Hur kan fotokemiska transformationer av 2H-aziriner användas för syntes av heterocykliska föreningar?

Denna bokkapitel sammanfattar i detalj syntesen av heterocykler genom fotokemiska transformationer av 2H-aziriner. Diskussionen fokuserar på de ljuskällor som används, såsom ultraviolett och synligt ljus, samt de olika reaktionsmekanismerna som är involverade. För ett decennium sedan koncentrerade sig forskare huvudsakligen på omvandlingen av 2H-aziriner under UV-ljusbestrålning. Den senaste tidens ökande intresse för katalys under synligt ljus, som en miljövänlig och hållbar energikälla, har emellertid lett till att omvandlingen av 2H-aziriner under synligt ljus har fått mer uppmärksamhet.

Forskningen om användningen av 2H-aziriner för syntes av heterocykliska föreningar under fotokemiska förhållanden är fortfarande i sin linda, vilket kräver ytterligare studier. Särskilt finns det en brist på rapporter om syntesreaktioner av heterocykler från 2H-aziriner under synligt ljus, där EDA-komplex eller som en radikalreceptor används. Potentialen för framsteg inom detta område är betydande, och det förväntas att fler innovativa ringöppningsfunktionaliseringsreaktioner av 2H-aziriner kommer att avslöjas inom en nära framtid.

Den fotokemiska transformationen av 2H-aziriner öppnar upp nya möjligheter för att skapa heterocykler som kan användas i många kemiska och farmaceutiska tillämpningar. Särskilt användningen av synligt ljus för att inducera dessa transformationer innebär en mer hållbar metod, där behovet av giftiga eller dyra reagenser minskar. Detta är särskilt relevant inom organisk kemi och farmaceutisk industri, där det finns ett konstant behov av att utveckla nya, effektiva och miljövänliga syntesvägar för heterocykliska föreningar.

Samtidigt är forskningen om fotokemisk syntes av heterocykler genom 2H-aziriner fortfarande en ung disciplin. Det finns många aspekter som behöver utforskas ytterligare, särskilt när det gäller att förstå de underliggande mekanismerna och optimera reaktionsbetingelserna. Detta gäller framför allt studier om hur EDA-komplex kan användas för att driva dessa reaktioner under synligt ljus, vilket skulle kunna öppna upp för nya och mer effektiva syntesvägar.

För att denna forskning ska kunna utvecklas ytterligare behövs det fler experimentella studier och teoretiska modeller som kan belysa de komplexa interaktionerna mellan 2H-aziriner och ljus. En annan viktig aspekt är att förstå hur olika ljuskällor påverkar reaktionens resultat, vilket kan vara avgörande för att kunna kontrollera reaktionen på ett mer precist sätt.

Förutom de tekniska aspekterna är det också viktigt att beakta de potentiella tillämpningarna av dessa synteser i industriella processer. En av de största utmaningarna är att göra dessa processer skalbara, så att de kan användas för att producera större mängder av de önskade heterocykliska föreningarna. Det är också viktigt att undersöka de ekonomiska aspekterna och se hur dessa fotokemiska metoder kan konkurrera med traditionella syntesmetoder när det gäller kostnad och effektivitet.

Sammanfattningsvis är det klart att det finns stor potential för fotokemiska transformationer av 2H-aziriner i syntesen av heterocykliska föreningar. Trots att området är relativt nytt, visar den befintliga forskningen att detta är en lovande väg för att utveckla nya, effektiva och miljövänliga syntesmetoder. Det krävs dock fortsatt forskning och utveckling för att förstå mekanismerna och optimera processerna för att kunna utnyttja dessa metoder fullt ut.

Hur fotokemiska reaktioner och ljusinducerade cykliseringar bidrar till syntes av heterocykler

Fotokemiska reaktioner spelar en central roll i syntesen av heterocykler, och särskilt genom användning av ljus som drivande kraft för att initiera reaktioner mellan aziriner och olika reaktanter. Dessa reaktioner gör det möjligt att skapa komplexa molekylstrukturer under milda förhållanden, vilket öppnar upp för nya möjligheter inom både syntetisk kemi och materialvetenskap. Den fotokemiska induktionen av ringförslutningar, som exempelvis cykliseringar eller transpositioner, utgör en intressant och effektiv metod för att bygga upp funktionella heterocykliska enheter.

Denna strategi har visat sig användbar för syntesen av flera viktiga heterocykler, inklusive pyrroler, imidazoler och pyraziner, genom så kallade [3+2]- eller [3+3]-cykliseringar. I dessa reaktioner kombineras 2H-aziriner med olika elektronrika föreningar, såsom quinoner, alkynbromider eller nitrosoarener, i närvaro av synligt ljus. Användningen av ljusenergi för att driva dessa reaktioner gör det möjligt att uppnå selektivitet och effektivitet, och ofta kan processen genomföras utan behov av metallkatyler eller andra tunga reagens.

