A fotocatálise é uma técnica inovadora que aproveita a energia da luz para conduzir reações químicas usando fotocatalisadores, que podem ser ativados pela luz visível em vez da luz UV, como é comum na fotoquímica tradicional. A fotocatálise tem gerado grande interesse como um meio sustentável e prático para a síntese orgânica por meio de novas vias.
Este white paper apresenta exemplos de pesquisas recentes revisadas por pares que mostram como as informações detalhadas e o controle preciso fornecidos pelas tecnologias da METTLER TOLEDO ajudam a apoiar a química verde e sustentável em quatro tópicos temáticos:
A fotocatálise é importante para alcançar transformações químicas usando uma fonte de energia limpa, sustentável, renovável e não perigosa - luz visível proveniente de LEDs e radiação solar. A fotocatálise oferece novas rotas e vias de reação que seriam difíceis de alcançar usando métodos sintéticos convencionais. Os óxidos e complexos de metais de transição usados como fotocatalisadores e fotossensibilizadores podem ser provenientes de metais baratos e abundantes na terra, como titânio, ferro e zinco.
Existem inúmeras aplicações existentes e potenciais de processos fotocatalíticos em polímeros, química fina, síntese farmacêutica e remediação ambiental. Oxidação, desidrogenação e transferência de hidrogênio são processos de síntese comuns acessíveis usando fotocatalisadores. As sínteses baseadas em fotocatalíticos têm excelente quimiosseletividade, mesmo com numerosos e variados grupos funcionais em moléculas complexas. No que diz respeito às aplicações ambientais, os fotocatalisadores de nanopartículas de TiO2 são usados para tratamento de água para eliminar poluentes e remover gases nocivos da atmosfera. Esforços significativos de pesquisa estão em andamento usando semicondutores fotocatalíticos para divisão de água para produzir hidrogênio em aplicações de energia limpa.
O controle de reatores de laboratório automatizados EasyMax™ de variáveis-chave e condições de reação é importante em todos os processos catalíticos. Os recursos de temperatura e mistura controlados com precisão do EasyMax garantem resultados e desempenho consistentes de fotocatálise. Os sistemas EasyMax têm uma janela de visualização para observar o vaso de reação à medida que a reação prossegue. Uma fonte de luz visível situada perto da janela pode induzir fotocatálise na reação sem afetar negativamente o controle da temperatura do vaso.
O ReactIR™ e o ReactRaman™ podem rastrear e analisar a química fotocatalítica em tempo real, diretamente no recipiente de reação. Esses métodos fornecem informações importantes sobre cinética de reação, mecanismos catalíticos e ciclos catalíticos. Quando usada em conjunto com os sistemas EasyMax, essa combinação de tecnologias forma uma plataforma ideal para o desenvolvimento de processos fotocatalíticos.
Singh, S., Chakrabortty, G., & Roy, S. R. (2023). Rearranjo esquelético por desnitrogenação fotocatalítica: acesso a aminoquinolina-2(1H) C-3. Ciência Química, 14(44), 12541–12547. https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
Os autores comentam que adicionar um grupo amina em um anel N-heteroaromático é desafiador, mas muito importante na fabricação de APIs de moléculas pequenas. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a C-aminação regiosseletiva de quinolina-2(1H)-ona que utiliza trimetilsililazida (TMSN3) na presença de luz visível para alcançar a aminação.
Essa abordagem é mais suave e eficiente do que os métodos alternativos, pois não usa temperaturas elevadas ou condições altamente ácidas. Eles relatam que a reação prossegue por meio da formação de ligações C-N em cascata e um processo de desnitrogenação. Além da adição de amina a uma ampla gama de 3-ilidenooxindois, este método também foi útil para sintetizar C-4 benzoil/arila substituída por 3-aminoquinolina-2(1H)-ona.
Uma série de experimentos foi realizada para elucidar o mecanismo de reação e entender melhor a modificação induzida por fotocatalisadores de um intermediário de triazolina identificado que leva à formação da quinolina-2(1H)-ona 3-aminada. Isso envolveu o uso de acetato de etila (E)-2-(1-metil-2-oxoindolina-3-ilideno)(1a) como substrato modelo e TMSN3 para o agente aminante. Ao rastrear bandas IR em tempo real em 1201 cm⁻¹, 1317 cm⁻¹ e 1556 cm⁻¹ para o substrato 1a, intermediário de triazolina e produto, respectivamente, o ReactIR demonstrou rápida conversão de 1a para formar o intermediário. Isso é evidenciado pela diminuição da banda em 1201 cm⁻¹ (substrato) e a banda de aumento em 1317 cm⁻¹ (intermediária). Isso é seguido por um declínio na banda para o intermediário e um aumento subsequente na banda para o produto.
A análise de RMN isolou o intermediário triazolina e confirmou sua estrutura. Os resultados da RMN, em conjunto com as medições do ReactIR, demonstraram claramente o papel do intermediário na formação do produto. Com base nesses experimentos, os autores foram capazes de propor um mecanismo provável para o processo de aminação.
