De foto-geïnduceerde C–H-functionalization van pyridinen is een innovatief proces dat gebruikmaakt van de lichtgestuurde overdracht van elektronen en radicaalreacties om selectieve functionalisatie van heterocyclische verbindingen mogelijk te maken. Deze technologie heeft een aanzienlijke impact op de synthetische chemie doordat ze nieuwe mogelijkheden opent voor het ontwerpen van complexe moleculen. Het proces kan bijvoorbeeld de introductie van functionele groepen op specifieke posities binnen de pyridinekern bewerkstelligen, zoals de C4- en C2-positie, zonder dat het noodzakelijk is om harde reactiesomstandigheden te gebruiken.

Het mechanisme begint meestal met de absorptie van zichtbaar licht door een geactiveerde fotokatalysator, waardoor een elektron wordt overgedragen naar een N-aminopyridinium zout. Dit leidt tot de vorming van een amidylradicaal dat vervolgens reageert met verschillende substraten, zoals cyclopropanolen, alkenen of ketonen. De gegenereerde radicaalintermediairen, zoals alkyl- en acylradicalen, zorgen voor de additionele verbinding aan de pyridinebasis, wat resulteert in de gewenste functionalisatie van de pyridinegroep. Dit proces kan plaats vinden op de C4- of C2-positie van de pyridine, afhankelijk van de specifieke reactiesomstandigheden en de gebruikte katalysator.

In sommige gevallen wordt een specifieke reactie geïnitieerd door de vorming van een EDA-complex (elektron-donor-acceptor complex) tussen het pyridiniumzout en een elektron-donor zoals 1,4-dihydropyridine. Door licht-gestuurde SET (single-electron transfer) kan dit complex de formatie van radicaalintermediairen bevorderen, die vervolgens leiden tot de gewenste functionalisatie van de pyridineverbinding. Dit proces heeft de potentie om de traditionele methoden van organische synthese te vervangen door een meer milieuvriendelijke en efficiënte benadering.

Een belangrijk kenmerk van dit proces is de mogelijkheid om de specifieke regioselectiviteit van de functionalisatie te sturen, zoals te zien is in de C4-selectieve alkylatie van pyridinen. Dit wordt mogelijk gemaakt door de energetische verschillen tussen de verschillende reactieve posities op het pyridine-anker, wat wordt bevestigd door DFT (Density Functional Theory) berekeningen. Zo blijkt de C4-adductvorming energetisch gunstiger dan de C2-adductvorming, wat de selectiviteit voor de C4-positie verklaart.

Wat dit proces bijzonder maakt, is de veelzijdigheid ervan. Het biedt de mogelijkheid om verschillende functionele groepen zoals alkyl-, acyl- en carbamoylgroepen op de pyridinekern te introduceren zonder dat de noodzaak bestaat om dure of schadelijke overgangsmetalen in te zetten. Bovendien is het mogelijk om een breed scala aan verschillende substraten, van styreen derivaten tot ongereageerde alkenen en pyridiniumyliden, te functionaliseren. Dit opent de deur naar de synthese van een breed scala aan complexere moleculen met behulp van een duurzame en efficiënte benadering.

In aanvulling op de genoemde benaderingen, werd een methode ontwikkeld voor de aminopyridylation van olefinen via een licht-gestuurde intermoleculaire reactie, die gebruikmaakt van N-amidopyridinium zouten. Dit proces maakt het mogelijk om zowel alifatische als aromatische alkenen effectief te amineren, zelfs onder milde omstandigheden. De toevoeging van het amidylradicaal aan de dubbele binding resulteert in de vorming van een radical cation, die vervolgens verder wordt gereactiveerd om de aminopyridylgroep op de juiste plaats te introduceren.

Verder is er ook onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om ketonen te amineren door middel van een umpolung-aanpak, waarbij het amidylradicaal wordt gebruikt om een reactie te initiëren die leidt tot de vorming van een 5-lidige cycloadduct. Dit biedt een interessante nieuwe manier om pyridylgroepen in te voeren in ketonsubstraten, wat eerdere moeilijk te functionaliseren verbindingen toegankelijk maakt voor verdere chemische modificatie.

Dit alles toont aan hoe de vooruitgang in fotochemie en radicaalchemie de manier waarop we pyridine-gebaseerde moleculen synthetiseren fundamenteel kan veranderen. De synthetische routes die door deze technieken mogelijk worden gemaakt, bieden niet alleen efficiëntie en selectiviteit, maar dragen ook bij aan het ontwikkelen van duurzamere processen voor de chemische industrie.

