La chimica ha un ruolo fondamentale nell’ambito scientifico in quanto risulta essere alla base di molte discipline quali ad esempio la medicina e la biologia. In questo ambito infatti le industrie farmaceutiche sono costantemente alla ricerca di nuovi targets, tecnologie e metodologie per arrivare allo sviluppo del farmaco.
Il processo che porta al farmaco è indubbiamente molto lungo e inizia con lo studio della relazione tra attività e struttura della molecola. Il chimico medicinale è in grado quindi di modificare nel modo opportuno la molecola per migliorarne le proprietà fisiche e farmacocinetiche. Ovviamente il suo lavoro è facilitato dall'avere a disposizione delle metodologie di sintesi valide. Parallelamente alla chimica farmaceutica quindi, viene svolto un immenso lavoro oltre che dalle industrie anche dai laboratori universitari per creare nuove metodologie di sintesi.
In quest’ambito si colloca la Photoredox Chemistry, una branca della catalisi che consiste nell’utilizzo di catalizzatori sensibili alla luce in grado di convertirla in energia chimica.
Dal 2008 ad oggi il numero delle pubblicazioni su quest’argomento è notevolmente aumentato, segno che la comunità scientifica crede nella sua validità.
Quali sono i fotocatalizzatori ? Qual'è il meccanismo con cui operano ?
Abbiamo catalizzatori, sia organic dyes come Eosyn Y e Rose Bengal che complessi polipiridinici (variamente sostituiti) con metalli di transizione, in particolare Rutenio (Ru) e Iridio (Ir). Chem. Rev. 2013, 113, 5322−5363; J. Org. Chem, 2016, 81, 6898-6926
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Su i catalizzatori Rutenio e Iridio si concentra molta della letteratura degli ultimi anni in quanto, oltre ad essere catalizzatori solubili nell’ambiente di reazione, hanno:
• un massimo di assorbimento nel visibile
• un’alta energia dello stato di tripletto eccitato
• sono single electron transfer reactant
• agiscono sia da ossidanti che da riducenti.
Viste tutte queste caratteristiche, è ovvio che una reazione fotocatalizzata presenterà innumerevoli vantaggi rispetto alle classiche procedure di reazione.
La formazione di legami carbonio-carbonio, nelle classiche condizioni di reazione, viene fatta servendoci di reattivi come organo cuprati, organo litio, organo palladio, reattivi di Grignard o acidi boronici. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10886;
. In molti casi questi reattivi non sono commercialmente disponibili e devono quindi essere sintetizzati laddove possibile. Inoltre le condizioni di reazioni potrebbero essere drastiche, cioè potrebbero richiedere elevate temperature, lunghi tempi di reazione, condizioni dry, ecc.
La stessa reazione di formazione di legame carbonio carbonio mediante photoredox catalysis invece, viene fatta in condizioni molto blande partendo da uno starting material commercialmente più semplice da reperire e più economico, l’ acido carbossilico: questo può subire decarbossilazione e portare alla formazione di prodotti di addizione coniugata 1,4. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10886 , alchinilazione Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1120, idro decarbossilazione J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11340 , arilazione J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5257 e vinilazione J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11602.
In generale quindi i vantaggi che le photoredox presentano rispetto alle classiche procedure di reazione sono :
• Migliorano le rese di reazione
• Rendono possibili reazioni che altrimenti non lo sarebbero
• Riducono i tempi
• Migliorano le condizioni ( ad es. riducono le temperature, eliminano l’uso di forti ossidanti)
• In alcuni casi utilizzano starting material più versatili, economici e facilmente reperibili.
Il meccanismo alla base di una reazione fotocatalizzata si può dividere in tre step:
- Foto eccitazione: il catalizzatore interagisce con la luce visibile (ad esempio lampada LED o a fluorescenza) e si porta nel suo stato eccitato subendo un processo di electron transfer .
- Redox reaction: il fotocatalizzatore eccitato media il trasferimento di elettroni con i composti chimici. Lui verrà spento (quenched) per attivare un altro componente della reazione.
