Reakcje 2H-aziryn pod wpływem promieniowania UV stanowią kluczowy obszar badań w syntezie złożonych heterocykli azotowych. W reakcji pierścieniowego otwarcia 2H-aziryn pod działaniem światła ultrafioletowego powstają pośrednie związki – jolidy nitrylowe, które następnie uczestniczą w cykloadicjach [3+2] z alkenami o elektronochłonnych podstawnikach. Takie podejście otwiera szerokie możliwości w modyfikacji przestrzennej białek oraz tworzeniu skomplikowanych struktur heterocyklicznych o znaczeniu farmaceutycznym i materiałowym.

Badania z lat 70. XX wieku wykazały, że 2H-aziryny poddane działaniu UV w rozpuszczalnikach obojętnych mogą ulegać dimeracji prowadzącej do powstania tetrafenylopirazyny. Mechanizm tej przemiany opiera się na powstawaniu pośredniego jolidu nitrylowego, który reaguje z kolejną cząsteczką 2H-aziryny, tworząc cykliczny produkt przejściowy, a dalsza izomeryzacja pod światłem UV prowadzi do finalnego związku. Ponadto, reakcje [3+2] wykazują dużą uniwersalność względem różnych dipoli – od diacetylodanów alkinów po trifluorooctany metylu, co pozwala na syntezę szerokiej gamy pięcioczłonowych heterocykli azotowych o różnorodnej funkcjonalności.

Interesujące jest również zjawisko izomeryzacji wewnątrzcząsteczkowej 2H-aziryn zawierających fragmenty aldehydowe, iminowe lub alkenowe. Pod wpływem UV powstają odpowiednio oksazole, imidazole oraz pirolowe struktury heterocykliczne, przy czym produkty fotoizomeryzacji różnią się mechanizmem i strukturą od izomerów termicznych. Dodatkowo, możliwa jest formacja większych pierścieni, takich jak benzoazepiny, co świadczy o złożoności i różnorodności fotochemicznych przemian aziryn.

Przebieg reakcji może także obejmować cięcie wiązań C–C w pierścieniu 2H-aziryn, prowadząc do powstania pochodnych izoindolu. Podobne przemiany zachodzą poprzez mechanizmy związane z przeniesieniem elektronów (SET) w obecności silnych akceptorów, co otwiera nowe drogi do modyfikacji strukturalnej i syntezy nietypowych układów heterocyklicznych, takich jak pochodne pirolin.

Metoda generowania 2H-aziryn in situ przez fotolizę vinylazydów jest szczególnie efektywna i uniwersalna. Pod wpływem UV vinylazydy tracą azot, tworząc aktywne pośrednie aziryny, które mogą dimerować lub uczestniczyć w reakcjach cykloadicyjnych z alkenami lub innymi dipolami, umożliwiając szybkie i selektywne budowanie skomplikowanych struktur heterocyklicznych. Metody te znalazły zastosowanie w technikach przepływowych, co dodatkowo zwiększa kontrolę nad procesem i wydajność reakcji.

Izomeryzacja izoksazol do acylaziryn oraz ich dalsze przemiany fotochemiczne prowadzą do powstania oksazoli i pochodnych benzopiranu, zyskując na znaczeniu w syntezie związków o właściwościach farmakologicznych. Możliwość przechwytywania pośrednich acylaziryn przez aminy czy udział katalizy kobaltowej rozszerza zakres dostępnych metod syntezy heterocykli, dając dostęp do różnych struktur pirolowych oraz siedmioczłonowych układów cyklicznych.

Przemiany diazokomponentów pod wpływem światła, które prowadzą do powstania wolnych karbenów, rozszerzają paletę reakcji fotochemicznych, umożliwiając przeniesienie karbenów na różne substraty i syntezę złożonych związków heterocyklicznych.

