Первые шаги для проведения реакций фотохимии
Фотоокислительный катализ в видимом свете использует возбужденные состояния металлокомплексов и органических красителей для осуществления процессов переноса энергии и одноэлектронного переноса (ОЭП) для все большего числа полезных синтетических превращений. Стандартная реакционная установка необходима для воспроизводимости химического процесса в разных лабораториях, что обеспечивает низкий барьер для входа в эту область. Первый шаг к стандартизации реакций - это лучшее понимание источника света. Второй шаг - это реактор. Давайте сделаем краткий обзор, прежде чем приступим к детальному описанию ваших начальных шагов для проведения реакций фотохимии.
Первое, это простая концепция, но она требует пояснения.
Единственный свет, который полезен для проведения реакции, - это свет, который действительно попадает в колбу.
Ярко-синий свет, светящий на заднюю стенку колпака, ничего не делает. По этой причине компания HepatoChem разработала серию фотореакторов для максимизации интенсивности света, контроля температуры и стандартизации условий реакции, которые в настоящее время используются как в промышленных, так и в академических условиях. Для использования со стандартизированной установкой (EvoluChem Photoredox Box) были отобраны и адаптированы четыре реакции из литературы в качестве удобной отправной точки для тех, кто только начинает заниматься фотохимией. Каждая реакция была протестирована и проверена на оборудовании HepatoChem. Каждая из них доступна в комплекте, включающем фотореактор, держатели образцов, светодиоды и готовые смеси для проведения тестовых реакций, а также три комбинации субстратов на ваш выбор.
Детали эксперимента
Каждая реакция проводится в фотореакторе Evoluchem PhotoRedOx, оснащенном 18-ваттным светодиодом Evoluchem с длиной волны 450 нм или 365 нм. Реакции проводятся в пробирках объемом 4 мл с тефлоновой пробкой-септой, содержащих предварительно взвешенные фотокатализатор, основу для сокатализатора и реагенты. Растворы субстратов добавляются с помощью шприца. Реактор оснащен вентилятором, который поддерживает стабильную температуру реакции на уровне ~30 °C. Реакции проводятся в течение 18-24 ч. Анализ продукта проводится методом жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией (ЖХ-МС).
Реакции фотохимии для начинающих
Кросс-сочетание С-С с декарбоксилированием аминокислот
Первая реакция, которую будем освещать, - это катализируемое иридием/никелем образование углерод-углеродной связи, описанное Макмилланом и коллегами [Zuo, Z., et al, 2014]. В этом подходе используется коммерчески доступный иридиевый катализатор (Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 (структура на рисунке) с лампой CFL. Фотоокислительный цикл активирует катализируемый никелем металлоорганический цикл соединения α-карбоксильных sp3-углеродов с арилгалогенидами. Никелевый катализатор образуется in situ между NiCl2 и dtbbpy в качестве лиганда. Для реакции требуется основание (Cs2CO3) и продувка азотом для удаления кислорода. Реакция продемонстрировала сопряжение для широкого ряда карбоновых кислот с арилбромидами, иодидами и отдельными хлоридами. В качестве тестовой реакции было выбрано соединение N-Boc-валина и 4-бромоацетофенона, которое адаптировали из описанной процедуры, используя светодиод 450 нм вместо лампы CFL.
Образование углерод-углеродных связей между sp3-углеродами и арилгалогенидами (адаптировано из Zuo, Z., et al, 2014)
Образование связи С-О
Вторая реакция также проведена Макмилланом и коллегами с использованием катализа Ir/Ni, однако на этот раз для образования связи C-O [Terret, J. Cuthbertson, 2015]. В этой реакции также используются (Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6, NiCl2 и dtbbpy в качестве лиганда. Для этой реакции требуется хинуклидин в качестве донора/акцептора электронов и дополнительное основание. В реакции используется первичный и вторичный спирт для образования связи C-O с арилбромидами. Для реакции требуется основание (K2CO3) и продувка азотом для удаления кислорода. Никель сам по себе не способен осуществлять соединения С-О без использования высоких температур из-за стабильности комплексов никель-алкоксид. Фотоокислительный цикл с использованием светодиода с длиной волны 450 нм и иридиевого катализатора позволяет активировать этот цикл при комнатной температуре для широкого спектра спиртов и бромистых арилов. В качестве тестовой реакции было выбрано соединение циклогексанола и 4-бромоацетофенона при длине волны 450 нм.
Образование связей С-О [Terret, J. Cuthbertson, 2015]
Кросс-сочетание С-С с помощью реагентов BF3K
Третья реакция также представляет собой образование связи C-C, однако на этот раз в качестве партнера по сопряжению используется алкильный реагент BF3K. Моландер и соавторы проделали значительный объем работы, используя реагенты BF3K для фотоокислительных катализируемых превращений. Реакция, на которой мы сосредоточились, - это катализируемое иридием/никелем кросс-сочетание арилбромидов с вторичными алкильными реагентами BF3K [Primer, D., 2015]. Реагенты BF3K- это простые в обращении, стабильные на стенде твердые реагенты, полезные для многих реакций кросс-сочетания. Эта реакция чрезвычайно хорошо работает для широкого ряда алкил-BF3K с арилбромидами и может быть очень быстро использована для получения большого ряда аналогов. Для реакции требуется основание (Cs2CO3) и продувка азотом для удаления кислорода. В выбранной нами тестовой реакции используются циклогексил-BF3K и 4-бромоацетофенон. Мы изменили условия реакции, использовав Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 вместо Ir[dF(CF3)ppy]2(bpy)PF6 (немного другой лиганд), снизили загрузку катализатора и использовали светодиоды 450 нм вместо CFL.
Кросс-сочетание C-C с использованием реагентов BF3K [Primer, D., 2015]
Кросс-сочетание C-N через фотовозбуждение никель-аминовых комплексов
В качестве последней реакции мы выбрали реакцию кросс-сочетания углерода и азота, описанную Мияке и коллегами [Lim, C.H., 2018]. Это первая выбранная нами реакция, в которой не используется иридиевый катализатор или светодиод с длиной волны 450 нм. Здесь недорогая соль NiBr2 образует фотоактивный комплекс с первичными и вторичными аминами, который может быть возбужден светодиодом с длиной волны 365 нм для получения продуктов образования связи C-N с использованием бромидов арилов. При использовании избытка амина добавление хинуклидина не требуется. Для удаления кислорода реакцию следует прогнать азотом. Следует отметить, что эта реакция протекает при более высокой концентрации, чем ранее выбранные реакции, а комплекс Ni-амина можно назвать фотокатализатором для этой реакции. Мы выбрали реакцию соединения морфолина с 4-бромоацетофеноном без хинуклидина.
Реакция кросс-сочетания C-N [Lim, C.H., 2018]
