光催化是一種創新技術，利用光能通過使用光催化劑來驅動化學反應，光催化劑可以通過可見光而不是傳統光化學中常見的紫外線來激活。光催化作為一種通過新途徑進行有機合成的可持續、實用的方法引起了極大的興趣。
本白皮書介紹了最近經過同行評審的研究範例，展示了梅特勒 -托利多技術提供的深入資訊和精確控制如何有助於在四個主題中支援綠色和永續化學：
光催化對於使用清潔、可持續、可再生、無害的能源（來自 LED 和太陽輻射的可見光）實現化學轉化非常重要。光催化提供了使用傳統合成方法難以實現的新反應途徑和途徑。用作光催化劑和光敏劑的過渡金屬氧化物和配合物可以來自地球上豐富的廉價金屬，如鈦、鐵和鋅。
光催化工藝在聚合物、精細化學、藥物合成和環境修復中有許多現有和潛在的應用。氧化、脫氫和氫轉移是使用光催化劑實現的常見合成過程。基於光催化的合成具有優異的化學選擇性，即使在複雜分子中具有許多不同的官能團。在環境應用方面，TiO2 奈米顆粒光觸媒用於水處理，以消除污染物並去除大氣中的有害氣體。正在進行重大研究工作，利用光催化半導體進行水分解，以在清潔能源應用中生產氫氣。
EasyMax™ 自動化實驗室反應器對關鍵變量和反應條件的控制在所有催化過程中都很重要。EasyMax 精確控制的溫度和混合功能可確保一致的光催化結果和性能。EasyMax系統有一個觀察窗，可以在反應進行時觀察反應容器。位於窗口附近的可見光源可以在反應中誘導光催化，而不會對容器溫度控制產生負面影響。
ReactIR™ 和 ReactRaman™ 可以直接在反應容器中實時跟踪和分析光催化化學。這些方法提供了有關反應動力學、催化機制和催化循環的關鍵信息。當與 EasyMax 系統配合使用時，這種技術組合構成了開發光催化工藝的理想平台。
辛格，S.、查克拉博蒂，G. 和羅伊，SR （2023）。通過光催化脫氮進行骨骼重排：獲得 C-3 氨基喹啉-2（1H）-酮。 化學科學， 14（44）， 12541–12547。 https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
作者評論說， 在 N-雜芳環上添加胺基具有挑戰性，但在製造小分子 API 中非常重要。這項工作提出了一種喹啉-2（1H）-one 區域選擇性 C 胺化的新方法，該方法在可見光存在下使用三甲基甲矽烷基疊氮化物 （TMSN3） 來實現胺化。
這種方法比替代方法更溫和、更有效，因為它不使用高溫或高酸性條件。他們報告說，該反應通過級聯 C-N 鍵形成和脫氮過程進行。除了在多種 3-間苯吲哚中添加胺外，該方法還可用於合成 C-4 苯甲酰/芳基取代的 3-氨基喹啉-2（1H）-酮。
進行了一系列實驗來闡明反應機制，並更好地了解光催化誘導的已鑑定的三唑啉中間體的修飾，從而形成 3-胺基喹啉-2（1H）-酮。這涉及使用乙酯 （E）-2-（1-甲基-2-氧代吲哚吲哚-3-亞基二烷）乙酸酯 （1a） 作為模型底物，並使用 TMSN3 作為胺化劑。通過實時跟踪 1a 底物、三唑啉中間體和產物分別在 1201 cm⁻¹、1317 cm⁻¹ 和 1556 cm⁻¹ 處的紅外波段，ReactIR 展示了 1a 的快速轉換形成中間體。1201 cm⁻¹ （基材）處的帶減少和 1317 cm⁻¹ （中間）處的帶增加證明了這一點。隨後是中間品的波段下降，隨後產品波段增加。
核磁共振分析分離出三唑啉中間體並確認其結構。核磁共振結果與 ReactIR 測量結果相結合，清楚地證明了中間體在產物形成中的作用。基於這些實驗，作者能夠提出胺化過程的可能機制。
Yetra， SR、Schmitt， N. 和英國坦巴爾 （2022）。用吡啶鹽催化光化學對映選擇性α烷基化。 化學科學， 14（3）， 586–592。 https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
