В последние годы глобальные экологические проблемы привели к переходу к экологически чистому производству в области органической синтетической химии. В связи с этим значительное внимание привлекли исследования фоторедокс-каталитических реакций, в которых свет используется для инициирования окислительно-восстановительных или окислительно-восстановительных реакций с помощью фотоокислительно-восстановительного катализатора. Этот подход снижает зависимость от агрессивных и токсичных реагентов и использует видимый свет — чистый источник энергии.

Ключевой областью исследований является разработка методов переработки фотокатализаторов, которые обеспечивают как экономические, так и экологические преимущества. Фотокатализаторы используют свет для ускорения химической реакции без его расходования в процессе, а фотоокислительно-восстановительные катализаторы — это фотокатализаторы, специально разработанные для окислительно-восстановительных реакций.

Хотя методы переработки гетерогенных фотокатализаторов, таких как полупроводники и полимеры, получили широкое развитие, переработке органических фотокатализаторов уделялось меньше внимания. Учитывая экономическую эффективность и низкую токсичность органических фотоокислительно-восстановительных катализаторов, разработка подходящих подходов к переработке имеет важное значение для достижения устойчивого органического синтеза.

Чтобы устранить этот пробел, группа исследователей из Университета Окаяма, Япония, в том числе доцент Кента Танака из Научно-исследовательского института междисциплинарных наук, а также тогдашний аспирант Хару Андо, доцент Хироёси Такамура и профессор Исао Кадота с кафедры химии. в Высшей школе естественных наук и технологий разработали новый органический фотоокислительно-восстановительный катализатор на основе фенотиазина. Их исследование было опубликовано в журнале Химические коммуникации 19 марта 2024 г.

«Фенотиазины, или ПТГ, широко используются в качестве фотокатализаторов в органической химии», — объясняет профессор Танака. «Однако высокая реакционная способность p-положения по отношению к атому азота в молекулах 10-арила фенотиазина делает их склонными к реакции с электрофилами, снижая их стабильность.

«Поэтому разработка более стабильных и устойчивых фотокатализаторов крайне желательна. Чтобы решить эту проблему, мы разработали новые фотокатализаторы на основе фенотиазина, которые одновременно стабильны и пригодны для вторичной переработки».

Их новый фенотиазиновый катализатор, названный PTHS, имеет спиральную структуру с объемистой электронодонорной группой, называемой ^тBu, замещенный в p-положении атома азота, обеспечивающий повышенную стабильность. Исследователи разработали серию фенотиазиновых фотокатализаторов (PTHS 1–3) и оценили их структурные и физические свойства с помощью электрохимических и спектроскопических экспериментов. Они обнаружили, что новые катализаторы обладают сильной восстановительной способностью и могут быть активированы с помощью синего света.

Чтобы проверить их стабильность, команда сравнила новые катализаторы с существующими катализаторами ПТГ, подвергнув их фотохимическим реакциям сульфонилирования. Результаты показали, что хотя ПТГ не удалось выделить и моносульфонилированный продукт был получен в 78% случаев, 95% ПТГС можно было выделить, что указывает на большую стабильность.

Кроме того, исследователи проверили возможность повторного использования катализаторов при фотохимическом фосфонировании и обнаружили, что каталитическая активность ПТГ и, следовательно, выход реакции снижаются при повторном использовании. Напротив, PTHS-1 можно эффективно восстанавливать несколько раз без потери каталитической активности и выхода. Более того, PTHS-1 также пригоден для крупномасштабного синтеза, обеспечивая 96%-ное извлечение даже при синтезе в граммах.

«Новые фенотиазиновые фотокатализаторы потенциально могут быть применены в различных фотохимических реакциях, индуцированных видимым светом, что было невозможно ни с одним из известных до сих пор фенотиазиновых фотокатализаторов. Мы считаем, что наши перерабатываемые органические фотокатализаторы станут многообещающим инструментом для эффективного синтеза различные фармацевтические препараты и функциональные материалы», — отмечает Андо.

В целом, эти инновационные фотокатализаторы представляют собой значительный шаг на пути к достижению устойчивого органического синтеза, открывая путь к экологически чистому химическому производству.