17.4.2020 1 Ústav chemických léčiv, Farmaceutická fakulta VFU Brno, Palackého tř. 1946/1, 642 12 Brno Doc. Ing. Pavel Bobáľ, CSc. Organická chemie 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce 2 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Fotochemie - oblast chemie, která studuje interakce mezi atomy nebo molekulami a světlem (resp. elektromagnetickým zářením) Fotochemické reakce - jsou aktivovány absorpcí světla, které dodá systému potřebnou aktivační energii Absorpce světla - nemusí vést k chemické reakci, ale může způsobit změnu elektronové konfigurace molekuly, čímž umožní průběh reakce (která by za normálních podmínek nemohla proběhnout) Fotochemická aktivace je důležitá u některých pericyklických reakcí 2 Základy fotochemie 3 11. Konjugované dieny a ultrafialová spektroskopie Organická chemie HOMO – nejvyšší obsazený molekulový orbital (the highest occupied molecular orbital) LUMO – nejnižší neobsazený molekulový orbital (the lowest unoccupied molecular orbital) 3 Základy fotochemie:Absorpce záření HOMO LUMO   1 2 3* 4* čtyři atomové p-orbitaly elektronová konfigurace v základním stavu elektronová konfigurace v excitovaném stavu (UV záření) h energie 4 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 4 Základy fotochemie 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 Nezářivé přechody: VR - vibrační relaxace (10-14 - 10-11 s) IC - vnitřní konverze (10-14 - 10-11 s) ISC - mezisystémová konverze NRR - neradiační relaxace Q - zhášení DF - zpožděná fluorescence Schéma zářivých a nezářivých přechodů fotoluminiscentní molekuly - Jablonského diagram NRR Zářivé přechody: A - absorpce (~10-15 s) F - fluorescence (10-9 - 10-7 s) P - fosforescence (10-3 - 102 s) VR VR IC A A FF PNRR Q DF ISC S0 S1 S2 T1 Excitovaný tripletový stav Excitovaný singletový stav Excitovaný singletový stav Vybrační energetické hladiny Základní stav 17.4.2020 2 5 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Fluorescence - přechod do nižšího elektronového stavu se stejnou multiplicitou S1→S0 - spinově povolený přechod Fosforescence - přechod mezi stavy s různou multiplicitou T1→S0 - spinově zakázaný přechod Molekuly sloučenin absorbující energii mohou tuto energii předat jiným částicím při vzájemných kolizích nebo mohou emitovat luminiscenční záření Podle způsobu přijetí energie rozdělujeme tento jev tzv. luminiscenci na tyto základní kategorie: Fotoluminiscence - látka absorbovala energii ve formě světelných kvant, Chemiluminiscence - energie byla látce dodána chemickou reakcí, Bioluminiscence - energie byla dodána biologickými pochody, Elektroluminiscence - energie byla dodána působením elektrického pole. 5 Základy fotochemie 6 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie - většina exotermických reakcí uvolňuje energii ve formě tepla - v některých případech se uvolňuje energie ve formě světla - chemiluminiscence - reverzní forma fotochemické reakce - syntéza luminolu 6 Chemiluminiscence NO2 OH O OH O NO2 NH O NH O NH2 NH O NH O Na2S2O4H2N NH2 OH OH NaOH, H2O 7 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Chemiluminiscence luminolu 7 Chemiluminiscence NH2 N O N O O O 8 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Chemiluminiscence luminolu – použití zhášečů 8 Chemiluminiscence 17.4.2020 3 9 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Příklady zhášečů 9 Chemiluminiscence O OHO COOH O O OH HO O NN COOH Cl fluorescein fenolftalein rhodamin B 10 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Příprava TCPO – Cyalume® nebo Snaplight® 10 Chemiluminiscence 11 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Test chemiluminiscence – TCPO + fluorescer 11 Chemiluminiscence O O OO + fluorescer 2 CO2 + 1[fluorescer] 1[fluorescer] fluorescer h 12 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Použití chemiluminiscence: Identifikace stop krve Osvětlovací tyčinky 12 Chemiluminiscence 17.4.2020 4 13 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Iontové reakce Radikálové reakce Pericyklické reakce - součinný mechanismus přes cyklický přechodový stav, - nevznikají meziprodukty (intermediáty), - dělení: - elektrocyklické reakce, - cykloadice, - sigmatropní přesmyky, - cheletropní reakce, - reakce s přesunem skupiny. 