Photoinduzierte Freisetzung von kleinen Molekülen und Radikalen aus Komplexen:
Photo- CORMs, Photo-NORMs und SBLCT

Einleitung

Das Herz rast, stechende Schmerzen in der Brust, typische Anzeichen für eine Angina Pectoris, es droht ein Herzinfarkt. Der Notarzt verabreicht Glycerintrinitrat oder Natriumnitrosylprussiat Na2[Fe(CN)5(NO)].2H2O. Beide setzen Nitrosyl (NO) frei, das rasch und effizient die Herzgefäße erweitert, den Blutdruck senkt und Schlimmeres verhindert. Die Freisetzung von NO aus dem Nitrosylprussiat erfolgt durch biologische Reduktion des Komplexes, welcher dadurch instabil wird und den NO-Ligand abspaltet. NO kann aber auch durch eine Photoreaktion aus entsprechenden Komplexen abgespalten werden (Abbildung 1). [1,3,4]

Abbildung 1: Lichtinduzierte Abspaltung von NO aus Übergangsmetallkomplexen; adaptiert aus [3b].

Neben NO, spielen auch H2S und CO als Neurotransmitter eine bedeutende Rolle in der Biologie (auch des Menschen). Carbonyl (CO) ist isoelektronisch zur NO+-Form von Nitrosyl (Nitrosonium), und eine Analogie in der elektronischen Struktur bedeutet in der Chemie meist hohe Ähnlichkeit in der Reaktivität und Anwendung. So verwundert es kaum, dass es auch Komplexe gibt, die photoiniziiert CO freisetzen, sogenannte Photo-CORMs (von CORM = CO releasing molecules; Abbildung 2). [1,4,5]

Abbildung 2: Schemata von bekannten Photo-CORMs; nach [4a].

Neben der Abspaltung von neutralen Molekülen (Liganden) wie NO oder CO kennt die Photochemie von Komplexen aber auch die Abspaltung von mehr oder weniger reaktiven Radikalen beispielsweise der Gruppe 14, wie etwa Alkyl- (CR3), Silyl- (SiR3), oder Stannyl-Radikale (SnR3) (Abbildung 3). [2,6] Sie können so gezielt erzeugt und eingesetzt werden, um Radikalreaktionen zu starten, etwa in radikalischen Polymerisationen. [7]

Abbildung 3: SBLCT (Sigma-Bond-to-Ligand Charge Transfer)-Aktivierung eines Alkyl-Liganden.

Wie kann man die photoinduzierte Freisetzung verstehen?

Alle oben genannten Phänomene lassen sich mit einem recht einfachen Modell verstehen. Unter der Annahme, dass in einem stabilen Molekül oder Komplex das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO – highest occupied molecular orbital) einen bindenden Charakter hat, während das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO – lowest unoccupied molecular orbital) eher antibindenden Charakter hat, muss nur das LUMO populiert werden oder das HOMO depopuliert, um eine Destabilisierung des Moleküls zu erzielen (Abbildung 4).

Abbildung 4: (A): Vereinfachtes Schema zur optischen Anregung. (B): HOMO und LUMO für einen oktaedrischen d6-konfigurierten Komplex [ML6] (L = Liganden).

Nimmt man das Nitrosylprussiat als Beispiel, wird klar, dass sowohl Reduktion (Population des LUMO) als auch Photoanregung (Population des LUMO + Depopulation des HOMO) geeignet sind, den Komplex zu destablisieren. Ist dann eine bestimmte Metall-Ligand-Bindung, hier die Fe-NO-Bindung, besonders stark an HOMO und/oder LUMO beteiligt, wird vor allem diese Metall-Ligand-Bindung labilisiert.

In Komplexen kennt man eine ganze Reihe unterschiedlicher angeregter Zustände, und wiederum vereinfacht kann man sagen, dass die Art des angeregten Zustands darüber entscheidet, was abgespalten wird - ganze Liganden mitsamt ihrem freien Elektronenpaar, wie dies bei NO und CO der Fall ist (heterolytische Spaltung der M-L-Bindung), oder der Ligand als Radikal (homolytische Spaltung).

