Tổng hợp và khảo sát tính chất xúc tác quang từ Pyrimidopteridine

Luận văn trình bày quá trình tổng hợp và khảo sát tính chất của xúc tác quang pyrimidopteridine, phân tích các đặc trưng và tiềm năng ứng dụng.

Trường đại học

Đại học Bách khoa Hà Nội

Chuyên ngành

Hóa học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận văn Thạc sĩ

2023

78
2
0

Phí lưu trữ

30 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Xúc tác quang Pyrimidopteridine

Xúc tác quang Pyrimidopteridine là một lớp hợp chất hữu cơ tiên tiến trong lĩnh vực quang hóa học và quang khử hóa. Các hợp chất này được phát triển từ heteroarene N-oxides và đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ cộng đồng hóa học tổng hợp trong những năm gần đây. Pyrimidopteridine N-oxide hoạt động như một photosensitizer hiệu quả, cho phép các phản ứng quang học được tiến hành dưới điều kiện nhẹ nhàng và an toàn. Những xúc tác này cung cấp giải pháp mới cho các vấn đề trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong việc kích hoạt hóa học và hình thành liên kết C-C. Nghiên cứu về cấu trúc và tính chất của pyrimidopteridine đã dẫn đến những ứng dụng rộng rãi trong công nghệ xúc tác hiện đại.

1.1. Định nghĩa và vai trò của quang xúc tác

Quang xúc tác là những chất có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng để tạo ra các trạng thái bị kích thích, từ đó thúc đẩy các phản ứng hóa học. Xúc tác quang Pyrimidopteridine tận dụng các tính chất quang điện tử độc đáo để khởi tạo các phản ứng electron chuyển giao. Chúng hoạt động bằng cách hấp thụ photon và chuyển đổi năng lượng thành hoạt động hóa học, giúp tăng tốc độ phản ứng mà không cần nhiệt độ cao.

1.2. Lịch sử phát triển của pyrimidopteridine

Pyrimidopteridine được phát triển từ nền tảng heteroarene N-oxides, một lớp hợp chất đã được nghiên cứu từ lâu. Sự kết hợp giữa cấu trúc này với các nhóm thế benzyloxymethyl đã tạo ra các phiên bản immobilized hiệu quả hơn. Nghiên cứu tại Leibniz Institute for Catalysis (LIKAT) đã chứng minh rằng các xúc tác này có thể được cố định trên các bề mặt, mở rộng khả năng ứng dụng trong quang hóa học công nghiệp.

II. Tổng hợp Xúc tác quang Pyrimidopteridine

Tổng hợp pyrimidopteridine bao gồm một loạt các bước phản ứng phức tạp, bắt đầu từ đạo hàm urea thay thế và tiếp tục với các giai đoạn bảo vệ nhóm chức năng. Quy trình tổng hợp này được thiết kế để tạo ra các pyrimidopteridine tetraone có độ tinh khiết cao. Các nhà khoa học đã sử dụng các kỹ thuật hóa học tổng hợp hiện đại bao gồm NMR spectroscopymass spectrometry để kiểm soát chất lượng. Quá trình tổng hợp 3,7 bis(1-(benzyloxy)-2-methyl-1-oxopropan-2-yl)-2,4,6,8-tetraoxo-1,9-dipropyl-1,2,3,4,6,7,8,9-octahydropyrimido[5,4-g]pteridine 5-oxide là một bước đột phá quan trọng, cho phép tạo ra các xúc tác với tính năng quang học vượt trội.

2.1. Các bước tổng hợp cơ bản

Quá trình tổng hợp bắt đầu với đạo hàm urea thay thế, được biến đổi thông qua các phản ứng N,N,N-faceCO,N,CO-face. Mỗi bước sử dụng các chất tương tác hóa học cụ thể như DCM (Dichloromethane)DMF (N,N-dimethylformamide). Điều kiện phản ứng được tối ưu hóa để đạt hiệu suất caođộ tinh khiết tối đa của sản phẩm cuối cùng.

2.2. Các kỹ thuật phân tích và đặc trưng hóa

Phân tích NMR spectroscopy được sử dụng để xác nhận cấu trúc phân tử và nhận dạng các nhóm chức năng. Mass spectrometry (MS) cung cấp thông tin về khối lượng phân tửđặc trưng mảnh vỡ. Infrared spectroscopy (IR) giúp xác định các bó hóa học trong cấu trúc, trong khi HPLC (High-Performance Liquid Chromatography) đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm.