13 Základy fotochemie a pericyklické reakce 14 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 14 π-Molekulové orbitaly konjugovaných systemů ethen buta-1,3-dien antivazebný (3 uzly) antivazebný (2 uzly) vazebný (1 uzel) vazebný (0 uzlů) vazebný (0 uzlů) antivazebný (1 uzel) uzel energie 15 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 15 π-Molekulové orbitaly konjugovaných systemů 16 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 16 Molekulové orbitaly a pericyklické reakce antivazebný (5 uzlů) antivazebný (4 uzly) antivazebný (3 uzly) vazebný (2 uzly) vazebný (1 uzel) vazebný (0 uzlů) energie 17.4.2020 5 17 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 17 Molekulové orbitaly a pericyklické reakce - vztah – molekulové orbitaly x pericyklické reakce R. B. Woodward a R. Hoffmann – pericyklické reakce probíhají pouze tehdy, pokud je symetrie MO reaktantů stejná jako symetrie MO produktů (Woodwardova – Hoffmannova pravidla) „Laloky molekulových orbitalů reaktantů v přechodovém stavu musí mít správná algebraická znamínka → může dojít k reakci“ - orbitalová symetrie reaktantu a produktu vzájemně korelují (odpovídají) – reakce je symetricky dovolená (probíhají součinnou cestou za mírných podmínek) - orbitalová symetrie reaktantu a produktu vzájemně nekorelují (odpovídají) – reakce je symetricky zakázána (neprobíhají součinnou cestou, mohou probíhat za energetický náročných podmínek nesoučinným mechanismem, nebo vůbec neprobíhají) 18 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 18 Molekulové orbitaly a pericyklické reakce - Woodwardova – Hoffmannova pravidla – rozbor všech molekulových orbitalů - zjednodušení - Kenichi Fukui – rozbor pouze hraničních orbitalů HOMO – nejvyšší obsazený molekulový orbital (the highest occupied molecular orbital) LUMO – nejnižší neobsazený molekulový orbital (the lowest unoccupied molecular orbital) SOMO – jednou obsazený molekulový orbital (the single occupied molecular orbital) 19 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 19 Pericyklické reakce: Elektrocyklické reakce Elektrocyklické reakce – cyklizace konjugovaného polyenu zahřívání konjugovaný trien cyklohexadien zahřívání konjugovaný dien cyklobuten 20 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 20 Pericyklické reakce: Elektrocyklické reakce Elektrocyklické reakce – základním rysem - sterický průběh - reakce termické - reakce fotochemické zahřívání (2E,4Z,6E)-okta- -2,4,6-trien cis-5,6-dimethyl- cyklohexa-1,3-dien CH3 CH3 H H CH3 CH3 H H zahřívání (2E,4Z,6Z)-okta- -2,4,6-trien trans-5,6-dimethyl- cyklohexa-1,3-dien CH3 H H CH3 CH3 H H CH3 h 17.4.2020 6 21 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 21 Pericyklické reakce: Elektrocyklické reakce Elektrocyklické reakce – základním rysem - sterický průběh - reakce termické - reakce fotochemické cis-3,4-dimethylcyklobuten CH3 CH3 H H trans-3,4-dimethylcyklobuten CH3 H H CH3 CH3 H CH3 H H H CH3 CH3 (2E,4Z)-hexa-2,4-dien (2E,4E)-hexa-2,4-dien 175 °C 175 °C h 22 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie - analýzy krajních laloků MO polyenu, - 2 možnosti: - stejné znaménko na stejné straně - stejné znaménko na opačných stranách (+ - červená) (- - modrá) 22 Pericyklické reakce: Elektrocyklické reakce - stejné znaménko na opačných stranách- stejné znaménko na stejné straně nebo 23 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie - pro vytvoření vazby – okrajové laloky π–systému otočit tak, aby bylo dosaženo vazebné interakce - + s + nebo – s – 23 Pericyklické reakce: