| License: Publishing license for publications excluding print on demand (6MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-300273
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.30027
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 7 April 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Ruth M. Gschwind |
| Date of exam: | 20 May 2014 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Arbeitskreis Prof. Dr. Ruth Gschwind |
| Keywords: | NMR, flavin, photocatalysis |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 30027 |
Abstract (English)
Nature makes broad use of sunlight as an energy source for chemical conversions. In recent years the use of light as a driving force for chemical conversions has gained much attention in synthetic chemistry and the area of photocatalysis has seen rapid advances. These rapid developments in synthetic applications have heightened the need for comprehensive mechanistic pictures of the underlying ...
Abstract (English)
Nature makes broad use of sunlight as an energy source for chemical conversions. In recent years the use of light as a driving force for chemical conversions has gained much attention in synthetic chemistry and the area of photocatalysis has seen rapid advances. These rapid developments in synthetic applications have heightened the need for comprehensive mechanistic pictures of the underlying mechanisms to enable a rational design of photocatalytic systems. Transient absorption spectroscopy has proven to be a very powerful technique for the study of photochemical reactions as it provides access to the transient excited intermediates of the absorbing chromophore. Not limited to light-absorbing molecules, NMR can provide additional information about structure, solvent effects, aggregations or chemical exchange. However, far too little attention has been paid to the application of NMR techniques for mechanistic investigations on photocatalytic reactions despite the manifold information accessible directly by means of NMR.
This thesis focuses on the application of NMR spectroscopic techniques for the investigation of photocatalytic reactions. The application of well-established modern NMR techniques to photocatalytic reactions was accomplished by the development of a device for in situ illumination of NMR samples. To obtain a comprehensive picture of the reaction mechanisms NMR spectroscopy was complemented by other spectroscopic techniques providing access to species inaccessible by NMR spectroscopy. Paramagnetic species were detected by means of UV/Vis and EPR spectroscopy along with the diamagnetic species detected by NMR spectroscopy. Moreover, Photo-CIDNP spectroscopy was employed as a further complementing technique to study the initial radical pair of the photocatalytic reactions. As a central model system for the investigation the flavin catalyzed photooxidation of benzyl alcohols was chosen for its general importance and the good spectroscopic properties of the system.
The importance of photocatalyst aggregations for its reactivity was shown by NMR aggregation studies in combination with synthetic approaches. It is shown how the photocatalyst aggregation, its photophysical properties and reactivity can be tuned by synthetically modifying the steric demand of the flavin side chain. By means of 1H-DOSY solution NMR the solvent dependent self-aggregation of flavin photocatalysts was revealed. By combination of crystal structure analysis with DOSY aggregation studies the contributions of hydrogen bonds and π-π interactions for flavin self-aggregations were identified. The importance of photocatalyst self-aggregation for the quantum yields of the catalyzed reactions is shown on the model system of the photooxidation of benzyl alcohols where the sterically demanding flavins show quantum yields higher by almost one order of magnitude. Additionally pre-associated flavin-substrate complexes are investigated by NMR-titration and 1H-DOSY NMR. The insights in the intermolecular interaction modes of flavins in terms of self-aggregations and flavin-substrate aggregation are crucial for the future design of effective flavin photocatalysts and for the comprehension of the underlying reaction mechanisms.
In the framework of this thesis an LED based illumination device for the in situ illumination of NMR samples was developed in order to apply the whole variety of NMR techniques to the investigation of photochemical systems. Continuous or alternatively pulsed operation of the LEDs is realized with the help of a one-stage electronic circuit switched directly by the NMR spectrometer. Pulsed operation of the LEDs at high powers in low duty cycles provides exceptional high optical powers and makes the setup suitable even for single millisecond time resolved Photo-CIDNP spectroscopy. Continuous operation of the LEDs provides direct comparability with conditions in synthetic chemistry. The LEDs are efficiently coupled to an optical fiber guiding the light into the spectrometer without the need for additional optics. For a uniform and efficient illumination of the NMR sample over the full length of the receiver coil the tip of the optical fiber is roughened by sandblasting. The amount of light brought into the NMR sample is tremendously increased by the combination of the different techniques and makes LEDs an easy, versatile and handy light source for the in situ illumination of NMR samples. The presented LED based illumination device makes photo induced chemical processes accessible by means of NMR in a very easy to implement manner. It is thus expected to contribute essentially to the understanding and further development of all kinds of photo induced or controlled chemical processes. The scope of the presented illumination device goes far beyond illumination of NMR samples. Applications are conceivable in all areas where illumination in difficult to access confined spaces is needed.
