Los investigadores desarrollan catalizadores fotoredox orgánicos con mayor estabilidad y reciclabilidad

En los últimos años, las preocupaciones ambientales globales han provocado un cambio hacia la fabricación ecológica en el campo de la química sintética orgánica. En este sentido, ha ganado mucha atención la investigación sobre reacciones catalíticas fotoredox, que utilizan luz para iniciar reacciones redox o de reducción-oxidación a través de un catalizador fotoredox. Este enfoque reduce la dependencia de reactivos agresivos y tóxicos y utiliza luz visible, una fuente de energía limpia.

Un área de investigación clave ha sido el desarrollo de métodos de reciclaje de fotocatalizadores, que ofrecen beneficios tanto económicos como medioambientales. Los fotocatalizadores utilizan luz para acelerar una reacción química sin consumirse en el proceso, y los catalizadores fotoredox son fotocatalizadores diseñados específicamente para reacciones redox.

Si bien se han desarrollado ampliamente métodos de reciclaje para fotocatalizadores heterogéneos, como semiconductores y polímeros, se ha prestado menos atención al reciclaje de fotocatalizadores orgánicos. Teniendo en cuenta la rentabilidad y la baja toxicidad de los catalizadores fotoredox orgánicos, desarrollar enfoques de reciclaje adecuados es esencial para lograr una síntesis orgánica sostenible.

Para abordar esta brecha, un equipo de investigadores de la Universidad de Okayama, Japón, incluido el profesor asistente Kenta Tanaka del Instituto de Investigación de Ciencias Interdisciplinarias, junto con el entonces estudiante graduado Haru Ando, ​​el profesor asociado Hiroyoshi Takamura y el profesor Isao Kadota del Departamento de Química. en la Escuela de Graduados en Ciencias Naturales y Tecnología, desarrolló un nuevo catalizador fotoredox orgánico a base de fenotiazina. Su estudio fue publicado en el diario Comunicaciones químicas el 19 de marzo de 2024.

«Las fenotiazinas, o PTH, se utilizan ampliamente como fotocatalizadores en química orgánica», explica el profesor Tanaka. «Sin embargo, la alta reactividad de la posición p relativa al átomo de nitrógeno en las moléculas de 10-arilfenotiazina las hace propensas a reaccionar con electrófilos, reduciendo su estabilidad.

«Por lo tanto, es muy deseable desarrollar fotocatalizadores más estables y sostenibles. Para abordar esto, desarrollamos nuevos fotocatalizadores basados ​​en fenotiazina que son estables y reciclables».

Su nuevo catalizador de fenotiazina, llamado PTHS, presenta una estructura en espiral con un voluminoso grupo donador de electrones, llamado ^tBu, sustituido en la posición p del átomo de nitrógeno, lo que proporciona una mayor estabilidad. Los investigadores desarrollaron una serie de fotocatalizadores de fenotiazina (PTHS 1-3) y evaluaron sus propiedades estructurales y físicas mediante experimentos electroquímicos y espectroscópicos. Descubrieron que los nuevos catalizadores poseen una fuerte capacidad reductora y pueden activarse mediante luz azul.

Para probar su estabilidad, el equipo comparó los nuevos catalizadores con los catalizadores de PTH existentes sometiéndolos a reacciones de sulfonilación fotoquímica. Los resultados revelaron que si bien no se pudo recuperar PTH y se obtuvo producto monosulfonilado en un 78%, se pudo recuperar un 95% de PTHS, lo que indica una mayor estabilidad.

Además, los investigadores probaron la reciclabilidad de los catalizadores en una fosfonación fotoquímica y descubrieron que la actividad catalítica de la PTH y, por tanto, el rendimiento de la reacción, disminuía con el uso repetido. Por el contrario, PTHS-1 podría recuperarse eficazmente varias veces sin pérdida de actividad catalítica ni de rendimiento. Además, PTHS-1 también es adecuado para síntesis a gran escala, logrando una recuperación del 96 % incluso en síntesis a escala de gramos.

«Los nuevos fotocatalizadores de fenotiazina tienen el potencial de aplicarse a diversas reacciones fotoquímicas inducidas por luz visible, lo que no era posible con ninguno de los fotocatalizadores de fenotiazina reportados hasta ahora. Creemos que nuestros fotocatalizadores orgánicos reciclables serán una herramienta prometedora para la síntesis eficiente de diversos productos farmacéuticos y materiales funcionales», comenta Ando.

En general, estos fotocatalizadores innovadores representan un paso importante para lograr una síntesis orgánica sostenible, allanando el camino hacia la fabricación de productos químicos respetuosos con el medio ambiente.