Elektrocyklické reakce konrotace disrotace ve směru ve směru pohybu hodinových ručiček ve směru proti směru pohybu hodinových ručiček 24 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Teorie hraničních orbitalů – sterický průběh elektrocyklických reakcí řízen symetrií HOMO polyenů (konfigurace v základním stavu) 24 Sterický průběh termických elektrocyklických reakcí disrotace disrotace (2E,4Z,6Z)-okta-2,4,6-trien (2E,4Z,6E)-okta-2,4,6-trien H CH3CH3 H cis-5,6-dimethylcyklohexa-1,3-dien = CH3 HCH3 H trans-5,6-dimethylcyklohexa-1,3-dien = 17.4.2020 7 25 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie cyklobuten → dien 25 Sterický průběh termických elektrocyklických reakcí konrotace konrotace cis-3,4-dimethylcyklobuten H CH3 H CH3 = trans-3,4-dimethylcyklobuten H CH3 CH3 H = (2E,4Z)-hexa-2,4-dien (2E,4E)-hexa-2,4-dien 26 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie HOMO dienu 26 Sterický průběh termických elektrocyklických reakcí HOMO trienu opačná znaménka stejná znaménka 27 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Organická chemie - 27 Fotochemické elektrocyklické reakce 4* 3* 2* 1* LUMO HOMO základní stav excitovaný stav LUMO HOMO konjugovaný dien 5* 4* 3* 2* LUMO HOMO základní stav excitovaný stav LUMO HOMO konjugovaný trien 1* 6* energie 28 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 28 Fotochemické elektrocyklické reakce konrotace disrotace (2E,4E)-hexa-2,4-dien cis-3,4-dimethylcyklobuten excitovaný stav HOMO excitovaný stav HOMO základní stav HOMO základní stav HOMO (2E,4Z,6E)-okta-2,4,6-trien trans-5,6-dimethyl- cyklohexa-1,3-dien 17.4.2020 8 29 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 29 Fotochemické elektrocyklické reakce Elektronové páry (dvojné vazby) Termická reakce Fotochemická reakce sudý počet konrotace disrotace lichý počet disrotace konrotace Stereochemická pravidla pro elektrocyklické reakce 30 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Cykloadiční reakce – spojení dvou nenasycených molekul – vznik cyklického produktu – řízeny orbitalovou symetrií reaktantů Dielsova-Alderova cykloadiční reakce – [4 + 2] – dien (4 π-elektrony) a dienofil (2 π -elektrony) – stereošpecifické 30 Cykloadičné reakce buta-1,3-dien COOEt COOEt H H COOEt H H EtOOC COOEt COOEt COOEt H H H H COOEt cis trans 1 1 2 2 1 2 3 4 31 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie [4 + 2] cykloadice 31 Cykloadičné reakce O O O H H O O O xylen 140 °C 32 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Cykloadice probíhá – koncové laloky π-systému obou nenasycených reaktantů měly takovou symetrii, aby mohla vzniknout vazba, – dvě cesty – suprafaciální a anatarafaciální, – suprafaciální cykloadice – stejné laloky jednoho reaktantu a stejné laloky druhého reaktantu Suprafaciální: 32 Cykloadičné reakce nebo 17.4.2020 9 33 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Antarafaciální cykloadice – k vazebné interakci dochází mezi laloky na stejné straně jednoho z reaktantů a laloky na opačných stranách druhého reaktantu 33 Cykloadičné reakce otočení Suprafaciální a antarafaciální cykloadice – symetricky dovolené Antarafaciální – sterické pnutí – zkroucení π-systemu – u malých systémů neprobíhá 34 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Podle teorie hraničních oritalů – vazebná interakce mezi HOMO jednoho reaktantu a LUMO druhého reaktantu - [4 + 2] cykloadice – Dielsova-Alderova reakce - LUMO dienu a HOMO alkenu (dienofilu) nebo opačně - koncové laloky – suprafaciálně – termicky – probíhá za mírných podmínek 34 Sterický průběh cykloadičních reakcí suprafaciálně dien – základní stav LUMO alken – základní stav HOMO 35 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Dien – lineární nebo cyklický, – el. bohatý, donorní substituent – konformace s-cis 35 Cykloadičné reakce – požadavky na dieny reaktivní nereaktivní možnost rotace 36 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie musí zaujmout s-cis konformaci 36 Cykloadičné reakce – požadavky na dieny reaktivní nereaktivní ! nemožnost rotace ! 