Ces dernières années, les préoccupations environnementales mondiales ont incité à s’orienter vers une fabrication respectueuse de l’environnement dans le domaine de la chimie organique de synthèse. À cet égard, la recherche sur les réactions catalytiques photorédox, qui utilisent la lumière pour initier des réactions rédox ou réduction-oxydation via un catalyseur photorédox, a attiré une attention particulière. Cette approche réduit le recours à des réactifs agressifs et toxiques et utilise la lumière visible, une source d’énergie propre.
Un domaine de recherche clé a été le développement de méthodes de recyclage des photocatalyseurs, qui offrent des avantages à la fois économiques et environnementaux. Les photocatalyseurs utilisent la lumière pour accélérer une réaction chimique sans être consommés dans le processus, et les catalyseurs photorédox sont des photocatalyseurs spécialement conçus pour les réactions rédox.
Alors que les méthodes de recyclage des photocatalyseurs hétérogènes, tels que les semi-conducteurs et les polymères, ont été largement développées, l’accent a été moins mis sur le recyclage des photocatalyseurs organiques. Compte tenu de la rentabilité et de la faible toxicité des catalyseurs photorédox organiques, le développement d’approches de recyclage appropriées est essentiel pour parvenir à une synthèse organique durable.
Pour combler cette lacune, une équipe de chercheurs de l’Université d’Okayama, au Japon, comprenant le professeur adjoint Kenta Tanaka de l’Institut de recherche pour les sciences interdisciplinaires, ainsi que Haru Ando, alors étudiant diplômé, le professeur agrégé Hiroyoshi Takamura et le professeur Isao Kadota du Département de chimie. à la Graduate School of Natural Science and Technology, a développé un nouveau catalyseur photorédox organique à base de phénothiazine. Leur étude était publié dans la revue Communications chimiques le 19 mars 2024.
« Les phénothiazines, ou PTH, sont largement utilisées comme photocatalyseurs en chimie organique », explique le professeur Tanaka. « Cependant, la forte réactivité de la position p par rapport à l’atome d’azote sur les molécules de 10-arylphénothiazine les rend susceptibles de réagir avec les électrophiles, réduisant ainsi leur stabilité.
« Le développement de photocatalyseurs plus stables et durables est donc hautement souhaitable. Pour résoudre ce problème, nous avons développé de nouveaux photocatalyseurs à base de phénothiazine, à la fois stables et recyclables. »
Leur nouveau catalyseur phénothiazine, appelé PTHS, présente une structure en spirale avec un groupe donneur d’électrons volumineux, appelé tBu, substitué en position p de l’atome d’azote, offrant ainsi une stabilité améliorée. Les chercheurs ont développé une série de photocatalyseurs phénothiazine (PTHS 1-3) et évalué leurs propriétés structurelles et physiques via des expériences électrochimiques et spectroscopiques. Ils ont découvert que les nouveaux catalyseurs possèdent une forte capacité réductrice et peuvent être activés à l’aide de la lumière bleue.
Pour tester leur stabilité, l’équipe a comparé les nouveaux catalyseurs aux catalyseurs PTH existants en les soumettant à des réactions photochimiques de sulfonylation. Les résultats ont révélé que même si la PTH n’a pas pu être récupérée et que le produit monosulfonylé a été obtenu à 78 %, 95 % de la PTHS ont pu être récupérées, ce qui indique une plus grande stabilité.
De plus, les chercheurs ont testé la recyclabilité des catalyseurs lors d’une phosphonation photochimique et ont découvert que l’activité catalytique de la PTH, et donc le rendement de la réaction, diminuait avec une utilisation répétée. En revanche, le PTHS-1 pourrait être récupéré efficacement plusieurs fois sans aucune perte d’activité catalytique ni de rendement. De plus, PTHS-1 convient également à la synthèse à grande échelle, atteignant une récupération de 96 %, même à l’échelle du gramme.
« Les nouveaux photocatalyseurs phénothiazine ont le potentiel d’être appliqués à diverses réactions photochimiques induites par la lumière visible, ce qui n’était possible avec aucun des photocatalyseurs phénothiazine rapportés jusqu’à présent. Nous pensons que nos photocatalyseurs organiques recyclables seront un outil prometteur pour la synthèse efficace de divers produits pharmaceutiques et matériaux fonctionnels », remarque Ando.
Dans l’ensemble, ces photocatalyseurs innovants représentent une étape importante vers la réalisation d’une synthèse organique durable, ouvrant la voie à une fabrication chimique respectueuse de l’environnement.
Plus d’information:
Haru Ando et al, Phénothiazines hélicoïdales fortement réductrices en tant que catalyseurs organophotoredox recyclables, Communications chimiques (2024). DOI : 10.1039/D4CC00904E