Reakcje z udziałem światła widzialnego w łagodnych warunkach

Anna Lee
Department of Chemistry, Jeonbuk National University
567, Baekje-daero, Deokjin-gu Jeonju 54896, Republic of Korea

[email protected]

Abstrakt

Reakcje z udziałem światła widzialnego zostały włączone do różnych schematów syntezy organicznej. Ostatnio, ze względu na nacisk na kwestie środowiskowe, opracowanie przyjaznej dla środowiska i łagodnej metodologii syntezy stało się pilnie potrzebne. W tym przeglądzie podsumowujemy nasze ostatnie podejścia do opracowania zielonego trybu reakcji z udziałem światła widzialnego, które są dostępne w łagodnych warunkach reakcji bez użycia toksycznych katalizatorów na bazie metali przejściowych lub trudnych warunków reakcji. Podkreślono również istotne zastosowania w syntezie cennych małych cząsteczek, w tym związków bioaktywnych.

Read more about

• Introduction
• Wnioski i perspektywy
• Podziękowanie
• Referencje

Wprowadzenie

Użycie światła widzialnego do przeprowadzania przemian chemicznych od dawna stanowi wyzwanie dla chemików. Przykładowo, w 1912 roku Giacomo Ciamician doniósł o "Fotochemii przyszłości" w Science.¹ Następnie Kellogg zapewnił podstawę dla nowoczesnej katalizy fotoredoksowej, zgłaszając reakcję redukcyjnego aminowania w 1978 roku.² Co ciekawe, jednak niewiele badań zostało zgłoszonych do 2010 roku. Ostatnio kataliza fotoredoksowa z udziałem światła widzialnego przyciągnęła wiele uwagi w syntezie organicznej.³ W tego typu reakcjach światło widzialne jest przekształcane w energię chemiczną poprzez zaangażowanie w transfer pojedynczych elektronów (SET) z substratami w celu wygenerowania reaktywnych półproduktów. W oparciu o unikalny tryb reakcji transformacji za pośrednictwem światła widzialnego, w ciągu ostatnich kilku lat opracowano szeroki zakres reakcji.

W ostatnich latach w tej dziedzinie badano zielone tryby aktywacji ze względu na rosnące zainteresowanie rozwojem przyjaznych dla środowiska metod syntetycznych. Najbardziej powszechnym i ogólnym podejściem do zielonej katalizy fotoredoks jest zastosowanie organicznych fotokatalizatorów. Różne organofotokatalizatory, w tym nowo opracowane katalizatory i tradycyjne barwniki organiczne, takie jak róża bengalska, eozyna Y i 4CzIPN (2,4,5,6-tetrakis(9H karbazol-9-ylo)-izoftalonitryl) (Rysunek 1), zostały wykorzystane w wielu reakcjach.^3b,4

Rysunek 1. Przykłady powszechnych fotokatalizatorów organicznych, (A) 4CzIPN (B) MeS-Acr-Me⁺
(C) Ryboflawina (D) Róż bengalski (E) Eozyna Y (F) Rodamina B (G) TPP⁺.

W ostatnim czasie wiele grup badawczych skupiło się na zaletach fotokatalizatorów organicznych, ponieważ ich struktury można modyfikować za pomocą racjonalnego podejścia w celu uzyskania niespotykanej reaktywności lub poprawy aktywności katalitycznej. Jako alternatywne zielone podejście opracowano reakcje bez katalizatorów. Te ostatnie tryby reakcji obejmują wykorzystanie fotoaktywnych związków wyjściowych lub wzbudzanie substratów in situ pod wpływem światła widzialnego. Aktywowane w ten sposób substraty tworzą kompleksy donor-akceptor elektronów (EDA), eliminując potrzebę stosowania katalizatorów fotoredoks.⁵ Strategia ta opiera się na kojarzeniu donora elektronów z substratami akceptora elektronów, takimi jak odpowiednio zasady i kwasy Lewisa. Kompleks EDA może absorbować światło widzialne, przechodząc proces wzbudzenia, który wyzwala transfer pojedynczego elektronu (SET), który może generować rodnikowe związki pośrednie. Oprócz wyżej wymienionych podejść, badano również zielone metody syntetyczne wykorzystujące naturalne substancje, takie jak tlen cząsteczkowy. Nasza grupa skupiła się na rozwoju nowatorskich reakcji z udziałem światła widzialnego w łagodnych warunkach reakcji. Poniżej podsumowujemy nasze podejścia do realizacji zielonego trybu reakcji z udziałem światła widzialnego (Rysunek 2).

