La photocatalyse est une technique innovante qui exploite l’énergie lumineuse pour entraîner des réactions chimiques à l’aide de photocatalyseurs, qui peuvent être activés par la lumière visible plutôt que par la lumière UV, comme c’est souvent le cas en photochimie traditionnelle. La photocatalyse a suscité un grand intérêt en tant que moyen durable et pratique de synthèse organique par le biais de nouvelles voies.
Ce livre blanc présente des exemples de recherches récentes évaluées par des pairs qui montrent comment les informations approfondies et le contrôle précis fournis par les technologies METTLER TOLEDO contribuent à soutenir la chimie verte et durable à travers quatre sujets thématiques :
La photocatalyse est importante pour réaliser des transformations chimiques à l’aide d’une source d’énergie propre, durable, renouvelable et non dangereuse : la lumière visible provenant des LED et du rayonnement solaire. La photocatalyse offre de nouvelles voies de réaction et de voies qui seraient difficiles à réaliser avec les méthodes de synthèse conventionnelles. Les oxydes et complexes de métaux de transition utilisés comme photocatalyseurs et photosensibilisants peuvent provenir de métaux peu coûteux et abondants sur terre tels que le titane, le fer et le zinc.
Il existe de nombreuses applications existantes et potentielles des procédés photocatalytiques dans les polymères, la chimie fine, la synthèse pharmaceutique et l’assainissement de l’environnement. L’oxydation, la déshydrogénation et le transfert d’hydrogène sont des processus de synthèse courants accessibles à l’aide de photocatalyseurs. Les synthèses photocatalytiques ont une excellente chimiosélectivité, même avec des groupes fonctionnels nombreux et variés dans des molécules complexes. En ce qui concerne les applications environnementales, les photocatalyseurs à nanoparticules de TiO2 sont utilisés pour le traitement de l’eau afin d’éliminer les polluants et d’éliminer les gaz nocifs de l’atmosphère. D’importants efforts de recherche sont en cours sur l’utilisation de semi-conducteurs photocatalytiques pour la séparation de l’eau afin de produire de l’hydrogène dans des applications d’énergie propre.
™ Le contrôle des variables clés et des conditions de réaction dans tous les processus catalytiques est important dans tous les processus catalytiques. La température et les capacités de mélange contrôlées avec précision d’EasyMax garantissent des résultats et des performances de photocatalyse constants. Les systèmes EasyMax disposent d’une fenêtre d’observation pour observer le récipient de réaction au fur et à mesure que la réaction se déroule. Une source de lumière visible située près de la fenêtre peut induire une photocatalyse dans la réaction sans affecter négativement le contrôle de la température du récipient.
ReactIR™ et ReactRaman™ peuvent suivre et analyser la chimie photocatalytique en temps réel, directement dans la cuve de réaction. Ces méthodes fournissent des informations clés sur la cinétique de réaction, les mécanismes catalytiques et les cycles catalytiques. Lorsqu’elle est utilisée de concert avec les systèmes EasyMax, cette combinaison de technologies constitue une plate-forme idéale pour le développement de procédés photocatalytiques.
Singh, S., Chakrabortty, G. et Roy, S. R. (2023). Réarrangement squelettique par dénitrogénation photocatalytique : accès aux aminoquinolins-2(1H)-ones en C-3. Science chimique, 14(44), 12541-12547. https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
Les auteurs font remarquer que l’ajout d’un groupe amine sur un cycle N-hétéroaromatique est un défi, mais qu’il est très important dans la fabrication d’API à petites molécules. Ce travail présente une nouvelle approche pour la C-amination régiosélective de la quinoléine-2(1H)-une qui utilise l’azoture de triméthylsilyle (TMSN3) en présence de lumière visible pour réaliser l’amination.
