Fotokatalyse is een innovatieve techniek die lichtenergie gebruikt om chemische reacties aan te drijven door gebruik te maken van fotokatalysatoren, die kunnen worden geactiveerd door zichtbaar licht in plaats van UV-licht, zoals gebruikelijk is in de traditionele fotochemie. Fotokatalyse heeft grote belangstelling gewekt als een duurzaam, praktisch middel voor organische synthese via nieuwe routes.
Deze white paper bevat voorbeelden uit recent collegiaal getoetst onderzoek dat laat zien hoe de diepgaande informatie en nauwkeurige controle van de technologieën van METTLER TOLEDO helpen bij het ondersteunen van groene en duurzame chemie in vier thematische onderwerpen:
Fotokatalyse is belangrijk voor het bereiken van chemische transformaties met behulp van een schone, duurzame, hernieuwbare, niet-gevaarlijke energiebron: zichtbaar licht afkomstig van LED's en zonnestraling. Fotokatalyse biedt nieuwe reactieroutes en -routes die moeilijk te bereiken zijn met conventionele synthetische methoden. De overgangsmetaaloxiden en -complexen die als fotokatalysatoren en fotosensibilisatoren worden gebruikt, kunnen worden gewonnen uit overvloedige, goedkope metalen zoals titanium, ijzer en zink.
Er zijn tal van bestaande en potentiële toepassingen van fotokatalytische processen in polymeer, fijnchemie, farmaceutische synthese en milieusanering. Oxidatie, dehydrogenering en waterstofoverdracht zijn veel voorkomende syntheseprocessen die toegankelijk zijn met behulp van fotokatalysatoren. Fotokatalytische syntheses hebben een uitstekende chemoselectiviteit, zelfs met talrijke, gevarieerde functionele groepen in complexe moleculen. Met betrekking tot milieutoepassingen worden TiO 2-fotokatalysatoren met nanodeeltjes gebruikt voor waterbehandeling om verontreinigende stoffen te elimineren en schadelijke gassen uit de atmosfeer te verwijderen. Er zijn aanzienlijke onderzoeksinspanningen aan de gang met behulp van fotokatalytische halfgeleiders voor watersplitsing om waterstof te produceren in toepassingen voor schone energie.
EasyMax™ geautomatiseerde laboratoriumreactoren Controle van belangrijke variabelen en reactiecondities is belangrijk in alle katalytische processen. De nauwkeurig gecontroleerde temperatuur en mengmogelijkheden van EasyMax zorgen voor consistente fotokatalyse-resultaten en prestaties. EasyMax-systemen hebben een kijkvenster om het reactievat te observeren terwijl de reactie vordert. Een zichtbare lichtbron in de buurt van het raam kan fotokatalyse in de reactie induceren zonder de temperatuurregeling van het vat negatief te beïnvloeden.
ReactIR™ en ReactRaman™ kunnen fotokatalytische chemie in real-time volgen en analyseren, direct in het reactievat. Deze methoden bieden belangrijke informatie over reactiekinetiek, katalytische mechanismen en katalytische cycli. In combinatie met EasyMax-systemen vormt deze combinatie van technologieën een ideaal platform voor de ontwikkeling van fotokatalytische processen.
Singh, S., Chakrabortty, G., & Roy, S. R. (2023). Herschikking van het skelet door fotokatalytische denitrogenatie: toegang tot C-3 aminochinoline-2(1H)-onen. Chemische wetenschap, 14 (44), 12541-12547. https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
De auteurs merken op dat het toevoegen van een aminegroep op een N-heteroaromatische ring een uitdaging is, maar erg belangrijk bij het vervaardigen van API's met kleine moleculen. Dit werk presenteert een nieuwe benadering voor regioselectieve C-aminering van chinoline-2(1H)-een die trimethylsilylazide (TMSN3) gebruikt in aanwezigheid van zichtbaar licht om de aminering te bereiken.
Deze aanpak is milder en efficiënter dan alternatieve methoden, omdat er geen gebruik wordt gemaakt van verhoogde temperaturen of zeer zure omstandigheden. Ze melden dat de reactie verloopt via cascade C-N-bindingsvorming en een denitrogenatieproces. Naast aminetoevoeging aan een breed scala aan 3-ylideneoxindolen, was deze methode ook nuttig voor het synthetiseren van C-4 benzoyl/aryl gesubstitueerd 3-aminochinoline-2(1H)-on.