Rysunek 2. Nasze ekologiczne podejście do rozwoju łagodnych reakcji z udziałem światła widzialnego, (a) Reakcje bez katalizatora (b) Fotokataliza organiczna

Wnioski i perspektywy

Rozwój zielonych metod syntetycznych jest ważnym celem w dziedzinie reakcji z udziałem światła widzialnego. W tym krótkim przeglądzie przedstawiliśmy nasze podejścia do przeprowadzania cennych transformacji organicznych w łagodnych warunkach reakcji, takich jak utlenianie tlenowe za pomocą światła widzialnego przy użyciu tlenu cząsteczkowego. Dodatkowo, rozszerzyliśmy zakres reakcji z udziałem pojedynczego tlenu poprzez opracowanie reakcji utleniającego rozszczepiania wiązań C-S. Co więcej, wykorzystując strategie syntetyczne oparte na kompleksach EDA, opracowaliśmy reakcje bez katalizatorów poprzez pośrednictwo dwuskładnikowych lub trójskładnikowych kompleksów EDA. Przeprowadzono różne badania mechanistyczne w celu zrozumienia mechanizmów reakcji. Konieczne są jednak dalsze badania w celu bezpośredniej analizy kompleksów EDA. W niniejszym przeglądzie podkreślono również zastosowania tych podejść do syntezy cennych małych cząsteczek. W naszym laboratorium trwają dalsze badania mające na celu opracowanie nowych syntez z udziałem światła widzialnego opartych na zielonym podejściu. Przyszłe kierunki obejmują modyfikację strukturalną fotokatalizatorów organicznych oraz opracowanie nowych związków wyjściowych aktywnych w świetle widzialnym w celu rozszerzenia zakresu dostępnych reakcji w tej dziedzinie.

Podziękowania

Anna Lee dziękuje swoim współpracownikom za ich wkład w rozwój reakcji opisanych w tym artykule. Badania te były wspierane przez grant National Research Foundation of Korea (NRF) finansowany przez rząd koreański (MIST) (2023R1A2C1005301 i 2022R1F1A1064110).

Referencje

1. Ciamician G. 1912. The Photochemistry of the Future. Science. 36(926):385-394. https://doi.org/10.1126/science.36.926.385

2. Hedstrand DM, Kruizinga WH, Kellogg RM. 1978. Light induced and dye accelerated reductions of phenacyl onium salts by 1,4-dihydropyridines. Tetrahedron Lett. 19(14):1255-1258. https://doi.org/10.1016/s0040-4039(01)94515-0

