La fotocatálisis es una técnica innovadora que aprovecha la energía de la luz para impulsar reacciones químicas mediante el uso de fotocatalizadores, que pueden activarse con luz visible en lugar de luz ultravioleta, como es común en la fotoquímica tradicional. La fotocatálisis ha generado un gran interés como medio sostenible y práctico para la síntesis orgánica a través de nuevas vías.
Este documento técnico presenta ejemplos de investigaciones recientes revisadas por pares que muestran cómo la información detallada y el control preciso proporcionados por las tecnologías de METTLER TOLEDO ayudan a respaldar la química ecológica y sostenible en cuatro temas temáticos:
La fotocatálisis es importante para lograr transformaciones químicas utilizando una fuente de energía limpia, sostenible, renovable y no peligrosa: luz visible procedente de LED y radiación solar. La fotocatálisis ofrece nuevas rutas y vías de reacción que serían difíciles de lograr utilizando métodos sintéticos convencionales. Los óxidos y complejos de metales de transición utilizados como fotocatalizadores y fotosensibilizadores pueden obtenerse de metales baratos y abundantes en la tierra, como el titanio, el hierro y el zinc.
Existen numerosas aplicaciones existentes y potenciales de los procesos fotocatalíticos en polímeros, química fina, síntesis farmacéutica y remediación ambiental. La oxidación, la deshidrogenación y la transferencia de hidrógeno son procesos de síntesis comunes accesibles mediante fotocatalizadores. Las síntesis basadas en fotocatalíticos tienen una excelente quimioselectividad, incluso con numerosos y variados grupos funcionales en moléculas complejas. Con respecto a las aplicaciones ambientales, los fotocatalizadores de nanopartículas de TiO2 se utilizan para el tratamiento del agua para eliminar contaminantes y eliminar gases nocivos de la atmósfera. Se están realizando importantes esfuerzos de investigación utilizando semiconductores fotocatalíticos para la división del agua para producir hidrógeno en aplicaciones de energía limpia.
El control de las variables clave y las condiciones de reacción de los reactores de laboratorio automatizados EasyMax™ es importante en todos los procesos catalíticos. La temperatura controlada con precisión y las capacidades de mezcla de EasyMax garantizan resultados y rendimiento de fotocatálisis consistentes. Los sistemas EasyMax tienen una ventana de visualización para observar el recipiente de reacción a medida que avanza la reacción. Una fuente de luz visible situada cerca de la ventana puede inducir fotocatálisis en la reacción sin afectar negativamente el control de la temperatura del recipiente.
ReactIR™ y ReactRaman™ pueden rastrear y analizar la química fotocatalítica en tiempo real, directamente en el recipiente de reacción. Estos métodos proporcionan información clave sobre la cinética de la reacción, los mecanismos catalíticos y los ciclos catalíticos. Cuando se utiliza en conjunto con los sistemas EasyMax, esta combinación de tecnologías forma una plataforma ideal para desarrollar procesos fotocatalíticos.
Singh, S., Chakrabortty, G. y Roy, S. R. (2023). Reordenamiento esquelético mediante desnitrogenación fotocatalítica: acceso a C-3 aminoquinolina-2(1H)-onas. Ciencias químicas, 14(44), 12541–12547. https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
Los autores comentan que agregar un grupo amina en un anillo N-heteroaromático es un desafío pero muy importante en la fabricación de API de moléculas pequeñas. Este trabajo presenta un enfoque novedoso para la aminación C regioselectiva de quinolina-2(1H)-ona que utiliza trimetilsilil azida (TMSN3) en presencia de luz visible para lograr la aminación.
Este enfoque es más suave y eficiente que los métodos alternativos, ya que no utiliza temperaturas elevadas ni condiciones muy ácidas. Informan que la reacción procede a través de la formación de enlaces C-N en cascada y un proceso de desnitrogenación. Además de la adición de aminas a una amplia gama de 3-ilidenooxindoles, este método también fue útil para sintetizar 3-aminoquinolina-2 (1H) -ona sustituida por benzoilo / arilo C-4.
Se realizaron una serie de experimentos para dilucidar el mecanismo de reacción y comprender mejor la modificación inducida por fotocatalíticos de un intermedio de triazolina identificado que conduce a la formación de la quinolina-2(1H)-ona 3-aminada. Esto implicó el uso de acetato de etilo (E) -2 (1-metil-2- oxoindolina-3-ilideno) (1a) como sustrato modelo y TMSN3 para el agente aminante. Al rastrear las bandas IR en tiempo real a 1201 cm⁻¹, 1317 cm⁻¹ y 1556 cm⁻¹ para el sustrato 1a, el intermedio de triazolina y el producto, respectivamente, ReactIR demostró una rápida conversión de 1a para formar el intermedio. Esto se evidencia por la disminución de la banda a 1201 cm⁻¹ (sustrato) y la banda de aumento a 1317 cm⁻¹ (intermedia). A esto le sigue una disminución en la banda para el intermedio y un aumento posterior en la banda para el producto.
El análisis de RMN aisló el intermedio de triazolina y confirmó su estructura. Los resultados de la RMN, junto con las mediciones de ReactIR, demostraron claramente el papel del intermedio en la formación del producto. Con base en estos experimentos, los autores pudieron proponer un mecanismo probable para el proceso de aminación.