Ważne jest zrozumienie, że fotochemiczne reakcje 2H-aziryn opierają się na delikatnej równowadze między generowaniem pośrednich aktywnych form, takimi jak jolidy nitrylowe czy acylaziryny, a ich szybką reakcją z dipolami lub uleganiem izomeryzacji. Warunki reakcji, takie jak rodzaj rozpuszczalnika, obecność katalizatorów czy intensywność i długość fali promieniowania UV, determinują selektywność i kierunek przemiany. Ponadto, różnice w mechanizmach fotochemicznych i termicznych izomeryzacji powodują, że identyczne substraty mogą prowadzić do różnych produktów w zależności od stosowanej metody aktywacji, co wymaga od badacza uważnego doboru warunków eksperymentalnych.

Zrozumienie tych procesów pozwala na świadome projektowanie reakcji do syntezy specyficznych heterocykli, co ma kluczowe znaczenie w opracowywaniu nowych leków, materiałów funkcjonalnych czy katalizatorów. Kontrola przestrzenna i elektroniczna pośrednich związków, jak również ich szybkie przejścia do stabilnych produktów, tworzą fundament nowoczesnej chemii fotochemicznej, umożliwiając tworzenie struktur niemożliwych do otrzymania klasycznymi metodami termicznymi czy chemicznymi.

Jak działają cykloaddycje dearomatyczne indoli aktywowane światłem widzialnym?

W ostatnich latach nastąpił znaczny postęp w zrozumieniu mechanizmów fotochemicznych dearomatyzacji układów heteroaromatycznych. Kluczową rolę odgrywa tu transfer energii, który umożliwia aktywację cząsteczek w stan trypletowy, prowadząc do unikalnych transformacji strukturalnych. Szczególne znaczenie zyskały reakcje cykloaddycji [2+2], [4+2], [5+2] i [5+4], które dzięki zastosowaniu światła widzialnego jako czynnika inicjującego, pozwalają uzyskiwać złożone produkty w warunkach łagodnych i z wysoką selektywnością stereo- i chemiczną.

Przykładem wysoce selektywnej transformacji jest enancjoselektywna wewnątrzcząsteczkowa dearomatyzująca cykloaddycja [2+2] indoli z alkenami, zaprojektowana w 2022 roku przez zespół Chena, Zonga i Wu. Zastosowano tu sztuczne fotoenzymy zawierające wbudowane nienaturalne aminokwasy z grupą benzofenonową jako centrum fotokatalityczne. Po wzbudzeniu światłem UV dochodziło do transferu energii na indol, a dzięki chiralnemu środowisku białka możliwe było uzyskanie produktów cyklobutanowych z enancjoselektywnością sięgającą 99% ee. Krystalografia rentgenowska potwierdziła kluczową rolę wielopunktowych oddziaływań między substratem a otoczeniem chiralnym w fotoenzymie.

Bardziej wymagające pod względem reaktywności są cykloaddycje [2+2] z alkinami jako akceptorami biradykałów. Ze względu na większe naprężenie pierścienia cyklobutenu w porównaniu z cyklobutanem oraz mniejszą reaktywność alkinów w takich warunkach, reakcje te były przez długi czas nieosiągalne. Grupa You w 2020 roku pokazała jednak, że przy odpowiednim projektowaniu substratów i warunków fotochemicznych możliwe jest otrzymanie cyklobutenowych indolizydyn z wydajnościami sięgającymi 98%.

Jeszcze inną ścieżką są reakcje indoli z iminami, a dokładnie z oksymami. W zależności od obecności podstawników w pozycji C3 indolu możliwe były dwie alternatywne ścieżki: standardowa cykloaddycja [2+2] lub reakcja przerwana przez transfer atomu wodoru typu 1,5. Badania Stern-Volmera wykazały, że to indol, a nie wiązanie C=N, odpowiada za wygaszanie stanu wzbudzonego fotosensybilizatora. Eksperymenty i obliczenia DFT wykazały, że produkty [2+2] powstają kinetycznie na początku, ale w obecności odpowiednich grup alkilowych ulegają dalszej transformacji do stabilniejszych termodynamicznie produktów HAT.

