Pod vedením Joakima Bergmana z farmaceutické společnosti AstraZeneca a Henrika Ottossona z univerzity v Uppsale pracoval jako jeden ze dvou experimentátorů v jinak výpočetním týmu i Tomáš Slanina z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Celý tým se úspěšně snažil porozumět vlastnostem a přeměnám excitovaného stavu benzenu a výsledky zveřejnil v časopise Journal of American Chemical Society.
Benzen je prototypem aromatické sloučeniny a je tedy poměrně stabilní. To ale přestává platit v případě, že se na něj svítí ultrafialovým světlem. V takovém případě jej přilétající fotony excitují („nakopnou“) a takto „nakopnutý“ benzen se stává antiaromatickým a snaží se z tohoto stavu všemožně uniknout.
Jednou z nejznámějších reakcí, které takový excitovaný benzen podstupuje, je přesmyk spojený s nukleofilní adicí rozpouštědla. Tímto přesmykem vznikají bicyklo[3.1.0]hexenové deriváty, malé molekuly zajímavé i pro farmaceutický průmysl, protože by mohly sloužit například jako selektivní analogy kyseliny gama-aminomáselné, jedné z molekul, které zajišťují přenos vzruchu v mozku.
Tato přeměna benzenu je známá už desítky let, ale samotný mechanismus, jakým k ní dochází, zůstal až dosud předmětem sporů. Vědci k jeho objasnění využili jak počítačové modely, tak i experimentální práci s využitím izotopového značení. V benzenu nahradili atomy vodíku deuteriem (těžkým vodíkem) a sledovali průběh reakce pomocí jaderné magnetické rezonance. Podařilo se jim tak zjistit, že meziproduktem této reakce je benzvalen a hnací sílu reakce tvoří právě uvolnění nestabilního antiaromatického stavu.
Překvapivě ovšem také zjistili, že se reakce sama brzdí. Excitovaný benzen totiž kromě možnosti přesmyku na benzvalen může také způsobit zpětný přesmyk již přítomného benzvalenu zpět na benzen. Tím se reakce nejen zpomaluje, ale také se snižuje její efektivita – kvantový výtěžek – což zvyšuje množství ultrafialového záření potřebného k tomu, aby připravovaný produkt vznikl v dostatečném množství. Pokud by se podařilo najít podmínky nebo substrát proti této zpětné reakci dostatečně odolný, reakce by se dala výrazně urychlit.
Optimalizaci podmínek a substrátů této reakce se vědci věnovali také, a to nejen kvůli rychlosti, ale také kvůli tomu, že v reakci vznikají tři stereogenní centra (místa, kde geometrie molekuly rozhoduje o vlastnostech). Pokud by se podařilo jejich vznik řídit, zkoumaná reakce by se stala poměrně mocným syntetickým nástrojem. Vědci zjistili, že takové řízení je možné, ale náročné kvůli komplikovaným vztahům mezi jednotlivými meziprodukty. Přesto se jim podařilo nalézt několik různých podmínek, při kterých reakce produkuje selektivně odlišné izomery a tvoří tak dobrý základ pro její racionální řízení.
Celkově tak studie vyplnila desítky let známé bílé místo na mapě fotochemie benzenu a aromatických sloučenin, a to způsobem, o který mohou mít zájem i syntetičtí chemici včetně farmaceutů.
Původní článek: Slanina T., Ayub R., Toldo J., Sundell J., Rabten W., Nicaso M., Alabugin I., Fdez. Galván I., Gupta A. K., Lindh R., Orthaber A., Lewis R. J., Grönberg G., Bergman J., Ottosson H.: Impact of Excited-State Antiaromaticity Relief in a Fundamental Benzene Photoreaction Leading to Substituted Bicyclo[3.1.0]Hexenes. J. Am. Chem. Soc., May 26, 2020. https://doi.org/10.1021/jacs.9b13769
