Fotokatalyse er en innovativ teknik, der udnytter lysenergi til at drive kemiske reaktioner ved hjælp af fotokatalysatorer, som kan aktiveres af synligt lys i stedet for UV-lys, som det er almindeligt i traditionel fotokemi. Fotokatalyse har skabt stor interesse som et bæredygtigt, praktisk middel til organisk syntese gennem nye veje.
Dette white paper præsenterer eksempler fra nyere peer-reviewed forskning, der viser, hvordan dybdegående information og præcis kontrol fra METTLER TOLEDOs teknologier hjælper med at understøtte grøn og bæredygtig kemi på tværs af fire tematiske emner:
Fotokatalyse er vigtig for at opnå kemiske transformationer ved hjælp af en ren, bæredygtig, vedvarende, ikke-farlig energikilde - synligt lys fra LED'er og solstråling. Fotokatalyse tilbyder nye reaktionsveje og veje, som ville være vanskelige at opnå ved hjælp af konventionelle syntetiske metoder. Overgangsmetaloxider og -komplekser, der bruges som fotokatalysatorer og fotosensibilisatorer, kan hentes fra jordrige, billige metaller som titanium, jern og zink.
Der er adskillige eksisterende og potentielle anvendelser af fotokatalytiske processer inden for polymer, finkemisk, farmaceutisk syntese og miljøsanering. Oxidation, dehydrogenering og brintoverførsel er almindelige synteseprocesser, der er tilgængelige ved hjælp af fotokatalysatorer. Fotokatalytisk baserede synteser har fremragende kemoselektivitet, selv med talrige, varierede funktionelle grupper i komplekse molekyler. Med hensyn til miljømæssige anvendelser bruges TiO2 nanopartikelfotokatalysatorer til vandbehandling for at eliminere forurenende stoffer og fjerne skadelige gasser fra atmosfæren. Der er en betydelig forskningsindsats i gang ved hjælp af fotokatalytiske halvledere til vandspaltning til produktion af brint i rene energiapplikationer.
EasyMax™ automatiserede laboratoriereaktorer kontrol af nøglevariabler og reaktionsbetingelser er vigtig i alle katalytiske processer. EasyMax' præcist kontrollerede temperatur- og blandingsfunktioner sikrer ensartede fotokatalyseresultater og ydeevne. EasyMax-systemer har et visningsvindue til at observere reaktionsbeholderen, mens reaktionen skrider frem. En synlig lyskilde placeret nær vinduet kan inducere fotokatalyse i reaktionen uden at påvirke kartemperaturkontrollen negativt.
ReactIR™ og ReactRaman™ kan spore og analysere fotokatalytisk kemi i realtid, direkte i reaktionskarret. Disse metoder giver nøgleinformation om reaktionskinetik, katalytiske mekanismer og katalytiske cyklusser. Når den bruges sammen med EasyMax-systemer, danner denne kombination af teknologier en ideel platform til udvikling af fotokatalytiske processer.
Singh, S., Chakrabortty, G., & Roy, S. R. (2023). Skeletomlejring gennem fotokatalytisk denitrogenering: adgang til C-3 aminoquinolin-2(1H)-oner. Kemisk videnskab, 14(44), 12541-12547. https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
Forfatterne kommenterer, at tilføjelse af en amingruppe på en N-heteroaromatisk ring er udfordrende, men meget vigtig i fremstillingen af små molekylære API'er. Dette arbejde præsenterer en ny tilgang til regioselektiv C-aminering af quinolin-2(1H)-on, der bruger trimethylsilylazid (TMSN3) i nærvær af synligt lys for at opnå amineringen.
Denne tilgang er mildere og mere effektiv end alternative metoder, da den ikke bruger forhøjede temperaturer eller meget sure forhold. De rapporterer, at reaktionen fortsætter via kaskade C-N-bindingsdannelse og en denitrogeneringsproces. Ud over amintilsætning til en bred vifte af 3-ylideneoxindoler var denne metode også nyttig til syntetisering af C-4 benzoyl/arylsubstitueret 3-aminoquinolin-2 (1H)-on.
En række eksperimenter blev udført for at belyse reaktionsmekanismen og for bedre at forstå den fotokatalytisk inducerede modifikation af et identificeret triazolinmellemprodukt, der fører til dannelsen af den 3-aminerede quinolin-2(1H)-on. Dette involverede anvendelse af ethyl (E)-2-(1-methyl-2-oxoindolin-3-yliden)acetat (1a) som modelsubstrat og TMSN3 til amineringsmidlet. Ved at spore IR-bånd i realtid ved 1201 cm⁻¹, 1317 cm⁻¹ og 1556 cm⁻¹ for henholdsvis 1a-substratet, triazolinmellemproduktet og produktet, viste ReactIR hurtig konvertering af 1a til at danne mellemproduktet. Dette fremgår af faldet i båndet ved 1201 cm⁻¹ (substrat) og stigningsbåndet ved 1317 cm⁻¹ (mellemliggende). Dette efterfølges af et fald i intervallet for mellemproduktet og en efterfølgende stigning i intervallet for produktet.
NMR-analyse isolerede triazolinintermediæret og bekræftede dets struktur. NMR-resultaterne viste sammen med ReactIR-målingerne tydeligt mellemproduktets rolle i produktets dannelse. Baseret på disse eksperimenter var forfatterne i stand til at foreslå en sandsynlig mekanisme for amineringsprocessen.
