruppe zeigte, lässt sich das Aktivierungskonzept auf Photo-Semipinacol-Reaktionen erweitern: Die Forschenden überführten tertiäre Allylalkohole (16) in bis zu 99 % Ausbeute in die entsprechenden Ketone (17).²⁴⁾

Wie ein Beispiel von Rehbein, Nuernberger und Breder zeigt, lassen sich Photoredoxkatalysatoren gleichzeitig für Elektronentransferprozesse und als Lewis-Säuren nutzen. Eine Sequenz aus thermischer Homolyse und koinzidenter Lichtanregung der Radikalintermediate erzeugt aus Diselanen (20) direkt Seleneniumionen, die ungesättigte Carbonsäuren (18) photo-aerob in die entsprechenden Lactone (19) überführen.²⁵⁾

Alexander Breder

Universität Regensburg

alexander.breder@ur.de

Skeletal Editing

Late-stage-Funktionalisierungen wie selektive C–H-Aktivierung (peripheral editing) profitieren von photochemischen Methoden. Ablesen lässt sich dies an Fortschritten bei gerüstverändernden Reaktionen, genannt Skeletal Editing. Beispiele solcher Transformationen sind das Einführen oder Entfernen einzelner Atome (single atom editing) oder Molekülteile (multi atom editing).

Bei der Heterocyclensynthese wurde über Fortschritte bei der Ringerweiterung von Pyrrolen und Indolen berichtet (Abbildung 6a). Das Konzept dieser Chinolinderivat-Synthese basiert auf der fast 150 Jahre alten Ciamician-Dennstedt-Umlagerung. Die photochemische Aktivierung des Arylchlorodiazirins als Carbenvorläufer und der Einsatz N-alkylierter Indole verhindern Nebenreaktionen und erlauben so den breiten Zugang zu Chinolinium-Salzen (21), die sich einfach durch Ausfällen isolieren lassen.²⁶⁾

Bei einer ähnlichen C-Insertion bilden sich regioselektiv die in 2-Position funktionalisierten Naphthalin-Derivate (22): Sie entstehen photoredoxkatalytisch aus Indenen mit substituierten α-Iodonium-Diazoreagenzien, wie die Gruppen um Glorius und Gutierrez zeigten.²⁷⁾

Sechsgliedrige Heteroaromaten lassen sich photokatalytisch auch wieder kontrahieren: Durch Wasserstoffatomtransfer (HAT) transformierte Studer Chinoline zu Indolen (23). Der HAT wird dabei photokatalytisch induziert. Ein so in situ gebildetes Phosphorradikalkation aktiviert Wasser als HAT-Donor.²⁸⁾

Die direkte Mutation eines C- in ein N-Atom führt bei Chinolinen nach Oxidation über eine lichtinduzierte Ringerweiterung zu 3,1-Benzoxazepinen; Weiteroxidation und Aminolyse bilden die Chinazoline (24) (Abbildung 6b, S. 61).²⁹⁾ Analog lassen sich mit UV-Licht bei 365 nm aus N-substituierten Pyridinium-Ylid-Salzen (25) die Diazepine (26) generieren. Diese bilden in Folgereaktionen bicylische Pyrazoline (27) oder unter Entfernung des C2-Bausteins C[2,3] oder C[4,5] die Pyrazole (28) und (29).³⁰⁾

Kürzlich entwickelten Forschende um Leonori eine photochemische Methode, um Thiazole zu Isothiazolen zu permutieren (Abbildung 6c, S. 61).³¹⁾ Diese gezielte und vorhersagbare Veränderung verläuft über bicyclische Intermediate.

Unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen (Lösungsmittel, Base etc.) bilden sich aus Thiazolen unterschiedliche Azol-Derivate, sodass diese nicht de novo aufgebaut werden müssen.

