Ανάπτυξη και μελέτη νέων φωτοχημικών οργανικών μετασχηματισμών και εφαρμογές τους

Abstract

Organic Photochemistry is an exciting and rapidly evolving field that combines the study of light-induced chemical reactions with the complex behavior of organic molecules. Emerging in the early 20th century through Giacomo Ciamician's work, it remained underdeveloped for nearly a century. However, in the last fifteen years, this field has experienced a resurgence, particularly with the advent of photoredox catalysis using transition metal catalysts, such as iridium or ruthenium. Photocatalysis involves the absorption of light, leading to the activation of catalysts that facilitate chemical transformations. Various types of light sources, including sunlight, mercury lamps or LEDs, are crucial for these reactions. Notably, LEDs offer significant advantages, due to their energy efficiency and specific wavelength emission capabilities. Key advances in Photocatalysis include the use of small organic molecules as photocatalysts, which are environmentally friendly and cost-effective. These molecules have been employed in a range of transformations, such as asymmetric α-alkylations, [2+2] cycloadditions, and debromination reactions. Additionally, the development of catalytic cycles in photoredox chemistry has enabled the efficient formation of carbon-carbon and carbon-heteroatom bonds. In this dissertation, new photochemical transformations using small organic molecules as photocatalysts are explored. The goal is to develop green and sustainable methodologies that minimize the use of heavy metals and reduce environmental impact. The research focuses on the photochemical addition of aminated compounds to olefins, oxidation of boronic acids to alcohols and phenols using molecular oxygen, and the valorization of polystyrene waste into benzoic acid.

Η Οργανική Φωτοχημεία είναι ένας συναρπαστικός και ταχέως εξελισσόμενος τομέας που συνδυάζει τη μελέτη των χημικών αντιδράσεων που προκαλούνται από το φως με τη σύνθετη συμπεριφορά των οργανικών μορίων. Εμφανίστηκε στις αρχές του 20ου αιώνα, μέσω του έργου του Giacomo Ciamician, αλλά παρέμεινε αναξιοποίητη για σχεδόν έναν αιώνα. Ωστόσο, τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια, ο τομέας αυτός έχει γνωρίσει την αναγέννηση, ιδιαίτερα με την εμφάνιση της φωτοοξειδοαναγωγικής κατάλυσης με τη χρήση καταλυτών μετάλλων μετάπτωσης, όπως το ιρίδιο και το ρουθήνιο. Η Φωτοκατάλυση περιλαμβάνει την απορρόφηση φωτός, που οδηγεί στην ενεργοποίηση καταλυτών που διευκολύνουν χημικούς μετασχηματισμούς. Οι διάφορες πηγές φωτός, όπως το ηλιακό φως, οι λαμπτήρες υδραργύρου και οι λαμπτήρες LED, είναι κρίσιμες για αυτές τις αντιδράσεις. Ιδιαίτερα, οι λαμπτήρες LED προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα λόγω της ενεργειακής τους απόδοσης και της ικανότητας εκπομπής φωτός σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Σημαντικές εξελίξεις στη Φωτοκατάλυση περιλαμβάνουν τη χρήση μικρών οργανικών μορίων ως φωτοκαταλύτες, τα οποία είναι φιλικά προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδοτικά. Αυτά τα μόρια έχουν χρησιμοποιηθεί σε μια σειρά μετασχηματισμών, όπως οι ασύμμετρες α-αλκυλιώσεις, οι [2+2] κυκλοπροσθήκες και οι αντιδράσεις απαλογόνωσης. Επιπλέον, η ανάπτυξη καταλυτικών συστημάτων στη φωτοοξειδοαναγωγική χημεία έχει επιτρέψει τον αποδοτικό σχηματισμό δεσμών άνθρακα-άνθρακα και άνθρακα-ετεροατόμου. Στη διδακτορική αυτή διατριβή, εξετάζονται νέοι φωτοχημικοί μετασχηματισμοί με τη χρήση μικρών οργανικών μορίων ως φωτοκαταλύτες. Ο στόχος είναι η ανάπτυξη πράσινων και βιώσιμων μεθοδολογιών που ελαχιστοποιούν τη χρήση βαρέων μετάλλων και μειώνουν τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Η έρευνα επικεντρώνεται στην φωτοχημική προσθήκη αμινοαλογονωμένων ενώσεων σε ολεφίνες, την οξείδωση βορονικών οξέων σε αλκοόλες και φαινόλες με τη χρήση μοριακού οξυγόνου και την αξιοποίηση αποβλήτων πολυστυρενίου με τη μετατροπή τους σε βενζοϊκό οξύ.