- Rigenerazione del catalizzatore: un secondo single electron transfer riporterà il catalizzatore nel suo stato elettronico iniziale.
Fotoeccitazione
Allo stato fondamentale i fotocatalizzatori risultano essere scarsamente ossidanti e riducenti, ma in seguito a fotoeccitazione il loro potenziale di ossidazione o riduzione cambia al punto da diventare forti single electron transfer reactants.
Il processo di foto eccitazione avviene mediante un metal to ligand charge transfer: l’elettrone passa dall’orbitale del metallo (ad es. orbitale d) all’orbitale eccitato del ligando (ad es. π*). L’assorbimento di energia porta quindi alla formazione di uno stato di singoletto eccitato che può subire internal conversion all’interno degli stati vibrazionali dello stato di singoletto eccitato fino a raggiungere quello a minor energia. Questo processo avviene in modo non radiativo quindi per emissione ad esempio di calore. Successivamente si può avere o emissione per fluorescenza o intersystem crossing allo stato di tripletto eccitato. Anche in questo caso si avrà internal conversion e infine emissione per fosforescenza. L’obiettivo ovviamente del fotocatalizzatore è quello di subire quenching da parte del substrato prima che questo dare emissione. J. Org. Chem. 2012, 77, 1617;
Maggiore sarà il tempo di vita dello stato eccitato, maggiore sarà la probabilità che questo vada a dare single electron transfer con una molecola X presente nell’ambiente di reazione.
Redox reaction
Il trasferimento dal fotocatalizzatore eccitato al substrato può avvenire mediante processo di electron transfer o Energy transfer J. Org. Chem, 2016, 81, 6898-6926
Nel primo caso il fotocatalizzatore potrà reagire con un substrato elettron donatore ossidandolo e portandosi nello stato ridotto. Viceversa se reagirà con un substrato elettron accettore lo ridurrà portandosi nello stato ossidato.
Nel caso in cui tra fotocalizzatore e substrato il trasferimento sia di tipo energetico, il fotocatalizzatore trasferirà il suo stato di tripletto cioè avverrà un trasferimento bilaterale di elettroni come riportato in figura (meccanismo Dexter).
Photoredox mechanism
I processi redox coinvolti possono essere di diverso tipo: reductive quenching cycle,e oxidative quenching cycle.(Chem. Rev. 2013, 113, 5322−5363 ).
Nel reductive quenching cycle il fotocatalizzatore ossida il substrato, mentre nell’oxidative quenching cycle lo riduce.
Un ultima considerazione degna di nota è la semplicità con cui vengono fatte queste reazioni: substrato, reagenti e catalizzatori vengono sciolti nel solvente opportuno e irradiati da una lampada. Per evitare surriscaldamento dell’ambiente di reazione e della lampada si utilizza un semplice ventilatore. Le lampade utilizzate sono blue LED lamp, quelle si trovano nelle serre o negli acquari, o lampade a fluorescenza, acquistabili entrambe da Amazon. Le reazioni montano una o più lampade a seconda dell’energia di cui hanno bisogno e possono essere condotte anche in parallelo.
Nei prossimo post analizzeremo nel dettaglio gli esempi riportati in letteratura sull’argomento per meglio comprendere la sua validità.
FONTI:
- Chem. Rev. 2013, 113, 5322−5363; http://chemlabs.princeton.edu/macmillan/wp-content/uploads/sites/6/PhotoredoxCatalysis.pdf
- J. Org. Chem, 2016, 81, 6898-6926; http://chemlabs.princeton.edu/macmillan/wp-content/uploads/sites/6/JOCperspective.pdf
- J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10886; http://chemlabs.princeton.edu/macmillan/wp-content/uploads/sites/6/decarboxylative_alkylation.pdf
- J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10886; https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja505964r
- Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1120; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26212356
- J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11340; https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b07770
- J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5257; https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja501621q
- J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11602; https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja506094d
- J. Org. Chem. 2012, 77, 1617;
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jo202538x - J. Org. Chem, 2016, 81, 6898-6926; https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.joc.6b01449
