Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
De senaste åren har fotodrivna dearomatiseringsreaktioner via energioverföring mekanismer visat sig vara ett kraftfullt verktyg för syntes av komplexa och ibland mycket ansträngda molekylstrukturer. Dessa reaktioner, som utnyttjar den unika egenskapen hos exciterade tillstånd av organiska föreningar, möjliggör bildandet av polycykliska system genom olika cykloadditionsmekanismer. Genom att modulera denna energioverföring kan forskare påverka reaktionsvägar och selektivitet för att skapa nya, svåråtkomliga molekylarkitekturer.
En av de mest intressanta aspekterna av dessa reaktioner är deras förmåga att driva cycloadditioner med hög selektivitet och effektivitet. År 2023 visade Brown-gruppen, genom sina experiment med N-sulfonylimin-substituerade naftalen, att selektiva dearomativa [4+2]- och [2+2]-cycloadditioner kan uppnås genom att modulera den N-sulfonylimin-grupp som är fäst vid de aromatiska substraten. De visade att detta inte bara ledde till högre reaktionshastigheter, utan också gav produkter med hög diastereoselektivitet. Sådana reaktioner, där ett triplet-exciterat intermediär bildas och genomgår en radikalrekombination, öppnar dörren till att syntetisera komplexa polycykliska molekyler på ett mycket kontrollerat sätt.
En annan viktig upptäckt kom från Koenig och hans team, som 2020 utvecklade en ny organisk fotosensibilisator, 2CzPN. Denna fotosensibilisator, som har en hög tripletenergi, visade sig vara effektiv för att aktivera aromatiska substrat till deras triplet-exciterade tillstånd via energiöverföring. Med hjälp av denna fotosensibilisator och allen som en biradikal acceptor, kunde de uppnå en dearomativ [4+2]-cycloaddition av naftolderivat med allen och erhålla komplexa polycykliska produkter med en hög grad av selektivitet.
Vidare har fotodrivna dearomatiseringsreaktioner visat sig vara användbara även för syntes av svåra ringstrukturer. År 2024 rapporterade You-gruppen en intramolekylär dearomativ [5+4]-cycloaddition av naftolderivat med vinylcyklopropan, som möjliggjorde skapandet av medium-stora ringar med högt geometriskt tryck. Denna reaktion, som använder synligt ljus som drivkälla, gör det möjligt att bygga molekylära strukturer som tidigare varit mycket svåra att uppnå med traditionella metoder.
Det finns också en betydande utveckling i användningen av fotodrivna system för att initiera reduktioner av aren- och heteroarener. Koenig-gruppen visade 2019 att en fotoreduktion av aren kan utföras effektivt i deras exciterade tillstånd. Detta innebär att arenmolekyler som annars skulle vara mycket svåra att reducera i grundtillstånd kan genomgå en enkel och effektiv reduktion när de är exciterade, vilket öppnar nya vägar för syntesen av reduktionsprodukter och dihydroaromatiserade föreningar.
Dessutom har forskare också utvecklat metoder för difunktionalisering av aromatiska föreningar genom singlet-oxygens medverkan. 2019 beskrev You, Cho och deras medarbetare en intramolekylär dearomativ dubbelfunktionell reaktion av bensen i närvaro av molekylärt syre. Denna process genererar en iminylradikal som kan reagera med den aromatiska ringen för att bilda komplexa produkter. Detta representerar en helt ny metod för att generera funktionaliserade aromatiska föreningar på ett selektivt sätt.
Det är också viktigt att förstå att dessa reaktioner, förutom att de tillåter syntes av komplexa strukturer, öppnar för nya vägar i den enantioselektiva kemin. Genom att använda chirala katalysatorer eller enzymer har det visats att dessa fotodrivna dearomatiseringsreaktioner kan uppnå enastående enantioselektivitet, vilket är en viktig framsteg inom området för syntetisk organisk kemi.
Vidare forskning och utveckling inom detta område kan förväntas ge upphov till ännu mer effektiva och selektiva reaktionsmetoder för syntes av komplexa molekyler. Den potentiella tillämpningen av dessa metoder sträcker sig bortom akademisk forskning och kan komma att påverka läkemedelsutveckling, materialvetenskap och andra områden där syntes av specifika molekylstrukturer är avgörande.
Hur kan fotobiokatalys och enzymkatalys kombinera för att syntetisera heterocykliska föreningar med hög stereoselektivitet?
I den senaste utvecklingen av fotobiokatalys och enzymkatalys, har forskare lyckats kombinera dessa två metoder för att syntetisera och modifiera heterocykliska föreningar. Genom att utnyttja den synergi som uppstår mellan fotokatalys och enzymkatalys har nya vägar öppnats för att uppnå stereoselektiva reaktioner som tidigare varit svåra att genomföra.