En särskilt intressant aspekt av dessa fotokemiska cykliseringar är deras förmåga att genomföra reaktioner med hög stereoselektivitet, vilket innebär att de kan kontrollera den exakta placeringen av substituenter i den slutliga heterocykeln. Ett exempel på detta är användningen av synligt ljus för att främja [3+2]-cykliseringar mellan 2H-aziriner och quinoner, vilket ger upphov till benzo[f]isoindol-4,9-dioner. På samma sätt kan ljusinducerade reaktioner med alkynylbromider eller alkyl/nitroso-substituerade föreningar ge selektiv syntes av pyrroler eller oxazoler, ofta med god avkastning och under milda förhållanden.

Vidare har metoder som involverar fotokatalys och fotoredoxkatalys även visat sig vara användbara för att styra reaktionernas selektivitet, där synligt ljus fungerar som en energikälla för att aktivera fotokatalysatorer. Ett bra exempel på detta är användningen av fotokatalysatorer som rutiniumkomplex för att driva fotoredoxreaktioner mellan 2H-aziriner och andra reaktiva föreningar, såsom azider eller diazoniumsalter, vilket leder till syntes av triasoler och andra komplexa heterocykliska system.

Det är viktigt att förstå att fotokemiska reaktioner inte bara innebär en teoretisk intressant metod utan att de också har praktisk betydelse i den kemiska industrin, där de erbjuder nya, mer hållbara sätt att framställa heterocykler. Genom att utnyttja ljus som den primära drivkraften kan man undvika användningen av giftiga och miljöskadliga reagenser samt förhindra behovet av höga temperaturer, vilket gör dessa processer både mer energieffektiva och miljövänliga.

I synnerhet har den senaste utvecklingen av ljusdrivna [3+2]-cykliseringar, där olika aziriner reagerar med quinoner eller nitrosoarener, lett till syntes av nya material med potentiella applikationer inom organisk elektronik och ljusdrivna processer. Dessa reaktioner kräver ofta endast ljusenergi för att initiera omvandlingen, vilket gör dem särskilt attraktiva för användning i industriella tillämpningar, där energieffektivitet och hållbarhet är av stor vikt.

Med tanke på den ständigt växande forskningen inom detta område är det uppenbart att fotokemiska transformationer av 2H-aziriner och deras reaktioner med olika elektronfattiga och elektronrika reaktanter kommer att fortsätta att spela en avgörande roll för framtida syntesstrategier. Den stora potentialen för att skräddarsy reaktionerna beroende på ljusets våglängd, såväl som användningen av olika fotokatalysatorer, gör detta till ett spännande och dynamiskt område för fortsatta vetenskapliga framsteg och tillämpningar.

Hur fungerar fotoinducerade synteser och funktionalisering av sammansatta tiofener?

Fotoinducerade reaktioner har fått stor uppmärksamhet inom syntesen av funktionaliserade tiofener och andra heteroaromatiska föreningar, och de ger möjligheten att genomföra effektiva, miljövänliga och katalysatorfria reaktioner. Dessa metoder har visat sig vara särskilt användbara för att skapa nya föreningar med specifika strukturella egenskaper och biologisk aktivitet. I denna sammanfattning undersöks några av de senaste framstegen inom detta område och de mekanismer som ligger bakom dessa reaktioner.

En central aspekt är användningen av fotoinducerade radikalreaktioner, där ljus, särskilt synligt ljus, spelar en avgörande roll för att generera aktiva intermediärer, som radikaler, som sedan driver syntesen av de önskade produkterna. Ett exempel på detta är den reaktion som utvecklades av Kshirsagar-gruppen 2018, där en effektiv fotoredoxkatalyserad metod användes för att syntetisera 3-tiocyanobensotiofen från 2-alkynylthioanisoler och ammoniumtiocyanat. Reaktionen, som skedde under påverkan av synligt ljus och syre som oxidant, gav upp till 81% av den önskade produkten efter 48 timmars reaktion. Denna metod illustrerar hur ljus kan användas som en ren energi- och oxidantkälla i kemiska synteser.

Likaså, i en annan fotokatalyserad reaktion som rapporterades av Pan och medarbetare 2021, inducerades en [3+2] oxidativ cyklisering av ketendithioacetaler och alkynar med hjälp av en acridinfotosensitizer och synligt ljus. Denna reaktion gav upp till 98% av den önskade produkten, och mekanismstudier visade att reaktionen genomgick en radikalprocess där den exiterade fotosensitizern effektivt quenchades av ketendithioacetaler snarare än av alkynar.

En annan intressant metod för syntesen av tiofener och deras derivat är den som beskrevs av Oyamada-gruppen 2019, där en fotoinducerad intramolekylär cyklisering av 1,2-bis(2-methylthiophenyl)-etynes ledde till bildandet av benzothieno[3,2-b]benzothiophenederivat. Reaktionen, som utfördes under högtrycks-Hg-lampa (>290 nm), gav upp till 82% av de önskade produkterna. Det intressanta med denna metod är att den tillåter syntes av regioisomerer av tiofener utan att dessa separeras i slutprodukten.