Yetra, S. R., Schmitt, N., & Tambar, U. K. (2022). α-alquilação enantiosseletiva fotoquímica catalítica com sais de piridínio. Ciência Química, 14(3), 586–592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
Os autores comentaram que haletos e sulfonatos de alquila são frequentemente empregados agentes alquilantes usados em catálise assimétrica para a α-alquilação enantiosseletiva de enolatos. Seu interesse era desenvolver um processo fotoquímico para alquilações enantiosseletivas que usasse fontes renováveis e sustentáveis de reagentes alquilantes, como substratos derivados de aminoácidos. Dada a baixa capacidade de aceitação de elétrons dos derivados de aminoácidos em alquilações de enolato, o desafio era desenvolver um meio de ativar esses compostos. Com base em trabalhos anteriores na literatura, os autores postularam que o uso de sais de piridínio derivados de aminoácidos como agentes alquilantes seria eficaz, uma vez que os sais de piridínio são conhecidos por serem usados como precursores de radicais em α-alquilações enantiosseletivas. Eles propuseram que os sais de piridínio formam complexos de estado fundamental com equivalentes de enolato quiral ricos em elétrons gerados cataliticamente. Em uma extensa série de experimentos, eles mostraram que um sal de Katritzky deficiente em elétrons derivado do éster 2,2,2-trifluoroetílico da glicina reagiu sob condições usando um catalisador de amina quiral, 2,6-lutidina e irradiação de 427 nm, forneceu o produto de α-alquilação desejado.
Trabalhos adicionais mostraram que o uso de um meio básico de Lewis, como a dimetil acetamida, melhorou o rendimento (para 40%) e proporcionou excelente excesso enantiomérico (ee. 92%). Além disso, o uso de aditivos como iodeto de sódio que melhoram a complexação do estado fundamental dos componentes da reação resultou em rendimentos de 75% com 92% ee. Por meio de estudos mecanicistas aprofundados, eles postularam que a reação enantiosseletiva catalítica pode ocorrer simultaneamente por meio de um mecanismo de combinação de radicais em gaiola e um mecanismo de cadeia radical. Os pesquisadores passaram a entender o escopo da reação fotocatalítica, incluindo o uso do processo na síntese total dos produtos naturais da lignana (-)-enterolactona e (-)-enterodiol.
Uma observação importante em seu trabalho foi a importância crítica de controlar a temperatura da reação. A realização dessas reações à temperatura ambiente afetou negativamente a enantiosseletividade, e a manutenção de 92% de ee exigiu a execução da reação a uma temperatura de 4 °C. O controle de temperatura foi um desafio, pois a reação foi continuamente irradiada com uma fonte de luz próxima ao recipiente. Por esse motivo, os pesquisadores usaram um sistema EasyMax 102. Em um artigo destacando o trabalho do Professor Tambur sobre α-alquilação enantiosseletiva fotoquímica catalítica usando sais de piridínio (Synform, 2023/06, A100-A105), ele comenta: "Finalmente compramos o sistema de termostato avançado EasyMax 102 da Mettler-Toledo AutoChem, Inc. Esta acabou sendo a compra mais importante para o sucesso do projeto. Embora o EasyMax nunca tenha sido usado para reações fotoquímicas, identificamos duas características principais deste instrumento. Primeiro, permite a manutenção de uma temperatura de reação baixa constante por longos tempos. Em segundo lugar, o instrumento tem uma janela clara para a câmara de reação, que normalmente é usada para visualizar
na reação, mas identificamos isso como uma oportunidade de iluminar uma lâmpada a uma distância controlada sem afetar a temperatura da reação. Para nossa alegria, o EasyMax forneceu um novo nível de consistência em nossos resultados."
Dagar, N., Singh, S. e Roy, S.R. (2022). Efeito sinérgico do cério na transferência de carga fotoinduzida dupla de ligante para metal e catálise ácida de Lewis: alquilação diastereosseletiva de cumarinas. J. Org. Química 87 (14), 8970–8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
Os autores relatam o desenvolvimento de um método prático e direto para alquilação de C-4 de derivados de cumarina utilizando um processo fotocatalítico. O novo método usa cério prontamente disponível em um papel duplo para gerar um radical alquil por meio de um processo de transferência de carga ligante-metal fotoinduzida (LMCT) e construir ligações C-C estereoespecíficas por meio da catálise ácida do ácido de Lewis usando ácidos carboxílicos como fonte alquilante para efetuar a alquilação de cumarina 3-carboxilatos.
Extensas investigações foram realizadas para entender o mecanismo desse processo. Por exemplo, uma reação realizada usando ácido pivalic como precursor radical com etil 3-cumarinacarboxilato na presença de CeCl3 e tBuOK sob irradiação de 427 nm levou a excelentes rendimentos do produto desejado. Quando essa mesma reação foi realizada na presença de 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxila (TEMPO), um sequestrante de radicais, a reação foi inibida, apoiando a proposta de que a reação provavelmente prossegue por meio de um intermediário radical.
A espectroscopia UV-Vis apoiou o processo proposto de transferência de carga ligante-metal fotoinduzida (LMCT). Na presença da luz de 427 cm⁻¹ , mudanças no espectro de absorção do complexoCl-alcóxidoCe(IV) indicaram que o LCMT poderia estar envolvido, gerando Ce(III) e o radical alquila pela eliminação de CO2. Os estudos de progresso da reação FTIR in situ revelaram e rastrearam a formação de CO2 a 2344 cm⁻¹ e uma nova banda C=C a 1668 cm⁻¹ provavelmente decorrente de um intermediário do tipo enolato. Formas de cério complexadas com o intermediário como mencionado acima, seguidas de protonação diastereosseletiva, resultando na formação do produto.
