La fotocatalisi è una tecnica innovativa che sfrutta l'energia luminosa per guidare le reazioni chimiche utilizzando fotocatalizzatori, che possono essere attivati dalla luce visibile piuttosto che dalla luce UV, come è comune nella fotochimica tradizionale. La fotocatalisi ha suscitato grande interesse come mezzo pratico e sostenibile per la sintesi organica attraverso nuovi percorsi.
Questo white paper presenta esempi tratti da recenti ricerche sottoposte a revisione paritaria che mostrano come le informazioni approfondite e il controllo preciso forniti dalle tecnologie METTLER TOLEDO contribuiscano a supportare la chimica verde e sostenibile in quattro argomenti tematici:
La fotocatalisi è importante per ottenere trasformazioni chimiche utilizzando una fonte di energia pulita, sostenibile, rinnovabile e non pericolosa: la luce visibile proveniente dai LED e dalla radiazione solare. La fotocatalisi offre nuovi percorsi e percorsi di reazione che sarebbero difficili da ottenere con i metodi sintetici convenzionali. Gli ossidi e i complessi dei metalli di transizione utilizzati come fotocatalizzatori e fotosensibilizzatori possono provenire da metalli economici e abbondanti sulla terra come il titanio, il ferro e lo zinco.
Esistono numerose applicazioni esistenti e potenziali dei processi fotocatalitici nei polimeri, nella chimica fine, nella sintesi farmaceutica e nella bonifica ambientale. L'ossidazione, la deidrogenazione e il trasferimento dell'idrogeno sono processi di sintesi comuni accessibili utilizzando fotocatalizzatori. Le sintesi fotocatalitiche hanno un'eccellente chemioselettività, anche con numerosi e vari gruppi funzionali in molecole complesse. Per quanto riguarda le applicazioni ambientali, i fotocatalizzatori a nanoparticelle di TiO2 vengono utilizzati per il trattamento delle acque per eliminare gli inquinanti e rimuovere i gas nocivi dall'atmosfera. Sono in corso significativi sforzi di ricerca che utilizzano semiconduttori fotocatalitici per la scissione dell'acqua per produrre idrogeno in applicazioni di energia pulita.
Il controllo delle variabili chiave e delle condizioni di reazione dei reattori automatizzati EasyMax™ è importante in tutti i processi catalitici. La temperatura controllata con precisione e le capacità di miscelazione di EasyMax garantiscono risultati e prestazioni costanti della fotocatalisi. I sistemi EasyMax sono dotati di una finestra di visualizzazione per osservare il recipiente di reazione mentre la reazione procede. Una sorgente di luce visibile situata vicino alla finestra può indurre la fotocatalisi nella reazione senza influire negativamente sul controllo della temperatura del recipiente.
ReactIR™ e ReactRaman sono in grado di tracciare e analizzare la™ chimica fotocatalitica in tempo reale, direttamente nel recipiente di reazione. Questi metodi forniscono informazioni chiave sulla cinetica di reazione, sui meccanismi catalitici e sui cicli catalitici. Se utilizzata insieme ai sistemi EasyMax, questa combinazione di tecnologie costituisce una piattaforma ideale per lo sviluppo di processi fotocatalitici.
Singh, S., Chakrabortty, G., & Roy, S. R. (2023). Riarrangiamento scheletrico mediante denitrogenazione fotocatalitica: accesso ai C-3 aminochinolina-2(1H)-oni. Scienze chimiche, 14(44), 12541–12547. https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
Gli autori commentano che l'aggiunta di un gruppo amminico su un anello N-eteroaromatico è impegnativa ma molto importante nella produzione di API a piccole molecole. Questo lavoro presenta un nuovo approccio per la C-amminazione regioselettiva della chinolina-2(1H)-one che utilizza trimetilsilil azide (TMSN3) in presenza di luce visibile per ottenere l'amminazione.
