Un'area di ricerca chiave è stata lo sviluppo di metodi di riciclaggio per i fotocatalizzatori, che offrono vantaggi sia economici che ambientali. I fotocatalizzatori utilizzano la luce per accelerare una reazione chimica senza consumarsi nel processo, mentre i catalizzatori fotoredox sono fotocatalizzatori progettati specificamente per le reazioni redox.

Sebbene i metodi di riciclaggio per fotocatalizzatori eterogenei, come semiconduttori e polimeri, siano stati ampiamente sviluppati, c’è stata meno attenzione al riciclaggio di fotocatalizzatori organici. Considerando il rapporto costo-efficacia e la bassa tossicità dei catalizzatori fotoredox organici, lo sviluppo di approcci di riciclaggio adeguati è essenziale per ottenere una sintesi organica sostenibile.

Per affrontare questa lacuna, un team di ricercatori dell'Università di Okayama, in Giappone, tra cui il professore assistente Kenta Tanaka dell'Istituto di ricerca per le scienze interdisciplinari, insieme all'allora studente laureato Haru Ando, ​​al professore associato Hiroyoshi Takamura e al professor Isao Kadota del Dipartimento di Chimica presso la Graduate School of Natural Science and Technology, ha sviluppato un nuovo catalizzatore fotoredox organico a base di fenotiazina. Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Chemical Communications il 19 marzo 2024.

"Le fenotiazine, o PTH, sono ampiamente utilizzate come fotocatalizzatori nella chimica organica", spiega il prof. Tanaka. "Tuttavia, l'elevata reattività della posizione p relativa all'atomo di azoto sulle molecole di 10-aril fenotiazina, le rende inclini a reagire con gli elettrofili, riducendone la stabilità.

"Lo sviluppo di fotocatalizzatori più stabili e sostenibili è quindi altamente auspicabile. Per risolvere questo problema, abbiamo sviluppato nuovi fotocatalizzatori a base di fenotiazina che sono stabili e riciclabili."

Il loro nuovo catalizzatore fenotiazinico, chiamato PTHS, presenta una struttura a spirale con un voluminoso gruppo donatore di elettroni, chiamato ^t Bu, sostituito nella posizione p dell'atomo di azoto, fornendo maggiore stabilità. I ricercatori hanno sviluppato una serie di fotocatalizzatori fenotiazinici (PTHS 1–3) e ne hanno valutato le proprietà strutturali e fisiche tramite esperimenti elettrochimici e spettroscopici. Hanno scoperto che i nuovi catalizzatori possiedono una forte capacità riducente e possono essere attivati ​​utilizzando la luce blu.

Per testare la loro stabilità, il team ha confrontato i nuovi catalizzatori con i catalizzatori PTH esistenti sottoponendoli a reazioni di solfonilazione fotochimica. I risultati hanno rivelato che mentre non è stato possibile recuperare il PTH e si è ottenuto il prodotto monosolfonilato nel 78%, è stato possibile recuperare il 95% del PTH, indicando una maggiore stabilità.

Inoltre, i ricercatori hanno testato la riciclabilità dei catalizzatori in una fosfonazione fotochimica e hanno scoperto che l’attività catalitica del PTH, e quindi la resa della reazione, diminuivano con l’uso ripetuto. Al contrario, PTHS-1 potrebbe essere recuperato efficacemente più volte senza alcuna perdita di attività catalitica e resa. Inoltre, PTHS-1 è adatto anche per la sintesi su larga scala, ottenendo un recupero del 96% anche su sintesi su scala grammo.

"I nuovi fotocatalizzatori fenotiazinici hanno il potenziale per essere applicati a varie reazioni fotochimiche indotte dalla luce visibile, cosa che non era possibile con nessuno dei fotocatalizzatori fenotiazinici finora riportati. Riteniamo che i nostri fotocatalizzatori organici riciclabili saranno uno strumento promettente per la sintesi efficiente di vari prodotti farmaceutici e materiali funzionali", sottolinea Ando.

Nel complesso, questi fotocatalizzatori innovativi rappresentano un passo significativo verso il raggiungimento di una sintesi organica sostenibile, aprendo la strada verso una produzione chimica rispettosa dell'ambiente.