The next part of this thesis deals with Photo-CIDNP effects of flavins generated by the nuclear spin dependent intersystem crossing within the electron spin correlated initial radical pair in the photooxidation of benzyl alcohols. Despite its huge importance as a photosensitizer for protein Photo-CIDNP studies and as a cofactor in enzymatic reactions no comprehensive investigation of Photo-CIDNP polarizations of free flavin in solution was presented so far. This is due to the small or vanishing Photo-CIDNP effect of flavins when water is used as a solvent for the investigations with proteins. It is shown that the change of the solvent to acetonitrile reveals the Photo-CIDNP polarizations in free flavins. Comprehensive studies of Photo-CIDNP effects of flavins themselves are presented on the model system of the flavin catalyzed photooxidation of benzyl alcohols. The Photo-CIDNP patterns of flavin were studied in detail with focus on the Photo-CIDNP patterns for both the singlet and triplet exit channel and the effect of different substituents at the isoalloxazine moiety. Spectroscopic and mechanistic implications of substitutions with methyl groups and heavy atoms enhancing spin-orbit coupling are discussed in terms of Kaptein’s sign rule and supported by DFT calculations. The characteristic recombination and escape type Photo-CIDNP polarizations determined for various flavins provide reference for Photo-CIDNP studies on flavins in proteins. As an external reference the characteristic polarization patterns can be expected to contribute essentially to the interpretation of Photo-CIDNP effects of flavins in proteins and to the comprehension of the underlying mechanism in terms of singlet and triplet radical pair mechanism.
By a combination of NMR, UV/Vis and Photo-CIDNP spectroscopy on the model system of flavin catalyzed photooxidation of benzyl alcohols the solvent dependent stabilization of the semiquinone radical is shown. The study reveals that the stabilization of the semiquinone radical, which is of utmost importance for the versatility of flavin as a cofactor, is also possible in solution and can be tuned by the solvent. The stabilization of the semiquinone causes flavin to act as a one-electron oxidizing agent for the model system as the substrate radical is not stabilized. Whereas for acetonitrile no stabilization of the flavin radical intermediate is observed the addition of water stabilizes the semiquinone radical and makes it act as a resting state after one-electron reduction of the substrate. The stabilization of the radical is associated with enhanced chemical exchange between the three different oxidation states. For this reason the stabilization of the radical intermediate by water is proposed to be the reason for the strong solvent dependence of the efficiency of flavin catalyzed photooxidation. For the first time it was shown that the tuning of the flavin semiquinone radical stabilization by intermolecular interactions with its surroundings, a concept well known from flavin proteins, can be mimicked by flavins in free solution by solvent variation. The flavin catalyzed photooxidation of benzyl alcohols thus provides a valuable small molecule model system for studying the intermolecular interactions responsible for the semiquinone stabilization in proteins and the regulation between one- and two-electron transfers.
Altogether, this thesis mainly deals with NMR, Photo-CIDNP and UV/Vis spectroscopic investigations of flavin catalyzed photooxidations of benzyl alcohols. The mechanistic studies provide valuable information for synthetic applications and the future design of flavin photocatalysts in terms of aggregation, solvent effects and stabilization of radical intermediates. Methodically, a new LED based illumination device provides a valuable tool for in situ studies of all kinds of photochemical processes by means of NMR and is expected to contribute essentially to a broader understanding of photochemical processes. Furthermore, a set of characteristic flavin Photo-CIDNP patterns is presented that is expected to contribute essentially to the comprehension of Photo-CIDNP patterns detected in flavins in proteins. A methodical foundation for the study of the semiquinone stabilization in proteins by intermolecular interactions is laid by the proposal of a small molecule model system in which the stabilization can be tuned by solvent variation.
