Proces 1,5-HAT stanowi efektywną metodę generowania rodników węgla, co zostało zilustrowane przez powstanie rodnika C-20A. Cyklowa woltamperometria wykazała, że redukcja halogenowanych benzamidów przebiega znacznie wydajniej w systemach micelarnych niż w standardowych roztworach w acetonitrylu (MeCN). Poza reakcjami fotokatalizowanymi, wzrasta zainteresowanie reakcjami cyklizacji rodnikowych inicjowanych światłem widzialnym, ale bez użycia fotokatalizatora. W 2022 roku Yu i współpracownicy opisali trójskładnikową tandemową cyklizację rodnikową N-allylobromodifluoroacetamidów z terminalnymi alkinami, w której włączono dwutlenek siarki. Związki z różnymi podstawnikami zarówno elektrono-donorowymi, jak i elektrono-akceptorowymi na pierścieniu aromatycznym podlegały sprawnie reakcji, prowadząc do powstania pochodnych pyrrolidonów. Natomiast amidy z podstawnikami cyklopentylowymi lub pirydynowymi na atomie azotu nie dały oczekiwanych produktów. Eksperymenty pułapkowe rodników i badania UV–vis sugerowały, że kompleks transferu ładunku 23A pełni rolę prekursora rodników difluoroalkilowych.

W 2023 roku grupa Sun i Jin zaproponowała podobną strategię kaskadowej cyklizacji rodnikowej, również opartej na rodnikach difluoroalkilowych, prowadząc do powstania pochodnych pyrrolidonów. Reakcja ta zachodziła efektywnie w zakresie długości fal 400–405 nm, natomiast powyżej 450 nm nie zaobserwowano aktywności, co wynikało z niewystarczającej energii do homolizy wiązania Csp3–Br (BDE = 68 kcal/mol). Przykład ten stanowi pierwszą demonstrację kaskadowej cyklizacji rodnikowej inicjowanej bezpośrednią homolizą wiązania Csp3–Br przy użyciu światła widzialnego, co prowadzi do produktów charakteryzujących się wysoką regio- i diastereoselektywnością.

Radikale azotowe, zwłaszcza iminylowe, stanowią ważną klasę pośrednich reagentów do budowy heterocykli azotowych w warunkach fotokatalitycznych. Iminylowe rodniki powstają zazwyczaj przez rozpad wiązania N–O i następnie ulegają hydroiminacji alkenów, co prowadzi do powstawania pochodnych pyrrolin. W 2018 roku Feng i Loh wykorzystali fotokatalizator fac-Ir(ppy)3 do promowania hydroiminacji nieaktywowanych alkenów, osiągając wysokie wydajności i selektywność produktów. Zastosowanie DMPU jako dawcy wodoru znacznie zwiększało efektywność reakcji, a grupa O-acylowa oksymu pełniła rolę skutecznego prekursora rodników iminylowych.

Grupa Zhang rozszerzyła zakres zastosowań tej grupy związków, łącząc oksymowe estry cyklobutanonu z arylowymi izonitrylami w kaskadowej cyklizacji rodnikowej, co umożliwiło syntezę cyklopenta[b]chinoksalin o szerokim zakresie tolerancji na różne grupy funkcyjne i umiarkowanie do dobrych wydajności. Benzylowe oksymowe estry również okazały się efektywne do generowania rodników iminylowych, co wykazano w pracach Itoh i współpracowników przy użyciu fotokatalizatora 1-chloroantrochinonu.

Fu i współpracownicy opisali fotokatalizatorowe, jak i wolne od fotokatalizatora, metody cyklizacji iminylowej prowadzące do powstawania spiropyrrolin, gdzie kluczową rolę odgrywał kompleks EDA pomiędzy 2,4-dinitrofenylowym substratem i DBU jako donorem elektronów. Kompleks ten pod wpływem światła widzialnego ulegał transferowi pojedynczego elektronu, inicjując powstawanie iminylowego rodnika.

Ważnym osiągnięciem jest praca Wanga i współpracowników, którzy opisali kontrolowaną reakcję rozbieżną 2,4-dinitrofenyloamidu pod wpływem barwnika eosin Y, uzyskując funkcjonalizowane pirroloindoliny w zależności od warunków atmosferycznych (obecność tlenu lub jego brak). W warunkach beztlenowych dominowała hydroaminacja przez rodnik amidylowy, zaś obecność tlenu prowadziła do hydroksyaminacji.

Sulfonamidylowe rodniki azotowe również znalazły zastosowanie w syntezie pirrolinów, szczególnie w intramolekularnych cyklizacjach olefin metodą protonowo-sparowanego transferu elektronowego (PCET). Przykłady te świadczą o szerokim potencjale różnych N-rodników w budowie azotowych heterocykli przy zastosowaniu światła widzialnego.

Ważne jest, by zrozumieć, że skuteczność tych procesów zależy od właściwego doboru długości fali światła, natury prekursora rodnika oraz mechanizmu generacji rodnika (np. homoliza wiązań, kompleksy transferu ładunku czy reakcje PCET). Dodatkowo, obecność grup funkcyjnych wpływa na stabilność i reaktywność powstających rodników oraz na selektywność końcowych produktów. Świadomość tych czynników pozwala na celowe projektowanie reakcji i rozwijanie nowych, efektywnych metod syntezy związków heterocyklicznych.

Jak działają fotokatalityczne metody syntezy i funkcjonalizacji skondensowanych tiofenów?

