Fotokatalys är en innovativ teknik som utnyttjar ljusenergi för att driva kemiska reaktioner med hjälp av fotokatalysatorer, som kan aktiveras av synligt ljus snarare än UV-ljus, vilket är vanligt inom traditionell fotokemi. Fotokatalys har genererat stort intresse som ett hållbart, praktiskt sätt för organisk syntes genom nya vägar.
Detta white paper presenterar exempel från nyligen granskad forskning som visar hur den djupgående informationen och den exakta kontrollen som tillhandahålls av METTLER TOLEDO-teknik hjälper till att stödja grön och hållbar kemi inom fyra tematiska ämnen:
Fotokatalys är viktigt för att uppnå kemiska omvandlingar med hjälp av en ren, hållbar, förnybar, ofarlig energikälla – synligt ljus som kommer från lysdioder och solstrålning. Fotokatalys erbjuder nya reaktionsvägar och vägar som skulle vara svåra att uppnå med konventionella syntetiska metoder. Övergångsmetalloxiderna och komplexen som används som fotokatalysatorer och fotosensibilisatorer kan hämtas från billiga metaller som titan, järn och zink.
Det finns många befintliga och potentiella tillämpningar av fotokatalytiska processer inom polymer, finkemisk, farmaceutisk syntes och miljösanering. Oxidation, dehydrogenering och väteöverföring är vanliga syntesprocesser som är tillgängliga med hjälp av fotokatalysatorer. Fotokatalytiskt baserade synteser har utmärkt kemoselektivitet, även med många, varierade funktionella grupper i komplexa molekyler. När det gäller miljötillämpningar används TiO2 nanopartikelfotokatalysatorer för vattenbehandling för att eliminera föroreningar och avlägsna skadliga gaser från atmosfären. Betydande forskningsinsatser pågår med hjälp av fotokatalytiska halvledare för vattenspjälkning för att producera väte i tillämpningar för ren energi.
EasyMax™ automatiserade labbreaktorer, kontroll av nyckelvariabler och reaktionsbetingelser är viktig i alla katalytiska processer. EasyMax exakt kontrollerade temperatur och blandningsförmåga säkerställer konsekventa fotokatalysresultat och prestanda. EasyMax-system har ett visningsfönster för att observera reaktionskärlet när reaktionen fortsätter. En synlig ljuskälla placerad nära fönstret kan inducera fotokatalys i reaktionen utan att påverka kärltemperaturregleringen negativt.
ReactIR™ och ReactRaman™ kan spåra och analysera fotokatalytisk kemi i realtid, direkt i reaktionskärlet. Dessa metoder ger viktig information om reaktionskinetik, katalytiska mekanismer och katalytiska cykler. När den används tillsammans med EasyMax-system bildar denna kombination av tekniker en idealisk plattform för att utveckla fotokatalytiska processer.
Singh, S., Chakrabortty, G., & Roy, S. R. (2023). Skelettomlagring genom fotokatalytisk denitrogenering: tillgång till C-3-aminokinolin-2(1H)-oner. Kemisk vetenskap, 14(44), 12541–12547. https://doi.org/10.1039/d3sc04447e
Författarna kommenterar att det är utmanande men mycket viktigt att lägga till en amingrupp på en N-heteroaromatisk ring vid tillverkning av småmolekylära API:er. Detta arbete presenterar ett nytt tillvägagångssätt för regioselektiv C-aminering av kinolin-2(1H)-on som använder trimetylsilylazid (TMSN3) i närvaro av synligt ljus för att uppnå amineringen.
Detta tillvägagångssätt är mildare och effektivare än alternativa metoder eftersom det inte använder förhöjda temperaturer eller mycket sura förhållanden. De rapporterar att reaktionen fortskrider via kaskadbildning av C–N-bindningar och en denitrogeneringsprocess. Förutom amintillsats till ett brett spektrum av 3-ylideneoxindoler var denna metod också användbar för att syntetisera C-4 bensoyl/arylsubstituerad 3-aminokinolin-2(1H)-on.
En serie experiment utfördes för att belysa reaktionsmekanismen och för att bättre förstå den fotokatalytiskt inducerade modifieringen av en identifierad triazolinintermediär som leder till bildandet av 3-aminerat kinolin-2(1H)-on. Detta innebar att man använde etyl(E)-2-(1-metyl-2-oxoindolin-3-yliden)acetat (1a) som modellsubstrat och TMSN3 som amineringsmedlet. Genom att spåra IR-band i realtid vid 1201 cm⁻¹, 1317 cm⁻¹ och 1556 cm⁻¹ för 1a-substratet, triazolinintermediären respektive produkten, visade ReactIR snabb omvandling av 1a för att bilda intermediären. Detta framgår av minskningen av bandet vid 1201 cm⁻¹ (substrat) och ökningsbandet vid 1317 cm⁻¹ (intermediär). Detta följs av en minskning av bandet för mellanprodukten och en påföljande ökning av bandet för produkten.
NMR-analys isolerade triazolinintermediären och bekräftade dess struktur. NMR-resultaten, i kombination med ReactIR-mätningarna, visade tydligt intermediärens roll i produktens bildning. Baserat på dessa experiment kunde författarna föreslå en trolig mekanism för amineringsprocessen.
