Les composés hétérocycliques sont des molécules organiques avec une structure cyclique comprenant au moins deux éléments ou plus. Dans la plupart des cas, ces anneaux sont composés d’atomes de carbone ainsi que d’un ou plusieurs autres éléments tels que l’azote, l’oxygène ou le soufre. Ils sont très recherchés comme matières premières dans l’industrie chimique et pharmaceutique, en raison de leur polyvalence et de leurs excellentes activités physiologiques.
Bien que plusieurs méthodes soient disponibles pour synthétiser ces composés, la plupart d’entre elles impliquent des conditions de température et de pression élevées, ou l’utilisation de catalyseurs à base de métaux précieux, ce qui augmente le coût économique et environnemental de la production de composés organiques hétérocycliques.
Cependant, une équipe de chercheurs du Japon et du Bangladesh a proposé une méthode simple mais efficace pour surmonter ces défis. Leur étude était récemment publié dans la revue Synthèse et catalyse avancées. En utilisant la stratégie proposée, l’équipe a démontré la synthèse de 20 composés hétérocycliques contenant du soufre en présence de dioxyde de titane (TiO2) photocatalyseur et de lumière visible.
L’étude a été dirigée par le professeur Yutaka Hitomi du Département de chimie appliquée, École supérieure des sciences et de l’ingénierie, Université Doshisha, et co-écrite par un doctorant. le candidat Pijush Kanti Roy de l’Université Doshisha, le professeur agrégé Sayuri Okunaka de l’Université de la ville de Tokyo et le Dr Hiromasa Tokudome de l’Institut de recherche TOTO Ltd.
Le TiO2, en tant que photocatalyseur permettant de déclencher des réactions organiques, attire l’attention des chimistes de synthèse depuis un certain temps déjà. Cependant, bon nombre de ces processus nécessitent la lumière ultraviolette pour déclencher la réaction. Dans cette étude, cependant, l’équipe de recherche a découvert que dans des conditions anaérobies, les composés organiques soufrés tels que les dérivés du thioanisole, lorsqu’ils sont exposés à la lumière bleue, réagissent avec les dérivés du maléimide pour former des liaisons carbone-carbone doubles, donnant ainsi un nouveau composé organique hétérocyclique.
« Nous avons observé que même si la lumière ultraviolette génère des trous hautement oxydatifs, notre approche permet l’oxydation sélective d’un électron des molécules du substrat à l’aide de la lumière visible. Cette approche peut ainsi être utilisée dans diverses réactions chimiques organiques », explique le professeur Hitomi.
Les chercheurs ont choisi cinq thioanisoles 4-substitués et quatre maléimides N-substitués pour les réactions d’annulation ou de formation de cycles. L’équipe a irradié le matériau de départ avec de la lumière bleue (longueur d’onde > 420 nm) mais n’a observé aucune réaction. Cependant, l’introduction de TiO2 dans le système réactionnel a conduit à la synthèse de 20 dérivés différents de thiochroménopyrrolédione avec un rendement modéré à élevé. Ils ont constaté que dans les 12 heures suivant l’exposition à la lumière bleue, la réaction entre le thioanisole et le N-benzylmaléimide conduisait à la formation d’un dérivé de thiochroménopyrrolédione avec un rendement de 43 %, proche du rendement maximum théorique de 50 %.
L’équipe de recherche a également observé l’effet substituant dans les réactions pour comprendre les aspects mécanistiques correspondants. À partir des résultats, ils ont postulé que la réaction se déroule par transfert de charge du thioanisole vers la bande de conduction du TiO2. En outre, ils ont suggéré que l’irradiation par la lumière bleue déclenchait l’oxydation d’un électron du thioanisole, ce qui initiait en outre la génération de radicaux α-thioalkyle par déprotonation.
En résumé, cette approche nouvelle et raffinée démontre le potentiel du TiO2 pour la photocatalyse de la lumière visible pour la synthèse organique. Il a également fourni des informations cruciales sur la chimie de la synthèse de composés hétérocycliques complexes. À l’avenir, cette approche peut ouvrir de nouvelles possibilités pour passer des processus chimiques industriels actuels, gourmands en ressources, à un système plus économe en énergie.
Le professeur Hitomi déclare : « Ce qui a motivé notre étude était le désir de contribuer au développement d’une industrie chimique durable, et nos résultats semblent être un pas positif dans cette direction.
« Nous pensons que l’adoption généralisée de cette technologie basée sur la lumière visible pourrait contribuer à une synthèse accessible et abordable de produits pharmaceutiques, avec ses impacts profonds sur la santé et le bien-être de millions de personnes dans le monde. » Grâce aux efforts du professeur Hitomi et de son équipe, leur étude a ouvert de nouvelles voies dans le domaine de la synthèse organique, avec le potentiel de révolutionner plusieurs industries chimiques.
Plus d’information:
Pijush Kanti Roy et al, Synthèse favorisée par la lumière bleue de dérivés de thiochroménopyrroledione via la formation de liaisons carbone-carbone catalysées par le dioxyde de titane avec des dérivés de thioanisole et de maléimide, Synthèse et catalyse avancées (2023). DOI : 10.1002/adsc.202301021