Kirsten Zeitler

Universität Leipzig

kirsten.zeitler@uni-leipzig.de

Stereochemical Editing

Konventionell werden stereogene Zentren von Verbindungen bereits mit der gewünschten Konfiguration aufgebaut. Stereochemical Editing dagegen verändert die stereogenen Zentren in einem späten Schritt – dafür eignen sich photochemische Verfahren. Und wenn das Molekül nur ein stereogenes Zentrum besitzt, hat die photochemische Deracemisierung ein Alleinstellungsmerkmal.³²⁾

Per Stereochemical Editing legten Wendlandt, Kwan und Mitarbeitende die Konfiguration von bis zu drei Kohlenstoffatomen fest, und zwar durch einen reversiblen Wasserstoffatomtransfer (Abbildung 7). Dazu nutzten sie die chirale Information und die Eigenschaften des Katalysators.³³⁾ Der Katalysator Tetrabutylammoniumdecawolframat (TBADT) ist groß, abstrahiert daher nur äquatoriale Wasserstoffatome und liefert zusammen mit einem Wasserstoffatomdonor das Produkt (30). Der kleinere Katalysator 3-Chinuclidinylacetat (Aceclidin) ist nicht selektiv, aber hier liefert der Donor das Wasserstoffatom für b-Glykoside selektiv von der Unterseite – so entsteht Produkt (31).

Bei der photochemischen Deracemisierung wird in einem photochemischen Schritt das stereogene Zentrum zerstört und über ein achirales, kurzlebiges Intermediat wieder thermisch aufgebaut. Dass sich eine solche Deracemisierung auch einsetzen lässt, um Diastereomere zu verändern, belegt die Reaktion der Diketopiperazine (33). Je nachdem, ob (32) oder ent-(32) als chiraler Katalysator genutzt wird, entsteht Produkt (33a) oder sein Epimer (33b).³⁴⁾ Zwar wird hier eine C–H-Bindung reversibel gespalten, zur Deracemisierung eignet sich jedoch auch eine labile C–C-Bindung. Die Gilmour-Gruppe zeigte dies an Cyclopropanen wie dem Substrat rac-(34). Hier ist die Lewis-Säure (35) dafür verantwortlich, dass nach photochemischer Bildung eines 1,3-Diradikals enantioselektiv der Cyclopropanring entsteht.³⁵⁾ In Molekülen des Typs rac-(36) spaltete die Forschungsgruppe von Zuo mit einem Elektronentransfer die Bindung neben der Alkoholgruppe. Dabei ist der Phosphat-Ligand (37) wichtig, sowohl um im photochemischen Schritt die Enantiomere zu erkennen als auch dabei, Produkte enantioselektiv entstehen zu lassen.³⁶⁾

Thorsten Bach

TU München

thorsten.bach@ch.tum.de

Biomimetische Photokatalysatoren

Molekulare Flavinkatalysatoren erwiesen sich als vielseitig, um Aminosäuren zu modifizieren (Abbildung 8a, oben). Die Arbeitsgruppe Procter setzte Methionin (38) unter Bestrahlung zu Nitril (39) um. Das photochemisch angeregte Riboflavin-Tetraacetat (40) oxidiert dabei im ersten Schritt den Thioether.³⁷⁾ Die Storch-Gruppe nutzte ein angeregtes Flavin (41), um ein H-Atom- von 2,2-Dimethyl-1,3-dioxolan zu abstrahieren. So wurde Dehydroalanin (42) in die nichtnatürliche Aminosäure 4,5-Dihydroxynorvalin (43) überführt.^38a)

Die Flavinkatalyse wurde zudem um zwei Reaktivitäten erweitert (Abbildung 8a, unten): Durch elektrochemische Oxidation entstand das protonierte Flavin (44), das nach Anregung bei λ_max = 370 nm zu einer starken Photosäure wird. Forscher um Bloom nutzten dies in einer katalytischen Ritter-Reaktion zu Acetamid (45).³⁹⁾ Wie Storch durch eine ungewöhnliche Ringkontraktion zeigte, wird das modifizierte Flavin (46) zu einem verengten Analogon (47) umgesetzt. Dieses hat eine deutlich höhere Triplett-Energie als (46) und eignet sich zur Sensibilisierung organischer Moleküle, beispielsweise cyclischer Diene.^38b)