III. Tính chất quang điện tử của Pyrimidopteridine

Tính chất quang điện tử của pyrimidopteridine là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất xúc tác quang. Các hợp chất này menampilkan hấp thụ UV mạnh trong vùng 280-380 nm, cho phép chúng hấp thụ ánh sáng bên ngoài hiệu quả. Trạng thái bị kích thích của các phân tử này có tuổi thọ dàikhả năng chuyển electron cao, làm cho chúng trở thành photosensitizer lý tưởng. Điện thế khử của pyrimidopteridine có thể được điều chỉnh thông qua sửa đổi cơ cấu nhóm, cho phép tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể. Cyclic voltammetry (CV)Differential pulse voltammetry (DPV) được sử dụng để đo lường các tính chất redox của các hợp chất này.

3.1. Hấp thụ ánh sáng và phát xạ quang lượng tử

Pyrimidopteridine tetraone N-oxide hấp thụ ánh sáng ở bước sóng cụ thể (280-380 nm) với hệ số hấp thụ cao. Sau khi hấp thụ photon, phân tử chuyển sang trạng thái bị kích thích, tạo ra electron năng lượng cao. Hiệu suất phát xạ quang lượng tử của các hợp chất này phụ thuộc vào cấu trúc thay thế, cho phép tinh chỉnh hiệu suất thông qua thiết kế phân tử.

3.2. Tính chất redox và khả năng xúc tác

Điện thế redox của pyrimidopteridine có thể được xác định bằng cyclic voltammetry, cung cấp thông tin về khả năng cho electronnhận electron. Những đặc tính này cho phép xúc tác kích hoạt các chất cơ chất khác nhau. Khả năng xúc tác của pyrimidopteridine được cải thiện khi được cố định trên các vật liệu hỗ trợ, tạo ra xúc tác immobilizedtái sử dụng caođộ bền cải thiện.

IV. Ứng dụng và triển vọng tương lai của Xúc tác quang Pyrimidopteridine

Xúc tác quang pyrimidopteridine có tiềm năng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ hiện đạihóa học xanh. Các ứng dụng bao gồm hình thành liên kết C-C, oxidation quang học, và reduction photochemistry. Xúc tác immobilized được phát triển tại LIKAT mở ra những khả năng mới trong xúc tác công nghiệp, đặc biệt là trong photoreactors quy mô lớn. Khả năng tái sử dụng của các xúc tác cố định này làm giảm chi phí sản xuấttác động môi trường. Các nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào tối ưu hóa hiệu suất, mở rộng phạm vi ứng dụng, và phát triển các phiên bản mới của pyrimidopteridine với tính chất quang học nâng cao.

4.1. Ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ

Pyrimidopteridine được sử dụng như photocatalyst trong các phản ứng C-C couplingC-N coupling, cho phép tạo ra các phân tử phức tạp dưới điều kiện nhẹ nhàng. Các xúc tác này đặc biệt hiệu quả trong quang hóa học radial, nơi các electron tự do được tạo ra từ trạng thái bị kích thích. Ứng dụng trong pharmaceutical synthesis đang được khám phá, hứa hẹn cách tiếp cận mới cho sản xuất thuốc bền vững.

4.2. Triển vọng và hướng phát triển

Tương lai của xúc tác quang pyrimidopteridine nằm trong immobilization trên các vật liệu polymer và vô cơ, tạo ra photoreactors hiệu suất cao. Các nghiên cứu sắp tới sẽ khám phá cơ chế phản ứng chi tiết thông qua spectroscopic analysiscomputational chemistry. Hóa học xanh sẽ được thúc đẩy bằng cách sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời, làm cho quang xúc tác trở thành công nghệ bền vững cho công nghiệp hóa chất tương lai.

18/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY MASTER THESIS Synthesis and Characterization of immobilized Pyrimidopteridine-derived Photoredox catalysts DAO XUAN HUY Huy.vn Master of Science in Chemistry Supervisor 1: Dr. Nguyen Duc Trung Institute: School of Chemical Engineering Signature Supervisor 2: Dr. Jola Pospech Viện: Leibniz Institute for Catalysis (LIKAT) Signature HANOI, OCTOBER 2023 MASTER’S THESIS TITLE Synthesis and Characterization of immobilized Pyrimidopteridine-derived Photoredox catalysts Supervisor 1 Supervisor 2 Dr. Nguyen Duc Trung Dr.