Naast de technische aspecten van deze foto-geïnduceerde functionaliseringsprocessen is het van belang om te begrijpen hoe dergelijke methoden kunnen bijdragen aan bredere chemische toepassingen. Bijvoorbeeld, het gebruik van fotochemie in plaats van traditionele katalysatoren maakt het mogelijk om processen uit te voeren onder mildere omstandigheden, wat resulteert in een lager energieverbruik en minder chemische bijproducten. Dit kan op lange termijn bijdragen aan de verduurzaming van de chemische industrie.

Hoe kunnen fotochemische transformaties van 2H-azirines bijdragen aan de synthese van heterocyclische verbindingen?

Heterocyclische verbindingen, die zijn opgebouwd uit ten minste twee verschillende elementen in hun ringstructuur, spelen een cruciale rol in de chemische industrie, met toepassingen in farmaceutica, agrochemie, en kleurstoffen. De ontwikkeling van nieuwe methoden voor het synthetiseren van deze verbindingen is van groot belang voor de vooruitgang in de organische synthese. 2H-azirines, ondanks hun spanning in de drie-ledige ringstructuur, zijn stabiele en gemakkelijk verkrijgbare reagentia die voor het eerst werden beschreven door Neber en Burgard in 1932. Door hun hoge reactiviteit worden 2H-azirines vaak gebruikt als veelzijdige precursors voor de synthese van verschillende aza-heterocyclen, zoals pyrrollen, oxazolen, en 1,2,4-triazolen via ringopening.

Oorspronkelijk werden de traditionele methoden voor de ringopening van 2H-azirines uitgevoerd onder thermische omstandigheden, met UV-straling, of met behulp van zure katalysatoren of overgangsmetalen. Echter, fotokatalytische technologieën hebben recentelijk enorme belangstelling gekregen vanwege hun milieuvriendelijke en duurzame karakter, en worden steeds meer toegepast in de synthetische chemie. Vanwege deze opkomst heeft het gebruik van zichtbaar licht voor de fotochemische transformatie van 2H-azirines in de afgelopen tien jaar een belangrijke plaats ingenomen in de ontwikkeling van innovatieve synthetische transformaties.

In dit kader werd in 1971 door Padwa en Smolanoff ontdekt dat de blootstelling van 2H-azirines aan UV-straling in oplosmiddelen zoals methylacrylaat of acrylonitril resulteerde in een reeks pyrroline-derivaten. Deze ontdekking opende nieuwe mogelijkheden voor de fotochemische ringopening van 2H-azirines, die verder werd uitgebreid door andere onderzoekers, die ontdekten dat de producten in bepaalde gevallen isomeer waren. De resultaten tonen de veelzijdigheid van UV-licht als een krachtige tool voor het stimuleren van reacties die anders moeilijk toegankelijk zouden zijn via conventionele methoden.

Recentere studies hebben zich vooral gericht op de fotochemische transformatie van 2H-azirines door middel van zichtbaar licht. Hierbij wordt de vernieuwing van heterocyclische verbindingen onder invloed van zichtbaar licht steeds belangrijker. Het gebruik van zichtbaar licht biedt de mogelijkheid om reacties in gang te zetten zonder de noodzaak van hoge temperaturen of schadelijke oplosmiddelen, wat past binnen de bredere trend van groene chemie. Het voordeel van deze benadering is dat de reactieomstandigheden mild zijn en vaak milder dan de traditionele thermische methoden, wat de selectiviteit en het rendement van de gewenste producten kan verhogen.

Bovendien, de in-situ generatie van 2H-azirines via zichtbaar licht heeft geresulteerd in een aantal nieuwe benaderingen die tot dan toe onbekend waren. Het vermogen van zichtbaar licht om de reactieomstandigheden te verfijnen, en het bijbehorende vermogen om gecontroleerde fotochemische transformaties te bewerkstelligen, maakt het een waardevol instrument in de organische chemie. In de praktijk kan zichtbaar licht worden gebruikt voor de snelle en efficiënte synthese van een breed scala aan heterocyclen uit 2H-azirines, wat de toepasbaarheid en de waarde van 2H-azirines als uitgangsmateriaal in de organische synthese aanzienlijk vergroot.