3. For selected reviews on photoredox catalysis, see: (a) Prier CK, Rankic DA, MacMillan DWC. 2013. Visible Light Photoredox Catalysis with Transition Metal Complexes: Applications in Organic Synthesis. Chem. Rev. 113(7):5322-5363. https://doi.org/10.1021/cr300503r (b) Romero NA, Nicewicz DA. 2016. Organic Photoredox Catalysis. Chem. Rev. 116(17):10075-10166. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00057 (c) Shaw MH, Twilton J, MacMillan DWC. 2016. Photoredox Catalysis in Organic Chemistry. J. Org. Chem. 81(16):6898-6926. https://doi.org/10.1021/acs.joc.6b01449 (d) Marzo L, Pagire SK, Reiser O, König B. 2018. Visible-Light Photocatalysis: Does It Make a Difference in Organic Synthesis?. Angew. Chem., Int. Ed. 57(32):10034-10072. https://doi.org/10.1002/anie.201709766 (e) Mateus-Ruiz JB, Cordero-Vargas A. 2020. Visible-Light-Mediated Photoredox Reactions in the Total Synthesis of Natural Products. Synthesis. 52(21):3111-3128. https://doi.org/10.1055/s-0040-1707225 (f) Reed NL, Yoon TP. 2021. Oxidase reactions in photoredox catalysis. Chem. Soc. Rev. 50(5):2954-2967. https://doi.org/10.1039/d0cs00797h (g) Yu XY, Chen JR, Xiao WJ. 2021. Visible Light-Driven Radical-Mediated C–C Bond Cleavage/Functionalization in Organic Synthesis. Chem. Rev. 121(1):506-561. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00030 (h) Pitre SP, Overman LE. 2022. Strategic Use of Visible-Light Photoredox Catalysis in Natural Product Synthesis. Chem. Rev. 122(2):1717-1751. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00247

4. Vega‐Peñaloza A, Mateos J, Companyó X, Escudero‐Casao M, Dell'Amico L. 2021. A Rational Approach to Organo‐Photocatalysis: Novel Designs and Structure‐Property Relationships. Angew. Chem., Int. Ed. 60(3):1082-1097. https://doi.org/10.1002/anie.202006416

5. (a) Mulliken RS. 1950. Structures of Complexes Formed by Halogen Molecules with Aromatic and with Oxygenated Solvents. J. Am. Chem. Soc. 72(1):600-608. https://doi.org/10.1021/ja01157a151 (b) Miller JS, Epstein AJ, Reiff WM. 1988. Ferromagnetic molecular charge-transfer complexes. Chem. Rev. 88(1):201-220. https://doi.org/10.1021/cr00083a010 (c) Rosokha SV, Kochi JK. 2008. Fresh Look at Electron-Transfer Mechanisms via the Donor/Acceptor Bindings in the Critical Encounter Complex. Acc. Chem. Res. 41(5):641-653. https://doi.org/10.1021/ar700256a (d) Miyasaka H. 2013. Control of Charge Transfer in Donor/Acceptor Metal–Organic Frameworks. Acc. Chem. Res. 2013, 46(2):248-257. https://doi.org/10.1021/ar300102t (e) Lima CGS, de M Lima T, Duarte M, Jurberg ID, Paixão MW. 2016. Organic Synthesis Enabled by Light-Irradiation of EDA Complexes: Theoretical Background and Synthetic Applications. ACS Catal. 6(3):1389-1407. https://doi.org/10.1021/acscatal.5b02386 (f) De A Bartolomeu A, Silva RC, Brocksom TJ, Noël T, de Oliveira KT. 2019. Photoarylation of Pyridines Using Aryldiazonium Salts and Visible Light: An EDA Approach. J. Org. Chem. 84(16):10459-10471. https://doi.org/10.1021/acs.joc.9b01879

6. (a) Cao Q, Dornan LM, Rogan L, Hughes NL, Muldoon MJ. 2014. Aerobic oxidation catalysis with stable radicals. Chem. Commun. 50(35):4524-4543. https://doi.org/10.1039/c3cc47081d (b) Kananovich, D.; Elek GZ, Lopp M, Borovkov V. 2021. Aerobic Oxidations in Asymmetric Synthesis: Catalytic Strategies and Recent Developments. Front. Chem. 9:614944. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.614944 (c) Liu J, Guðmundsson A, Bäckvall JE. 2021. Efficient Aerobic Oxidation of Organic Molecules by Multistep Electron Transfer. Angew. Chem., Int. Ed. 60(29):15686-15704. https://doi.org/10.1002/adsc.201800730