Jola Pospech Acknowledgements First and foremost, I want to thank Dr. Jola Pospech, my supervisor at Likat - University Rostock. She welcomed me into the lab and began teaching me the fundamentals of organic synthesis. I appreciate her help as someone who is fresh to the organic area.

Working in her lab inspired and provided me with many new experiences. I'd like to thank Dr. Dirk Hollman and Dr. Esteban Mejia, who are in charge of the Rohan Fellowship program in Germany, and Prof.

Le Minh Thang, who is co- director of the Hanoi University of Science and Technology - Double-Degree program. Everyone, who has given me a scholarship and the opportunity to study and work at Likat, one of the world's most renowned catalysis institutions. Furthermore, my mentors in Vietnam, Dr. Nguyen Duc Trung and Dr.

Nguyen Ngoc Tue, who have supported and advised me during my difficult moments. Everyone has given me the confidence to continue my research and studies. It is an honor for me to work at Likat. I've been working with some incredible people here.

They assist me with education, safety when conducting research, and sharing culture and life in Germany. Many thanks to Tobias, Jannik, Thea, Johannes, and Xinzhe. I like conversing and engaging in extracurricular activities with everyone since I perceive us as a family with no linguistic or cultural barriers. While learning and working at Likat, I had a beautiful and unique experience.

I'd like to thank Likat's analytical department for preparing and measuring; IR, GC-MS. You guys have been helpful. And, of course, important in this wonderful adventure, I'd want to thank my family and friends for their assistance. I don't know how I would have survived without them.

They have been by my side and encouraged me during my time at Likat, giving me advice and assisting me in finding a better balance between work and life. Table of Contents Acknowledgements Table of Contents List of Abbreviations 1.1 Photochemistry and photocatalysis .2 Heteroarene N-oxides and the development of pyrimidopteridine N- oxide photo-redox catalyst. Results and Discussion .1 Synthesis of substituted urea derivatives .2 Towards the synthesis of N,N,N-face 1-ethoxy-2-methyl-1-oxopropan- 2-yl-substituted pyrimidopteridinetetraones .3 The synthesis of CO,N,CO-face 1-ethoxy-2-methyl-1-oxopropan-2-yl- substituted pyrimidopteridinetetraones .4 Synthesis of 3,7 bis(1-(benzyloxy)-2-methyl-1-oxopropan-2-yl)- 2,4,6,8-tetraoxo-1,9-dipropyl-1,2,3,4,6,7,8,9-octahydropyrimido[5,4-g] pteridine 5-oxide (21) .5 Characterization of pyrimidopteridine photosensitizers. Summary and Outlook .5 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy .70 List of Abbreviations [M+] molecular ion peak eV electron volt Ac acetyl g gram Ad adamantyl GC gas chromatography Alk alkyl h hours aq.

aqueous Hex n-hexyl Ar aryl HPLC high-performance liquid Bn benzyl chromatography Bu n-butyl HRMS high resolution mass calcd. calculated spectrometry Cat catalytic Hz Hertz DCM Dichloromethane IR infrared spectroscopy DG directing group isol. isolated DMF N,N-dimethylacetamide J coupling constant DMSO dimethylsulfoxid L ligand Ed. Editor m multiplet ee enantiomeric excess [M] metal e.

for example Me methyl EI electron ionization MeCN acetonitrile ESI electrospray ionization MeOH methanol Et Ethyl m. melting point equiv. equivalent m/z mass-to-charge ratio EI-MS electron ionization mass min minute spectrometry mL milliliter Ph phenyl mmol millimol ppm parts per million MS mass spectrometry iPr isopropyl NMR nuclear magnetic R rest resonance spectroscopy rt room temperature OAc acetate sat. saturated THF tetrahydrofuran solv solved TLC thin layer t time chromatography T temperature chemical shift PPh3 Triphenylphosphine δ trimethylsilyl P-(n-Bu)3 Tributylphosphine TMS cyclic voltammetry DPV Differential CV dicyclohexylcarbodiimid pulse voltammetry DCC 4- BnOH Benzyl alcohol DMAP (dimethylamino)pyridine o.n Overnight Nanometer PIDA Phenyliodine(III) diacetate nm Wavelength Net3 Triethylamine λ PPT Pyrimidopteridine tetraone PPTNO Pyrimidopteridine tetraon N-oxide r.t Room temperatur UV Ultraviolet (280-380 nm) 1.1 Photochemistry and photocatalysis Photochemistry and photoredox catalysis have received a great deal of interest in the chemical world during the last decade, particularly in the field of synthetic organic chemistry.[1] Photochemistry is more than just a method of harnessing light energy.