Yetra, S. R., Schmitt, N., & Tambar, Storbritannien (2022). Katalytisk fotokemisk enantioselektiv α-alkylering med pyridiniumsalter. Kemisk vetenskap, 14(3), 586–592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b
Författarna kommenterade att alkylhalogenider och sulfonater ofta används som alkylerande medel som används vid asymmetrisk katalys för enantioselektiv α-alkylering av enolater. Deras intresse var att utveckla en fotokemisk process för enantioselektiva alkyleringar som använder förnybara och hållbara källor till alkylerande reagenser såsom aminosyrahärledda substrat. Med tanke på den låga elektronacceptansförmågan hos aminosyraderivat i enolatalkyleringar, var utmaningen att utveckla ett sätt att aktivera dessa föreningar. Baserat på tidigare arbete i litteraturen postulerade författarna att användning av aminosyrahärledda pyridiniumsalter som alkylerande medel skulle vara effektivt, med tanke på att pyridiniumsalter är kända för att användas som radikala prekursorer i enantioselektiva α-alkyleringar. De föreslog att pyridiniumsalter bildar grundtillståndskomplex med katalytiskt genererade, elektronrika kirala enolatekvivalenter. I en omfattande serie experiment visade de att ett Katritzky-salt med elektronbrist som härrör från 2,2,2-trifluoretylestern av glycin reagerade under förhållanden med hjälp av en kiral aminkatalysator, 2,6-lutidin och 427 nm bestrålning, gav den önskade α-alkyleringsprodukten.
Ytterligare arbete visade att användning av ett Lewis-basmedium, såsom dimetylacetamid, förbättrade avkastningen (till 40 %) och gav ett utmärkt enantiomeriskt överskott (ee. 92 %). Dessutom resulterade användning av tillsatser som natriumjodid som förbättrar grundtillståndets komplexering av reaktionskomponenterna i utbyten på 75 % med 92 % ee. Genom djupgående mekanistiska studier postulerade de att den katalytiska enantioselektiva reaktionen kan pågå samtidigt via en kombinationsmekanism för radikaler i buren och en radikalkedjemekanism. Forskarna fortsatte med att förstå omfattningen av den fotokatalytiska reaktionen, bland annat genom att använda processen i den totala syntesen av lignans naturprodukter (−)-enterolakton och (−)-enterodiol.
En viktig observation i deras arbete var den kritiska betydelsen av att kontrollera reaktionstemperaturen. Att utföra dessa reaktioner vid rumstemperatur påverkade enantioselektiviteten negativt, och att upprätthålla 92 % ee krävde att reaktionen kördes vid en temperatur på 4 °C. Temperaturkontrollen var utmanande eftersom reaktionen kontinuerligt bestrålades med en ljuskälla nära kärlet. Av denna anledning använde forskarna ett EasyMax 102-system. I en artikel som belyser professor Tamburs arbete med katalytisk fotokemisk enantioselektiv α-alkylering med hjälp av pyridiniumsalter (Synform, 2023/06, A100-A105) kommenterar han: "Vi köpte äntligen EasyMax 102 Advanced Thermostat-systemet från Mettler-Toledo AutoChem, Inc. Detta visade sig vara det viktigaste köpet för att projektet skulle lyckas. Även om EasyMax aldrig hade använts för fotokemiska reaktioner, identifierade vi två viktiga egenskaper hos detta instrument. För det första gör det det möjligt att upprätthålla en konstant låg reaktionstemperatur under lång tid. För det andra har instrumentet ett tydligt fönster in i reaktionskammaren, som vanligtvis används för att se
in i reaktionen, men vi identifierade detta som en möjlighet att lysa från en lampa på ett kontrollerat avstånd utan att påverka reaktionstemperaturen. Till vår glädje gav EasyMax en ny nivå av konsekvens i våra resultat."
Dagar, N., Singh, S. och Roy, S.R. (2022). Synergistisk effekt av cerium vid dubbel fotoinducerad ligand-till-metall-laddningsöverföring och Lewis-syrakatalys: diastereoselektiv alkylering av kumariner. J. Org. Chem. 87(14), 8970-8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677
Författarna rapporterar att de utvecklat en praktisk, okomplicerad metod för C-4-alkylering av kumarinderivat med hjälp av en fotokatalytisk process. Den nya metoden använder lättillgängligt cerium i en dubbel roll för att generera en alkylradikal genom en fotoinducerad ligand-till-metall-laddningsöverföringsprocess (LMCT) och bygga stereospecifika C-C-bindningar genom Lewis-syrakatalys med hjälp av karboxylsyror som alkylerande källa för att åstadkomma kumarin 3-karboxylateralkylering.
Omfattande undersökningar utfördes för att förstå mekanismen för denna process. Till exempel ledde en reaktion utförd med pivalinsyra som radikalprekursor med etyl-3-kumarinkarboxylat i närvaro av CeCl3 och tBuOK under 427 nm bestrålning till utmärkta utbyten av den önskade produkten. När samma reaktion utfördes i närvaro av 2,2,6,6-tetrametylpiperidin-1-oxyl (TEMPO), en radikal rensare, hämmades reaktionen, vilket stöder förslaget att reaktionen sannolikt fortsätter genom en radikal intermediär.
UV-Vis-spektroskopi stödde den föreslagna fotoinducerade processen för ligand-till-metall-laddningsöverföring (LMCT). I närvaro av det 427 cm⁻¹ ljuset indikerade förändringar i absorptionsspektrumet för Ce (IV)Cl-alkoxidkomplexetatt LCMT kunde vara inblandat, vilket genererade Ce(III) och alkylradikalen genom att eliminera CO2 . In-situ FTIR-reaktionsstudier avslöjade och spårade bildandet av CO2 vid 2344 cm⁻¹ och ett nytt C=C-band vid 1668 cm⁻¹ som troligen härrör från en intermediär av enolattyp. Ceriumformer komplexerade med intermediären som nämnts ovan, följt av diastereoselektiv protonering, vilket resulterar i produktbildning.
