Μελέτη για την ανάπτυξη νέας φωτο-βιοκαταλυτικής μεθόδου για τη σύνθεση οπτικά ενεργών αλκοολών και υποκατεστημένων κετονών
Authors: Γιαννόπουλος Βασίλειος 
Published: June 2023

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής εμπίπτει στα πεδία της βιοκατάλυσης και της φωτοκατάλυσης, και περιλαμβάνει κυρίως τις προσπάθειες για ανάπτυξη και μελέτη μιας νέας συνθετικής μεθοδολογίας που συνδυάζει αυτά τα δύο πεδία. Ο συνδυασμός χημειοκατάλυσης και βιοκατάλυσης σε συνθετικές διεργασίες πολλαπλών σταδίων αποτελεί πολύ δυναμικό και ταχέως αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας για τη σύνθεση χημικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως οπτικώς καθαρών αλκοολών και υποκατεστημένων κετονών. Πιο συγκεκριμένα, στην πρώτη ενότητα παρουσιάζεται η μελέτη για την σύνθεση οπτικά καθαρών αλκοολών και υποκατεστημένων κετονών σε ένα και μόνο στάδιο (one-pot), μέσω συνδυασμού του μη μεταλλικού φωτοκαταλύτη νιτριδίου του άνθρακα εμπλουτισμένου στην επιφάνεια με νανοσωματίδια άνθρακα (CD-C3N4) και διαφορετικών βιοαναγωγικών ενζύμων. Η συνολική στρατηγική βασίζεται σε μια ακολουθία τριών σταδίων σε θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος. Η αρχική ιδέα είναι ότι ξεκινώντας από ένα αλκένιο με φωτοοξυγόνωση με διεγερμένο οξυγόνο (1O2) σχηματίζεται ένα ενδιάμεσο αλλυλικό υδροϋπεροξείδιο χρησιμοποιώντας είτε έναν κλασσικό φωτοευαισθητοποιητή, όπως είναι η τετραφαινυλοπορφυρίνη TPP, είτε CD-C3N4 ως φωτοευαισθητοποιητή (η παρασκευή του πραγματοποιήθηκε εργαστηριακά), το οποίο στη συνέχεια ανάγεται προς ρακεμική αλλυλική αλκοόλη. Με περαιτέρω φωτοξείδωση κάτω από ορατό φως με τη χρήση του CD-C3N4 ή ενός φωτοκαταλύτη συμβατού σε υδατικό περιβάλλον, όπως η ανθρακινόνη του νατρίου (SAS), μετατρέπεται στην αντίστοιχη α,β-ακόρεστη κετόνη. Το τελευταίο στάδιο είναι η ασύμμετρη βιοκαταλυτική αναγωγή του διπλού δεσμού που οδηγεί στον στερεοεκλεκτικό σχηματισμό της οπτικά καθαρής κετόνης ή μια στερεοεκλεκτική βιοαναγωγή καρβονυλίου προς την οπτικά καθαρή αλλυλική αλκοόλη. Η ενότητα αυτή περιλαμβάνει τη σύνθεση διαφορετικών υποστρωμάτων α,β-ακόρεστων κετονών, τη μελέτη της βιοκαταλυτικής αναγωγής τους με διαφορετικής ειδικότητας ένζυμα, κετορεδουκτάσες και ρεδουκτάσες ενίου (EReds), καθώς και τα πειράματα συνδυασμού σε μια αλληλουχία φωτοκαταλυτικών (με διαφορετικούς φωτοκαταλύτες) και βιοκαταλυτικών αντιδράσεων. Η ενζυμική αναγωγή των διπλών δεσμών των ρακεμικών ενονών ήταν απόλυτα επιτυχής και προσδιορίστηκαν διαφορετικές EReds με εξαιρετική δραστικότητα (>99% conv.) αποδίδοντας τις αντίστοιχες οπτικά