Er werd een reeks experimenten uitgevoerd om het reactiemechanisme op te helderen en om een beter begrip te krijgen van de fotokatalytisch geïnduceerde modificatie van een geïdentificeerd triazoline-intermediair dat leidt tot de vorming van de 3-geamineerde chinoline-2(1H)-on. Dit omvatte het gebruik van ethyl (E)-2-(1-methyl-2-oxoindoline-3-ylideen)acetaat (1a) als modelsubstraat en TMSN3 voor het aminerende middel. Door IR-banden in real-time te volgen op 1201 cm⁻¹, 1317 cm⁻¹ en 1556 cm⁻¹ voor respectievelijk het 1a-substraat, triazoline-tussenproduct en product, toonde ReactIR een snelle conversie van 1a om het tussenproduct te vormen. Dit blijkt uit de afname van de band bij 1201 cm⁻¹ (substraat) en de meerdering bij 1317 cm⁻¹ (tussenliggend). Dit wordt gevolgd door een daling van de marge voor het tussenproduct en een daaropvolgende verhoging van de marge voor het product.
NMR-analyse isoleerde het triazoline-intermediair en bevestigde de structuur ervan. De NMR-resultaten, in combinatie met de ReactIR-metingen, toonden duidelijk de rol van het tussenproduct in de vorming van het product aan. Op basis van deze experimenten konden de auteurs een waarschijnlijk mechanisme voor het amineringsproces voorstellen.
Yetra, S. R., Schmitt, N., & Tambar, U. K. (2022). Katalytische fotochemische enantioselectieve α-alkylering met pyridiniumzouten. Chemische wetenschap, 14(3), 586-592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
De auteurs merkten op dat alkylhalogeniden en sulfonaten vaak worden gebruikt als alkylerende middelen die worden gebruikt in asymmetrische katalyse voor de enantioselectieve α-alkylering van enolaten. Hun interesse ging uit naar de ontwikkeling van een fotochemisch proces voor enantioselectieve alkyleringen dat gebruik maakt van hernieuwbare en duurzame bronnen van alkylerende reagentia, zoals van aminozuren afgeleide substraten. Gezien het lage elektronenacceptatievermogen van aminozuurderivaten in enolate alkylaties, was de uitdaging om een middel te ontwikkelen om deze verbindingen te activeren. Op basis van eerder werk in de literatuur stelden de auteurs dat het gebruik van van aminozuren afgeleide pyridiniumzouten als alkylerende middelen effectief zou zijn, aangezien bekend is dat pyridiniumzouten worden gebruikt als radicale voorlopers bij enantioselectieve α-alkyleringen. Ze stelden voor dat pyridiniumzouten grondtoestandcomplexen vormen met katalytisch gegenereerde, elektronenrijke chirale enolaatequivalenten. In een uitgebreide reeks experimenten toonden ze aan dat een elektrondeficiënt Katritzky-zout afgeleid van de 2,2,2-trifluorethylester van glycine reageerde onder omstandigheden met behulp van een chirale aminekatalysator, 2,6-lutidine en 427 nm-bestraling, en het gewenste α-alkyleringsproduct opleverde.
Aanvullend werk toonde aan dat het gebruik van een Lewis-basismedium, zoals dimethylacetamide, de opbrengst verbeterde (tot 40%) en een uitstekende enantiomere overmaat opleverde (ee. 92%). Bovendien resulteerde het gebruik van additieven zoals natriumjodide die de complexatie van de reactiecomponenten in de grondtoestand verbeteren, in opbrengsten van 75% met 92% ee. Door middel van diepgaande mechanistische studies stelden ze dat de katalytische enantioselectieve reactie gelijktijdig kan verlopen via een in-cage radicaal combinatiemechanisme en een radicaal ketenmechanisme. De onderzoekers gingen verder met het begrijpen van de fotokatalytische reactiescope, inclusief het gebruik van het proces bij de totale synthese van de lignan natuurlijke producten (−)-enterolacton en (-)-enterodiol.