Photochemisch angeregte Hantzsch-Ester (48) als Mimese des Nicotinamids lieferten ebenfalls spannende Reaktionen (Abbildung 8b). Die Peters-Gruppe regenerierte katalytische Mengen an Samarium(II) und vermittelte dadurch die radikalische C–C-Bindungsknüpfung zwischen Keton (49) und Phenylacrylat zu Lacton (50).⁴⁰⁾

Die Forschungsgruppe um Gryko nutzte photochemisch angeregtes Cobalamin als Katalysator (Abbildung 8c).⁴¹⁾ Die Strategie beruht dabei darauf, zunächst Cobalamin (51) mit Zink und Alkylbromid umzusetzen und so das entsprechende Cobaltorganyl zu generieren. Durch Bestrahlung setzt dieses ein Alkylradikal frei, welches dann mit Olefin (52) zu Diester (53) reagiert.

Golo Storch

TU München

golo.storch@tum.de

Photoenzymatische Katalyse

Neben flavinabhängigen Enzymen rücken weitere Enzymklassen in den Fokus der proteinbasierten Photokatalyse. Optimierung mit gerichteter Evolution liefert dabei oft exzellente Stereoselektivitäten (>90 % ee).

Neuere Arbeiten an Flavoenzymen generieren radikalische Intermediate nicht wie bisher üblich reduktiv, sondern oxidativ durch Decarboxylierung. Die Fettsäure-Photodecarboxylase, eines der wenigen natürlichen Photoenzyme, wurde für die C–C-Bindungsknüpfung optimiert. Enzymvarianten ermöglichten stereodivergente Cyclisierungen (Abbildung 9a).⁴²⁾ Eine andere Studie nutzte eine flavinabhängige En-Reduktase in Kombination mit Ru(bpy)₃Cl₂, um durch photokatalytische Decarboxylierung intermolekulare Alkylierungen enantioselektiv zu realisieren (Abbildung 9b).

Gänzlich ohne Cofaktor kommt eine weitere Photodecarboxylase aus; sie wurde aus einer Aldolase entwickelt und verfügt lediglich über ein katalytisch aktives Lysin (Abbildung 9c).⁴⁴⁾ Das Enzym bildet mit einem Zimtaldehyd als Substrat ein kovalentes Iminium-Intermediat. Wird dieses angeregt, decarboxyliert es oxidativ das zweite Substrat via Einelektronenübertragung. Daran schließt sich im Protein eine stereospezifische radikalische Kupplung an.

Auch Enzyme mit Pyridoxalphosphat (PLP) und Thiaminpyrophosphat (TPP) als Cofaktoren lassen sich synergistisch mit chemischen Photoredox-Katalysatoren einsetzen. So wurde die PLP-abhängige Threonin-Aldolase genutzt, um in einer oxidativen sp³-sp³-Kreuzkupplung stereoselektiv Aminosäuren zu synthetisieren (Abbildung 9d).⁴⁵⁾ Die TPP-abhängige Benzaldehyd-Lyase wurde für eine enantioselektive radikalische Kreuzkupplung mit drei Substratkomponenten optimiert (Abbildung 9e).⁴⁶⁾

Photoenzyme werden auch aus computergenerierten Proteingerüsten entwickelt. Ein erstes Beispiel basiert auf einem Designerprotein mit Metallbindestelle für Lanthanoide, mit dem sich Diole durch Cer-Photoredoxkatalyse radikalisch spalten lassen (Abbildung 9f).⁴⁷⁾

Cathleen Zeymer

TU München

cathleen.zeymer@tum.de

Reaktionsmedien für die Photochemie

Aggregate beschleunigen Reaktionen nicht nur, sondern liefern auch neue Selektivitäten.^48–50) In der Photochemie wird der Einfluss von Aggregaten auf den Reaktionsverlauf wichtiger. Polar-protische Lösungsmittel wie Wasser oder fluorierte Alkohole sind dabei vielseitig einsetzbar, was auf der Bildung starker H-Brückennetzwerke und dem hydophoben Effekt beruht.