7. Jiang J, Luo R, Zhou X, Chen Y, Ji H. 2018. Photocatalytic Properties and Mechanistic Insights into Visible Light‐Promoted Aerobic Oxidation of Sulfides to Sulfoxides via Tin Porphyrin‐Based Porous Aromatic Frameworks. Adv. Synth. Catal. 360(22):4402-4411. https://doi.org/10.1002/adsc.201800730

8. Kim DH, Lee J, Lee A. 2018. Visible-Light-Driven Silver-Catalyzed One-Pot Approach: A Selective Synthesis of Diaryl Sulfoxides and Diaryl Sulfones. Org. Lett. 20(3):764-767. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.7b03901

9. (a) Emmett EJ, Hayter BR, Willis MC.2013. Palladium-Catalyzed Three-Component Diaryl Sulfone Synthesis Exploiting the Sulfur Dioxide Surrogate DABSO. Angew. Chem., Int. Ed. 125(48):12679-12683. https://doi.org/10.1002/anie.201305369 (b) Margraf N, Manolikakes G. 2015. One-Pot Synthesis of Aryl Sulfones from Organometallic Reagents and Iodonium Salts. J. Org. Chem. 80(5):2582-2600. https://doi.org/10.1021/jo5027518

10. For selected reviews on silver catalysis, see: (a) Dénès F, Pichowicz M, Povie G, Renaud P. 2014. Thiyl Radicals in Organic Synthesis. Chem. Rev. 114(5):2587-2693. https://doi.org/10.1021/cr400441m (b) Fang G, Cong X, Zanoni G, Liu Q, Bi X. 2017. Silver-Based Radical Reactions: Development and Insights. Adv. Synth. Catal. 359(9):1422-1502. https://doi.org/10.1002/adsc.201601179

11. (a) DeRosa MC, Crutchley RJ. 2002. Photosensitized singlet oxygen and its applications. Coord. Chem. Rev. 233–234:351-371. https://doi.org/10.1016/S0010-8545(02)00034-6 (b) Lemp E, Valencia C, Zanocco AL. 2004. Solvent effects on reactions of singlet molecular oxygen, O₂(¹Δ_g), with antimalarial drugs. J. Photochem. Photobiol. A. 168(1-2):91-96. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2004.05.016

12. Narayanam JMR, Stephenson CRJ. 2011. Visible light photoredox catalysis: applications in organic synthesis. Chem. Soc. Rev. 40(1):102-113. https://doi.org/10.1039/b913880n

13. Aganda KCC, Hong B, Lee A. 2019. Aerobic α‐Oxidation of N‐Substituted Tetrahydroisoquinolines to Dihydroisoquinolones via Organo‐photocatalysis. Adv. Synth. Catal. 361(5):1124-1129. https://doi.org/10.1002/adsc.201801301

14. Bancirova M. 2011. Sodium azide as a specific quencher of singlet oxygen during chemiluminescent detection by luminol and Cypridina luciferin analogues. Luminescence. 26(6):685-688. https://doi.org/10.1002/bio.1296

15. (a) Möbius K. 2000. Primary processes in photosynthesis: what do we learn from high-field EPR spectroscopy?. Chem. Soc. Rev. 29(2):129-139. https://doi.org/10.1039/a706426h (b) Rieger AL, Rieger PH. 2004. Chemical Insights from EPR Spectra of Organometallic Radicals and Radical Ions. Organometallics. 23(2):154-162. https://doi.org/10.1021/om030565e (c) Roessler MM, Salvadori E. 2018. Principles and applications of EPR spectroscopy in the chemical sciences. Chem. Soc. Rev. 47(8):2534-2553. https://doi.org/10.1039/c6cs00565a

16. Wasserman HH, Ives JL. 1981. Singlet oxygen in organic synthesis. Tetrahedron Lett. 37(10):1825-1852. https://doi.org/10.1016/s0040-4020(01)97932-3