Naast de voor de hand liggende voordelen van het gebruik van zichtbaar licht in deze fotochemische reacties, zoals lagere energiebehoeften en mildere reactieomstandigheden, moeten we ook kijken naar de verscheidenheid aan soorten fotochemische reacties die kunnen worden bereikt. Deze omvatten de directe foto-excitatie van 2H-azirines, maar ook processen waarbij 2H-azirines in-situ worden gegenereerd door licht. De afwisseling tussen de verschillende typen lichtbronnen – ultraviolet of zichtbaar – kan de uitkomst van de reactie sterk beïnvloeden. Inzicht in de dynamiek van fotochemische reacties en hun invloed op de reactiviteit van moleculen is van cruciaal belang om nieuwe synthetische routes te ontwikkelen die niet alleen efficiënter, maar ook duurzamer zijn.

Voor onderzoekers die zich bezighouden met het ontwerpen van nieuwe methoden voor de synthese van heterocyclen, is het essentieel om deze fotochemische benaderingen verder te verkennen. Het gebruik van licht als katalysator biedt een breed scala aan mogelijkheden voor het maken van verbindingen die voorheen moeilijk te verkrijgen waren of die alleen via minder milieuvriendelijke methoden beschikbaar waren. Het is ook belangrijk om te realiseren dat de fotochemische reacties, hoewel veelbelovend, ook een aantal uitdagingen met zich meebrengen. De controle over de selectiviteit van de reacties blijft een vraagstuk, evenals de mogelijkheid om de reacties verder te optimaliseren voor industriële toepassingen.

De synthese van heterocyclen uit 2H-azirines door middel van fotochemische transformaties met UV- en zichtbaar licht heeft echter het potentieel om nieuwe gebieden van organische synthese te ontsluiten en belangrijke vooruitgangen te boeken in de productie van verbindingen met hoge toegevoegde waarde. In de toekomst is het te verwachten dat er steeds meer innovatieve benaderingen worden ontwikkeld, waarbij 2H-azirines een sleutelrol spelen in de verdere verduurzaming van chemische syntheses.

Hoe kunnen we heterocyclische verbindingen synthetiseren via fotochemische transformatie van 2H-azirines onder zichtbaar licht?

De fotochemische transformatie van 2H-azirines onder zichtbaar licht is een steeds belangrijker wordende methode voor de synthese van heterocyclische verbindingen. Dit proces maakt gebruik van energieoverdracht via fotokatalyse om reactieve tussenproducten, zoals 2H-azirines, te genereren die vervolgens kunnen reageren met andere verbindingen om complexe structuren te vormen. De methode biedt aanzienlijke voordelen, zoals mildere reactieomstandigheden, hoge efficiëntie en de mogelijkheid om nieuwe chemische verbindingen te creëren die moeilijk te verkrijgen zijn via traditionele chemische reacties.

Bijvoorbeeld, het proces van de decompositie van α-azidochalconen 14a naar 2H-azirines 14d onder invloed van zichtbaar licht, gepromoot door Ru(bpy)3(PF6)2 als fotokatalysator, resulteert in de vorming van nieuwe C–N en C–C bindingen door een ringopening en daaropvolgende cyclisatie. Dit biedt een veelzijdige aanpak voor het synthetiseren van complexe heterocyclische systemen, zoals pyrrool- en β-carbolinestructuren. De toepassing van zichtbaar licht leidt tot een efficiënte en gecontroleerde vorming van azirine-intermediairen, die kunnen reageren met verschillende nucleofielen, zoals naftol en naftoquinon, om gewenste producten te genereren.

Dergelijke fotochemische cyclisaties zijn niet alleen beperkt tot de vorming van eenvoudige heterocyclen, maar kunnen ook complexere verbindingen opleveren, zoals imidazolen en diazabicyclo[3.1.0]hexanen, die biologisch actief zijn en belangrijke toepassingen hebben in de geneeskunde en materialensynthese. Het gebruik van energie- en elektronoverdrachtstrategieën, vaak met behulp van een fotokatalysator, biedt een krachtig mechanisme om deze processen te versnellen en selectief te controleren, wat cruciaal is voor de productie van stoffen in hoge opbrengst en zuiverheid.