Photochemistry is also important in processes that determine the composition of materials in interstellar space, as well as in the production of atmospheric pollutants.[2] Photocatalytic processes may be employed to influence chemical equilibria and to turn light into chemical energy as occurs naturally in photosynthesis. The catalyst in conventional catalysis supports each stage of the catalytic cycle and so acts as a reaction partner. Photoredox catalysts, on the other hand, in many circumstances merely induce the production of reactive radical species with enough energy to engage in a chemical reaction without the close association to the catalyst in terms of chemical bonding. Thus, maintaining the connection between the radical species and the chiral catalyst is a special problem in asymmetric photoredox catalysts.

Photoredox catalysis is a technology that enables a wide range of chemical reactions with great selectivity under modest visible light conditions. Some advantages of heterogeneous catalysts include ease of separation from the reaction mixture, increased optical and chemical stability due to reduced rotation and solid-state effects, the capacity to construct fixed catalytic layers, and, more broadly, "reusability.2 Heteroarene N-oxides and the development of pyrimidopteridine N- oxide photo-redox catalyst Heteroaromatic N-oxides have a 1,2-dipolar nitrogen-oxygen bond in which the nitrogen atom is a member of the heteroaromatic ring. The formally negatively charged oxygen has a significant influence on the physical characteristics and reactivitiy of the arene ring, which may be explained largely through electron delocalization [4]. Heteroarene N-oxides can be used as oxidants in organic reactions and in some cases can be used as the oxygen source in an oxygen atom transfer reaction.[5] Pyridine N-oxides are weak bases that are less basic than pyridines.

The conjugate acids of the corresponding pyridines have pKa values 1 about 5 and the pKa values of the conjugate acids of pyrimidine N-oxides in water are 1. Photoexcition of N-oxides. Zhang revealed in 2021, the development of pyridine N-oxide derivatives as effective photoinduced hydrogen atom transfer (HAT) catalysts for site-selective C-H functionalization. Gryko’s group proposed pyridine N-oxides as hydrogen atom transfer reagents in C-C bond formation processes.

Photoinduced pyridine N-oxide based HAT catalyst for C-H functionalization. Furthermore, it has recently been demonstrated that stable N-oxide intermediates can be produced in flavoenzymes without flavin reductase activity, preventing the creation of generally recognized flavin peroxide species.[9] Thus, heteroarene N- oxides have only lately emerged as participants in biological oxygenation processes. A substance class that is of interest and closely related to our research are the flavin. Flavins are cofactors in monooxygenases (flavoenzymes or flavin- dependent monooxygenases) and may activate molecular oxygen to insert one oxygen atom into an organic molecule (oxyfunctionalization reaction) via two- electron redox reactions.[10] Riboflavin (RF), generally known as vitamin B2, is a well-known photoreceptor dye that participates in biological redox processes as a 2 coenzyme.

Because RF and its derivatives are yellow compounds, they may absorb visible light with the greatest absorption in the blue range. Illustration of flavin derivatives. It is assumed that the oxygen atom transfer takes place via a hydroperoxyflavin species as a crucial step. However, new research suggests that flavin-N5-oxide acts as a viable intermediate in enzyme-catalyzed oxygenation reactions.

In 2013, the group Bradly S. Moore proposed that the flavin-N(5)-oxide acts as an active intermediate in an internal flavin-dependent monooxygenase that catalyzes the hydroxylation-dehydrogenation process. Proposed nucleophilic flavin-oxgen adducts. The stable flavin-N5-oxide has been proposed to engage in processes involving [12] EncM monooxygenase, causing oxidative carbon rearrangement , dibenzothiophene catabolism[13] and oxidative cleavage of uracil amides.[14] Pyrimidopteridines possess a flavin-like scaffold, with a much higher redox ‫כ‬ ‫כ‬ potential in the excited state (riboflavin ‫ܧ‬௥௘ௗ ൌ  ൅ͳǤͷͲ‡ƒ†୰ୣୢ ൌ ൅ʹǤ͵ʹܸ݁ሻ.