Translation of the abstract (German)
Die Natur macht sich Sonnenlicht in vielfältiger Weise als Energiequelle für chemische Umsetzungen zunutze. In den vergangenen Jahren hat die Verwendung von Licht als treibende Kraft für chemische Reaktionen in der synthetischen Chemie zunehmend an Bedeutung gewonnen und auf dem Gebiet der Photokatalyse wurden zahlreiche Fortschritte erzielt. Diese rasanten Entwicklungen in synthetischen ...
Translation of the abstract (German)
Die Natur macht sich Sonnenlicht in vielfältiger Weise als Energiequelle für chemische Umsetzungen zunutze. In den vergangenen Jahren hat die Verwendung von Licht als treibende Kraft für chemische Reaktionen in der synthetischen Chemie zunehmend an Bedeutung gewonnen und auf dem Gebiet der Photokatalyse wurden zahlreiche Fortschritte erzielt. Diese rasanten Entwicklungen in synthetischen Anwendungen haben den Bedarf an umfangreichen mechanistischen Darstellungen der zugrundliegenden Reaktions-mechanismen, die ein rationales Design von photokatalytischen Reaktionen ermöglichen, gesteigert. Transiente Absorptionsspektroskopie hat sich als sehr leistungsstarke Technik für Untersuchungen an photokatalytischen Systemen bewährt, da sie transiente angeregte Intermediate des absorbierenden Chromophors zugänglich macht. NMR als Technik, die nicht auf lichtabsorbierende Moleküle beschränkt ist, kann darüber hinaus Informationen zu Strukturen, Lösungsmitteleffekten, Aggregationen oder chemischem Austausch liefern. Trotz dieser vielfältigen Informationen, die durch NMR-Spektroskopie zugänglich sind, wurde der Anwendung von NMR-Techniken zur Untersuchung photokatalytischer Reaktionen bislang viel zu wenig Beachtung geschenkt.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Anwendung von NMR spektroskopischen Techniken auf Untersuchungen von photochemischen Reaktionen. Die Anwendbarkeit etablierter moderner NMR-Techniken auf photokatalytische Reaktionen wurde durch die Entwicklung eines Aufbaus zur in situ Beleuchtung von NMR-Proben möglich gemacht. Um umfangreiche Bilder der Reaktionsmechanismen zu erhalten wurde die NMR-Spektroskopie durch andere spektroskopische Techniken, die Zugang zu NMR-inaktiven Spezies ermöglichen, ergänzt. Paramagnetische Spezies wurden zusammen mit den durch NMR detektierten diamagnetischen Spezies mittels UV/Vis- und EPR-Spektroskopie nach-gewiesen. Darüber hinaus wurde Photo-CIDNP-Spektroskopie als weitere ergänzende Technik zur Untersuchung des anfänglichen Radikalpaars der photokatalytischen Reaktionen eingesetzt. Als zentrales Modelsystem wurde, aufgrund der allgemeinen Bedeutung und der guten spektroskopischen Eigenschaften dieses Systems, die Flavin katalysierte Photooxidation von Benzylalkoholen gewählt.
