重新定义分子制造: TiO₂如何为绿色合成铺平道路

诸平

Fig. 1 Researchers have introduced an innovative method for creating heterocyclic compounds using TiO₂ and visible light, offering a more sustainable and cost-effective approach compared to traditional high-energy processes. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 A team of researchers now presents an eco-friendly and innovative approach for the blue light-promoted synthesis of heterocyclic thiochromenopyrroledione derivatives catalyzed by titanium dioxide. Credit: Professor Yutaka Hitomi from Doshisha University

据《科技日报》（scitechdaily）网站2024年1月2日报道来自日本同志社大学（Doshisha University）的消息，研究人员提出了一种新的二氧化钛催化策略，用于在蓝光下合成硫色素吡咯二酮衍生物（thiochromenopyrroledione derivatives）。

杂环化合物是具有包含至少两种或更多种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。

创新合成方法（Innovative Synthesis Method）

然而，现在来自日本（Japan）和孟加拉国（Bangladesh）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。相关研究结果于2023年11月15日已经在《高级合成与催化》（Advanced Synthesis and Catalysis）杂志网站发表——Pijush Kanti Roy, Sayuri Okunaka, Hiromasa Tokudome, Yutaka Hitomi. Blue Light-Promoted Synthesis of Thiochromenopyrroledione Derivatives via Titanium Dioxide-Catalyzed Dual Carbon–Carbon Bond Formation with Thioanisole and Maleimide Derivatives. Advanced Synthesis & Catalysis, 2023, 365(24): 4556-4561. DOI: 10.1002/adsc.202301021. First published: 15 November 2023. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsc.202301021

研究人员利用提出的策略，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。

该研究由日本同志社大学科学与工程研究生院应用化学系（Department of Applied Chemistry, Graduate School of Science and Engineering, Doshisha University）人見穣（Yutaka Hitomi）教授领导，同志社大学博士候选人Pijush Kanti Roy，日本东京都市大学（Tokyo City University）副教授奥中さゆり（Sayuri Okunaka）和东陶株式会社研究所（Research Institute, TOTO Ltd.）的弘优徳留  （Hiromasa Tokudome）博士共同撰写。

二氧化钛在有机合成中的作用（The Role of TiO₂ in Organic Synthesis）

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。但在这项研究中，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（thioanisole derivatives），当受到蓝光照射时，与马来酰亚胺衍生物（maleimide derivatives）反应形成碳碳双键（C=C），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。这种方法可以用于各种有机化学反应。”人見穣教授解释说.。

实验步骤和结果（Experimental Procedures and Findings）

研究人员选择了5种4-取代的硫苯甲醚和4种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λ> 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色素吡咯二酮衍生物（thiochromenopyrroledione derivatives）。

他们发现，在蓝光照射12 h内，甲基苯基硫醚（thioanisole）和N -苄基马来酰亚胺（N-benzylmaleimide）之间的反应形成了一种产率为43%的硫色素吡咯二酮衍生物（thiochromenopyrroledione derivative），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甲基苯基硫醚（thioanisole）向TiO₂导带进行电荷转移的。此外，他们认为蓝光照射触发了甲基苯基硫醚的单电子氧化，这进一步通过去质子化引发了α-硫代烷基自由基（α-thioalkyl radicals）的产生。

研究的潜力和影响（Potential and Impact of the Research）

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。

人見穣教授强调了这项研究的重要性和意义，他说:“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。”他进一步补充说:“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，对全世界数百万人的健康和福祉产生深远的影响。”

由于人見穣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。

本工作由日本科学技术(Japan Science and Technology 简称JST)的资助(PRESTO Grant Number JPMJPR17S8)以及JSPS KAKENHI的资助(JSPS KAKENHI Grant Number JP22K05360)。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Under anaerobic conditions, thioanisole derivatives bearing a thiomethyl group participated in dual carbon-carbon bond-forming reactions with maleimide derivatives in the presence of titanium dioxide. Blue light irradiation facilitated these reactions, producing thiochromenopyrroledione derivatives and nearly equimolar quantities of succinimide derivatives. Specifically, a thiochromenopyrroledione derivative formed from thioanisole and N-benzylmaleimide was achieved with a 43% yield after 12 hours of blue light exposure (>420 nm), approaching its theoretical maximum yield of 50%. Without titanium dioxide, the reaction remained dormant. Our investigations with five varieties of 4-substituted thioanisoles and four N-substituted maleimides as precursors resulted in the synthesis of 20 distinct thiochromenopyrroledione derivatives with moderate to high yields. From observed substituent effects, we postulate that this reaction proceeds through a charge transfer from thioanisole to the conduction band of titanium dioxide during blue light irradiation, initiating the one-electron oxidation of thioanisole and subsequent generation of α-thioalkyl radicals via deprotonation.