17.4.2020 10 37 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Dienofil – lineární nebo cyklický, – el. chudobný, akceptorní substituent 37 Cykloadičné reakce – požadavky na dienofily 38 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 38 Cykloadičné reakce – stereochemie 39 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 39 Cykloadičné reakce – stereochemie exo a endo přístup 40 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 40 Cykloadičné reakce – stereochemie 17.4.2020 11 41 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 41 Cykloadičné reakce – stereochemie 42 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 42 Cykloadičné reakce – stereochemie 43 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 43 Cykloadičné reakce O NH O O + O NH O O O N H O O exo-forma endo-forma 90 °C 25 °C zahřívání 44 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 44 Cykloadičné reakce – regioselektivita 17.4.2020 12 45 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 45 Cykloadičné reakce – regioselektivita el. chudobné centrum el. bohaté centrum 46 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 46 Cykloadičné reakce – regioselektivita 47 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 47 Cykloadičné reakce – regioselektivita el. chudobné centrum el. bohaté centrum 48 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 48 Cykloadičné reakce – regioselektivita 17.4.2020 13 49 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Cykloadiční reakce – termické [2 + 2] dvou alkenů neprobíhají – fotochemické [2 + 2] probíhají 49 Cykloadičné reakce C C C C + nereaguje cyklobutan C C CC h zahřívání 1 2 1 2 50 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie [2 + 2] cykloadice – termicky – nereaguje – fotochemicky – reaguje 50 Sterický průběh cykloadičních reakcí antarafaciálně suprafaciálně termická reakce fotochemická reakce sterické pnutí nereaguje cyklobutan LUMO základního stavu alkenu 2 HOMO základního stavu alkenu 1 LUMO základního stavu alkenu 2 HOMO excitovaného stavu alkenu 1 51 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Fotochemické [2 + 2] cykloadiční reakce – probíhají hladce – vhodná metoda pro syntézu cyklobutanů 51 Sterický průběh cykloadičních reakcí O cyklohex- -2-en-1-on 2-methyl- propen + h O H H 40 % 1 2 1 2 termické a fotochemické cykloadiční reakce – probíhají s opačnou stereochemií 52 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Cykloadiční reakce dipolu (azidy, diazoalkany, ozon, nitriloxidy, nitrony, …) s dipolarofilem (alkeny, alkyny, …) 52 1,3-Dipolární cykloadiční reakce ([3 + 2] cykloadice) 17.4.2020 14 53 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Huisgenova cykloadice 53 1,3-Dipolární cykloadiční reakce ([3 + 2] cykloadice) 54 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Ozonolýza 54 1,3-Dipolární cykloadiční reakce ([3 + 2] cykloadice) 55 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 55 Sterický průběh cykloadičních reakcí Elektronové páry (dvojné vazby) Termická reakce Fotochemická reakce sudý počet antarafaciálně suprafaciálně lichý počet suprafaciálně antarafaciálně Stereochemická pravidla pro cykloadiční reakce 56 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Sigmatropní přesmyk – proces, ve kterém substituent vázaný σ-vazbou migruje přes π-elektronový systém z jedné polohy do druhé – ve výchozí sloučenině se σ-vazba přeruší, π-vazby se přesunou a v produktu se vytváří nová σ-vazba [1,5] a [3,3] – typ přesmyku – označuje polohy, do kterých nastává migrace 56 Sigmatropní přesmyky C C C C H C 1 1 2 3 4 5 přesmyk [1,5] přerušená -vazba C C C C H C C C C C H C 1 1 2 3 4 5 vytvořená -vazba 1,3-dien 1,3-diencyklický přechodový stav 17.4.2020 15 57 