Forscher entwickeln organische Photoredoxkatalysatoren mit verbesserter Stabilität und Recyclingfähigkeit

In den letzten Jahren haben globale Umweltbedenken zu einer Entwicklung hin zu einer umweltfreundlichen Herstellung im Bereich der synthetischen organischen Chemie geführt. In diesem Zusammenhang hat die Forschung zu katalytischen Photoredoxreaktionen besondere Aufmerksamkeit erregt, bei denen Licht verwendet wird, um Redox- oder Reduktions-Oxidationsreaktionen über einen Photoredoxkatalysator auszulösen. Dieser Ansatz reduziert den Einsatz aggressiver und giftiger Reagenzien und nutzt sichtbares Licht, eine saubere Energiequelle.

Ein wichtiger Forschungsbereich war die Entwicklung von Photokatalysator-Recyclingmethoden, die sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Vorteile bieten. Photokatalysatoren nutzen Licht, um eine chemische Reaktion zu beschleunigen, ohne dass es dabei verbraucht wird, und Photoredoxkatalysatoren sind Photokatalysatoren, die speziell für Redoxreaktionen entwickelt wurden.

Während Methoden zum Recycling heterogener Photokatalysatoren wie Halbleiter und Polymere weit verbreitet sind, liegt der Schwerpunkt weniger auf dem Recycling organischer Photokatalysatoren. Angesichts der Kosteneffizienz und geringen Toxizität organischer Photoredoxkatalysatoren ist die Entwicklung geeigneter Recyclingansätze für eine nachhaltige organische Synthese unerlässlich.

Um diese Lücke zu schließen, hat ein Forscherteam der Universität Okayama, Japan, darunter Assistenzprofessorin Kenta Tanaka vom Forschungsinstitut für interdisziplinäre Wissenschaften sowie der damalige Doktorand Haru Ando, ​​​​Professor Associate Hiroyoshi Takamura und Professor Isao Kadota vom Institut für Chemie. an der Graduate School of Natural Science and Technology entwickelte einen neuen organischen Photoredoxkatalysator auf Basis von Phenothiazin. Ihre Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Chemische Kommunikation am 19. März 2024.

„Phenothiazine oder PTHs werden häufig als Photokatalysatoren in der organischen Chemie verwendet“, erklärt Professor Tanaka. „Die hohe Reaktivität der p-Position relativ zum Stickstoffatom auf 10-Arylphenothiazin-Molekülen macht sie jedoch anfällig für Reaktionen mit Elektrophilen, wodurch ihre Stabilität verringert wird.“

„Die Entwicklung stabilerer und langlebigerer Photokatalysatoren ist daher äußerst wünschenswert. Um dieses Problem anzugehen, haben wir neue Photokatalysatoren auf Phenothiazinbasis entwickelt, die sowohl stabil als auch recycelbar sind.“

Ihr neuer Phenothiazin-Katalysator namens PTHS weist eine Spiralstruktur mit einer sperrigen elektronenspendenden Gruppe namens auf ^TBu, substituiert in der p-Position des Stickstoffatoms, sorgt für verbesserte Stabilität. Die Forscher entwickelten eine Reihe von Phenothiazin-Photokatalysatoren (PTHS 1-3) und bewerteten ihre strukturellen und physikalischen Eigenschaften durch elektrochemische und spektroskopische Experimente. Sie fanden heraus, dass die neuen Katalysatoren eine starke Reduktionskapazität haben und mit blauem Licht aktiviert werden können.

Um ihre Stabilität zu testen, verglich das Team die neuen Katalysatoren mit bestehenden PTH-Katalysatoren, indem es sie photochemischen Sulfonylierungsreaktionen unterzog. Die Ergebnisse zeigten, dass, obwohl PTH nicht zurückgewonnen werden konnte und 78 % des Monosulfonylprodukts erhalten wurden, 95 % des PTHS zurückgewonnen werden konnten, was auf eine höhere Stabilität hinweist.

Darüber hinaus testeten die Forscher die Recyclingfähigkeit der Katalysatoren während der photochemischen Phosphonierung und stellten fest, dass die katalytische Aktivität von PTH und damit die Reaktionsausbeute bei wiederholter Verwendung abnahm. Im Gegensatz dazu konnte PTHS-1 mehrfach und ohne Verlust der katalytischen Aktivität oder Ausbeute effizient zurückgewonnen werden. Darüber hinaus eignet sich PTHS-1 auch für die Synthese im großen Maßstab und erreicht eine Rückgewinnung von 96 %, selbst im Gramm-Maßstab.

„Die neuen Phenothiazin-Photokatalysatoren haben das Potenzial, auf verschiedene durch sichtbares Licht induzierte photochemische Reaktionen angewendet zu werden, was mit keinem der bisher beschriebenen Phenothiazin-Photokatalysatoren möglich war. Wir glauben, dass unsere recycelbaren organischen Photokatalysatoren ein vielversprechendes Werkzeug für die effiziente Synthese sein werden.“ verschiedener Pharmazeutika und funktioneller Materialien“, bemerkt Ando.

Insgesamt stellen diese innovativen Photokatalysatoren einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigen organischen Synthese dar und ebnen den Weg für eine umweltfreundliche chemische Herstellung.