17. Corey E, Ouannés C. 1976. Intermédiaire dans l'oxydation de benzylalcoyl sulfures par l'oxygène singulet. Tetrahedron Lett. 17(47):4263-4266. https://doi.org/10.1016/0040-4039(76)80090-1

18. (a) Pasto DJ, Cottard F, Jumelle L. 1994. Photooxidation of Alkyl 4-Nitrophenyl Sulfides and Sulfoxides. Observation of Oxidative C-S Bond Cleavage and Rearrangement Reactions. J. Am. Chem. Soc. 116(20):8978-8984. https://doi.org/10.1021/ja00099a015 (b) Jensen F, Greer A, Clennan EL. 1998. Reaction of Organic Sulfides with Singlet Oxygen. A Revised Mechanism. J. Am. Chem. Soc. 120(18):4439-4449. https://doi.org/10.1021/ja973782d (c) Toutchkine A, Clennan EL. 2000. A New Mechanism for Oxidative C−S Bond Cleavage during Reactions of Singlet Oxygen with Organic Sulfides:  Electronically Dictated Reaction Selectivity in the Persulfoxide Intermediate. J. Am. Chem. Soc. 122(8):1834-1835. https://doi.org/10.1021/ja993867 (d) Clennan EL. 2001. Persulfoxide: Key Intermediate in Reactions of Singlet Oxygen with Sulfides. Acc. Chem. Res. 34(11):875-884. https://doi.org/10.1021/ar0100879 (e) Toutchkine A, Aebisher D, Clennan EL. 2001. Substituent-Dictated Partitioning of Intermediates on the Sulfide Singlet Oxygen Reaction Surface. A New Mechanism for Oxidative C−S Bond Cleavage in α-Hydroperoxy Sulfides. J. Am. Chem. Soc. 123(21):4966-4973. https://doi.org/10.1021/ja004188y (f) Bonesi SM, Fagnoni M, Monti S, Albini A. 2006. Reaction of singlet oxygen with some benzylic sulfides. Tetrahedron Lett. 62(46):10716-10723. https://doi.org/10.1016/j.tet.2006.07.110 (g) Baciocchi E, Del Giacco T, Lanzalunga O, Lapi A. 2007. Singlet Oxygen Promoted Carbon−Heteroatom Bond Cleavage in Dibenzyl Sulfides and Tertiary Dibenzylamines. Structural Effects and the Role of Exciplexes. J. Org. Chem. 72(25):9582-9589. https://doi.org/10.1021/jo701641b (h) Baciocchi E, Del Giacco T, Lanzalunga O, Mencarelli P, Procacci B. 2008. Photosensitized Oxidation of Alkyl Phenyl Sulfoxides. C−S Bond Cleavage in Alkyl Phenyl Sulfoxide Radical Cations. J. Org. Chem. 73(15):5675-5682. https://doi.org/10.1021/jo801088n

19. (a) Vosburgh WC, Cogswell SA. 1943. Complex Ions. VIII. Pyridine—Silver Ions. J. Am. Chem. Soc. 65(12):2412-2413. https://doi.org/10.1021/ja01252a049 (b) Po HN. 1976. Heterocyclic and macrocyclic amine complexes of silver(II) and silver(III). Coord. Chem. Rev. 20(2):171-195. https://doi.org/10.1016/S0010-8545(00)80324-0

20. Hong B, Aganda KCC, Lee A. 2020. Oxidative C–S Bond Cleavage of Benzyl Thiols Enabled by Visible-Light-Mediated Silver(II) Complexes. Org. Lett. 22(11):4395-4399. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c01399

21. Hong B, Lee A. 2022. Visible-light-mediated oxidative C–S bond cleavage of benzyl thiols through in situ activation strategy. Org. Biomol. Chem. 20(30):5938-5942. https://doi.org/10.1039/d2ob00089j