Bei der Abspaltung von NO und CO werden entweder Ligandenfeld (d-d)-Zustände oder sogenannte MLCT (metal-to-ligand charge transfer)-Zustände diskutiert. [8] Betrachten wir als einfachstes Beispiel oktaedrische Komplexe mit großer Ligandenfeldaufspaltung ΔO (NO und CO sorgen selbst für ein starkes Ligandenfeld) wird klar, dass das eg LUMO stark antibindenden Charakter hat (Abbildung 4 (B)) und seine Population zur Abspaltung von Liganden führt (Abbildungen 1 und 2). Bei der Abspaltung von Radikalen aus angeregten Zuständen erfolgt im Gegensatz dazu eine homolytische Bindungsspaltung, die sehr häufig bei Komplexen der Platinmetalle (Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt) mit anionischen Liganden der Gruppe 14, etwa Carbanionen -CR3 auftritt. [2,6] Die Photoanregung, ein SBLCT (sigma-bond-to-ligand charge transfer)-Übergang depopuliert das HOMO, welches auf der ohnehin recht homolyselabilen M-C Sigmabindung lokalisiert ist. Weitere thermische Anregung führt dann zum Bindungsbruch. Dabei entstehen dann ein Ligand-Radikal und ein Radikalkomplex mit entsprechender Folgechemie (Abbildung 3). Selbstverständlich lassen sich grundsätzlich alle Sigma-Bindungen in einem Molekül spalten, dazu muss man die entsprechenden σ-σ*-Zustände populieren. Die Spaltung erfolgt auch hier als homolytischer Bindungsbruch, allerdings sind die hierfür erforderlichen Energien meist sehr hoch und liegen im UV und harten UV-Bereich des Spektrums (<250 nm), während SBLCT-Absorptionen im sichtbaren Bereich bis hin in den nahen IR-Bereich vorkommen (400-900 nm).


Welche Anwendungen für diese photoinduzierten Freisetzungen gibt es?

So gut die photoinitiierte Abspaltung von NO und CO aus Komplexen auch untersucht ist und Licht ja auch sehr selektiv einsetzbar ist, medizinische Anwendungen von Photo-CORMs oder Photo-NORMs sind noch im Experimentierstadium. [1] Die bedeutenste Limitierung ist natürlich der nur beschränkt mögliche Einsatz von kurzwelligen Lichtquellen zur Aktivierung der Komplexe im Inneren von Patienten. Dies gilt allerdings nicht z.B. für endoskopische oder massive Operationen, in denen NO oder CO als Mittel gegen Sepsis eingesetzt werden könnten. Weiterentwicklungen gehen dahin, besser gewebegängige NIR-Bestrahlung anzuwenden und die Photo-CORMs oder -NORMs in poröse Materialien einzubauen (Abb. 5 links). [9]

Abbildung 5. Links: Freigesetztes NO aus dem Mn-Komplex [Mn(PaPy3)(NO)](ClO4), eingelagert in den Poren des Alumosilikats MCM-41, bekämpft ein multi-resistentes Pathogen (PaPy3H = N,N-bis(2-pyridylmethyl)amine-N-ethyl-2-pyridine-2-carboxamide) [9]. Rechts: Freisetzung von CO aus [Mn(bpy)(CO)2(PPh3)2](OTf), eingelagert in NaGdF4:Tm,Yb@NaGdF4-UCNPs (UNCP = upconversion nanoparticles) [10].

Noch eleganter ist es nanoskalige Materialien als Host zu verwenden, die in situ aus sehr langwelliger und gewebegängiger NIR-Strahlung durch upconversion kurzwelliges CO- oder NO-aktivierendes Licht machen (Abb. 5, rechts). [10] Jenseits medizinischer Überlegungen gibt es natürlich mannigfaltige biochemische Anwendungen in Systemen (Lebewesen), in denen der Eintrag von Licht kein Problem darstellt.