Yetra, S. R., Schmitt, N. y Tambar, Reino Unido (2022). Alquilación de α enantioselectiva fotoquímica catalítica con sales de piridinio. Ciencias químicas, 14(3), 586–592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
Los autores comentaron que los haluros de alquilo y los sulfonatos se emplean con frecuencia como agentes alquilantes utilizados en catálisis asimétrica para la α-alquilación enantioselectiva de enolatos. Su interés era desarrollar un proceso fotoquímico para alquilaciones enantioselectivas que utiliza fuentes renovables y sostenibles de reactivos alquilantes, como sustratos derivados de aminoácidos. Dada la baja capacidad de aceptación de electrones de los derivados de aminoácidos en alquilaciones de enolato, el desafío era desarrollar un medio para activar estos compuestos. Basándose en trabajos anteriores en la literatura, los autores postularon que el uso de sales de piridinio derivadas de aminoácidos como agentes alquilantes sería efectivo, dado que se sabe que las sales de piridinio se utilizan como precursores radicales en α-alquilaciones enantioselectivas. Propusieron que las sales de piridinio forman complejos de estado fundamental con equivalentes de enolato quiral ricos en electrones generados catalíticamente. En una extensa serie de experimentos, demostraron que una sal de Katritzky deficiente en electrones derivada del éster de glicina 2,2,2-trifluoroetílico de glicina reaccionó en condiciones utilizando un catalizador de amina quiral, 2,6-lutidina e irradiación de 427 nm, proporcionando el producto de α-alquilación deseado.
Trabajos adicionales mostraron que el uso de un medio básico de Lewis, como la acetamida de dimetilo, mejoró el rendimiento (hasta el 40%) y proporcionó un excelente exceso enantiomérico (es decir, 92%). Además, el uso de aditivos como el yoduro de sodio que mejoran la complejación en estado fundamental de los componentes de la reacción dio como resultado rendimientos del 75% con un 92% ee. A través de estudios mecanicistas en profundidad, postularon que la reacción catalítica enantioselectiva puede proceder simultáneamente a través de un mecanismo de combinación de radicales en jaula y un mecanismo de cadena radical. Los investigadores continuaron entendiendo el alcance de la reacción fotocatalítica, incluido el uso del proceso en la síntesis total de los productos naturales de lignano (-)-enterolactona y (-)-enterodiol.
Una observación clave en su trabajo fue la importancia crítica de controlar la temperatura de reacción. Realizar estas reacciones a temperatura ambiente afectó negativamente la enantioselectividad, y mantener el 92% ee requirió ejecutar la reacción a una temperatura de 4 °C. El control de la temperatura fue un desafío ya que la reacción se irradió continuamente con una fuente de luz cerca del recipiente. Por esta razón, los investigadores utilizaron un sistema EasyMax 102. En un artículo que destaca el trabajo del profesor Tambur sobre la α-alquilación enantioselectiva fotoquímica catalítica utilizando sales de piridinio (Synform, 2023/06, A100-A105), comenta: "Finalmente compramos el sistema de termostato avanzado EasyMax 102 de Mettler-Toledo AutoChem, Inc. Esta resultó ser la compra más importante para el éxito del proyecto. Aunque el EasyMax nunca se había utilizado para reacciones fotoquímicas, identificamos dos características clave de este instrumento. En primer lugar, permite mantener una temperatura de reacción baja constante durante largos tiempos. En segundo lugar, el instrumento tiene una ventana transparente a la cámara de reacción, que generalmente se usa para ver
en la reacción, pero identificamos esto como una oportunidad para hacer brillar la luz de una lámpara a una distancia controlada sin afectar la temperatura de reacción. Para nuestro deleite, el EasyMax proporcionó un nuevo nivel de consistencia en nuestros resultados".
Dagar, N., Singh, S. y Roy, S.R. (2022). Efecto sinérgico del cerio en la transferencia de carga de ligando a metal fotoinducida dual y la catálisis del ácido de Lewis: alquilación diastereoselectiva de cumarinas. J. Org. Chem. 87(14), 8970–8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
Los autores informan sobre el desarrollo de un método práctico y sencillo para la alquilación C-4 de derivados de cumarina utilizando un proceso fotocatalítico. El novedoso método utiliza cerio fácilmente disponible en un doble papel para generar un radical alquilo a través de un proceso de transferencia de carga de ligando a metal (LMCT) fotoinducido y construir enlaces C-C estereoespecíficos a través de la catálisis del ácido de Lewis utilizando ácidos carboxílicos como fuente alquilante para efectuar la alquilación de 3-carboxilatos de cumarina.
Se realizaron extensas investigaciones para comprender el mecanismo de este proceso. Por ejemplo, una reacción realizada utilizando ácido pivalico como precursor radical con 3-cumarinacarboxilato de etilo en presencia de CeCl3 y tBuOK bajo irradiación de 427 nm condujo a excelentes rendimientos del producto deseado. Cuando esta misma reacción se realizó en presencia de 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO), un eliminador de radicales, la reacción se inhibió, lo que respalda la propuesta de que la reacción probablemente procede a través de un intermedio radical.
La espectroscopia UV-Vis apoyó el proceso de transferencia de carga de ligando a metal (LMCT) fotoinducido propuesto. En presencia de la luz de 427 cm⁻¹ , los cambios en el espectro de absorción delcomplejoCe (IV) Cl-alcóxido indicaron que LCMT podría estar involucrado, generando Ce(III) y el radical alquilo al eliminar el CO2. Los estudios de progreso de la reacción FTIR in situ revelaron y rastrearon la formación de CO2 a 2344 cm⁻¹ y una nueva banda C = C a 1668 cm⁻¹ probablemente derivada de un intermedio de tipo enolato. El cerio se forma complejado con el intermedio como se mencionó anteriormente, seguido de protonación diastereoselectiva, lo que da como resultado la formación del producto.