Een belangrijke observatie in hun werk was het cruciale belang van het beheersen van de reactietemperatuur. Het uitvoeren van deze reacties bij kamertemperatuur had een negatieve invloed op de enantioselectiviteit en het handhaven van 92% ee vereiste het uitvoeren van de reactie bij een temperatuur van 4 °C. Temperatuurregeling was een uitdaging omdat de reactie continu werd bestraald met een lichtbron in de buurt van het vat. Om deze reden gebruikten de onderzoekers een EasyMax 102-systeem. In een artikel waarin het werk van professor Tambur op het gebied van katalytische fotochemische enantioselectieve α-alkylering met behulp van pyridiniumzouten wordt belicht (Synform, 2023/06, A100-A105), merkt hij op: "We hebben uiteindelijk het EasyMax 102 Advanced Thermostat-systeem gekocht van Mettler-Toledo AutoChem, Inc. Dit bleek de belangrijkste aankoop te zijn voor het succes van het project. Hoewel de EasyMax nog nooit is gebruikt voor fotochemische reacties, hebben we twee belangrijke kenmerken van dit instrument geïdentificeerd. Ten eerste maakt het het mogelijk om gedurende lange tijd een constante lage reactietemperatuur te handhaven. Ten tweede heeft het instrument een duidelijk venster in de reactiekamer, die meestal wordt gebruikt om te bekijken
in de reactie, maar we identificeerden dit als een kans om licht van een lamp op een gecontroleerde afstand te laten schijnen zonder de reactietemperatuur te beïnvloeden. Tot onze vreugde zorgde de EasyMax voor een nieuw niveau van consistentie in onze resultaten."
Dagar, N., Singh, S. en Roy, S.R. (2022). Synergetisch effect van cerium bij dubbele foto-geïnduceerde ligand-naar-metaal ladingsoverdracht en Lewis-zuurkatalyse: diastereoselectieve alkylering van coumarines. 87 (14), 8970-8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
De auteurs rapporteren het ontwikkelen van een praktische, ongecompliceerde methode voor C-4-alkylering van cumarinederivaten met behulp van een fotokatalytisch proces. De nieuwe methode maakt gebruik van direct beschikbaar cerium in een dubbele rol om een alkylradicaal te genereren via een foto-geïnduceerd ligand-naar-metaal ladingsoverdracht (LMCT) -proces en om stereospecifieke C-C-bindingen op te bouwen door middel van Lewis-zuurkatalyse met behulp van carbonzuren als alkylerende bron om de cumarine-3-carboxylaten-alkylering te bewerkstelligen.
Er werd uitgebreid onderzoek gedaan om het mechanisme van dit proces te begrijpen. Een reactie die bijvoorbeeld werd uitgevoerd met pivalinezuur als radicale voorloper met ethyl-3-coumarinecarboxylaat in aanwezigheid van CeCl3 en tBuOK onder bestraling van 427 nm, leidde tot uitstekende opbrengsten van het gewenste product. Toen dezelfde reactie werd uitgevoerd in aanwezigheid van 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO), een radicalenvanger, werd de reactie geremd, wat het voorstel ondersteunt dat de reactie waarschijnlijk via een radicaal tussenproduct verloopt.
UV-Vis-spectroscopie ondersteunde het voorgestelde foto-geïnduceerde ligand-naar-metaal ladingsoverdracht (LMCT) proces. In aanwezigheid van het licht van 427 cm⁻¹ gaven veranderingen in het absorptiespectrum van het Ce (IV)Cl-alkoxidecomplexaan dat LCMT betrokken zou kunnen zijn, waarbij Ce(III) en het alkylradicaal worden gegenereerd door CO2 te elimineren. In-situ FTIR-reactievoortgangsstudies onthulden en volgden de vorming van CO2 op 2344 cm⁻¹ en een nieuwe C = C-band op 1668 cm⁻¹, waarschijnlijk afkomstig van een enolaat-type tussenproduct. Ceriumvormen gecomplexeerd met het intermediair zoals hierboven vermeld, gevolgd door diastereoselectieve protonering, resulterend in productvorming.