Die Bedeutung von Aggregationen von Photokatalysatoren für ihre Reaktivität wurde durch NMR-Aggregationsstudien in Kombination mit synthetischen Ansätzen nachgewiesen. Es wird gezeigt wie die Aggregation von Photokatalysatoren, ihre photophysikalischen Eigenschaften und ihre Reaktivität durch die synthetische Modifikation des sterischen Anspruchs der Flavin-Seitenkette beeinflusst werden kann. Anhand von 1H-DOSY NMR-Studien wurde die Solvens abhängige Selbstaggregation von Flavinen aufgedeckt. Durch Kombination von Kristallstrukturen und DOSY-Aggregationsstudien wurden die Beiträge von Wasserstoffbrücken und π π Wechselwirkungen zur Flavin-Selbstaggregation identifiziert. Die Bedeutung von Selbstaggregationen von Photokatalysatoren für die Quantenausbeute der katalysierten Reaktionen wird am Modelsystem der Photooxdiation von Benzylalkoholen gezeigt, in der sterisch anspruchsvolle Flavine eine um fast eine Größenordnung höhere Quantenausbeute zeigen. Zusätzlich wurden Flavin-Substrat-Komplexe durch NMR-Titrationen und 1H-DOSY NMR untersucht. Die Einsichten in die intermolekularen Wechselwirkungsarten im Hinblick auf Selbstaggregationen und Flavin-Substrat-Aggregationen sind entscheidend für das zukünftige Design von leistungsfähigen Flavin Photokatalysatoren und für das Verständnis der zugrundliegenden Mechanismen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein LED basierter Aufbau für die Beleuchtung von NMR-Proben entwickelt um die ganze Bandbreite an unterschiedlichen NMR-Techniken zur Untersuchung von photokatalytischen Systemen nutzen zu können. Kontinuierlicher oder alternativ gepulster Betrieb der LEDs wird mit Hilfe eines einstufigen elektronischen Schaltkreises realisiert. Durch den gepulsten Betrieb der LEDs bei hohen Leistungen und niedrigen Tastraten werden ungewöhnlich hohe optische Leistungen erzielt, die den Aufbau selbst für Millisekunden aufgelöste Photo-CIDNP Spektroskopie einsetzbar machen. Kontinuierlicher Betrieb der LEDs ermöglicht direkte Vergleichbarkeit mit den Bedingungen in der synthetischen Chemie. Die LEDs sind effizient an einen Glasfaser gekoppelt, die das Licht in das Spektrometer leitet, ohne dass zusätzliche optische Komponenten erforderlich sind. Um eine gleichmäßige und effiziente Ausleuchtung der NMR Probe über die gesamte Länge der Empfängerspule zu gewährleisten wurde die Spitze der Glasfaser durch Sandstrahlbehandlung aufgeraut. Diese verschieden Techniken verstärken die Lichtmenge, die in die Probe gebracht wird, ungemein und machen LEDs zu einer einfachen, vielfältigen und praktischen Lichtquelle für die in situ Beleuchtung von NMR-Proben. Der dargestellte LED basierte Beleuchtungsaufbau macht photoinduzierte chemische Prozesse in einer einfach umzusetzenden Weise zugänglich. Es wird deshalb erwartet, dass er essentiell zum Verständnis und zur Weiterentwicklung von vielerlei photoinduzierten Prozessen beiträgt. Der Anwendungsbereich des dargestellten Beleuchtungsaufbaus geht dabei weit über die Beleuchtung von NMR-Proben hinaus. Anwendungen sind in jedem Bereich denkbar in dem Beleuchtung von begrenzten und schwer zugänglichen Orten nötig ist.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Photo-CIDNP Effekten von Flavinen die durch Kernspin abhängiges Intersystem Crossing innerhalb des Elektronenspin-korrelierten Radikalpaars bei der Photooxidation von Benzylalkoholen entstehen. Trotz der großen Bedeutung von Flavinen als Photosensitizer für Photo-CIDNP-Studien an Proteinen und als Kofaktor in enzymatischen Reaktionen wurde bisher keine umfassende Studie von Photo-CIDNP Polarisationen von freien Flavinen durchgeführt. Das ist auf die kleinen oder verschwindenden Photo-CIDNP-Effekte von Flavin zurückzuführen, wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird. Es wird gezeigt, dass der Wechsel des Lösungsmittels von Wasser zu Acetonitril die Photo-CIDNP-Effekte von freiem Flavin zu erkennen gibt. Anhand des Modelsystems der Flavin katalysierten Photooxidationen von Benzylalkoholen werden die ersten umfassenden Studien zu Photo-CIDNP-Effekten von Flavinen selbst präsentiert. Die Photo-CIDNP-Muster von Flavinen wurden im Detail untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den Photo-CIDNP-Mustern des Singlet und Triplet Exit Channels und dem Effekt von unterschiedlichen Substituenten am Isoalloxazin liegt. Spektroskopische und mechanistische Auswirkungen von Substitutionen durch Methylgruppen und durch Spin-Bahn-Kopplung verstärkende Schweratome werden im Hinblick auf die Vorzeichenregeln von Kaptein diskutiert und von DFT-Rechnungen gestützt. Die charakteristischen Recombination Type und Escape Type Photo-CIDNP-Polarisationen die für verschiedenartige Flavine bestimmt wurden stellen eine Referenz für Photo-CIDNP-Studien an Flavinen in Proteinen dar. Als externe Referenz dürften die charakteristischen Polarisationsmuster essentiell zur Interpretation von Photo-CIDNP-Effekten von Flavinen in Proteinen im Hinblick auf Singlet- und Triplet-Mechanismen und damit allgemein zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen beitragen.
