杂环化合物是具有包含至少两种或更多种元素的环结构的有机分子。在大多数情况下，这些环由碳原子以及一种或多种其他元素(例如氮、氧或硫)组成。由于其多功能性和优异的生理活性，它们作为化学和制药行业的原材料而备受追捧。虽然有多种方法可用于合成这些化合物，但大多数方法涉及高温高压条件，或使用贵金属催化剂，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。他们的研究最近于 2023 年 11 月 15 日发表在《高级合成与催化》杂志上。利用所提出的策略，该团队演示了在光催化剂二氧化钛 (TiO 2 ) 和可见光存在下合成 20 种含硫杂环化合物。该研究由同志社大学研究生院理工学研究科应用化学系的Yutaka Hitomi教授领导，与博士生共同完成。同志社大学的候选人 Pijush Kanti Roy、东京城市大学的 Sayuri Okunaka 副教授和 TOTO 研究所的 Hiromasa Tokudome 博士。

TiO 2作为驱动有机反应的光催化剂已经引起了合成化学家的关注一段时间。然而，许多此类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，苯硫醚衍生物等含硫有机化合物在受到蓝光照射时，会与马来酰亚胺衍生物发生反应，形成碳碳双键，产生一种新的杂环有机化合物。“我们观察到，虽然紫外线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 教授解释道。

研究人员选择了五种 4-取代的茴香硫醚和四种N-取代的马来酰亚胺用于成环或成环反应。研究小组用蓝光(波长> 420 nm)照射起始材料，但没有观察到任何反应。然而，在反应体系中引入TiO 2可以合成20种不同的硫代苯并吡咯二酮衍生物，并具有中等到高产率。他们发现，在蓝光照射12小时内，苯硫基苯甲醚和N-苄基马来酰亚胺之间的反应导致形成硫代苯并吡咯二酮衍生物，产率43%，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。根据结果​​，他们推测反应是通过从茴香硫醚到TiO 2导带的电荷转移来进行的。此外，他们认为蓝光照射会引发茴香硫醚的单电子氧化，从而进一步通过 去质子化引发α-硫代烷基自由基的产生。

总之，这种新的、改进的方法展示了 TiO 2在有机合成的可见光光催化方面的潜力。它还为复杂杂环化合物合成的化学提供了重要的见解。展望未来，这种方法可以为从当前资源密集型工业化学过程向能源效率更高的系统过渡开辟新的可能性。

瞳教授强调了这项研究的重要性和影响，他说：“推动我们研究的动力是帮助可持续化学工业发展的愿望，我们的研究结果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实现可及且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影响。” 在Hitomi教授及其团队的努力下，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。