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Sigmatropní přesmyk – proces, ve kterém substituent vázaný σ-vazbou migruje přes π-elektronový systém z jedné polohy do druhé – ve výchozí sloučenině se σ-vazba přeruší, π-vazby se přesunou a v produktu se vytváří nová σ-vazba [1,5] a [3,3] – typ přesmyku – označuje polohy, do kterých nastává migrace 57 Sigmatropní přesmyky C C C C C O 2 1 1 2 3 3 přesmyk [3,3] přerušená -vazba C C C C C O C C C C C O 2 1 1 2 3 3 vytvořená -vazba allyl(vinyl)ether nenasycený keton cyklický přechodový stav Řízeny orbitalovou symetrií – dva způsoby: – migrací skupiny po stejné straně π-systému – suprafaciální přesmyk, – migrací skupiny z jedné strany π-systému na opačnou – antarafaciální přesmyk. 58 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 58 Sigmatropní přesmyky suprafaciální (stejná strana) antarafaciální (opačné strana) Suprafaciální i antarafaciální přesmyky symetricky dovolené Suprafaciální probíhají snáze – geometrické důvody 59 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 59 Sigmatropní přesmyky Elektronové páry Termická reakce Fotochemická reakce sudý počet antarafaciální suprafaciální lichý počet suprafaciální antarafaciální Stereochemická pravidla pro sigmatropní přesmyky 60 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Sigmatropní přesmyk [1,5] – přemístění – 3 elektronové páry (2 π-vazby a 1 σ-vazba) – suprafaciální přesmyk 60 Příklady termických sigmatropních přesmyků [1,5]-posun H3C H 25 °C [1,5]-posun 25 °C CH3 H H CH3 H H H [1,5]-posun zahřívání CH2 CD3 CH2D CD2 17.4.2020 16 61 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 61 Příklady termických sigmatropních přesmyků Sigmatropní přesmyk [1,5] – přemístění – 3 elektronové páry (2 π-vazby a 1 σ-vazba) – suprafaciální přesmyk přechodový stav Analogický sigmatropní přesmyk [1,3] – není znám – antarafaciální přesmyk – stericky nevýhodná cesta 62 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 62 Příklady termických sigmatropních přesmyků O O H HO [3,3] tautomerní přesmyk allyl(aryl)ether o-allylfenol Claisenův přesmyk O O[3,3] allyl(vinyl)ether -nenasycená karbonylová sloučenina     Claisenův přesmyk Další významné sigmatropní reakce: Copeho přesmyk hexa-1,5-dienu a Claisenův přesmyk allyl(vinyl)etherů nebo allyl(aryl)etherů - [3,3] sigmatropní přesmyky 63 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Copeho přesmyk 63 Příklady termických sigmatropních přesmyků [3,3] 1,5-dien nový 1,5-dien 64 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Reorganizace 3 elektronových párů (2 π-vazby a 1 σ-vazba) – suprafaciální přesmyk 64 Příklady termických sigmatropních přesmyků Claisenův přesmyk allyl(vinyl)etherů Copeho přesmyk hexa-1,5-dienu suprafaciálně suprafaciálně 17.4.2020 17 65 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Reorganizace 3 elektronových párů (2 π-vazby a 1 σ-vazba) – suprafaciální přesmyk 65 Příklady termických sigmatropních přesmyků 3 2 1 [3,3] suprafaciálnì CH H2C CH2 HC CH2 H2C CH H2C CH2 HC CH2 H2C == 66 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 66 Příklady termických sigmatropních přesmyků antarafaciálně 67 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie Cykloadice nebo retro-cykloadice: vznik nebo zánik 2 vazeb na 1 atomu 67 Cheletropní reakce S O O [4 + 1] S O O C [4 + 1] C R R [2 + 1] O O R R 68 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie - přesun vodíku 68 Reakce s přesunem skupiny 17.4.2020 18 69 23. Základy fotochemie a pericyklické reakce Organická chemie 69 Reakce s přesunem skupiny - enové reakce – jsou kombinací cykloadičních reakcí a sigmatropních přesmyků – el. pár získaný odštěpením vodíku v allylové poloze je zdrojem elektronů pro vytvoření nové π vazby; partnerem je obvykle alken s elektronoakceptorní skupinou a na jeho π elektrony se pak proton naváže; enové reakce mohou však také probíhat intramolekulárně