Vidare, för funktionalisering av sammansatta tiofener, har det visats att även enkla C–H kopplingsreaktioner kan genomföras effektivt under fotoinducerade förhållanden. Kappe-gruppen beskriver exempelvis en ljusinducerad C–H arylationsreaktion av tiofener med aniliner utan behov av en katalysator. Resultatet är bildandet av 2-aryltiofen med upp till 80% avkastning, vilket gör denna metod användbar för att skapa ett brett spektrum av funktionaliserade tiofener.

Förutom dessa exempel finns det flera andra fotokatalyserade metoder för funktionalisering av tiofener som utvecklats av grupper som Gupta och Fagnoni. I Gupta-metoden används en Zn(II)-porfyrinkatalysator för att inducera en C–H arylation av tiofener med aniliner under ljusinducerade förhållanden. Fagnoni-gruppen å sin sida har utvecklat en metod för att syntetisera hetero-biaryler från arylazo mesylater och tiofener utan användning av någon fotokatalysator, vilket visar på potentialen för enkel men effektiv funktionalisering med ljus som den enda aktiverande faktorn.

Det är viktigt att notera att alla dessa metoder är beroende av specifika reaktionsbetingelser, inklusive ljuskälla, lösningsmedel och eventuella katalysatorer eller fotosensitisatorer. Ljusets intensitet och våglängd kan drastiskt påverka reaktionens effektivitet och selektivitet. Genom att justera dessa parametrar kan man uppnå önskade produkter med hög selektivitet och avkastning, vilket gör dessa metoder kraftfulla verktyg för syntesen av funktionaliserade tiofener och andra heteroaromatiska föreningar.

Ytterligare är det av betydelse att förstå mekanismerna bakom dessa ljusinducerade reaktioner, särskilt hur radikaler och andra aktiva intermediärer bildas och reagerar under påverkan av ljus. Många av de reaktioner som beskrivs här involverar radikalreaktioner där ljuset spelar en roll både för att excitera reaktanterna och för att generera de radikaler som behövs för att initiera och genomföra cykliseringen eller kopplingen av olika föreningar.

Hur kan fotobiokatalys och flavinenzymer revolutionera syntesen av heterocykliska föreningar?

En viktig aspekt av denna utveckling är den radikalkatalyserade dehalogeneringen av α-halolaktoler och amider. Genom att använda flavinberoende "ene"-reduktaser (EREDs) kan dessa reaktioner drivas med hjälp av synligt ljus för att generera enradikaler, vilket leder till bildandet av komplexa strukturer med hög enantioselektivitet. Till exempel, i ett studium av Hyster et al., rapporterades en effektivitetsgrad på upp till 99 % för bildandet av β-kirala laktonprodukter från α-halolaktoler. Processen, där flavinenzymer spelar en central roll som fotoaktivt koenzym, möjliggör selektiv radikaladdition av olika grupper, vilket resulterar i hög avkastning och enantioselektivitet (upp till 98 % ee). Det är också värt att notera att förmågan hos flavinen att generera excitationskomplex med substrat som α-halolaktoler är grundläggande för att uppnå den önskade selektiviteten.

Vidare, i de senaste arbetena av Yuan, Zhou och Rao, uppnåddes också betydande framsteg när det gäller syntesen av bensooxygenföreningar. Genom site-directed mutagenes skapades enzymvarianten GluER-W100H, som visade sig vara särskilt effektiv i att främja radikaladdition och därmed bilda en rad olika benzo-fuserade heterocykler som benzoxepinoner, chromanoner och indanoner med enantioselektivitet på upp till 99 %. Denna metod har demonstrerats på gram-skala utan att äventyra verkningsgrad eller enantioselektivitet.

Flavinens förmåga att absorbera ljus i det synliga spektrumet (400–520 nm) och dess starka redoxegenskaper gör den till en idealisk kandidat för fotokatalytiska reaktioner. Denna fotokatalytiska förmåga är inte ny i biokatalysen; exempelvis har flavinberoende enzymer som DNA-fotolysas använts för att reparera DNA-skador under ljusinducerade reaktioner. Här fungerar flavin som en elektrokatalysator genom att initiiera enradikalreaktioner genom elektronöverföring, vilket leder till oxidations- eller reduktionsprocesser som är nödvändiga för syntesen av komplexa heterocykliska molekyler.

En annan viktig tillämpning är den stereoselektiva reduktionen av akrylamider, där flavinberoende enzymer spelar en nyckelroll i att uppnå hög enantioselektivitet. En av de viktigaste faktorerna i denna process är tillgången till exciterade flavinintermediärer, som möjliggör en effektiv enradikalreaktion på substraten. Denna metod kan användas för att skapa N-heterocykler och chirala amider, vilket har potentiella tillämpningar inom läkemedelsutveckling och materialvetenskap.

Vid denna tidpunkt är det också viktigt att förstå hur fotobiokatalys och flavinberoende enzymer kan föra med sig nya, syntetiska metoder för att påverka olika typer av molekylära strukturer. Förmågan att selektivt manipulera både små och komplexa molekylära enheter genom användning av dessa biokatalysatorer erbjuder nya perspektiv för design och funktionalisering av nya föreningar. Det är också relevant att tänka på hur dessa biokatalytiska system kan skalas upp för industriella tillämpningar utan att förlora effektivitet och selektivitet.