Bovendien is het proces van de zichtbare licht-geïnduceerde dimere reactie van vinylaziden, zoals geïllustreerd bij de synthese van pyrazineverbindingen, een ander voorbeeld van de veelzijdigheid van deze fotochemische benaderingen. Door de gebruikmaking van Ru(bpy)3Cl2 als fotokatalysator en atmosferisch zuurstof als terminale oxidator, kunnen vinylaziden efficiënt dimeriseren om pyrazines te vormen, een groep verbindingen die bekend staat om hun breed scala aan biologische activiteiten. Dit maakt zichtbaar licht-geïnduceerde fotochemie niet alleen een interessante synthetische strategie, maar ook een duurzame en milieuvriendelijke optie voor de productie van waardevolle verbindingen.

De recente benaderingen voor de synthese van benzofuranderivaten en 2,5-diaryloxazolen onder zichtbaar licht, zoals gepresenteerd door Maurya en collega’s, tonen de veelzijdigheid van fotochemische reacties aan. Hierbij wordt het gebruik van een additief zoals 2,4-DNP essentieel voor het verbeteren van de fotokatalytische activiteit en het bevorderen van de vorming van de gewenste producten via een energietransfermechanisme. Dit benadrukt het belang van het begrijpen van de fotochemische processen die plaatsvinden, evenals de manier waarop fotokatalysatoren en additieven kunnen worden aangepast om de reacties te optimaliseren voor specifieke toepassingen.

Bij de toepassing van deze technologie is het essentieel om te begrijpen hoe de fotochemische omgeving, zoals de intensiteit en de golflengte van het licht, de reactiekanalen kan sturen. Het vermogen om fotokatalysatoren te ontwerpen die effectief kunnen werken onder zichtbare lichtomstandigheden is cruciaal voor het succes van dergelijke reacties. Dit heeft niet alleen invloed op de snelheid van de reacties, maar ook op de selectiviteit van de gevormde producten.

Verder onderzoek richt zich op het verkennen van de breedte van nucleofiele reacties die kunnen worden uitgevoerd met 2H-azirines, evenals het verbeteren van de fotokatalysatorprestaties. Dit zal de toepassing van fotochemische transformatie in de organische chemie verder uitbreiden, met name op gebieden zoals moleculaire elektronica en fotofarmacologie, waar de specifieke eigenschappen van de gevormde heterocyclen van groot belang zijn.

In de toekomst kan het gebruik van fotochemische reacties die onder zichtbaar licht plaatsvinden, niet alleen de manier waarop we synthetiseren veranderen, maar ook de manier waarop we omgaan met de productie van farmaceutische stoffen, materialen en andere chemische producten. Het potentieel van deze technieken gaat verder dan de traditionele toepassingen en belooft nieuwe manieren om met energiebronnen om te gaan, die zowel ecologisch als economisch voordelig kunnen zijn.

Wat zijn de nieuwste ontwikkelingen in de fotokatalytische synthetische methoden voor hetero-aromaten?

De recente vooruitgangen in de fotokatalytische synthese van α-aryl-gemodificeerde hetero-aromaten hebben de efficiëntie en veelzijdigheid van deze reacties aanzienlijk verbeterd, door gebruik te maken van elektronrijke hetero-aromaten in combinatie met elektronarme diazoniumzouten. In 2023 presenteerde de groep van Zi het eerste voorbeeld van C–H arylatie voor de directe synthese van arylheteroarylverbindingen (13c) uit aryl-diazoniumzouten (13a) en thiophenen (13b), waarbij Bi QDs als heterogene fotoredox-katalysator werden gebruikt. De reactie vereiste slechts 0,8 gew.% Bi QDs als fotokatalysator in DMSO-oplosmiddel, en het gewenste product (13c) werd behaald met een rendement van maximaal 71% binnen twee uur bij kamertemperatuur. Deze reactie bleek goed reproduceerbaar, hoewel een lichte afname van het rendement werd waargenomen bij hergebruik van de Bi QD-katalysator. Het gebruik van fotochemische processen bij deze reacties is bewezen via radicaal-trapproeven, wat de rol van vrije radicalen in de fotoredox-katalyse bevestigt.

Een andere interessante benadering werd gepresenteerd door de groep van König in 2016, die de fotokatalytische synthese van biheteroarylen (14c) via een cross-koppeling van bromothiophenen (14a) met pyrroles (14b) rapporteerden. In dit geval werd Rh-6G gebruikt als fotokatalysator in combinatie met DIPEA als elektron-donor, onder blauwe LED-irradiatie (455 nm) bij kamertemperatuur gedurende 24–48 uur. Dit resulteerde in producten met een rendement van maximaal 96%. De reactie was sterk afhankelijk van de aanwezigheid van licht, katalysator en elektron-donor, wat aangeeft dat alle componenten essentieel zijn voor de fotoredox-katalytische reactie. De geanalyseerde bromothiophenen en bromoheteroarenen met verschillende functionele groepen konden met succes worden omgezet, met redelijke tot uitstekende opbrengsten.

