Professor Jian He, van de afdeling scheikunde aan de Universiteit van Hong Kong (HKU), heeft het voortouw genomen bij een onderzoeksinspanning gericht op het revolutioneren van de organische synthese. Zijn onderzoeksteam heeft met succes een nieuwe heterogene koperfotokatalysator ontwikkeld die de efficiënte vorming van cyclobutaanringen mogelijk maakt, een cruciaal structureel element in een breed scala aan bioactieve moleculen.

Cyclobutaanringen komen prominent voor in farmaceutische producten, natuurlijke producten en verschillende biologisch actieve verbindingen. Door onderzoekers in staat te stellen deze ringen eenvoudig en selectief te construeren, heeft het team van professor He meer controle over de synthese van deze vitale moleculen gecreëerd. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in Nature Catalysis .

De afgelopen twintig jaar zijn fotokatalysatoren met zichtbaar licht gebruikt om dergelijke transformaties aan te sturen via fotochemische [2+2] cycloaddities; hun substraatbereik is echter beperkt. Bovendien zijn bestaande fotokatalytische systemen vaak afhankelijk van homogene katalysatoren van edele metalen, wat uitdagingen met zich meebrengt bij het recyclen van katalysatoren en grootschalige organische synthese belemmert.

Om deze beperkingen frontaal aan te pakken, hebben professor He en zijn team een ​​innovatieve heterogene koperfotokatalysator ontwikkeld. Deze katalysator vergemakkelijkt op effectieve wijze energieoverdrachtsprocessen voor een reeks intermoleculair gekruiste [2+2] cycloaddities, waaronder die welke voorheen ontoegankelijk waren in conventionele homogene fotokatalyse. Dit nieuwe reactiesysteem heeft een uitstekende katalysatorstabiliteit en recycleerbaarheid, en is niet afhankelijk van edele metalen, waardoor het economisch en ecologisch duurzamer is.

Professor He uitte zijn grote enthousiasme over de potentiële impact van deze ontdekking en verklaarde:"Onze nieuwe heterogene koperfotokatalysator opent nieuwe mogelijkheden voor het synthetiseren van bioactieve moleculen met verbeterde efficiëntie en selectiviteit. Door de afhankelijkheid van edele metalen te elimineren en de recycleerbaarheid van katalysatoren te verbeteren, hebben we cruciale uitdagingen in de grootschalige organische synthese, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een duurzamere en economisch levensvatbare chemische productie."

Belangrijkste bevindingen

In deze studie ontwikkelde het team een ​​speciaal soort koperen fotokatalysator die kan helpen cyclobutaanmoleculen efficiënter te maken. Ze hebben met succes een stabiele heterogene kopertriplet-fotosensitizer bereid door binap-geligeerde heteroleptische koper(I)-complexen te construeren in de poriën van op zirkonium gebaseerde metaal-organische raamwerken (MOF's).

Bij heterogenisatie vertonen reactieve koper(I)-soorten in foto-geëxciteerde toestanden verhoogde transitie-energieën en levensduur, wat essentieel is voor het verhogen van de katalytische efficiëntie in door energieoverdracht gemedieerde [2+2] cycloaddities van styrenen met een verscheidenheid aan olefinen, waaronder elektron-deficiënte alkenen.

In tegenstelling tot de overeenkomstige homogene koperen fotokatalysatoren vertoont de MOF-ondersteunde koperen fotokatalysator een hoge stabiliteit en katalytische activiteit, en kan hij meerdere runs worden gerecycled zonder ontleding van de katalysator.

Dit werk biedt een algemene en interdisciplinaire benadering voor het ontwerpen van zeer reactieve koperfotokatalysatoren voor een breed scala aan praktische organische reacties, en het zou kunnen helpen het proces van het produceren van diverse bioactieve verbindingen in de toekomst eenvoudiger en efficiënter te maken.

Meer informatie: Jun Guo et al., Zichtbare lichtgemedieerde intermoleculaire gekruiste [2+2] cycloaddities met behulp van een MOF-ondersteunde koperen triplet-fotosensitizer, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01112-9

Aangeboden door de Universiteit van Hong Kong