作者評論說，烷基鹵化物和磺酸鹽經常用於不對稱催化的烷化劑，用於烯醇化物的對映選擇性α烷基化。他們的興趣是開發一種用於對映選擇性烷基化的光化學工藝，該工藝使用可再生和可持續的烷化試劑來源，例如氨基酸衍生的底物。鑑於氨基酸衍生物在烯醇化烷基化中的低電子接受能力，挑戰在於開發一種激活這些化合物的方法。根據文獻中的早期工作，作者假設使用氨基酸衍生的吡啶鹽作為烷化劑是有效的，因為已知吡啶鹽被用作對映選擇性α烷基化中的自由基前體。他們提出吡啶鹽與催化生成的富電子手性烯醇化物當量形成基態配合物。在一系列廣泛的實驗中，他們表明，源自甘氨酸 2,2,2-三氟乙酯的缺電子卡特里茨基鹽在使用手性胺催化劑、2,6-魯替丁和 427 nm 輻照的條件下反應，提供了所需的α烷基化產物。
其他研究表明，使用路易斯鹼性培養基（例如二甲基乙醯胺）可提高產量（至 40%）並提供出色的對映體過量（ee. 92%）。此外，使用碘化鈉等添加劑來改善反應組分的基態絡合，產率為 75%，ee% 為 92%。通過深入的機制研究，他們假設催化對映選擇性反應可以通過籠內自由基結合機制和自由基鏈機制同時進行。研究人員繼續了解光催化反應範圍，包括在木脂素天然產物 （−）-腸內酯和 （−）-腸二醇的全合成中使用該過程。
他們工作中的一個關鍵觀察是控制反應溫度的至關重要性。在室溫下進行這些反應會對對映選擇性產生負面影響，保持 92% ee 需要在 4 °C 的溫度下運行反應。 溫度控制具有挑戰性，因為反應在容器附近不斷用光源照射。為此，研究人員使用了 EasyMax 102 系統。在一篇文章中，Tambur 教授在使用吡啶鹽進行催化光化學對映選擇性α烷基化方面的工作（Synform，2023/06，A100-A105），他評論道：「我們最終從梅特勒-托利多 AutoChem， Inc. 購買了 EasyMax 102 高級恆溫器系統。事實證明，這是該項目成功的最重要的購買。儘管 EasyMax 從未用於光化學反應，但我們確定了該儀器的兩個關鍵特性。首先，它可以長時間保持恆定的低反應溫度。其次，儀器有一個通往反應室的清晰窗口，通常用於查看
進入反應，但我們認為這是一個在不影響反應溫度的情況下以受控距離照射燈光的機會。令我們高興的是，EasyMax 為我們的結果提供了新的一致性水平。
達加爾，N.、辛格，S. 和 羅伊，SR （2022）。鈰在雙光誘導配體到金屬電荷轉移和路易斯酸催化中的協同作用：香豆素的非對映選擇性烷基化。化學 雜誌 87（14）， 8970–8982。 https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
作者報告說，他們開發了一種實用、直接的方法，利用光催化過程對香豆素衍生物進行 C-4 烷基化。該新方法使用現成的鈰發揮雙重作用，通過光誘導配體到金屬電荷轉移 （LMCT） 過程生成烷基自由基，並通過使用羧酸作為烷化源的路易斯酸催化構建立體特異性 C-C 鍵，以影響香豆素 3-羧酸鹽烷基化。
進行了廣泛的調查以了解這一過程的機制。例如，在 427 nm 照射下，使用 pivalic acid 作為自由基前體與 CeCl3 和 tBuOK 存在下與 3-香豆素羧酸乙酯進行的反應導致了所需產物的優異產率。當在自由基清除劑 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基 （TEMPO） 存在下進行相同的反應時，反應被抑制，支持了反應可能通過自由基中間體進行的提議。
紫外-可見光譜支持所提出的光誘導配體到金屬電荷轉移 （LMCT） 過程。在 427 cm⁻¹ 光存在下，Ce （IV） Cl-醇鹽配合物吸收光譜的變化表明 LCMT 可能參與其中，通過消除 CO2 產生 Ce（III） 和烷基自由基。原位 FTIR 反應進展研究確實揭示了並追蹤了 2344 cm⁻¹ 處 CO2 的形成，以及 1668 cm⁻¹ 處新的 C=C 帶的形成，這可能由烯醇化物型中間體 產生。鈰與上述中間體絡合形成，然後進行非對映選擇性質子化，從而形成產物。
