Archives mensuelles : mars 2018






La photochimie, une contribution au développement de la chimie verte


La photochimie s’est considérablement développée ces dernières années et une multitude de réactions photochimiques sont, désormais, utilisées comme étapes-clés pour simplifier la synthèse organique et contribuer au développement de la chimie verte.
Contrairement à une activation thermique où l’énergie provient du chauffage, une activation photochimique se fait à température ambiante sous irradiation d’une onde électromagnétique. Il s’agit généralement d’un rayonnement U.V. ou même de la lumière visible, dépendamment du composé en solution.

Une réaction photochimique se résume à cette équation :  
Equation d'une réaction photochimique

 

 

Avant de procéder à une réaction photochimique, il est indispensable de connaître le spectre d’absorption électronique des substances à irradier.
Spectre d'absorption électronique

Les réactions photochimiques permettent, entre autre, la formation d’une ou plusieurs liaisons C-C, cycliques ou non, tout en évitant, dans de nombreux cas, la mise en place de groupes activants ou protecteurs et la formation de sous-produits. Elles sont le plus souvent régio et stéréospécifiques et tolèrent la présence de nombreux groupes fonctionnels.
Ces divers avantages se traduisent par une diminution du nombre d’étapes par rapport aux stratégies de l’état fondamental.

Réarrangement de diénones:
Réarrangement de diénones

Réaction de Wender:
Réaction de Wender

Pour réaliser ces réactions photochimiques,  de nombreux réacteurs commerciaux mettent en œuvre des lampes plongeantes, munies de filtres en verre ou en quartz, et permettent le passage d’un fluide de refroidissement, ainsi qu’un dégazage par barbotement de gaz inerte (azote, argon).

Réacteur photochimique à puits d'immersion

 

 

 

Réacteur photochimique à puits d’immersion
(750 ml) avec lampe à vapeur de mercure.

 

 


Tube de Schlenk

 

Tube de Schlenk contenant une suspension de cristaux oranges de Fe2(CO)9 en acide acétique après sa synthèse photochimique à partir de Fe(CO)5. La lampe de mercure est à gauche, branchée aux cordons d’alimentation blancs et refroidie par l’eau.

 

 

Ces réacteurs photochimiques discontinus présentent un certain nombre d’avantages mais ont aussi des limites.

Pour améliorer cela, les procédés en flux continu commencent à être utilisés avec succès. Ils permettent  de réduire les coûts, les temps de réactions, les dangers intrinsèques liés aux effets d’échelle, pour améliorer la sélectivité  des produits, réduire les quantités de catalyseurs nécessaires et pour suivre en temps réel le déroulement  des réactions.

Interchim® propose deux systèmes performants et innovants pour la photochimie en continu, le  PhotoSyn TM d’UniQsis et le Lab Photo Reactor TM de Corning.

PhotoSynTM  UniQsis :

PhotoSyn UniQsisLongueur d’onde lumière bleue, de 400 à  500 nm, 720  W
Système de refroidissement à eau intégral, inclus
Contrôle indépendant de la température du réacteur et des lampes
Module  compatible avec :
Le Polar BearTM Plus pour une gamme de température allant de  -40°C à  +150°C
Le Cold CoilTM + un thermorégulateur approprié pour une gamme de température allant de  -70°C à +150°C
Les réacteurs type bobine en PFA 2,5 ml, 5 ml, 14 ml, 20 ml et 52 ml
Les micro réacteurs en verre 0,27 ml, 2 ml, 2 or 3 ways
Le spectrophotomètre Flow-UVTM

 

Lab Photo ReactorTM Corning :

Lab Photo Reactor Corning1 chemin fluidique éclairé des deux côtés par 2 rangées de LED
Mélange et échange thermique optimals grâce au mélangeur statique Heart breveté
Volume interne faible : 2,5 ml
Régulateur de pression intégré
Mesure de la T° allant de -10°C à + 150°C
Système complet sans métal, prêt pour utilisation
Lampes LED réglables avec 6 longueurs d’ondes différentes
Contrôle sans fil de la sélection de la longueur d’onde et de l’intensité
Système polyvalent, approprié pour la réalisation de synthèses liquides et liquide-gaz

En conclusion, la photochimie en continu apporte de nombreux avantages. En plus de repousser les limites des techniques conventionnelles, elle permet de :

  • Réduire les déchets et les coûts.
  • Mettre en évidence certains intermédiaires.
  • Donner accès à des structures cycliques complexes et parfois même exotiques, inatteignables par les voies classiques de la chimie organique.
  • Raccourcir et simplifier les synthèses multi étapes des composés complexes.
  • Accéder à de nombreuses familles de composés.
  • Enrichir la chimie rédox des composés organiques.
  • Influencer favorablement les différentes formes de catalyse.
  • Ne pas utiliser, dans certains cas, aucun réactif chimique (acide, base, métal,…) ou un groupement activant.
  • Monter en échelle plus facilement.