Maki's team applied BuPPT N-oxide as an oxidizing agent for the selective metabolism of N-oxide/DMA ground state charge-transfer complex after their successful synthesis[16], investigated the hydroxylation of aliphatic and aromatic substrates. Oxidative demethylation of dimethylaniline b. Photooxygenation of alkenes c. Photooxidative decarboxylation of phenylacetic acid d.

Photochemical oxygenation towards phenols. In 2019, Pospech and co-workers extended the survey to some other pyrimidopteridine N-oxides including: tetramethyl MePPT N-oxide, tetrapropyl PrPPT N-oxide, tetrabutyl BuPPT N-oxide and tetraphenyl PhPPT N-oxide catalysts.[15] Pyrimidopteridine N-oxides can be in foure step from N,N’- disubstituted ureas or in two steps from commercially available aminouracil.besides, there was a development to replace lead (IV) actate by (diacetoyiodo)benzene (PIDA) which is less toxic and more environmentally friendly (Scheme 6). Synthesis PPT N-oxide with PIDA. Pospech’s group examined the photophysical and electrochemical properties of the prymidopteridine N-oxides and showed potent excited state oxidants potential of +2.30 V vs SCE in MeCN and higher.

Meaning, they were well suited for many application as oxidizing agents in organic photocatalysis. Their excited state redox potentials of all the PPT N-oxides. Pospech and co-workers found out that pyrimidopteridine-N-oxides serve as precatalyst to pyrimidopteridines (PPT) as catalytically active species. The synthesis of pyrimidopteridines (PPT) is possible via the deoxygenation of PPT N- oxides.

These compounds possess similarly high excited state reduction potentials of greater than + 2.09 eV versus SCE in MeCN (PrPPNT: E*red = +2.09 eV vs SCE in MeCN), allowing them to oxidize a wide spectrum of substrates.[15] They are conveniently accessible and stable on the bench. They are thus used as effective photoredox catalysts. Structure of the PPT photoredox catalysts. Organic photocatalysts generally possess lower productivity as compared to ruthenium and iridium catalysts, often due to catalyst degradation or deactivation pathways.[21] Nevertheless, organic photoredox catalysts remain attractive due to 5 their low costs and low toxicity.[22] Pospech’s group investigated and applied the photo-mediated formal addition of carboxylic acids to activated alkenes, which was catalyzed by a pyrimidopteridine photoredox catalyst.

The presence of electron-rich alkenes inhibits the decarboxylation of aliphatic carboxylic acids during single-electron oxidation, resulting in hydroacetoxylation.[23] The pyrimidopteridine photoredox catalyst was also used, in a photomediated hydrodecarboxylation of several primary, secondary, and tertiary carboxylic acids. Applications of the pyrimidopteridines. In the past ten years, there has been a significant expansion in the utilization of diverse organocatalysts for a wide array of organic transformations. In contrast to metal-catalyzed organic reactions, organocatalysts have demonstrated promising prospects for industrial applications.

They typically exhibit stability in air and are not easily rendered ineffective by process impurities, which is a crucial characteristic in the development of efficient procedures for industrial use[42]. The application of a transition-metal-free organocatalytic approach is very desirable 6 within the pharmaceutical sector owing to its ability to eliminate heavy metal residues from active medicinal components. An illustrative instance in this context is graphitic carbon nitride, which has garnered global recognition owing to its manifold benefits, including the abundant availability of nitrogen-rich raw materials, cost-effectiveness, expeditious and straightforward synthesis, sensitivity to visible light, and exceptional chemical stability.[46,47] Homogeneous catalysts have important advantages over their heterogeneous couterparts. It is often possible to tune the chemoselectivity, regioselectivity, and enantioselectivity of the catalyst.[26] In recent research, the synthesis of heterogeneous catalyst based on immobilized homogeneous catalyst can be divided into two types.

In the first, the catalyst is linked to a soluble or insoluble support, and the separation is accomplished by filtering. This procedure is also known as heterogenizing homogeneous catalysts. Mobilization on includes insoluble: ligand anchored onto solid material such as inorganic oxides (TiO2, silica, etc) or polymers.[27] The other kind immobilization includes designing the catalyst to be solubilized in a solvent that is immiscible with the reaction. In recent years, the creation of low-cost and environmentally friendly solid catalysts that are apt for industrial applications has gained much attention.[28] A method for hydroformylation processes was published in which a ligand from the highly selective Xantphos family was derivatized with a hydrocarbon chain terminating in a triethoxysilyl group.[29] This ligand was introduced into a sol-gel solution to focus silica and the subsequently supported ligand, was bound to rhodium.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