Yetra, S. R., Schmitt, N., & Tambar, U. K. (2022). Katalytisk fotokemisk enantioselektiv α-alkylering med pyridiniumsalte. Kemisk videnskab, 14(3), 586-592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
Forfatterne kommenterede, at alkylhalogenider og sulfonater ofte anvendes alkyleringsmidler, der anvendes i asymmetrisk katalyse til enantioselektiv α-alkylering af enolater. Deres interesse var at udvikle en fotokemisk proces til enantioselektive alkyleringer, der bruger vedvarende og bæredygtige kilder til alkylerende reagenser såsom aminosyreafledte substrater. I betragtning af aminosyrederivaters lave elektronacceptevne i enolatalkyleringer var udfordringen at udvikle et middel til at aktivere disse forbindelser. Baseret på tidligere arbejde i litteraturen postulerede forfatterne, at brug af aminosyre-afledte pyridiniumsalte som alkyleringsmidler ville være effektiv, da pyridiniumsalte er kendt for at blive brugt som radikale forløbere i enantioselektive α-alkyleringer. De foreslog, at pyridiniumsalte danner grundtilstandskomplekser med katalytisk genererede, elektronrige kirale enolatækvivalenter. I en omfattende række eksperimenter viste de, at et elektronmangelfuldt Katritzky-salt afledt af 2,2,2-trifluorethylesteren af glycin reagerede under betingelser ved hjælp af en chiral aminkatalysator, 2,6-lutidin og 427 nm bestråling, gav det ønskede α-alkyleringsprodukt.
Yderligere arbejde viste, at brug af et Lewis-basisk medium, såsom dimethylacetamid, forbedrede udbyttet (til 40%) og gav fremragende enantiomer overskud (ee. 92%). Desuden resulterede brug af tilsætningsstoffer såsom natriumiodid, der forbedrer grundtilstandskompleksdannelsen af reaktionskomponenterne i udbytter på 75 % med 92 % ee. Gennem dybdegående mekanistiske undersøgelser postulerede de, at den katalytiske enantioselektive reaktion kan foregå samtidigt via en radikal kombinationsmekanisme i buret og en radikal kædemekanisme. Forskerne fortsatte med at forstå det fotokatalytiske reaktionsomfang, herunder at bruge processen i den totale syntese af lignan-naturprodukterne (-)-enterolacton og (-enterodiol).
En vigtig observation i deres arbejde var den kritiske betydning af at kontrollere reaktionstemperaturen. Udførelse af disse reaktioner ved stuetemperatur påvirkede enantioselektiviteten negativt, og opretholdelse af 92 % ee krævede kørsel af reaktionen ved en temperatur på 4 °C. Temperaturkontrol var udfordrende, da reaktionen kontinuerligt blev bestrålet med en lyskilde nær fartøjet. Derfor brugte forskerne et EasyMax 102-system. I en artikel, der fremhæver professor Tamburs arbejde med katalytisk fotokemisk enantioselektiv α-alkylering ved hjælp af pyridiniumsalte (Synform, 2023/06, A100-A105), kommenterer han: "Vi købte endelig EasyMax 102 Advanced Thermostat-systemet fra Mettler-Toledo AutoChem, Inc. Dette viste sig at være det vigtigste køb for projektets succes. Selvom EasyMax aldrig var blevet brugt til fotokemiske reaktioner, identificerede vi to nøglefunktioner ved dette instrument. For det første gør det det muligt at opretholde en konstant lav reaktionstemperatur i lange tider. For det andet har instrumentet et klart vindue ind i reaktionskammeret, som typisk bruges til at se
ind i reaktionen, men vi identificerede dette som en mulighed for at skinne lys fra en lampe i en kontrolleret afstand uden at påvirke reaktionstemperaturen. Til vores glæde gav EasyMax et nyt niveau af konsistens i vores resultater."
Dagar, N., Singh, S. og Roy, S.R. (2022). Synergistisk effekt af cerium i dobbelt fotoinduceret ligand-til-metal-ladningsoverførsel og Lewis-syrekatalyse: Diastereoselektiv alkylering af kumariner. J. Org. Chem. 87(14), 8970-8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
Forfatterne rapporterer at udvikle en praktisk, ligetil metode til C-4-alkylering af kumarinderivater ved hjælp af en fotokatalytisk proces. Den nye metode bruger let tilgængeligt cerium i en dobbeltrolle til at generere et alkylradikal gennem en fotoinduceret ligand-til-metalladningsoverførsel (LMCT) proces og opbygge stereospecifikke C-C-bindinger gennem Lewis-syrekatalyse ved hjælp af carboxylsyrer som alkyleringskilde til at påvirke cumarin-3-carboxylatalkylering.
Omfattende undersøgelser blev udført for at forstå mekanismen i denne proces. For eksempel førte en reaktion udført med pivalinsyre som radikal forløber med ethyl-3-coumarincarboxylate i nærvær af CeCl3 og tBuOK under 427 nm bestråling til fremragende udbytter af det ønskede produkt. Da den samme reaktion blev udført i nærvær af 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO), en radikal scavenger, blev reaktionen hæmmet, hvilket understøtter forslaget om, at reaktionen sandsynligvis fortsætter gennem et radikalt mellemprodukt.
UV-Vis spektroskopi understøttede den foreslåede fotoinducerede ligand-til-metalladningsoverførsel (LMCT) proces. I nærværelse af 427 cm⁻¹ lyset indikerede ændringer i absorptionsspektret af Ce (IV)Cl-alkoxidkomplekset, at LCMT kunne være involveret, hvilket genererede Ce(III) og alkylradikalet ved at eliminere CO2. In-situ FTIR-reaktionsfremskridtsundersøgelser afslørede og sporede dannelsen af CO2 ved 2344 cm⁻¹ og et nyt C=C-bånd ved 1668 cm⁻¹, der sandsynligvis stammer fra et mellemprodukt af enolattypen. Cerium dannes kompleks med mellemproduktet som nævnt ovenfor, efterfulgt af diastereoselektiv protonation, hvilket resulterer i produktdannelse.
