Ein umweltfreundlicher und innovativer Ansatz

Heterocyclische Verbindungen sind organische Moleküle mit einer Ringstruktur, die mindestens zwei oder mehr Elemente umfasst. In den meisten Fällen bestehen diese Ringe aus Kohlenstoffatomen zusammen mit einem oder mehreren anderen Elementen wie Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und hervorragenden physiologischen Aktivitäten sind sie als Rohstoffe in der chemischen und pharmazeutischen Industrie sehr gefragt.

Für die Synthese dieser Verbindungen stehen zwar mehrere Methoden zur Verfügung, die meisten davon erfordern jedoch hohe Temperatur- und Druckbedingungen oder die Verwendung von Edelmetallkatalysatoren, was die wirtschaftlichen und ökologischen Kosten der Herstellung heterozyklischer organischer Verbindungen erhöht.

Nun hat jedoch ein Forscherteam aus Japan und Bangladesch eine einfache, aber wirksame Methode zur Bewältigung dieser Herausforderungen vorgeschlagen. Ihr Studium war kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Synthese und Katalyse. Mit der vorgeschlagenen Strategie demonstrierte das Team die Synthese von 20 schwefelhaltigen heterozyklischen Verbindungen in Gegenwart des Photokatalysators Titandioxid (TiO2) und sichtbarem Licht.

Die Studie wurde von Professor Yutaka Hitomi vom Department of Applied Chemistry der Graduate School of Science and Engineering der Doshisha University geleitet und von einem Doktoranden mitverfasst. Kandidat Pijush Kanti Roy von der Doshisha-Universität, außerordentlicher Professor Sayuri Okunaka von der Tokyo City University und Dr. Hiromasa Tokudome vom Forschungsinstitut TOTO Ltd.

TiO2 als Photokatalysator zum Antreiben organischer Reaktionen hat seit einiger Zeit die Aufmerksamkeit von Synthesechemikern auf sich gezogen. Viele dieser Prozesse erfordern jedoch ultraviolettes Licht, um die Reaktion auszulösen. In dieser Studie stellte das Forscherteam jedoch fest, dass unter anaeroben Bedingungen schwefelhaltige organische Verbindungen wie Thioanisol-Derivate bei Einwirkung von blauem Licht mit Maleimid-Derivaten reagierten und doppelte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bildeten, wodurch eine neue heterozyklische organische Verbindung entstand.

„Wir haben beobachtet, dass ultraviolettes Licht zwar stark oxidative Löcher erzeugt, unser Ansatz jedoch die selektive Ein-Elektronen-Oxidation der Substratmoleküle mit sichtbarem Licht ermöglicht. Dieser Ansatz kann somit in verschiedenen organischen chemischen Reaktionen eingesetzt werden“, erklärt Prof. Hitomi.

Für die Anellierungs- bzw. Ringbildungsreaktionen wählten die Forscher fünf 4-substituierte Thioanisole und vier N-substituierte Maleimide. Das Team bestrahlte das Ausgangsmaterial mit blauem Licht (Wellenlänge > 420 nm), beobachtete jedoch keine Reaktion. Die Einführung von TiO2 in das Reaktionssystem führte jedoch zur Synthese von 20 verschiedenen Thiochromenopyrroledion-Derivaten mit mäßiger bis hoher Ausbeute. Sie fanden heraus, dass die Reaktion zwischen Thioanisol und N-Benzylmaleimid innerhalb von 12 Stunden nach Einwirkung von blauem Licht zur Bildung eines Thiochromenopyrroledion-Derivats mit einer Ausbeute von 43 % führte, was nahe an der theoretischen Maximalausbeute von 50 % lag.

Das Forschungsteam beobachtete auch Substituenteneffekte in den Reaktionen, um die entsprechenden mechanistischen Aspekte zu verstehen. Aufgrund der Ergebnisse postulierten sie, dass die Reaktion über einen Ladungstransfer von Thioanisol auf das Leitungsband von TiO2 abläuft. Darüber hinaus schlugen sie vor, dass die Bestrahlung mit blauem Licht eine Ein-Elektronen-Oxidation von Thioanisol auslöste, was die Bildung von α-Thioalkylradikalen durch Deprotonierung weiter auslöste.

Zusammenfassend zeigt dieser neue und verfeinerte Ansatz das Potenzial von TiO2 für die Photokatalyse mit sichtbarem Licht für die organische Synthese. Es lieferte auch entscheidende Einblicke in die Chemie der Synthese komplexer heterocyclischer Verbindungen. In Zukunft kann dieser Ansatz neue Möglichkeiten für den Übergang von derzeit ressourcenintensiven industriellen chemischen Prozessen zu einem energieeffizienteren System eröffnen.

Prof. Hitomi sagt: „Der Antrieb unserer Studie war der Wunsch, zur Entwicklung einer nachhaltigen Chemieindustrie beizutragen, und unsere Ergebnisse scheinen ein positiver Schritt in diese Richtung zu sein.“

„Wir glauben, dass die weit verbreitete Einführung dieser durch sichtbares Licht angetriebenen Technologie zu einer zugänglichen und erschwinglichen Synthese von Arzneimitteln beitragen könnte, die tiefgreifende Auswirkungen auf die Gesundheit und das Wohlbefinden von Millionen von Menschen weltweit hat.“ Dank der Bemühungen von Prof. Hitomi und seinem Team hat ihre Studie neue Wege im Bereich der organischen Synthese eröffnet, mit dem Potenzial, mehrere chemische Industrien zu revolutionieren.