Fotokatalityczna synteza i modyfikacja skondensowanych tiofenów to dynamicznie rozwijający się obszar chemii, który wykorzystuje światło widzialne do aktywacji związków siarkowych i budowy złożonych struktur heterocyklicznych. Skondensowane tiofeny, ze względu na swoją wyjątkową rolę w chemii leków oraz materiałoznawstwie, stanowią atrakcyjne cele syntezowe. W ciągu ostatniej dekady metody fotoindukowanej cyklizacji oraz bezpośredniej funkcjonalizacji tych związków uległy znaczącej ewolucji, dzięki czemu możliwe stało się prowadzenie reakcji w łagodnych warunkach, z wysoką selektywnością oraz w szerokim zakresie substratów.

Kluczową techniką jest fotokatalityczna cyklizacja związków zawierających siarkę i wiązania nienasycone, które w obecności światła widzialnego oraz odpowiednich katalizatorów tworzą pierścienie tiofenowe. Przykładem jest metoda opracowana przez zespół Yuana w 2016 roku, w której przy użyciu mieszaniny KOH i DMSO oraz promieniowania xenonowego (420–780 nm) uzyskiwano 2-substytuowane benzotiofeny z 2-halotioanisoli i alkinów. Reakcja ta przebiegała z wysoką wydajnością (do 95%) oraz dużą tolerancją na różnorodne grupy funkcyjne, co podkreśla jej uniwersalność i potencjał zastosowania w syntezie złożonych heterocykli. Mechanizm reakcji zakłada inicjację przez pojedynczy transfer elektronu (SET) prowadzący do powstania rodników arylowych, które następnie ulegają cyklizacji.

W podobnym duchu prace Yana oraz Zhu rozszerzyły spektrum metod fotokatalitycznych, eliminując konieczność użycia metali czy tradycyjnych katalizatorów. Reakcje te bazują na fotoinicjowanej aktywacji disiarczków czy wolnych tioli, które w obecności światła niebieskiego LED prowadzą do formowania pierścieni benzotiofenowych. Przykładem jest tandemowa cyklizacja mediowana fotoredoksem, osiągająca nawet 98% wydajności, co podkreśla jej znaczenie jako metalowo- i addytywowo wolnej alternatywy dla konwencjonalnych metod.

Najnowsze doniesienia dotyczą także funkcjonalizacji tiofenów przez wprowadzanie grup sulfonylowych i innych substytuentów, które modyfikują właściwości elektronowe i steryczne pierścienia. Song i współpracownicy pokazali, że zastosowanie kompleksu irydowego [IrdF(CF3)(ppy)2(dtbbpy)]PF6 jako fotokatalizatora w połączeniu z K2CO3 i niebieskim światłem LED pozwala na selektywne sulfonowanie benzotiofenów, zachowując łagodne warunki reakcji oraz szeroką tolerancję substratów.

Szczególnie ważnym odkryciem jest rola soli tiantreniowych, które ze względu na stabilność, łatwość syntezy i szeroki zakres dostępnych pochodnych stanowią wyjątkowo wszechstronne prekursory w reakcjach fotokatalitycznych. Te sole umożliwiają tworzenie wiązań węgiel–węgiel oraz węgiel–heteroatom z dużą selektywnością i w sposób modularny, co otwiera drogę do tworzenia złożonych systemów heterocyklicznych o różnorodnych funkcjach.

Metody fotokatalityczne wyróżniają się tym, że przebiegają w warunkach pokojowych, często bez użycia metali ciężkich, co jest zgodne z ideami zielonej chemii. Fotoinicjowana synteza i modyfikacja tiofenów opiera się na reaktywności rodników, co pozwala na osiągnięcie wysokiej selektywności regio- i stereochemicznej, trudnej do uzyskania klasycznymi metodami. Jednocześnie wykorzystywanie światła widzialnego jako energii napędowej redukuje konieczność stosowania wysokich temperatur i agresywnych reagentów.

Zrozumienie mechanizmów reakcji fotoindukowanych jest kluczowe, aby przewidywać ich przebieg i optymalizować warunki syntezy. Procesy te często bazują na generowaniu aktywnych rodników lub kompleksów donor–akceptor, które pod wpływem światła ulegają rozkładowi i inicjują sekwencje reakcji prowadzących do zamknięcia pierścienia lub dołączania grup funkcyjnych. Wiedza o kinetyce i termodynamice tych procesów umożliwia zaprojektowanie reakcji o wysokiej wydajności i selektywności.

Ważne jest, aby czytelnik dostrzegł, że rozwój fotokatalitycznych metod syntezy tiofenów nie jest jedynie krokiem naprzód w technikach laboratoryjnych, ale stanowi fundament dla nowoczesnej chemii zrównoważonej. Przyszłość tych metod leży w dalszej integracji fotochemii z syntezą ukierunkowaną na materiały funkcjonalne i związki bioaktywne, gdzie kontrola nad strukturą molekularną i funkcjonalizacją jest niezbędna do uzyskania pożądanych właściwości. Wiedza ta pozwala także na świadome podejście do projektowania katalizatorów i optymalizacji warunków, co ma bezpośrednie przełożenie na skalowalność i zastosowanie przemysłowe.

Jaký je význam hledání vlastních kořenů?
Jak přijmout nečekané pravdy o vztazích a lásce
Jak efektivně komunikovat v obchodním prostředí?