杂环化合物是具有包含至少两个或更多元素的环状结构的有机分子。在大多数情况下，这些环是由碳原子以及一种或多种其他元素，如氮、氧或硫组成的。由于其多功能性和优异的生理活性，它们在化学和制药工业中作为原料受到高度追捧。
虽然有几种方法可用于合成这些化合物，但大多数方法都涉及高温高压条件，或使用贵金属催化剂，这增加了生产杂环有机化合物的经济和环境成本。
然而，现在来自日本和孟加拉国的一组研究人员提出了一种简单而有效的方法来克服这些挑战。他们的研究最近发表在《高级合成与催化》杂志上。利用提出的策略，该团队展示了在光催化剂二氧化钛(TiO2)和可见光存在下合成20种含硫杂环化合物的过程。
该研究由同志社大学科学与工程研究生院应用化学系Yutaka Hitomi教授领导，同志社大学博士候选人Pijush Kanti Roy，东京城市大学副教授Sayuri Okunaka和TOTO Ltd研究所的Hiromasa Tokudome博士共同撰写。
二氧化钛作为驱动有机反应的光催化剂已经引起合成化学家们的注意有一段时间了。然而，许多这样的过程需要紫外线来触发反应。然而，在这项研究中，研究小组发现，在厌氧条件下，含硫有机化合物，如硫苯甲醚衍生物，当受到蓝光照射时，与马来酰亚胺衍生物反应形成双碳-碳键，产生新的杂环有机化合物。
“我们观察到，虽然紫外光会产生高度氧化的空穴，但我们的方法允许使用可见光对底物分子进行选择性的单电子氧化。因此，这种方法可以用于各种有机化学反应，”Hitomi教授解释说。
研究人员选择了5个4-取代的硫苯甲醚和4个n -取代的马来酰亚胺进行环化或成环反应。研究小组用蓝光(波长> 420 nm)照射起始材料，但未观察到任何反应。然而，在反应体系中引入TiO2后，合成了20种不同的中高产率的硫代溴代吡咯二酮衍生物。他们发现，在蓝光照射12小时内，硫代苯甲咪唑和n -苄基马来酰亚胺之间的反应形成了一种产率为43%的硫代溴代硝基二酮衍生物，接近理论最大产率50%。
研究小组还观察了反应中的取代基效应，以了解相应的机理方面。从结果来看，他们假设反应是通过硫代苯甲醚向TiO2导电带的电荷转移进行的。此外，他们认为蓝光照射引发硫代苯甲醚的单电子氧化，进一步通过去质子化引发α-硫代烷基自由基的产生。
综上所述，这种新的改进方法证明了TiO2在可见光催化有机合成中的潜力。它还为复杂杂环化合物的合成提供了重要的化学见解。展望未来，这种方法可以为从目前的资源密集型工业化学过程过渡到更节能的系统开辟新的可能性。
Hitomi教授说:“推动我们研究的是帮助可持续化学工业发展的愿望，我们的发现似乎是朝着这个方向迈出的积极一步。”
“我们相信，这种可见光驱动技术的广泛采用可以帮助人们获得和负担得起的药物合成，对全球数百万人的健康和福祉产生深远的影响。”由于Hitomi教授和他的团队的努力，他们的研究开辟了有机合成领域的新途径，有可能彻底改变多个化学工业。
