Hoe Energieoverdracht de Dearomatisatie van Heteroaromaten Aandrijft

In de recente vooruitgangen van fotochemische reacties heeft de energieoverdracht (ET) een cruciale rol gespeeld bij de dearomatisatie van heteroaromaten, wat nieuwe mogelijkheden heeft geopend voor het synthetiseren van complexe polycyclische moleculen. Het gebruik van fotogevoelige stoffen, die in staat zijn om energie over te dragen naar aromatische substraten, heeft de efficiëntie van deze reacties aanzienlijk verhoogd. Dit proces heeft niet alleen de cycloadditiereacties verbeterd, maar ook de toegang vergemakkelijkt tot structuren met een hoge geometrische spanning die moeilijk te bereiken zijn onder thermische omstandigheden.

Een van de voornaamste innovaties werd in 2023 gepresenteerd door de Brown-groep, die een selectieve dearomatieve [4+2] cycloadditie van naftalenen en een [2+2] cycloadditie van iminen met alkenen realiseerde door de N-sulfonyliminegroep op de aromatische substraten te moduleren. Bij deze reactie werd energieoverdracht van de triplet-geëxciteerde fotosensitizer naar de substraten aangewend om de vorming van een gebonden complex te initiëren. De daaropvolgende intramoleculaire reacties resulteerden in de vorming van gewenste adducten, zoals het dearomatische [4+2] adduct van naftaleen.

Een belangrijke observatie in de studie van de Maestri-groep in 2023 was dat de efficiëntie van de reactie van benzeenderivaten niet verhoogd kon worden door de reactieomstandigheden te optimaliseren, ondanks het gebruik van verschillende oplosmiddelen en fotosensitizers. Echter, toen een naftaleenderivaat werd gebruikt, werd het gewenste product veel sneller geproduceerd met een uitzonderlijk hoge opbrengst. Dit duidde erop dat het π-systeem in de naftaleenmoleculen in staat was om het transiënt biradicaal te stabiliseren, wat de reactiesnelheid aanzienlijk verbeterde.

In 2024 breidde de You-groep de toepasbaarheid van energieoverdracht uit door een zichtbare lichtgeïnduceerde intramoleculaire dearomatieve [5+4] cycloadditie van naftolderivaten met een vinylcyclopropaan-zijketen te ontwikkelen. Deze benadering maakte het mogelijk om sterk gespannen middelgrote ringen te construeren, wat een uitdaging vormde voor eerdere methoden. Het energieoverdrachtsmechanisme van de fotosensitizer naar het substraat stelde de reactie in staat om op efficiënte wijze een complex polycyclisch molecuul te synthetiseren, waarin de C–C-binding van de cyclopropaanring werd gekraakt om de gewenste producten te vormen.

Hoewel de vooruitgangen indrukwekkend zijn, is de toepassing van energieoverdracht in de dearomatisatie van heteroaromaten niet zonder uitdagingen. De regioselectiviteit van bepaalde reacties blijft moeilijk te beheersen, en in sommige gevallen, zoals bij de fotoreductie van naphthalenen in 2019, kan de regioselectiviteit van het gevormde radicalencomplex variëren, wat verdere optimalisatie vereist. Ook de aanwezigheid van bepaalde scavengers kan de efficiëntie van de reactie beïnvloeden, zoals aangetoond in het onderzoek van de You-groep, waar de aanwezigheid van singletzuurstofscavengers de reactie aanzienlijk vertraagde.

Naast de ontwikkeling van cycloadditiereacties, is er ook vooruitgang geboekt op het gebied van dubbele functionalisatie. In 2019 ontwikkelden de You- en Cho-groepen een intramoleculaire dearomatieve dubbel-functie-reactie van benzenen, mogelijk gemaakt door energieoverdracht in aanwezigheid van moleculair zuurstof. Dit proces biedt een ongekende manier om een N-radicaal te genereren, wat nieuwe mogelijkheden opent voor het creëren van functionele groepen in complexe aromatische structuren.

Samenvattend heeft de toepassing van energieoverdracht in fotochemische dearomatisatiereacties het potentieel om de organische chemie te transformeren, met veelbelovende implicaties voor de synthese van nieuwe moleculen met complexe topologieën en verhoogde geometrische spanning. Het stelt onderzoekers in staat om moleculen te maken die eerder moeilijk of niet bereikbaar waren onder conventionele thermische voorwaarden. Verdere ontwikkeling van deze reacties kan niet alleen de efficiëntie van bestaande methoden verbeteren, maar ook leiden tot de ontdekking van nieuwe katalytische systemen en strategieën voor de constructie van polycyclische structuren.

Hoe fotokatalyse de arylatie van heterocycli mogelijk maakt

In dezelfde lijn zijn arylhalides, die tot de goedkoopste en meest toegankelijke precursoren voor het genereren van arylradicalen behoren, ook als belangrijke reactanten in fotokatalytische reacties naar voren gekomen. Echter, de toepassing van arylhalides wordt bemoeilijkt door de extreme redoxpotentiaal en de beperkte energie die beschikbaar is uit zichtbare lichtbronnen, wat de efficiëntie van het proces kan beperken. In 2014 demonstreerde König’s groep het gebruik van peryleendiimide (PDI) als fotokatalysator voor de generatie van arylradicalen uit arylbromiden en -chloriden onder zichtbare licht. PDI wordt gephotoexciteerd en vervolgens gereduceerd door triëthylamine om een stabiel radicaalanion PDI– te vormen. Dit radicaalanion kan een tweede foton absorberen en een krachtige reducerende agent worden (PDI–*), wat de reductie van arylhaliden zoals arylbromiden en -chloriden mogelijk maakt. De gegenereerde arylradicalen worden effectief gevangen door electron-rijke heteroaromaten zoals pyrrolen. Hoewel deze techniek succesvol is voor het aryliren van arylhaliden met elektronegatieve substituenten, blijkt deze minder effectief voor arylhaliden met hogere reductiepotentiaal, zoals arylgroepen met methoxy- of dimethylaminegroepen, die moeilijker te reduceren zijn.

Ook het gebruik van arylthianthreniumzouten heeft de laatste jaren toenemende belangstelling gekregen. Deze verbindingen, die vaak dienen als elektrofielen in fotokatalytische en SET-processen, bieden een robuuste en milde manier om aromatische ringen te functionaliseren. In 2021 introduceerde Ritter een vernieuwende benadering voor de heteroarylering van arylthianthreniumzouten. Hierbij werd een α-amino alkylradicaal als katalysator gebruikt, wat het mogelijk maakte om biarylen te synthetiseren met heteroarenelementen in verschillende posities. Dit verschilt van de traditionele halogeenatomaandoverdracht (XAT)-methoden, waarbij de activering van de arylthianthreniumzouten anders verloopt, maar eveneens effectief is in het vergroten van de reactiebereik van de arylatie.

Een belangrijk aspect van deze fotokatalytische processen is het gebruik van licht als energiebron, wat niet alleen de ecologische voetafdruk van de reacties minimaliseert, maar ook nieuwe mogelijkheden opent voor het ontwikkelen van duurzamere chemische processen. De toepassing van fotokatalyse maakt het mogelijk om radicaalreacties te sturen met milde reactomstandigheden, wat de synthetische flexibiliteit vergroot en de controle over selectiviteit verbetert.