轻的方式享受合成

反应他的过去十年运行相当严重,大卫·麦克米伦与photoredox化学取得了一些相当令人印象深刻的壮举。这个分支的光催化作用,如果不是天生的,那么引人注目地重生在2008年在普林斯顿大学的实验室。¹麦克米伦和他的团队拿起photoredox催化和冲。近十年之后,他们仍然把科学创新的新方向——发布8个新的科学和自然论文只是自2015年以来。

但出版,最终可能证明这些组合出现在2017年4月一样重要。²纸,麦克米伦默克公司和他的长期合作伙伴伊恩·戴维斯由默克公司的工程师团队协助,描述了他们设计的标准化研究规模photoreactor。旨在直接领导的许多光子进入反应瓶,设备显示多么低效的目标只是LED在瓶。反应photoreactor完成快10倍。

反应堆的设计是免费的:你可以下载部分的3 d打印机文件列表和套管,和组装一个自己。或者你可以加入队列的公司开始建造并出售他们。如果设备并不完全满足您的需求,其他反应堆设计也在翅膀,从可见光多井设计光催化可以产生5000瓦的紫外线光流反应堆公斤的产品每小时。

东西是明亮的寻找有机光化学。

灯泡一刻

早在2008年,当麦克米伦出版了他的第一次photoredox反应,先进的反应堆设计是远离他的想法。他故意把反应设置尽可能简单。在一开始,我相信如果我们不使用正常的家庭,没有人会使用这个化学,”麦克米兰说。

麦克米伦和他的大卫•Nicewicz then-postdoc photoredox故事始于一个反应由一个标准的家用紧凑型荧光灯泡。团队正试图找到一种有效的方式进行不对称烷基化物的醛α位置——一个高度寻求转型,似乎没有人能够工作。

“最初我正与紫外线反应,“Nicewicz说,现在大学的副教授北卡罗莱纳大学教堂山分校,我们。这工作,但不是非常好,戴夫(MacMillan)挑战我思考更多,想出更好的东西。

麦克米伦还担心,如果反应需要高能紫外线,需要专门的设备意味着没有人会使用反应。

这是其中的一个反应,你画在你的实验室笔记本和思考,没有办法这工作的

戴夫Nicewicz

所以我问戴夫Nicewicz如果他能想到的这个反应的方法没有涉及高能紫外线,”麦克米兰说。当我说,我不是故意去找到一个方法来使用低能量的光,”他补充道。但Nicewicz做了博士学位在北卡罗莱纳大学教堂山分校,那里有很多工作使用photoredox太阳能捕获的催化剂。使用相同的visible-light-capturing钌催化剂似乎值得一试。

这是其中的一个反应,你画在你的实验室笔记本和思考,没有这的工作方式,“Nicewicz说。”,它最终工作非常好第一反应,这当然永远不会发生。我画的催化循环,和戴夫立即看到了承诺,Nicewicz补充说。但我不认为我们中的任何一个人知道这是会变得多大。”或者,他们仍然是集中,10年。

单电子转移

光催化了一个指数级增长的兴趣,在每年的出版物,在过去的十年里,绝大多数的photoredox反应。在某种程度上,原因很简单,说奥利弗Reiser雷根斯堡大学研究光化学,德国的家培训中心光化学。Photoredox只是让你做很多转换之前你不是那么容易能做。”

的核心过程通常是一个光敏或铑铱有机金属物种可以捕获可见光光子,这一过程将一个电子激发态。一旦兴奋,photoredox催化剂可以跳跃电子:它可以捐赠,单电子,或相同的物种现在有空间在一个低能量轨道或者它可以得到一个电子。

交易单电子,photoredox催化剂是一个非常干净和控制方法产生自由基。激进的化学是很受欢迎的在1990年代和1980年代,这是一个伟大的方式去做复杂的级联反应,”说凯文Booker-Milburn,光化学反应器布里斯托尔大学的先驱,英国。但它从未进入行业因为所需的反应三丁基锡氢化物作为激进的引发剂,高毒性分子医药行业不愿靠近。光催化了激进的化学回表,Booker-Milburn说。

如果你想尝试一次或两次…你会立刻羞。如今,任何人都可以购买必要的设备几欧元的

奥利弗Reiser

Photoredox催化已经被证明是有利于碳氢键functionalisations,例如。Photoredox不仅仅是使自由基,麦克米伦说“它跳跃电子在不同的反应——你已经创建了一个环境,你可以给予和获得电子,这个巨大的推动力量,在任何给定的时刻。”

麦克米伦是第一个宣布,photoredox已经存在了一段时间,他和Nicewicz来到。如果你回去在文献中,有两个或三个组在1970年代做photoredox,现场并没有真正起飞,我不知道为什么。”

赖泽,一个关键的原因是技术:廉价的可用性,强大的led。当我做我的博士在1980年代末和1990年代早期,(做光化学)你需要昂贵的设备,浸灯需要冷却,不容易在规模小,或立即Rayonet反应堆——这是一个大投资,“赖泽说。如果你想尝试一次或两次,因为你有一个想法,光催化,你会立刻羞。如今,任何人都可以为几欧元买必要的设备。