W przypadkach bardziej złożonych układów aromatycznych, takich jak naftaleny, możliwe są podwójne reakcje dearomatyzacji. Zaobserwowano równoległe ścieżki [2+2] i [4+2], przy czym produkty pierwszej zanikają w miarę postępu reakcji, a końcowe produkty [4+2] złożone z wielu sprzężonych pierścieni powstają z wysokimi wydajnościami i selektywnością. Zbadany mechanizm wskazuje na przejściowe, otwartopowłokowe biradykałowe intermediaty singletowe.

W 2023 roku opisano szczególnie interesującą reakcję cyklizacji ipso prowadzącą do podwójnej dearomatyzacji indoli sprzężonych z sulfonamidami. Użyto fotosensybilizatora Ir(dFCF3ppy)2(dtbbpy)PF6, który po wzbudzeniu światłem widzialnym indukował powstanie biradykału. Badania luminescencyjne wykazały brak mechanizmu opartego na transferze pojedynczego elektronu. Rozkład produktów zależał od konkurencji pomiędzy szybkością rozerwania wiązania C–S a szybkością rekombinacji rodnikowej.

Z kolei wykorzystanie winylocykloalkanów jako akceptorów biradykałów pozwala na rozszerzenie spektrum reakcji do [5+2], [2+2] i [5+4]. Odpowiednie podstawienie w pozycji C3 indolu decydowało o selektywności reakcji – brak podstawnika promował pierścieniowe otwarcie cyklopropanu i reakcję [5+2], natomiast obecność dużych grup sterycznych sprzyjała klasycznej cykloaddycji [2+2] bez otwarcia pierścienia. W przypadku pochodnych pirolu obserwowano dominującą reakcję [5+4].

W 2022 roku grupa Gloriusa zaprezentowała reakcję aminokarboksylowania alkenów i heteroaromatów w warunkach fotochemicznych z wykorzystaniem bifunkcyjnych estrów oksymowych. Jednoczesne wprowadzenie grupy aminowej i karboksylowej pozwoliło na prostą syntezę β-aminokwasów w jednej op

Jakie mechanizmy i strategie umożliwiają efektywną arylację heterocykli z wykorzystaniem fotokatalizy i prekursorów rodników arylowych?

Generacja rodnika α-aminoalkilowego następuje poprzez deprotonację, co stanowi kluczowy krok w mechanizmie reakcji. Następnie rodnik ten reaguje z solą arylową thiantreniową, prowadząc do powstania thiantrenu oraz rodnika arylowego. Ten z kolei wchodzi w reakcję addycji do heteroarenu, po czym następuje pojedyncza elektronowa oksydacja i deprotonacja, kończąc na uzyskaniu docelowego produktu biarylowego. Co istotne, cały proces przebiega w łagodnych warunkach, bez konieczności stosowania dodatków, naświetlania światłem czy katalizatorów metali przejściowych, przy jednoczesnej dobrej tolerancji na obecność powietrza i wody.

W roku 2020 Procter i współpracownicy wykorzystali 10-fenylfenotiazynę (PTH) jako wysoce efektywny fotokatalizator do aktywacji w miejscu reakcji generowanych soli dibenzotiofenowych, co umożliwiło formalne sprzężenie C–H/C–H arenów w prostym jednym etapie. Wyjątkowa zdolność redukcyjna PTH (E_red 1/2* = –2,1 V vs. SCE w DMSO) była niezbędna dla sprawnego przebiegu reakcji poprzez efektywne zredukowanie soli dibenzotiofenowych. Eksperymenty Stern–Volmer potwierdziły, że w stanie wzbudzonym następuje utleniające wygaszanie fotokatalizatora przez sole dibenzotiofenowe. Powstały rodnik arylowy, wytworzony przez transfer pojedynczego elektronu (SET) między wzbudzonym PTH* a solami, poddaje się addycji rodnikowej i oksydacji, prowadząc do oczekiwanych produktów. Ta metoda umożliwia selektywną arylację arenów w jednej prostej procedurze.