Cette approche est plus douce et plus efficace que les autres méthodes, car elle n’utilise pas de températures élevées ou de conditions très acides. Ils rapportent que la réaction se déroule via la formation de liaisons C-N en cascade et un processus de dénitrogénation. En plus de l’ajout d’amines à une large gamme de 3-ylideneoxindoles, cette méthode s’est également avérée utile pour synthétiser la 3-aminoquinoline-2(1H)-one substituée par C-4 benzoyle/aryle.
Une série d’expériences a été réalisée pour élucider le mécanisme réactionnel et pour mieux comprendre la modification induite par la photocatalyse d’un intermédiaire triazoline identifié qui conduit à la formation de la quinoline-2(1H)-one 3-aminée. Il s’agissait d’utiliser de l’acétate d’éthyle (E)-2-(1-méthyl-2-oxoindolin-3-ylidène) (1a) comme substrat modèle et du TMSN3 pour l’agent aminant. En suivant les bandes IR en temps réel à 1201 cm⁻¹, 1317 cm⁻¹ et 1556 cm⁻¹ pour le substrat 1a, l’intermédiaire triazoline et le produit, respectivement, ReactIR a démontré une conversion rapide de 1a pour former l’intermédiaire. En témoignent la diminution de la bande à 1201 cm⁻¹ (substrat) et l’augmentation de la bande à 1317 cm⁻¹ (intermédiaire). S’ensuit une baisse de la fourchette pour le produit intermédiaire et une augmentation subséquente de la fourchette pour le produit.
L’analyse RMN a isolé l’intermédiaire de la triazoline et confirmé sa structure. Les résultats de la RMN, de concert avec les mesures ReactIR, ont clairement démontré le rôle de l’intermédiaire dans la formation du produit. Sur la base de ces expériences, les auteurs ont été en mesure de proposer un mécanisme probable pour le processus d’amination.
Yetra, S. R., Schmitt, N. et Tambar, Royaume-Uni (2022). α-alkylation énantiosélective photochimique catalytique avec des sels de pyridinium. Science chimique, 14(3), 586-592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
Les auteurs ont fait remarquer que les halogénures d’alkyle et les sulfonates sont des agents alkylants fréquemment utilisés dans la catalyse asymétrique pour la α-alkylation énantiosélective des énolates. Leur intérêt était de développer un processus photochimique pour les alkylations énantiosélectives qui utilise des sources renouvelables et durables de réactifs alkylants tels que des substrats dérivés d’acides aminés. Étant donné la faible capacité d’acceptation des électrons des dérivés d’acides aminés dans les alkylations d’énolates, le défi était de développer un moyen d’activer ces composés. Sur la base de travaux antérieurs dans la littérature, les auteurs ont postulé que l’utilisation de sels de pyridinium dérivés d’acides aminés comme agents alkylants serait efficace, étant donné que les sels de pyridinium sont connus pour être utilisés comme précurseurs radicaux dans les α-alkylations énantiosélectives. Ils ont proposé que les sels de pyridinium forment des complexes d’état fondamental avec des équivalents d’énolate chiral riches en électrons générés par catalyse. Dans une vaste série d’expériences, ils ont montré qu’un sel de Katritzky déficient en électrons dérivé de l’ester 2,2,2-trifluoroéthylique de glycine réagissait dans des conditions utilisant un catalyseur d’amine chirale, de la 2,6-lutidine et une irradiation à 427 nm, fournissant le produit de α-alkylation souhaité.
Des travaux supplémentaires ont montré que l’utilisation d’un milieu basique de Lewis, tel que l’acétamide de diméthyle, améliorait le rendement (jusqu’à 40 %) et fournissait un excellent excès énantiomérique (ee. 92 %). De plus, l’utilisation d’additifs tels que l’iodure de sodium qui améliorent la complexification de l’état fondamental des composants de la réaction a permis d’obtenir des rendements de 75 % avec 92 % d’ee. Grâce à des études mécanistes approfondies, ils ont postulé que la réaction catalytique énantiosélective peut se dérouler simultanément via un mécanisme de combinaison radicalaire en cage et un mécanisme de chaîne radicalaire. Les chercheurs ont ensuite compris la portée de la réaction photocatalytique, y compris l’utilisation du processus dans la synthèse totale des produits naturels de lignane (−)-entérolactone et (-)-entérodiol.