En av de mest intressanta aspekterna av denna teknik är hur den möjliggör intramolekylära cykliseringar som går utöver de traditionella 6-endo-trig mekanismerna, och även inkluderar 5-exo-trig, 7-endo-trig och 8-endo-trig reaktioner. Genom direktionell evolution av olika YqjM-mutanter har det visat sig att dessa system kan leda till produktionen av både enantiomerer av produkter, även om selektiviteten för S-enantiomeren kan vara något lägre. Vidare har användningen av alkene-reduktas, GluER (ene-reduktas från Gluconobacter oxydans), visat sig effektiv för intermolekylära asymmetriska hydroamineringar.
En nyckelkomponent i denna typ av biokatalys är thiamindifosfat (ThDP), ett viktigt kofaktor för flera enzymer som är allmänt förekommande i levande organismer, såsom transketolas och benzaldehydlyas. ThDP spelar en avgörande roll genom att möjliggöra bildandet av nukleofila karbon-negativa enaminintermediärer genom umpolung av karbonylsubstrat, vilket leder till kovalent bindning av kolatomer vid elektrofiler. En sådan process var inblandad i en banbrytande studie från 2024 av Huang, Liang och Tian, där de rapporterade ett fotobiokatalytiskt system som utnyttjade den organiska färgämnet eosin Y och ThDP-beroende enzymer för att genomföra asymmetriska radikala acyleringsreaktioner.
Genom att kombinera fotokatalys och enzymkatalys i ett synergiskt system har forskarna lyckats skapa en rad funktionaliserade enantioenrikade acylheteroarener som pyrazol, pyridin, benzotiofen och indol. Den mekanistiska förståelsen bakom dessa reaktioner visar att den exiterade tillståndet av eosin Y medierar en enkel-elektron-oxidering av Breslow-intermediärer för att bilda radikal-anjoner, vilket sedan kopplas med alkylradikaler skapade genom en enkel-elektron-reduktion av phthalimid-aktiva estrar. På så sätt uppnås en hög enantioselektivitet i radikal-radikal-kopplingsreaktioner.
Det har också visat sig att fotobiokatalytiska system kan användas för att främja C-O-bindningsbildning, vilket är av stor betydelse för syntesen av komplexa heterocykliska föreningar. En sådan reaktion beskrevs av Huang och kollegor 2024, som visade att ett dubbelkatalytiskt system bestående av en ene-reduktas och ett organiskt färgämne möjliggör stereoselektiva laktoniseringar av olika alkenylkarboxylsyror. Dessa reaktioner, som genomfördes med hög enantioselektivitet (upp till 99% ee) och enastående diastereoselektivitet, möjliggör syntesen av fem- och sexmedlemmade laktoner med vicinala stereocenter och till och med kvaternära stereocenter.
En särskild fördel med dessa fotobiokatalytiska system är deras förmåga att driva asymmetriska reaktioner vid milda betingelser, vilket innebär att de inte kräver de extrema temperaturer eller tryck som ofta är förknippade med traditionella syntesmetoder. Denna egenskap gör dem särskilt attraktiva för användning inom den gröna kemin, där det finns ett stort behov av att minska energiåtgången och miljöpåverkan.
Forskning inom fotobiokatalys driven av elektron-donator-acceptor-komplex (EDA-komplex) har också varit en viktig framsteg. Dessa komplex bildas genom dipol-dipol-interaktioner mellan elektronfattiga acceptorer och elektronrika donatorer, och vid belysning vid specifika våglängder kan elektronstransfer ske, vilket leder till bildandet av radikal-kationer och radikal-anjoner. Denna metod har visat sig vara mycket effektiv för att generera fotogenererade radikaler under milda förhållanden och har lett till en rad synteser av funktionaliserade lactoner och andra heterocykliska föreningar.
Genom att använda enzymer i kombination med fotokatalys, där intermediära produkter från den fotokatalytiska fasen överförs till enzymkatalys, har det blivit möjligt att syntetisera värdefulla chiral heterocykler med hög enantioselektivitet. Denna process, som kallas tandemkatalys, kräver att fotokatalys och enzymkatalys arbetar i symbios, där den fotogenererade produkten kan fungera som ett mellanled som sedan reagerar med det enzymatiska systemet för att uppnå den önskade produkten.
Vidare bör det beaktas att, även om denna teknik erbjuder fantastiska möjligheter för syntes och modifiering av heterocykliska föreningar, är det också viktigt att förstå de potentiella utmaningarna. Bland dessa finns svårigheten att hitta de rätta fotokatalytiska och enzymatiska system som arbetar effektivt tillsammans, samt behovet av att optimera reaktionsbetingelserna för att uppnå maximal enantioselektivitet och reaktionshastighet. Dessa faktorer kräver noggrant övervägande och kan vara en begränsning för metodens bredare tillämpning i industriell skala.