Questo approccio è più blando e più efficiente rispetto ai metodi alternativi poiché non utilizza temperature elevate o condizioni altamente acide. Essi riferiscono che la reazione procede attraverso la formazione di legami C-N a cascata e un processo di denitrogenazione. Oltre all'aggiunta di ammina a un'ampia gamma di 3-ilideneoxindolo, questo metodo è stato utile anche per sintetizzare il C-4 benzoil/arile sostituito 3-aminochinolina-2(1H)-one.
Sono stati eseguiti una serie di esperimenti per chiarire il meccanismo di reazione e per comprendere meglio la modifica fotocatalitica indotta di un intermedio triazolico identificato che porta alla formazione della 3-amminata chinolina-2(1H)-one. Ciò ha comportato l'utilizzo di acetato di etile (E)-2-(1-metil-2-ossoindolina-3-ilidene) (1a) come substrato modello e TMSN3 per l'agente amminante. Tracciando le bande IR in tempo reale a 1201 cm¹, 1317 cm»¹ e 1556 cm»¹ rispettivamente per il substrato 1a, l'intermedio triazolina e il prodotto, ReactIR ha dimostrato una rapida conversione di 1a per formare l'intermedio. Ciò è evidenziato dalla diminuzione della banda a 1201 cm⁻¹ (substrato) e dalla banda di aumento a 1317 cm⁻¹ (intermedio). Segue un calo della fascia per l'intermedio e un conseguente aumento della fascia per il prodotto.
L'analisi NMR ha isolato l'intermedio triazolina e ne ha confermato la struttura. I risultati NMR, insieme alle misure ReactIR, hanno dimostrato chiaramente il ruolo dell'intermedio nella formazione del prodotto. Sulla base di questi esperimenti, gli autori sono stati in grado di proporre un probabile meccanismo per il processo di amminazione.
Yetra, S. R., Schmitt, N., & Tambar, Regno Unito (2022). α-alchilazione catalitica fotochimica enantioselettiva con sali di piridinio. Scienze chimiche, 14(3), 586–592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
Gli autori hanno commentato che gli alogenuri alchilici e i solfonati sono agenti alchilanti frequentemente impiegati utilizzati nella catalisi asimmetrica per la α-alchilazione enantioselettiva degli enolati. Il loro interesse era lo sviluppo di un processo fotochimico per alchilazioni enantioselettive che utilizza fonti rinnovabili e sostenibili di reagenti alchilanti come substrati derivati da amminoacidi. Data la bassa capacità di accettazione degli elettroni dei derivati degli amminoacidi nelle alchilazioni degli enolati, la sfida è stata quella di sviluppare un mezzo per attivare questi composti. Sulla base di precedenti lavori in letteratura, gli autori hanno ipotizzato che l'uso di sali di piridinio derivati da amminoacidi come agenti alchilanti sarebbe efficace, dato che i sali di piridinio sono noti per essere utilizzati come precursori radicali nelle α-alchilazioni enantioselettive. Hanno proposto che i sali di piridinio formino complessi allo stato fondamentale con equivalenti di enolato chirale generati cataliticamente e ricchi di elettroni. In una vasta serie di esperimenti, hanno dimostrato che un sale di Katritzky carente di elettroni derivato dall'estere 2,2,2-trifluoroetilico della glicina ha reagito in condizioni utilizzando un catalizzatore di ammina chirale, 2,6-lutidina e irradiazione a 427 nm, fornendo il prodotto di α-alchilazione desiderato.
Ulteriori lavori hanno dimostrato che l'utilizzo di un mezzo basico di Lewis, come la dimetilacetammide, ha migliorato la resa (al 40%) e ha fornito un eccellente eccesso enantiomerico (cioè 92%). Inoltre, l'utilizzo di additivi come lo ioduro di sodio che migliorano la complessazione allo stato fondamentale dei componenti della reazione ha portato a rese del 75% con il 92% di ee. Attraverso approfonditi studi meccanicistici, hanno postulato che la reazione enantioselettiva catalitica può procedere simultaneamente attraverso un meccanismo di combinazione di radicali in gabbia e un meccanismo a catena radicalica. I ricercatori hanno proseguito comprendendo l'ambito della reazione fotocatalitica, compreso l'utilizzo del processo nella sintesi totale dei prodotti naturali del lignano (-)-enterolattone e (-)-enterodiolo.