Durch eine Kombination von NMR-, UV/Vis- und Photo-CIDNP-Spektroskopie angewendet auf das Modelsystem der Flavin-katalysierten Photooxidation von Benzylalkoholen wird eine solvensabhängige Stabilisierung des Semiquinon-Radikals gezeigt. Die Studie zeigt, dass die Stabilisierung des Semiquinon-Radikals, die von äußerster Wichtigkeit für die Vielseitigkeit von Flavin als Kofaktor in Proteinen ist, auch in Lösung möglich ist und dass sie durch das Lösungsmittel abgestimmt werden kann. Die Stabilisierung des Semiquinons zwingt Flavin in die Rolle eines Ein-Elektronen-Oxidationsmittels für das Modelsystem, da das Substratradikal nicht stabilisiert wird. Wohingegen für Acetonitril keine Stabilisierung das Flavin-Radikalintermediates beobachtet wird, stabilisiert die Zugabe von Wasser das Semiquinon-Radikal und verwandelt es in einen Resting-State nach der Ein-Elektronen-Oxidation des Substrates. Die Stabilisierung des Radikals ist verbunden mit verstärktem Austausch zwischen den drei verschiedenen Oxidationszuständen. Aus diesem Grund wird die Stabilisierung des Radikalintermediates durch Wasser als Grund für die starke Lösungsmittelabhängigkeit der Effizienz von Flavin katalysierten Photooxidationen vorgeschlagen. Zum ersten Mal wurde gezeigt, dass die Variation der Flavin-Semiquinon-Radikalstabilisierung durch intermolekulare Wechselwirkungen mit der Umgebung, ein Konzept bekannt von Flavin-Proteinen, durch freies Flavin in Lösung bei Variation des Lösungsmittels nachgeahmt werden kann. Die Flavin katalysierte Photooxidation von Benzylalkoholen bietet daher ein wertvolles Modelsystem kleiner Moleküle zur Untersuchung der intermolekularen Wechselwirkungen, die für die Semiquinon-Stablisierung in Proteinen und die Regulierung zwischen Ein- und Zwei-Elektronentransferen verantwortlich sind.
Insgesamt handelt diese Arbeit hauptsächlich von NMR, UV/Vis und Photo-CIDNP spektroskopischen Untersuchungen an Flavin katalysierten Photooxidationen von Benzylalkoholen. Die mechanistischen Studien liefern wertvolle Informationen für synthetische Anwendungen und das zukünftige Design von Flavin-Photokatalysatoren im Hinblick auf Aggregationen, Lösungsmitteleffekte und Stabilisierung von Radikal-intermediaten. Methodisch bietet ein neuer LED basierter Beleuchtungsaufbau ein wertvolles Werkzeug für in situ Studien von vielerlei photochemischen Prozessen und dürfte essentiell zum breiteren Verständnis von photochemischen Reaktionen beitragen. Außerdem wird ein Satz von charakteristischen Photo-CIDNP-Mustern präsentiert der wesentlich zum Verständnis von Photo-CIDNP-Effekten in Flavin-Proteinen beitragen dürfte. Eine methodische Grundlage für Untersuchungen der Stabilisierung von Semiquinon-Radikalen in Proteinen durch intermolekulare Wechselwirkungen wurde durch den Vorschlag eines Modelsystems von kleinen Molekülen, bei dem die Stabilisierung durch Solvensvariation moduliert werden kann, gelegt.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:04
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