En savoir plus :

 





PhotoRedOx : Mettez votre Chimie en lumière grâce à la PhotoRedOx Box


PhotoRedOx

L’intérêt pour la photochimie a augmenté de manière exponentielle ces dernières années. De nombreuses nouvelles applications utilisant la catalyse photoredox en lumière visible ont été découvertes. Ces systèmes de catalyse permettent la formation de plusieurs types de liaisons, ceci en utilisant différents substrats qui sont de précieux nouveaux outils pour les chimistes de synthèse.
Cependant, la mise en place de la chimie PhotoRedOx nécessite l’utilisation d’une source lumineuse (lumière bleue) et l’utilisation d’appareils pour l’instant non standards dans un laboratoire de chimie organique. Beaucoup de chimistes ont fabriqué leur propre système et ont essayé de reproduire la chimie décrite dans la littérature avec plus ou moins de succès. Par conséquent, la mise en œuvre de la chimie PhotoRedOx est lente et les chimistes organiciens sont toujours hésitants à utiliser ces nouveaux produits. C’est pourquoi, la nécessité d’avoir un appareil simple et robuste pour pratiquer la catalyse photoredox en lumière visible est devenue primordiale.

PhotoRedOx Box EvoluChem

La PhotoRedOx Box EvoluChem a été conçue avec un but principal : permettre à tous les chimistes de réaliser facilement plusieurs réactions de photoredox dans un environnement reproductible. Cet appareil de photochimie procure une distribution homogène de la lumière à tous les échantillons réactionnels, permettant des réactions uniformes et reproductibles. Un ventilateur  permet la distribution homogène de la température et maintient l’enceinte proche de la température ambiante pendant la durée de la réaction. L’appareil s’adapte facilement sur les plaques agitatrices standards, permettant une agitation uniforme. Les portoirs pour échantillons sont compatibles avec des flacons allant de 0.3ml à 20ml.

Design unique

Schema PhotoRedOxLa PhotoRedOx Box utilise une géométrie unique de miroirs afin d’irradier plusieurs échantillons simultanément (système de chimie en parallèle) tout en limitant l’effet thermique de la source lumineuse. Le design qui en résulte est un appareil de photoredox efficace et compact  qui peut facilement s’adapter sur toutes les plaques agitatrices standard.

 

L’adaptateur de lampe  permet aisément de remplacer la lampe stansard Kessil bleue 34W LED par de nombreuses autres sources de lumière.

Adaptation de plusieurs formats de flacons

PhotoRedOx_Box_interchim_blog0218Les chimistes organiciens ont besoin de pouvoir utiliser différentes tailles de flacons réactionnels, ceci dépendant de l’échelle et du nombre de réactions à réaliser. La PhotoRedOx Box peut virtuellement s’adapter à tout type de flacons incluant les flacons à sertir 0.3ml (6 x 32mm), les flacons HPLC 2ml (12 x 32mm), 1DRAM (15 x 45mm), les flacons micro-ondes 2-5mL (17 x 83mm), 2DRAM (17 x 60mm) et les flacons à scintillation 20ml (28 x 61mm).

Cette caractéristique permet le scale-up rapide et cohérent depuis les réactions de screening jusqu’à une plus grande échelle, ceci grâce au pré-positionnement des échantillons afin d’éviter les incertitudes au niveau des distances de placement par rapport à la source de lumière. Avec les flacons 0.3ml, 32 réactions peuvent être réalisées en parallèle dans l’appareil de photochimie. Pour les 20ml, deux réactions peuvent être mises en place en parallèle.

Portoirs disponibles

PhotoPortoirsRedOx_Box_HCK1006-01-017_interchim_blog0218PhotoPortoirsRedOx_Box_HCK1006-01-018_interchim_blog0218PhotoPortoirsRedOx_Box_HCK1006-01-019_interchim_blog0218PhotoPortoirsRedOx_Box_HCK1006-01-020_interchim_blog0218PhotoPortoirsRedOx_Box_HCK1006-01-021_interchim_blog0218

Reproductibilité

Avec le kit de photométhylation EvoluChem, HepatoChem a démontré la reproductibilité à la fois du kit de photométhylation, et de l’appareil. Exemple : photométhylation de la Buspirone comme réaction test. 16 flacons répartis sur le portoir de flacons 0.3ml ont été utilisés pour l’essai #1. On obtient comme résultat 53% (+/-2%) de conversion. Pour un second essai avec 16 flacons réactionnels, on observe une conversion moyenne de 56% (+/-2%) pour un produit mono-méthylé.