Un'osservazione chiave nel loro lavoro è stata l'importanza critica del controllo della temperatura di reazione. L'esecuzione di queste reazioni a temperatura ambiente ha influenzato negativamente l'enantioselettività e il mantenimento del 92% di ee ha richiesto l'esecuzione della reazione a una temperatura di 4 °C. Il controllo della temperatura era impegnativo poiché la reazione veniva continuamente irradiata con una sorgente luminosa vicino al recipiente. Per questo motivo, i ricercatori hanno utilizzato un sistema EasyMax 102. In un articolo che evidenzia il lavoro del professor Tambur sulla α-alchilazione catalitica fotochimica enantioselettiva utilizzando sali di piridinio (Synform, 2023/06, A100-A105), commenta: "Alla fine abbiamo acquistato il sistema di termostati avanzati EasyMax 102 da Mettler-Toledo AutoChem, Inc. Questo si è rivelato l'acquisto più importante per il successo del progetto. Sebbene l'EasyMax non sia mai stato utilizzato per le reazioni fotochimiche, abbiamo identificato due caratteristiche chiave di questo strumento. In primo luogo, consente il mantenimento di una bassa temperatura di reazione costante per lunghi periodi. In secondo luogo, lo strumento ha una finestra libera nella camera di reazione, che viene tipicamente utilizzata per visualizzare
nella reazione, ma l'abbiamo identificata come un'opportunità per far brillare la luce di una lampada a una distanza controllata senza influire sulla temperatura di reazione. Con nostra grande gioia, l'EasyMax ha fornito un nuovo livello di coerenza nei nostri risultati".
Dagar, N., Singh, S. e Roy, S.R. (2022). Effetto sinergico del cerio nel doppio trasferimento di carica fotoindotto da ligando-metallo e nella catalisi acida di Lewis: alchilazione diastereoselettiva delle cumarine. J. Org. Chem. 87(14), 8970–8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
Gli autori riferiscono di aver sviluppato un metodo pratico e diretto per l'alchilazione C-4 di derivati cumarinici utilizzando un processo fotocatalitico. Il nuovo metodo utilizza il cerio prontamente disponibile in un duplice ruolo per generare un radicale alchilico attraverso un processo di trasferimento di carica fotoindotto da ligando a metallo (LMCT) e costruire legami stereospecifici C-C attraverso la catalisi acida di Lewis utilizzando acidi carbossilici come fonte alchilante per effettuare l'alchilazione dei 3-carbossilati cumarinici.
Sono state condotte indagini approfondite per comprendere il meccanismo di questo processo. Ad esempio, una reazione eseguita utilizzando l'acido pivalico come precursore radicalico con l'etil-3-cumarinacarbossilato in presenza di CeCl3 e tBuOK sotto irradiazione a 427 nm ha portato a ottime rese del prodotto desiderato. Quando questa stessa reazione è stata eseguita in presenza di 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-ossile (TEMPO), uno scavenger di radicali, la reazione è stata inibita, supportando la proposta che la reazione probabilmente procede attraverso un intermedio radicalico.
La spettroscopia UV-Vis ha supportato il processo di trasferimento di carica fotoindotto da ligando a metallo (LMCT). In presenza della luce di 427 cm⁻¹ , i cambiamenti nello spettro di assorbimento delcomplessoCl-alcossido Ce (IV) hanno indicato che LCMT potrebbe essere coinvolto, generando Ce(III) e il radicale alchilico eliminando la CO2. Gli studi sullo stato di avanzamento della reazione FTIR in situ hanno rivelato e tracciato la formazione di CO2 a 2344 cm⁻¹ e una nuova banda C=C a 1668 cm⁻¹ probabilmente derivante da un intermedio di tipo enolato. Le forme di cerio sono complessate con l'intermedio come menzionato sopra, seguite dalla protonazione diastereoselettiva, con conseguente formazione del prodotto.