Niedawno opracowano nową, praktyczną strategię fotoaktywacji soli sulfonowych arylowych, która opiera się na tworzeniu kompleksu donor-akceptor (EDA) między solami arylowymi sulfonium a 1,4-diazabicyklooctanem (DABCO). Ta metoda umożliwia generację rodników arylowych pod wpływem światła widzialnego i pozwala na syntezę arylowanych N-heterocykli w umiarkowanych do dobrych wydajnościach. Co ważne, łagodne warunki reakcji umożliwiają zastosowanie ich do sprzęgania złożonych cząsteczek bioaktywnych, leków lub związków rolniczych. Badania mechanistyczne, obejmujące pułapkowanie rodników, pomiary UV–vis, titracje NMR oraz obliczenia DFT potwierdziły powstawanie kompleksu EDA, generację rodników arylowych oraz kolejne etapy reakcji, takie jak addycja rodnika do wiązania C=N, przemieszczenie wodoru (1,2-H shift) i transfer pojedynczego elektronu, finalizujące reakcję.

Ważnym segmentem są także związki jodu nadwartościowego, takie jak sole diarylionowe, które stanowią stabilne i szeroko dostępne prekursory rodników arylowych. W ostatnich latach opracowano metody fotokatalitycznego wykorzystania tych soli do selektywnej arylacji heterocykli w łagodnych warunkach. Przykładowo, w 2022 roku Murarka i współpracownicy zastosowali diarylionowe triflaty do bezpośredniej arylacji quinoksalin-2(1H)-onów, uzyskując szeroką gamę farmakologicznie istotnych związków. Następnie w 2023 roku zaproponowano system fotoredoksowy oparty na NaI, PPh3 i TMEDA, pozwalający na generację rodników arylowych z różnych substratów i arylację heterocykli zarówno ubogich, jak i bogatych elektronowo, co umożliwia late-stage functionalization leków i produktów naturalnych.

Innym interesującym źródłem rodników arylowych są nadtlenki acylowe, które pod wpływem światła, ciepła lub katalizatorów metali przejściowych ulegają homolitycznemu rozszczepieniu, uwalniając rodniki arylowe. Metody wykorzystujące te związki charakteryzują się prostotą i efektywnością, nie wymagając często dodatkowych fotokatalizatorów czy metali. Na przykład, w 2022 roku Li i współpracownicy wykazali widzialnolitejsową, fotokatalizatorową metodę bez użycia metali i dodatków do bezpośredniej C–H arylacji quinoksalin-2(1H)-onów, uzyskując umiarkowane do dobrej jakości produkty. Szczególnie łatwe jest rozkładanie rodnika benzoilowego, co sprzyja efektywności procesu.

Ważne jest zrozumienie, że centralnym elementem tych reakcji jest kontrolowana generacja i wykorzystanie rodników arylowych w łagodnych warunkach, często przy pomocy światła widzialnego oraz niskotoksycznych, stabilnych prekursorów. Zjawiska takie jak tworzenie kompleksów donor-akceptor, mechanizmy transferu pojedynczego elektronu oraz wybiórcza addycja rodników są kluczowe dla sukcesu tych procesów. Tolerancja na obecność powietrza i wilgoci oraz brak konieczności stosowania metali ciężkich znacząco rozszerzają praktyczne zastosowania tych metod w syntezie leków i związków bioaktywnych. Ponadto, zrozumienie roli poszczególnych składników, takich jak fotokatalizatory organiczne (np. PTH), związki jodu nadwartościowego czy DABCO, pozwala na projektowanie reakcji o wysokiej selektywności i wydajności.

Hvordan mestre avanserte tegneteknikker med blyant: Lag på lag-teknikk og teksturforståelse
Hva er den spanske matkulturen og dens påvirkning på det moderne kjøkkenet?
Hvordan de første verktøyene og teknologiene ble utviklet: En reise gjennom forhistorisk innovasjon
Hvordan lage elegante og kreative øreringer med wire og perler
Hvordan plante- og fruktdyrking utvikler seg: Sitrusfruktenes plass i hagen og historien
Hvordan velge og vedlikeholde gulv i kjøkkenet for både estetikk og funksjonalitet?