Durch die Wechselwirkung zwischen wasserunlöslichen Arenen, Heteroarenen, Enaminen oder Estern mit unterschiedlicher Elektronenaffinität beobachtete die Arbeitsgruppe um König die Bildung von Elektronen-Donor-Akzeptor(EDA)-Komplexen (54) auf der Wasseroberfläche (Abbildung 10a).¹⁹⁾

Da die EDA-Komplexe einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als ihre einzelnen Bestandteile, formte sich eine eutektische Öl-Wasser-Grenzfläche. Die Reaktanden in der Ölphase gehen an der Phasengrenze H-Brückenbindungen mit den Wassermolekülen ein, was photochemische Reaktionen beschleunigt, etwa Kreuzkupplungen oder [2+2]-Cycloadditionen.

Elektronenarme Arene (56) bilden in Gegenwart von 1,1,1,3,3,3-Hexafluoroisopropanol (HFIP) Charge-Transfer(CT)-Komplexe mit hypervalenten Iodanen (55) (Abbildung 10b).⁵¹⁾ Werden diese mit blauem Licht bestrahlt, oxidiert der Arylring in (56). Die Gruppen um Maseras und Pérez-Temprano nutzten dies, um N- (58) und O-haltige Heterocyclen (59) herzustellen. HFIP war für diese intramolekulare C(sp³)-H-Funktionalisierung entscheidend: Es erleichtert die Bildung des CT-Komplexes, erhöht das Oxidationspotenzial des Iodans (55) und stabilisiert das Radikalkation-Intermediat (57).

Die Gruppe um Thongsornkleeb nutzte die Bildung eines EDA-Komplexes zwischen Acylnitromethanen (60) und dem Lösungsmittel HFIP (61) unter Einbindung von Li-Ionen für die erste photochemische Machatti-De-Sarlo-Reaktion. Dadurch wurden Acylisoxazole (62) erhalten (Abbildung 10c).⁵²⁾

Tanja Gulder

Universität des Saarlandes Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS)

Tanja.gulder@uni-saarland.de

Quantenchemische Methoden

Einer Studie der Stein-Gruppe zu angeregten Zuständen mit intermolekularem Ladungstransfer (CT) zufolge liefern orbitaloptimierte Dichtefunktionaltheorie(DFT)-Rechnungen genauere Anregungsenergien als die häufig genutzte zeitabhängige DFT (TDDFT).⁵³⁾

Dass die weitverbreiteten Delta-self-consistent-field(ΔSCF)-Methoden genauer sind, liegt an der variationellen Bestimmung des angeregten Zustands durch manuelle Manipulation des Aufbauprinzips.

Ein häufiges Problem von ΔSCF ist eine unerwünschte Relaxation in den Grundzustand; dieses haben Selenius et al. für intramolekulare CT-Anregungen durch Einfrieren der an der Anregung beteiligten Orbitale in den ersten Iterationsschritten gelöst.⁵⁴⁾

Eine Alternative zu ΔSCF-Methoden bietet die COOX-Methode der Ochsenfeld-Gruppe:^55,56) Sie bestimmt variationell beliebige angeregte Zustände basierend auf constrained-DFT. Die Anregungsenergien lassen sich genau berechnen, und die Elektronendichte der angeregten Zustände ähnelt den Ergebnissen aufwendigerer Methoden wie algebraic diagrammatic construction (ADC) (Abbildung 11). So eröffnet COOX einen effizienten Weg, um Moleküleigenschaften angeregter Zustände zu bestimmen. Dies demonstrierte die Gruppe auch anhand von Strukturoptimierungen angeregter Zustände.

