Hoe energieoverdracht foto-catalysatoren de dearomatisering van heteroarenen bevordert

Energieoverdracht speelt een cruciale rol in een reeks fotochemische reacties, die het mogelijk maken om heteroarenen op een ongewone manier te functionaliseren. Deze processen omvatten verschillende fotochemische mechanisme waarbij de energie van een opgewonden fotosensitizer wordt overgedragen naar een reagens, wat leidt tot de vorming van reactieve tussenproducten zoals radicalen. Deze radicalen kunnen dan verder reageren om gedefinieerde verbindingen te produceren. In dit kader hebben verschillende onderzoeksgroepen belangrijke vooruitgangen geboekt, met name in de dearomatisering van indolen, pyridinen, en andere hetero-aromatische verbindingen.

Een vergelijkbare aanpak werd toegepast door de Glorius-groep, die een energieoverdracht-geëntegreerde dearomatieve diaminatione introduceerde. In deze reactie werden electron-rijkere (hetero)arenen gemodificeerd met een diaminatione-reagens, wat resulteerde in een ongekend regioselectieve en diastereoselectieve vorming van vicinale diaminen. Door spectroscopische en elektrochimische technieken werd aangetoond dat de energieoverdracht van de opgewonden fotosensitizer naar het diaminatione-reagens de triplettoestand van het reagens bevorderde, wat resulteerde in de splijting van het N–O-verbinding en de vorming van een transiënte amidylradicaal. Deze vrije radicalen reageren dan met de indolines, benzofurans, of benzothiophenes, waarbij een C-gecentreerd radicaal wordt gevormd dat door radical-radical koppeling een stabiel product oplevert.

Naast de dearomatisering van indolen zijn er ook belangrijke vooruitgangen geboekt op het gebied van de cycloadditie van pyridines en quinolines met alkenen. De Glorius-groep ontwikkelde een intramoleculaire dearomatieve [4+2] cycloadditie van pyridine met alkeen in aanwezigheid van een herbruikbare en duurzame fotokatalysator. De spectroscopische studies, inclusief Stern-Volmer analyse, toonden aan dat de opgewonden fotosensitizer werd gekweld door de cinnamylgroep van de substraten, en dat de opbrengst van het cycloadditiereactief afhankelijk was van de tripletenergie van de fotosensitizer. Dit benadrukt het belang van energieoverdracht bij de vorming van cycloadducten.

Bij een andere benadering werd een intermoleculaire dearomatieve [4+2] cycloadditie van N-heteroarenen met alkenen ontwikkeld, waarbij zowel regio- als diastereoselectiviteit werd behaald. De studie wees uit dat de reactie werd beïnvloed door de interactie tussen de alcoholische protonen van de oplosmiddelen en de stikstofatomen van de substraten. Deze processen werden verder onderzocht met behulp van gecombineerde experimentele en computationele benaderingen, wat leidde tot inzicht in de regioselectiviteit en de rol van de oplosmiddelstabilisatie in de reactie.

Hoe Arylradicalen Geproduceerd Kunnen Worden en Toegepast in de Synthese van Biarylproducten

De generatie van α-aminoalkylradicalen door deprotonatie speelt een cruciale rol in de synthetische chemie, omdat het een sleutelstap is voor het realiseren van geavanceerde verbindingen. Het α-aminoalkylradicaal, eenmaal gevormd, reageert met arylthianthreniumsalt om thianthreen en een arylradicaal te produceren. Dit arylradicaal ondergaat vervolgens een additiereactie met een heteroarene, waarna een enkele-elektronoxidatie en deprotonatie plaatsvinden, wat uiteindelijk leidt tot de gewenste biarylproducten. Het is belangrijk om te benadrukken dat deze transformatie plaatsvindt onder milde omstandigheden, zonder de noodzaak voor additieven, licht of overgangsmetalen als katalysatoren. Deze methode toont uitstekende compatibiliteit met lucht en water, wat het bijzonder geschikt maakt voor diverse toepassingen in de organische synthese.

Onlangs ontwikkelde onze onderzoeksgroep een nieuwe fotochemische activatiestrategie voor arylsulfoniumzouten, waarmee arylradicalen werden gegenereerd door de vorming van een elektron-donor-acceptor (EDA)-complex tussen arylsulfoniumzouten en 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octaan (DABCO). Deze methode heeft de synthese van gearylgreerde N-heterocycli met gematigde tot goede opbrengsten mogelijk gemaakt. De milde reactieomstandigheden maakten het ook mogelijk om bioactieve moleculen en complexe geneesmiddelen of landbouwchemicaliën te koppelen. Mechanistische studies, zoals radicaalvalexperimenten, UV-vis absorptiemetingen, en nucleaire magnetische resonantietitratie-experimenten, werden uitgevoerd om het reactiepad te verduidelijken. De resultaten bevestigden de vorming van een EDA-complex tussen arylsulfoniumzouten en DABCO, wat leidde tot de vorming van arylradicalen onder zichtbare lichtstraling.