Test rection (Methylation)

Pourcentage de produit de mono-méthylation par position des flacons réactionnels

Conditions réactionnelles :

Chaque flacon réactionnel contient Ir(dF-CF3-ppy)2(dtbpy)[PF6] (0.1 µmol), tert-butylperacetate  en solution (12.5µmol) et un barreau aimanté, il est scellé sous atmosphère inerte. A chaque flacon a été ajouté 50µl de solution de Buspirone 0.05M dans 1 :1 acide trifluoroacétique / acétonitrile  dégazé avec un courant d’azote. Le mélange réactionnel est irradié par la LED bleue 34W Kessil pendant 18h en utilisant l’appareil de photochimie.

Le Flow Reactor PhotoRedOx

PhotoFlowReactorRedOx_Box_interchim_blog0218La limitation commune au scale-up pour la chimie PhotoRedOx est due à la faible pénétration de la lumière dans le mélange réactionnel (quelques mm), ce qui empêche l’utilisation de grands flacons réactionnels. La surface irradiée est la clé pour diminuer le temps de réaction. Il est possible d’augmenter de manière significative la surface irradiée en réalisant la réaction en continu.

Ceci diminuera le temps de réaction et permettra d’être en mode continu pour le scale-up.
Pour permettre ceci, HepatoChem a développé un Flow Reactor qui peut être utilisé dans la PhotoRedOx Box. Ce Flow Reactor contient un tubing en PFA, et a un volume de 2ml. En comparant les réactions en flow et celles en batch, on observe une diminution significative du temps de réaction.

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Protocole réactionnel

Dans un flacon 4 ml équipé d’un septum en Teflon, ont été pesés NiCl2-dme (1.1mg, 5µmol, 0.05 mol%) et dtbbpy (1.3mg, 5µmol, 0.05 mol %). 1ml de méthanol dry  a été ajouté. Le flacon a été agité sur un agitateur orbitalaire jusqu’à dissolution complète. La solution a été évaporée jusqu’à être sèche à température ambiante. Puis, Ir(dF-CF3-ppy)2(dtbpy) (1.1mg, 1µmol, 0.05 mol %) et le 4-bromoacetophenone (9.95mg, 100µmol, 1 équivalent) ont été ajoutés. 1ml d’acétonitrile dry a été ajouté suivi par Et3N (21µmol, 300 µmol, 3 équiv.) et de l’aniline (4.65mg, 100µmol, 1 equiv.). La solution a été dégazée avec de l’azote via une aiguille submergée pendant 5 minutes.
Plusieurs lots de 100µl de la solution ont été injectés avec succès dans le Flow Reactor placé dans la PhotoRedOx Box EvoluChem avec la lampe bleue Kessil en utilisant un module d’injection. Les échantillons ont circulé grâce à une pompe HPLC à différents débits pour permettre des temps de résidence de 5, 10, 15, 20 et 30 min. La fin de la réaction a été suivie par LC-MS en contrôlant le ratio Bromoacetophenone / produit.

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Protocole réactionnel

Dans un flacon 4-ml équipé d’un septum en Teflon ont été pesés NiCl2-dme (1.1mg, 5µmol, 0.1 mol%) et dtbbpy (1.3mg, 5µmol, 0.1 mol %). 1ml de méthanol dry  a été ajouté. Le flacon a été agité sur un agitateur orbitalaire jusqu’à dissolution complète. La solution a été évaporée jusqu’à être sèche à température ambiante. Puis, Ir(dF-CF3-ppy)2(dtbpy) (1.1mg, 1µmol, 0.1 mol %) et le 4- bromoacetophenone (4.98mg, 50µmol, 1 équivalent) ont été ajoutés. 1ml d’acétonitrile dry a été ajouté suivi par 2,6-lutidine (17.5µmol, 150 µmol, 3 équiv.) et du benzyltrifluoroborate de potassium (9.90mg, 50µmol, 1 equiv.). La solution a été dégazée avec de l’azote via une aiguille submergée pendant 5 minutes.
Plusieurs lots de 100µl de la solution ont été injectés avec succès dans le Flow Reactor placé dans la PhotoRedOx Box EvoluChem avec la lampe bleue Kessil en utilisant un module d’injection. Les échantillons ont circulé grâce à une pompe HPLC à différents débits pour permettre un temps de résidence de 30 min. La fin de la réaction a été suivie par LC-MS en contrôlant le ratio Bromoacetophenone / produit.

 

En savoir plus :

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