ενεργές α-υποκατεστημένες κετόνες με εξαιρετική εναντιοεκλεκτικότητα (99% ee.). Παρόλο που τα αποτέλεσματα των ενζυμικών αναγωγών με τη χρήση ρεδουκτασών ενίου ήταν πολύ ικανοποιητικά, η εκτενής διερεύνηση της φωτοξείδωσης των πρόδρομων ρακεμικών αλλυλικών αλκοολών με τους προαναφερθέντες φωτοκαταλύτες δεν είχαν το αντίστοιχο επιθυμητό αποτέλεσμα έπειτα από πολλές προσπάθειες και δοκιμές και για αυτό το λόγο δεν κατέστη τελικά εφικτή η ανάπτυξη της αρχικά προταθείσας one-pot διεργασίας.Στη δεύτερη ενότητα παρουσιάζονται οι φωτοξειδώσεις αρυλο αλκοολών με τη χρήση του CD-C3N4 καθώς και μηχανιστικές μελέτες για τις συγκεκριμένες αντιδράσεις. Το CD-C3N4 αποδείχθηκε ότι μπορεί να λειτουργήσει ως ένας αρκετά αποτελεσματικός μη μεταλλικός φωτοκαταλύτης για την φωτοξείδωση διαφορετικών αρυλο αλκοολών παρουσία μοριακού οξυγόνου. Τα πειράματα που διενεργήθηκαν αναδεικνύουν την φωτοεπαγόμενη μεταφορά ηλεκτρονίου στη ζώνη σθένους και ζώνη αγωγιμότητας του υλικού καθώς και την απόσπαση μιας ρίζας υδρογόνου στο καθοριστικό για την αντίδραση στάδιο. Πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη των φωτοξειδώσεων διαφορετικών p-υποκατεστημένων αρυλο αλκοολών καθώς και μελέτη των κινητικών ισοτοπικών φαινομένων, τα οποία κατέδειξαν με σαφή τρόπο την απόσπαση υδρογόνου στο καθοριστικό για την αντίδραση στάδιο. Στην τρίτη ενότητα, αναπτύχθηκε μια νέα, εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος ενός σταδίου για την διχλωρίωση των β-κετο εστέρων και 1,3-δικετονών μέσω του συστήματος Oxone/AlCl3. Σε αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν φθηνά, σχετικά μη τοξικά και ασφαλή αντιδραστήρια σε υδατικό μέσο. Ο αποκλειστικός σχηματισμός των διχλωριωμένων ενώσεων σε υψηλές αποδόσεις και σύντομους χρόνους αντίδρασης καθιστούν αυτή τη μέθοδο πολύ ελκυστική. Επίσης αναφέρθηκαν και οι πιθανές μηχανιστικές πτυχές αυτής της αντίδρασης. H συγκεκριμένη μεθοδολογία αποτελεί ένα νέο ισχυρό συνθετικό εργαλείο για τη διχλωρίωση των β-δικαρβονυλικών υποστρωμάτων. Στην τελευταία ενότητα αναπτύχθηκε μια αρκετά αποτελεσματική χημειοενζυμική μεθοδολογία για τη σύνθεση οπτικά καθαρών α,α-διχλωρο-β-υδρόξυ εστερων σε δύο στάδια, ξεκινώντας από β-κετο εστέρες, με στάδιο κλειδί την εναντιοεκλεκτική βιοαναγωγή των α,α-διχλωρο-β-κετο εστέρων χρησιμοποιώντας NADPH-εξαρτώμενες κετορεδουκτάσες. Αυτός ο νέος βιομετασχηματισμός παρέχει σε ένα μόνο συνθετικό στάδιο επτά διαφορετικούς (S)-α,α-διχλωρο-β-υδρόξυ εστέρες με εξαιρετικά ποσοστά μετατροπής, αρκετά υψηλές αποδόσεις και το πιο σημαντικό εξαιρετική εναντιοεκλεκτικότητα (>99% ee).