Um die Dynamik photochemischer Reaktionen größerer Moleküle zu modellieren, wurden in den letzten 20 Jahren effiziente quantenchemische Methoden wie TDDFT entwickelt. Mit Ab-initio-Molekulardynamik in angeregten Zuständen lassen sich wichtige photochemische Observablen wie vibronische Spektren^57a) oder Quantenausbeuten^57b) berechnen, wie die Arbeitsgruppe Tapavicza gezeigt hat.

TDDFT kommt jedoch an ihre Grenzen, wenn sie die Dynamik nahe konischer Durchschneidungen beschreiben soll. Mehrkonfigurationsmethoden bilden diese Regionen genauer ab, erfordern aber mehr Rechenaufwand und eignen sich daher nicht für größere Moleküle. Dafür gibt es Methoden, die die Effizienz von TDDFT mit der Genauigkeit von Mehrkonfigurationsmethoden kombinieren. Ensemble-Dichtefunktionalmethoden wie Restricted Ensemble-Referenced Kohn-Sham (REKS)⁵⁸⁾ berücksichtigen den Mehrkonfigurationscharakter durch gebrochene Orbitalbesetzungszahlen. Durch optimierte algorithmische Implementierungen für Graphical Processing Units (GPUs)⁵⁸⁾ lassen sich mit diesen Methoden größere Moleküle modellieren, etwa lichtgetriebene nanomolekulare Motoren.

Christian Ochsenfeld, LMU München

christian.ochsenfeld@ cup.uni-muenchen.de

Christopher J. Stein, TU München

christopher.stein@tum.de

Enrico Tapavicza

Universität Regensburg

Enrico.Tapavicza@ chemie.uni-regensburg.de

Künstliche Intelligenz

Die theoretische Chemie liefert Daten schneller und mit höherem Signal-zu-Rausch-Verhältnis als Experimente. Das erleichtert es maschinellen Lernmethoden, präzise Vorhersagen zu treffen.

Besonders die Photochemie profitiert von diesen Entwicklungen, denn nichtadiabatische dynamische Prozesse entscheiden über photochemische Reaktionen, und sie lassen sich durch akkurate quantenchemische Methoden ermitteln. Diese Methoden sind jedoch rechenintensiv. Die Arbeitsgruppen González, Westermayr und Lopez simulierten mit künstlicher Intelligenz (KI) erstmals Molekulardynamik auf Zeitskalen im Nanosekundenbereich.^59,60) Die zugrunde liegenden Modelle erlernten, in welcher Beziehung molekulare Strukturen und deren quantenchemische Eigenschaften stehen (Abbildung 12a).

Schwierig bleibt, diese Modelle von kleinen Molekülen, deren Photochemie sich genau berechnen lässt, auf größere Systeme wie Proteine zu übertragen. Solche Berechnungen enthalten oft starke Annäherungen, und KI könnte hier helfen, größere Systeme genauer zu berechnen.

Generative Modelle sind eine weitere Möglichkeit, KI in der Chemie zu nutzen (Abbildung 12b). Mit Datensätzen wie der Protein Data Bank (PDB) sagen sie Molekülstrukturen vorher. Beispielsweise sagt das Modell AlphaFold2⁶¹⁾ mit über 90-prozentiger Genauigkeit Proteinstrukturen voraus, wofür dessen Entwickler im Jahr 2024 den Nobelpreis erhielten. Das Modell nutzt dabei die umfangreichen, gut kuratierten Datenbanken, die sowohl klare Strukturdaten als auch präzise Sequenzinformationen liefern. Auch der Photochemie nützen generative Modelle: Die Arbeitsgruppen Maurer und Westermayr setzten sie ein, um Moleküle mit optimierten photochemischen Eigenschaften zu entwerfen.⁶²⁾ Beispielsweise wurden Bandlücken in Molekülen optimiert.