Hypervalente jodium(III)-ylidenes (HVI's) zijn belangrijke bouwstenen in de organische synthese vanwege hun stabiliteit bij verhoogde temperaturen en hun kosteneffectieve karakter. In 2022 rapporteerde de groep van Wu en Cui de pionierswerking van HVI's voor de fotokatalytische arylatie van heterocycli, wat opmerkelijke veelzijdigheid toonde, met uitstekende tolerantie voor functionele groepen en zonder de noodzaak voor oxidanten of metalen. Deze strategie werd succesvol toegepast voor de late-fase functionalisatie van complexe bioactieve moleculen, waaronder het modificeren van flavonen zoals TF-flavone.

Een ander belangrijk alternatief voor de generatie van arylradicalen komt van aryllacylperoxiden, die vaak worden gesynthetiseerd uit carboxylzuren of hun afgeleiden. Onder specifieke omstandigheden, zoals thermische behandeling of verlichting, kunnen de zwakkere O-O-banden in deze verbindingen worden gebroken, wat leidt tot de vorming van arylradicalen. In 2022 werd door Li’s groep een zichtbare licht-gemediëerde methode ontwikkeld voor de directe C-H arylatie van quinoxalin-2-(1H)-onen, waarbij aryllacylperoxiden als voorloper van arylradicalen werden gebruikt. Deze reactie, die geen fotokatalysator, additieven of metalen vereist, resulteerde in gematigde tot goede opbrengsten van 3-arylated quinoxalin-2-(1H)-onen.

Wat is de rol van foto-geïnduceerde reacties in de synthese en functionalisatie van fused thiophenen?

Fused thiophenes vormen een prominente klasse van zwavelhoudende heterocyclische verbindingen, die op brede schaal worden toegepast in de farmaceutische chemie en materiaalkunde. De integratie van foto-geïnduceerde strategieën in de synthetische chemie heeft onlangs de efficiëntie en mildheid van de synthese en modificatie van fused thiophenes aanzienlijk verbeterd. Dit hoofdstuk biedt een overzicht van de recente ontwikkelingen in de fotokatalytische synthese en functionalisatie van fused thiophenes, met de nadruk op fotokatalytische cyclisatie, directe koppeling met eenvoudige fused thiophenen en diverse functionalisatie van thianthreniumzouten in deze processen.

In 2017 werd door Yan en zijn medewerkers een fotokatalysator-vrije reactie gepresenteerd waarbij disulfiden en alkynen reageerden onder invloed van zichtbaar licht, wat leidde tot de vorming van benzothiophenen. De reactie vertoonde goede compatibiliteit met een breed scala aan functionele groepen, en de schaalbaarheid werd aangetoond door de productie van het eindproduct in een gram-schaal met een opbrengst van 64%.

In datzelfde jaar publiceerde de Zhu-groep een effectieve, met fotoredox gemedieerde methode voor de synthese van benzothiophenen via een tandem cyclisatie van vrije thiophenolen met alkynen. Het gebruikte organische fotokatalysator Mes-Acr-Me+ stelde hen in staat om de gewenste producten met opbrengsten van tot wel 98% te verkrijgen. Deze ontwikkeling markeerde een belangrijke stap in de toegang tot thiophenederivaten zonder de noodzaak van metalen katalysatoren.

Foto-geïnduceerde processen stellen chemici in staat om de regioselectiviteit en functionalisatie van thiophenen te beïnvloeden, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen en actieve farmaceutische ingrediënten. Dit soort reacties wordt steeds belangrijker voor de duurzamere productie van complexe moleculen, omdat het gebruik maakt van milde omstandigheden en geen zware metalen of agressieve chemicaliën vereist.

De recente vooruitgangen in de foto-geïnduceerde synthese van fused thiophenes en hun functionalisatie benadrukken het potentieel van dit gebied voor toekomstige innovaties in de organische chemie. Thianthreniumzouten bijvoorbeeld, die zich kenmerken door hun stabiliteit en veelzijdigheid, zijn een waardevolle klasse van reagensprecursors voor de vorming van koolstof-koolstof- en koolstof-heteroatoombindingen. Deze zouten zijn bijzonder geschikt voor diverse fotokatalytische koppelingen, waarbij verschillende functionele groepen aan de thiophene-structuur kunnen worden toegevoegd.

Bij het werk met fused thiophenen moet men echter altijd rekening houden met de reactieomstandigheden, zoals de keuze van het licht (blauw, ultraviolet, etc.), het type fotokatalysator en de aard van de reagenten. De interactie van licht met organische moleculen kan leiden tot het ontstaan van radicaal-gebaseerde mechanismen die vaak leiden tot een breder scala aan producten dan conventionele chemische reacties. Bovendien kunnen de reactiecondities de regioselectiviteit beïnvloeden, wat essentieel is voor de controle over de productdistributie.

De voordelen van foto-geïnduceerde reacties voor de synthese van thiophenederivaten liggen niet alleen in de milieuvriendelijkheid, maar ook in de mogelijkheid om nieuwe, ongekende structuren te genereren die anders moeilijk te bereiken zouden zijn met traditionele methoden. De verdere ontwikkeling van fotokatalytische technieken, in combinatie met de continue zoektocht naar nieuwe lichtbronnen en fotokatalysatoren, zal naar verwachting leiden tot nog efficiëntere en duurzamere processen in de organische synthese.