当然有非常壮观的反应,与此同时,“赖泽补充道。我认为戴夫•麦克米伦的真正伟大的原始的贡献,人们喜欢科里斯蒂芬森(美国密歇根大学)和其他一些早期的例子,真的引发它。”

射线的反应性

操作在不同的模式下传统ion-based有机化学,并在较弱的条件下,photoredox化学允许容易,清洁访问组结构,都是很难或不可能让之前,包括后期functionalisation已经复杂的分子。这是一个非常有吸引力的主张制药行业,新结构意味着潜在的新生物活性和药物先导物。

在他们当前的化合物库,一个特别巨大的设置将羧酸化合物。light-excited状态,photoredox催化剂已被证明是很好的捕捉到一个电子从羧酸生成迅速脱羧基的激进。

停止这一过程在这一点上,和你产生一个巨大的新图书馆的化合物和羧酸剪掉,为生物活性测试。但第二催化剂添加到反应混合物,可以捕获脱羧激进和把它变成一个交叉耦合与卤代烷反应,³更利用巨大的羧酸库来生成新的结构。

最有效的方法之一,制药公司发现生物活性分子更多的药物如,改善其身体的稳定及其药物动力学,将氟,尤其是trifluoromethyl组(CF₃)。化学家们开发出了几种有效的方法介绍CF₃在小规模团体,但试剂太贵或不能制造足够的数量规模反应制备规模水平的医药需求的工作。

“科里斯蒂芬森不会所有的新闻,但他是一个英雄

凯文Booker-Milburn

斯蒂芬森的一个关键贡献领域一直使用photoredox克服这个限制。⁴最便宜、最容易获得的潜在来源CF₃三氟醋酸的酸酐(TFAA),来自三氟乙酸,但它需要艰苦的条件下脱羧基化合物释放CF吗₃。斯蒂芬森用photoredox催化剂脱羧基TFAA,生成CF₃激进的,可以连接到一系列有机基质。

斯蒂芬森甚至想出了一个流动反应器设计运行公斤规模的反应。⁵“科里斯蒂芬森不会得到所有媒体,但他是一个英雄,”说Booker-Milburn(见框)。

Photoredox热线

photoredox化学措施之一的吸收更广泛的社区是请求帮助的数目领域的知名人士。在医药方面,发现和药物化学方面完全采用据我所知。我的请求得到很多建议,Nicewicz说。

麦克米伦开始从人得到如此多的邮件咨询如何得到这个反应或者反应工作,“成为photoredox几乎像一个热线电话,”他说。的我坐在伊恩从默克喝咖啡和伊恩·戴维斯说,“我们这些真正伟大的工程师在默克公司,为什么我们不能聚在一起,试图想出一个标准系统使用标准瓶”。

一路上的工程师说,你已经被运行这些反应很严重,因为你只能得到一小部分光子从这些灯,“麦克米伦补充道。最终设计,瓶挂6毫米以上LED阵列,在一个圆柱形反映住房阻止光子逃逸,反映了瓶回任何反弹的光子。

独立,Nicewicz好吧反应堆类似规模的翅膀。的扩大和能够处理大规模的反应是下一个问题,很多人都工作在目前,“他说。我认为它只是一个时间问题的化学家和化学工程师会解决这个问题。很容易,老实说,我不认为这是一个主要的限制。”

开关金属

但对反应堆设计的关注不是减缓眼花缭乱的化学继续进来photoredox化学和邻近地区。

这是不同的东西…我认为这将很快成为一个活跃的领域。

丹尼尔Weix

从一开始,铱和钌配合物的聚光有机金属化合物的选择,但现在聚光灯下开始落在其他金属。赖泽有特别关注一个铜催化剂。起初我们认为铜可能只是一个经济替代钌、铱。但最近我们有真正强有力的证据铜以独特的方式工作,赖泽说。⁶除了电子转移,铜也参与一个过渡金属的催化循环。我们看到越来越多的。”

完全切换焦点,托德·克劳斯和丹尼尔Weix罗彻斯特大学的我们,最近显示聚光量子点可以催化photoredox反应。⁷这是不同的东西,所以他们可能会提供机会你就不能做一个金属复杂,“Weix说。我认为这将很快成为一个活跃的区域。”

十年后,他开始涉猎photoredox,麦克米伦不是短缺的新的想法。配对photoredox催化剂与另一个有机金属催化剂是开放新的领域的反应,他说。

例如,他是使用双金属反应系统的聚光复杂漏斗捕获的能量过渡金属催化剂,然后与底物。

“想象有一些过渡金属可以做氧化,或能做还原消除——但你必须加热,说2000°C,”麦克米兰说。如果你这样做了,一切瓶会瓦解——不是非常有用的。

与光化学发生了什么是,你有大约60千卡的能量注入到过渡金属催化剂没有碰到任何东西。我们发现可以大大扩大范围的反应可以通过光催化剂,它的能量转移到有机金属过渡金属催化剂,之前很多事情不会做,”麦克米兰说。团队已经发表了一些例子与镍和已经看其他金属。⁸

现在回想起来很明显你应该能够这样做,但我不认为许多人认为,我们当然没有,”麦克米兰说。一旦你看到你可以做什么,你意识到世界的牡蛎。