In 2017 ontwikkelde Itoh een nieuwe en beknopte route voor de synthese van α-heteroaryl-ketonen (15c) via een jodium-gemedieerde, aerobische foto-oxidatieve C–H/C–H koppeling van thiophenen (15a) met 1,3-dicarbonylverbindingen (15b). Deze reactie, uitgevoerd onder zichtbare lichtcondities (CFL-lampen), leverde een rendement van maximaal 83% op, wat de voordelen van mildere reactieve omstandigheden en eenvoud in uitvoering benadrukt. Het gebruikte jodium fungeerde als een goedkoop en overvloedig katalysator, en het mechanisme van de reactie werd duidelijk gekarakteriseerd door homolytische splitsing van de C–I-binding onder invloed van zichtbaar licht, wat leidde tot de vorming van een C-gemiddeld radicaal dat vervolgens verder reageerde met het thiophen.

De groep van Qin breidde dit gebruik van fotokatalyse verder uit in 2018 door een zichtbare licht-geïnduceerde alkyladditie aan (hetero)arene-gemodificeerde thiophenen (16b) met N-benzoyl alkylsulfinamiden (16a) als voorlopers van alkylradicalen. Dit proces, geïnitieerd door blauwe LED-irradiatie bij 80°C, gaf de gewenste producten met een rendement van maximaal 95%. Deze reactie bewees de schaalbaarheid van het proces, aangezien een gram-schaal reactie van N-benzoyl tert-butyl-sulfinamide met benzothiophene werd uitgevoerd met een rendement van 95%. Het mechanisme hiervan omvatte de oxidatie van een iridium-III complex naar een radicaal en de daaropvolgende formatie van een alkylradicaal, dat vervolgens met thiophenen reageerde om het eindproduct te vormen.

In 2019 rapporteerde Ritter en collega's een fotoredox-geïnduceerde, overgangsmetaal-gecatayseerde koppeling van aryl-thianthreniumzouten (17a) met water of alcoholen/phenolen (17b), wat leidde tot de synthese van fenolen en arylethers (17c). Dit werd uitgevoerd met een fotokatalysator gebaseerd op Ir-complexen en kopercomplexen, onder blauwe LED-irradiatie. De reactie stelde zowel elektron-rijke als elektron-arme aromaten in staat om effectief omgezet te worden in de gewenste producten. Dit werk verschilde van traditionele arene-zuurstofwerking, aangezien de zuurstoffunctionaliteit in complexe moleculen op een late fase, sitespecifiek werd ingebouwd. De voorgestelde mechanismen en radicalaire stappen voor deze reacties tonen de effectiviteit van fotoredox-katalyse in het genereren van arylradicalen die vervolgens reageren met nucleofiele componenten.

Deze fotokatalytische methoden bieden talrijke voordelen, zoals milde reactieve omstandigheden, het gebruik van goedkopere katalysatoren en de mogelijkheid om complexe moleculen te vormen met hoge opbrengsten. Ze breiden het bereik van synthetische strategieën voor hetero-aromaten uit, wat van belang is voor de chemische industrie en farmacologie, aangezien deze verbindingen belangrijk zijn in de ontwikkeling van nieuwe materialen en medicijnen.

Voor een dieper begrip is het cruciaal te begrijpen hoe fotokatalysatoren de reactie-energie verschuiven en welke parameters het rendement beïnvloeden, zoals de lichtintensiteit, de aard van de fotokatalysator en het oplosmiddel. Verder moeten onderzoekers aandacht besteden aan de mogelijkheid van het hergebruik van katalysatoren, aangezien dit bijdraagt aan de duurzaamheid van de methoden. Tot slot kan de toepassing van verschillende soorten reactanten zoals alkylsulfinamiden en thiophenen verder geoptimaliseerd worden voor specifieke toepassingen in de industrie.

Hoe beïnvloedt onstabiele draadloze communicatie fouttolerante consensus in draadloze netwerken?
Wat betekent het als een stad sterft en opnieuw geboren wordt?
Hoe Leonardo da Vinci's Vroege Leven Zijn Toekomst Vormde
Hoe de Balanswetten en Constitutieve Relaties de Gedragingen van Ferromagnetoelastische Materialen Beïnvloeden