Pesquisadores desenvolvem catalisadores fotoredox orgânicos com maior estabilidade e reciclabilidade
Os novos fotocatalisadores de fenotiazina têm forte capacidade de redução e maior estabilidade e reciclabilidade do que os catalisadores de fenotiazina existentes, representando uma ferramenta promissora para alcançar a síntese orgânica sustentável. Crédito:Kenta Tanaka, Universidade de Okayama Nos últimos anos, as preocupações ambientais globais levaram a uma mudança em direção à fabricação ecologicamente correta no campo da química sintética orgânica. A este respeito, a investigação em reações catalíticas fotoredox, que utilizam luz para iniciar reações redox ou de redução-oxidação através de um catalisador fotoredox, ganhou atenção significativa. Esta abordagem reduz a dependência de reagentes agressivos e tóxicos e utiliza luz visível, uma fonte de energia limpa.
Uma área chave de investigação tem sido o desenvolvimento de métodos de reciclagem para fotocatalisadores, que oferecem benefícios económicos e ambientais. Os fotocatalisadores usam luz para acelerar uma reação química sem serem consumidos no processo, e os catalisadores fotoredox são fotocatalisadores projetados especificamente para reações redox.
Embora os métodos de reciclagem para fotocatalisadores heterogêneos, como semicondutores e polímeros, tenham sido amplamente desenvolvidos, tem havido menos foco na reciclagem de fotocatalisadores orgânicos. Considerando a relação custo-benefício e a baixa toxicidade dos catalisadores fotoredox orgânicos, o desenvolvimento de abordagens de reciclagem adequadas é essencial para alcançar a síntese orgânica sustentável.
Para colmatar esta lacuna, uma equipa de investigadores da Universidade de Okayama, no Japão, incluindo o professor assistente Kenta Tanaka do Instituto de Investigação para Ciências Interdisciplinares, juntamente com o então estudante de licenciatura Haru Ando, o professor associado Hiroyoshi Takamura e o professor Isao Kadota do Departamento de Química na Escola de Pós-Graduação em Ciências Naturais e Tecnologia, desenvolveu um novo catalisador fotoredox orgânico à base de fenotiazina. O estudo foi publicado na revista Chemical Communications em 19 de março de 2024.
“As fenotiazinas, ou PTHs, são amplamente utilizadas como fotocatalisadores em química orgânica”, explica o Prof. "No entanto, a alta reatividade da posição p em relação ao átomo de nitrogênio nas moléculas de 10-aril fenotiazina as torna propensas a reagir com eletrófilos, reduzindo sua estabilidade.
"O desenvolvimento de fotocatalisadores mais estáveis e sustentáveis é, portanto, altamente desejável. Para resolver isso, desenvolvemos novos fotocatalisadores à base de fenotiazina que são estáveis e recicláveis."
Seu novo catalisador de fenotiazina, chamado PTHS, apresenta uma estrutura espiral com um volumoso grupo doador de elétrons, chamado
t
Bu, substituído na posição p do átomo de nitrogênio, proporcionando maior estabilidade. Os pesquisadores desenvolveram uma série de fotocatalisadores de fenotiazina (PTHS 1–3) e avaliaram suas propriedades estruturais e físicas por meio de experimentos eletroquímicos e espectroscópicos. Eles descobriram que os novos catalisadores possuem uma forte capacidade redutora e podem ser ativados com luz azul.
Para testar sua estabilidade, a equipe comparou os novos catalisadores com os catalisadores de PTH existentes, submetendo-os a reações fotoquímicas de sulfonilação. Os resultados revelaram que embora o PTH não tenha sido recuperado e o produto monossulfonilado tenha sido obtido em 78%, 95% do PTHS pôde ser recuperado, indicando maior estabilidade.
Além disso, os pesquisadores testaram a reciclabilidade dos catalisadores em uma fosfonação fotoquímica e descobriram que a atividade catalítica do PTH e, portanto, o rendimento da reação, diminuíram com o uso repetido. Em contraste, o PTHS-1 poderia ser efetivamente recuperado múltiplas vezes sem qualquer perda de atividade catalítica e rendimento. Além disso, o PTHS-1 também é adequado para síntese em larga escala, alcançando 96% de recuperação mesmo em síntese em escala gramatical.
"Os novos fotocatalisadores de fenotiazina têm potencial para serem aplicados a várias reações fotoquímicas induzidas por luz visível, o que não foi possível com nenhum dos fotocatalisadores de fenotiazina relatados até agora. Acreditamos que nossos fotocatalisadores orgânicos recicláveis serão uma ferramenta promissora para a síntese eficiente de vários produtos farmacêuticos e materiais funcionais", comenta Ando.
No geral, estes fotocatalisadores inovadores representam um passo significativo para alcançar a síntese orgânica sustentável, abrindo caminho para a produção de produtos químicos ecológicos.