22. Ritu, Sharma C, Kumar S, Jain N. 2020. Singlet oxygen mediated dual C–C and C–N bond cleavage in visible light. Org. Biomol. Chem. 18(15):2921-2928. https://doi.org/10.1039/d0ob00563k

23. Lee J, Hong B, Lee A. 2019. Visible-Light-Promoted, Catalyst-Free Gomberg–Bachmann Reaction: Synthesis of Biaryls. J. Org. Chem. 84(14):9297-9306. https://doi.org/10.1021/acs.joc.9b00557

24. Gomberg M, Bachmann WE. 1924. THE SYNTHESIS OF BIARYL COMPOUNDS BY MEANS OF THE DIAZO REACTION. J. Am. Chem. Soc. 46(10):2339-2343. https://doi.org/10.1021/ja01675a026

25. (a) MacCarthy P. 1978. Simplified experimental route for obtaining Job's curves. Anal. Chem. 50(14):2165. https://doi.org/10.1021/ac50036a059 (b) Renny JS, Tomasevich LL, Tallmadge EH, Collum DB. 2013. Method of Continuous Variations: Applications of Job Plots to the Study of Molecular Associations in Organometallic Chemistry. Angew. Chem., Int. Ed. 52(46):11998-12013. https://doi.org/10.1002/anie.201304157

26. Benesi HA, Hildebrand JH. 1949. A Spectrophotometric Investigation of the Interaction of Iodine with Aromatic Hydrocarbons. J. Am. Chem. Soc. 71(8):2703-2707. https://doi.org/10.1021/ja01176a030

27. (a) Masnovi JM, Kochi JK, Hilinski EF, Rentzepis PM. 1985. Observation of ternary electron donor-acceptor complexes of anthracene by picosecond spectroscopy. Molecular structure of the anthracenophane-tetracyanoethylene complex. J. Phys. Chem. 89(25):5387-5395. https://doi.org/10.1021/j100271a015 (b) Woźniak Ł, Murphy JJ, Melchiorre P. 2015. Photo-organocatalytic Enantioselective Perfluoroalkylation of β-Ketoesters. J. Am. Chem. Soc. 137(17):5678-5681. https://doi.org/10.1021/jacs.5b03243 (c) Sandfort F, Strieth- Kalthoff F, Klauck FJR, James MJ, Glorius F. 2018. Deaminative Borylation of Aliphatic Amines Enabled by Visible Light Excitation of an Electron Donor–Acceptor Complex. Chem.—Eur. J. 24(65):17210-17214. https://doi.org/10.1002/chem.201804246 (d) Wu J, Grant PS, Li X, Noble A, Aggarwal VK. 2019. Catalyst-Free Deaminative Functionalizations of Primary Amines by Photoinduced Single-Electron Transfer. Angew. Chem., Int. Ed. 58(17):5697-5701. https://doi.org/10.1002/anie.201814452 (e) Kim JY, Lee YS, Ryu DH. 2021. Ternary Electron Donor–Acceptor Complex Enabled Enantioselective Radical Additions to α, β-Unsaturated Carbonyl Compounds. ACS Catalysis. 11(24):14811-14818. https://doi.org/10.1021/acscatal.1c04835

28. Aganda KCC, Kim J, Lee A. 2019. Visible-light-mediated direct C3-arylation of 2H-indazoles enabled by an electron-donor–acceptor complex. Org. Biomol. Chem. 17(45):9698-9702. https://doi.org/10.1039/c9ob02074h

29. Aganda KCC, Hong B, Lee A. 2021. Visible‐Light‐Promoted Switchable Synthesis of C‐3‐Functionalized Quinoxalin‐2(1H)‐ones. Adv. Synth. Catal. 363(5):1443-1448. https://doi.org/10.1002/adsc.202001396

30. Aganda KCC, Lee A. 2021. Synthesis of Selenaheterocycles via Visible‐Light‐Mediated Radical Cyclization. Adv. Synth. Catal. 363(22):5149-5154. https://doi.org/10.1002/adsc.202100969