Der Einsatz von Komplexen der Platinmetalle mit SBLCT-angeregten Zuständen zur Erzeugung von Radikalen wird im Wesentlichen durch den hohen Preis der Edelmetalle beschränkt. Aber in der „billigen“ 3d-Reihe gibt es zwei interessante Kandidaten, die beiden relativ edlen Metalle Cu und Co. Auch bei ihnen sind M-C-Bindungen relativ unpolar aber thermodynamisch homolyse-labil. So wundert es nicht, dass Cobalamine mit Alkyl-Liganden und entsprechende einfache organometallische Cobalt-Komplexe das SBLCT-Phänomen zeigen (Abb. 6). [2,11]

Abbildung 6. Photochemische Freisetzung eines Ethyl-Radikals aus dem Ethyl-Cobalamin (Et-Cbl) und radikalische Vernetzung von PEG-monoacrylat [11].

Literatur

[1] Die Begriffe Photo-CORMs und -NORMs stehen für photoinduzierbare „CO releasing molecules“, und „NO releasing molecules“, K. B. Karlin, Progress in Inorganic Chemistry, Vol. 58, Wiley, Hoboken, 2014.

[2] SBLCT verkürzt den etablierten Begriff „sigma-bond-to-ligand charge transfer. J. A. Weinstein, Inorganic Photochemistry in R. C. Evans, P. Douglas, H. D. Burrows (eds.), Applied Photochemistry, Springer 2013.

[3] a) A. D. Ostrowski, P. C. Ford, Metal complexes as photochemical nitric oxide precursors: Potential applications in the treatment of tumors, Dalton Trans. 2009, 10660–10669; b) P. C. Ford, S. Wecksler, Photochemical reactions leading to NO and NOx generation Coord. Chem. Rev. 2005, 249, 1382-1395.
 
[4] a) U. Schatzschneider, Photoactivated Biological Activity of Transition-Metal Complexes, Eur. J. Inorg. Chem. 2010, 1451–1467; b) U. Schatzschneider, PhotoCORMs: Light-triggered release of carbon monoxide from the coordination sphere of transition metal complexes for biological applications, Inorg. Chim. Acta 2011, 374, 19-23.

[5] M. A. Gonzales, P. K. Mascharak, Photoactive metal carbonyl complexes as potential agents for targeted CO delivery, J. Inorg. Biochem. 2014, 133, 127-135.

[6] a) J. van Slageren, A. Klein, S. Zalis, Ligand-to-ligand charge transfer states and photochemical bond homolysis in metal-carbon bonded platinum complexes, Coord. Chem. Rev. 2002, 230, 193-211; b) I. R. Farrell, A. Vlcek Jr., Mechanisms of ultrafast metal–ligand bond splitting upon MLCT excitation of carbonyl-diimine complexes, Coord. Chem. Rev. 2000, 208, 87-101.

[7] J. Paczkowski, D. C. Neckers, Photoinduced Electron Transfer Initiating Systems for Free-radical Polymerization, in V. Balzani (ed.) Electron Transfer in Chemistry, Wiley 2001.

[8] W. Kaim, S. Ernst, S. Kohlmann, Farbige Komplexe: das Charge-Transfer-Phänomen, Chemie i. U. Zeit 1987, 21, 50-58.

[9] B. J. Heilman, J. St. John, S. R. J. Oliver, P. K. Mascharak, Light-Triggered Eradication of Acinetobacter baumannii by Means of NO Delivery from a Porous Material with an Entrapped Metal Nitrosyl, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11573-11582.

[10] A. E. Pierri, P.-J. Huang, J. V. Garcia, J. G. Stanfill, M. Chui, G. Wu, N. Zheng, P. C. Ford, A photoCORM nanocarrier for CO release using NIR light, Chem. Commun. 2015, 51, 2072-2075.

[11] Z. L. Rodgers, R. M. Hughes, L. M. Doherty, J. R. Shell, B. P. Molesky, A. M. Brugh, M. D. E. Forbes, A. M. Moran, D. S. Lawrence, B12-Mediated, Long Wavelength Photopolymerization of Hydrogels, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3372−3378.