L’une des observations clés de leur travail était l’importance cruciale du contrôle de la température de réaction. La réalisation de ces réactions à température ambiante a affecté négativement l’énantiosélectivité, et le maintien de 92 % ee a nécessité l’exécution de la réaction à une température de 4 °C. Le contrôle de la température était difficile car la réaction était continuellement irradiée par une source lumineuse près de la cuve. Pour cette raison, les chercheurs ont utilisé un système EasyMax 102. Dans un article mettant en lumière les travaux du professeur Tambur sur la α-alkylation énantiosélective photochimique catalytique à l’aide de sels de pyridinium (Synform, 2023/06, A100-A105), il commente : « Nous avons finalement acheté le système de thermostat avancé EasyMax 102 de Mettler-Toledo AutoChem, Inc. Il s’est avéré être l’achat le plus important pour la réussite du projet. Bien que l’EasyMax n’ait jamais été utilisé pour les réactions photochimiques, nous avons identifié deux caractéristiques clés de cet instrument. Tout d’abord, il permet de maintenir une température de réaction basse et constante pendant de longues périodes. Deuxièmement, l’instrument dispose d’une fenêtre transparente sur la chambre de réaction, qui est généralement utilisée pour voir
dans la réaction, mais nous avons identifié cela comme une opportunité de faire briller la lumière d’une lampe à une distance contrôlée sans affecter la température de réaction. Pour notre plus grand plaisir, l’EasyMax a fourni un nouveau niveau de constance dans nos résultats.
Dagar, N., Singh, S. et Roy, S.R. (2022). Effet synergique du cérium dans le transfert de charge ligand-métal photoinduit double et la catalyse acide de Lewis : alkylation diastéréosélective des coumarines. J. Org. Chem. 87(14), 8970 à 8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
Les auteurs rapportent avoir mis au point une méthode pratique et simple pour l’alkylation en C-4 des dérivés de la coumarine à l’aide d’un processus photocatalytique. La nouvelle méthode utilise du cérium facilement disponible dans un double rôle pour générer un radical alkyle par un processus de transfert de charge ligand-métal photoinduit (LMCT) et construire des liaisons stéréospécifiques C-C par catalyse acide de Lewis en utilisant des acides carboxyliques comme source d’alkylation pour effectuer l’alkylation des 3-carboxylates de coumarine.
Des investigations approfondies ont été menées pour comprendre le mécanisme de ce processus. Par exemple, une réaction réalisée en utilisant l’acide pivalique comme précurseur radical avec l’éthyl 3-coumarincarboxylate en présence de CeCl3 et de tBuOK sous irradiation à 427 nm a conduit à d’excellents rendements du produit souhaité. Lorsque cette même réaction a été réalisée en présence de 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine-1-oxyle (TEMPO), un piégeur de radicaux, la réaction a été inhibée, ce qui soutient la proposition selon laquelle la réaction se déroule probablement par l’intermédiaire d’un radical intermédiaire.
La spectroscopie UV-Vis a soutenu le processus de transfert de charge de ligand à métal photoinduit (LMCT) proposé. En présence de la lumière de 427 cm¹ , des changements dans le spectre d’absorption du complexeCl-alcoxydeCe (IV) ont indiqué que LCMT pourrait être impliqué, générant du Ce(III) et du radical alkyle en éliminant le CO2. Les études de progression de la réaction FTIR in situ ont révélé et suivi la formation de CO2 à 2344 cm⁻¹ et d’une nouvelle bande C=C à 1668 cm⁻¹ résultant probablement d’un intermédiaire de type énolate. Des formes de cérium complexées avec l’intermédiaire comme mentionné ci-dessus, suivies d’une protonation diastéréosélective, entraînant la formation du produit.