Knappe Daten bleiben eine zentrale Herausforderung, KI für Experimentaldaten zu verwenden. Experimentaldatensätze und Publikationen enthalten oft nur positive Ergebnisse, was Modelle verzerren kann. Darüber hinaus fehlt es an standardisierten Plattformen, um Experimentaldaten zu speichern und gemeinsam zu nutzen. Datenerhebung zu automatisieren bietet hier eine Lösung. Wie unter anderem Glorius, Aspuru-Guzik und Waller gezeigt haben, kann KI nicht nur Reaktionen optimieren, sondern auch Synthesewege vorhersagen. In geschlossenen Feedback-Schleifen, den Closed-Loop-Systemen (Abbildung 12c), lassen sich chemische Reaktionen mit KI iterativ und kontinuierlich verbessern.^63,64)

Julia Westermayr

Universität Leipzig

Julia.westermayr@uni-leipzig.de

Transregio 325: Die Autorinnen und Autoren des Trendberichts

Diesen Trendbericht haben die Projektleiterinnen und Projektleiter des durch die DFG geförderten Konsortiums Transregio 325 verfasst. Dieses befasst sich mit Molekülverbänden in der chemischen Photokatalyse. Den Forschungsverbund prägen Kooperativität, Positions- und Stereoselektivität sowie ein tiefes mechanistisches Verständnis der Reaktionen und die Entwicklung neuer spektroskopischer und photochemischer Techniken. Die 18 Transregio-325-Arbeitsgruppen forschen an den Universitäten Leipzig und Regensburg, der Universität des Saarlands sowie an der LMU und der TU München.

V.l.: Julia Rehbein, Patrick Nürnberger, Cathleen Zeymer, Oliver Reiser, Thorsten Bach, Robert Wolf, Burkhard König, Jürgen Hauer, Golo Storch, Kirsten Zeitler, Ruth Gschwind, Joshua Barham, Tanja Gulder und Alexander Breder. Nicht abgebildet: Corinna Hess, Christian Ochsenfeld, Christopher Stein, Enrico Tapavicza und Julia Westermayr.

Geschichte: Warum Photochemie wichtig wurde

Die Photochemie hat sich rasant entwickelt. Noch in den 1990er Jahren selten in der Synthese genutzt, hat sich dies in den letzten 20 Jahren geändert: Photochemie – besonders in Kombination mit Sensibilisatoren und anderen Katalyseverfahren (Metall, Enzyme, Organokatalysatoren) – wird nun breit zur Synthese organischer Moleküle verwendet. Das liegt zum einen an der Entwicklung einfach handhabbarer Lichtquellen auf Basis von Leuchtdioden mit engem Emissionsbereich und hoher Leistung – deshalb probieren mehr Forschende photochemische Reaktionen aus.

Zum anderen erlaubt photoinduzierter Elektronen- oder Energietransfer viele neue Reaktionen, was weltweit Forschungsaktivität angestoßen hat. Wie die Erfahrungen der letzten beiden Jahrzehnte gezeigt haben, sind manche photochemischen Reaktionen hochselektiv, obwohl dabei viel Energie eingetragen wird. Zudem eignen sie sich, um ungewöhnliche und gespannte Gerüste aufzubauen. Heute sind photochemische Reaktionen aus der Synthesechemie nicht mehr wegzudenken.

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• ³ N. R. East, R. Naumann, C. Förster et al., Nat. Chem. 2024, 16, 827–834
• ⁴ T. Huang, P. Du, X. Cheng et al., J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 24515–24525
• ⁵ J. Wellauer, F. Ziereisen, N. Sinha et al., J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 11299–11318
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