Organická elektrochémia

Organická elektrochémia je odbor organickej chémie, ktorý na realizáciu chemických reakcií využíva oxidačne redukčné vlastnosti organických zlúčenín. Z hľadiska mechanizmu, dochádza v priebehu elektroorganických reakcií ku ionizácii zlúčenín (zisku alebo strate dvoch elektrónov), pričom tieto intermediáty majú výrazne iné chemické vlastnosti a štruktúru ako materské látky, hoci majú rovnako viazané atómy. Priemyselne sa organická elektrochémia využíva na výrobu zlúčenín na škálach od kilogramov po tisíce ton produktu. 

Výhodou organickej elektrochémie je, že nevyužíva oxidačné a redukčné činidlá, redoxné reakcie sa realizujú na elektródach, i.e. na katódach a anódach. Na elektrochemickú syntézu sa využíva zariadenie ElectraSyn 2.0, ktoré umožňuje realizovať reakcie pri laboratórnej teplote, umožňuje spustenie jednoduchej cyklickej voltametrie na určenie elektrochemických vlastností reaktantu. Reakcie sa realizujú za konštantného prúdu alebo konštantného napätia. Elektrický pród hovorí o rýchlosti pohybu elektrónov, elektrické napätie (rozdiel elektrický potenciálov) je hnacia sila redoxných reakcií.   Elektrochemická cela má elektrický zdroj, ktorým môže byť batéria alebo potenciostat, ktorý je napojený na tri elektródy, ktorých materiálny sa všeobecne označujú (+)X/(-)Y, kde X je materiál anódy  a Y je materiál katódy. 

 Elektrochemická cela 
Elektrochemická cela je aparát na realizáciu elektrochemických reakcií, môže byť improvizovaná (samostatne zostrojená) alebo je možné využiť komerčné zariadenia ako ElectraSyn 2.0. Nevýhodou improvizovaných elektrochemických ciel je často nereprodukovateľnosť reakcií v nich realizovaných.

 Zdroj elektrickej energie 
Ako externý zdroj energie je možné použiť galvanostat (umožňuje realizáciu galvanostatických podmienok reakcie), ktorý umožňuje udržiavanie stáleho nemenného elektrického prúdu v reakčnej zmesi. Potenciostat (umožňuje realizáciu potenciostatických podmienok reakcie), ktoetý umoňuje udržiavanie stáleho elektrického napätia v reakčnej zmesi, resp. udržiavanie stáleho elektrického potenciálu pracovnej elektródy.

 Elektródy 
Elektródy používané v organickej elektrochémii sa líšia svojim materiálom, vyhotovením (drôt, reps. pliešok, ktoré sa líšia prúdovými hustotami), veľkosťou povrchu: elektródy s veľkým povrchom (sú to niklová elektróda z niklovej peny, RVC elektróda), elektródy s malým povrchom (sú to platinová elektróda, grafitová elektróda), znovupoužiteľnosťou (sakrifiálna anóda). 

V priebehu reakcie dochádza ku interakcii reaktantov, resp. elektrokatalyzátorov s anódou (ktorej sú odovzdané elektróny, chemické látky sa na anóde oxidujú), alebo s katódou (ktorá odovzdáva elektróny chemickým látkam, ktoré sa tým redukujú). Tretia elektróda je referenčná elektróda. Referenčná elektróda by sa mala používať za potenciostatických podmienok reakcie, čiže za stáleho elektrického napätia v reakčnej zmesi. Referenčná elektróda ale nie je úplne nutná, pokiaľ sa realizujú bežné reakcie s úmyslom syntézy látok, dôležitejšie je jej použitie pri cyklicek jvolatametrii, čo je metóda, ktorá vyžaduje presný a vhodný potenciál.  Keď sa referenčná elektróda nepoužíva, je rozdiel elektrických potenciálov (elektrické napätie) medzi katódou a anódou dané elektrickým zdrojom. Ako pracovná elektróda sa označuje tá z elektród, na ktorej prebieha žiadaná reakcia reaktantu, druhá z elektród sa označuje ako protielektróda. 

Materiál elektródy výrazne ovplyvňuje výsledok skúmanej reakcie, pretože prenos elektrónov sa uskutočnňuje na povrchu elektród. Uhlíkové elektródy sa často vužívajú kvôli ich nízkej cene, stabilite a širokému potenciálovéhu rozsahu, grafitové elektródy sú ale paramagnetické, takže môžu spôsobiť ďalšiu redukciu paramagnetických radikálov, ktoré na nej vznikli, t.j. grafitové elektródy sú vhodné na dvojelektrónové oxidácie látok. Túto vlastnosť riešia kovové elektródy.

 Rozpúšťadlá 
Rozpúšťadlá používané v organickej elektrochémii výrazne ovplyvňujú vodivosť, resp. odpor. Základnou požiadavkou na použité rozpúšťadlo je aj jeho stabilita za elektrochemických podmienok. Najpoužívanejšími sú aprotické polárne rozpúšťadlá (DMF, dimetylformamid; DMSO, dimetylsulfoxid, NMP, N-metylpyrolidón, ACN, acetonitril), ktoré dobre rozpúšťajú reaktanty a elektrolyty. 

Je možné použiť aj polárne protické rozpúšťadlá (H2O, voda; MeOH, metanol) a dichlórmetán (DCM), keď reaktant podstupuje anodickú oxidáciu. Tieto rozpúšťadlá slúžia ako sakrificiálne substráty na redukciu na katóde.   

 Elektrolyt 
Na zníženie odporu rozpúšťadla, resp. na zvýšenie jeho vodivosti, sa do rozpúšťadla pridávajú elektrolyty, ktoré poskyjú kladne a záporne nabité ióny, ktoré nesú prúd  rozpúšťadle. Najpoužívanejšími katiónmi sú ióny alkalických kovov (Li+, Na+)  a amóniové ióny: tetrabutylamónium (Bu4N+). Najpoužívanejšími aniónmi sú halogenidové anióny (Br-,I-), chloristanový anión (ClO4-), tetrafluoridoboritanový anión (BF4-), hexafluoridofosforečnanový anión (PF6-). Elektrolyty môžu výrazne ovplyvniť reakciu chemickou modifikáciou povrchu elektródy (za tvorby "dvojitej vrsty"), ktorá ovplyvňuje difúziu substrátov, čo ovplyvní reaktivitu látok.

 Optimalizácia elektrochemických reakcií 

 Elektródový potenciál 
Elektródový potenciál je hnacia sila elektrochemickách reakcií a opisuje silu redukčných, resp. oxidačných podmienok reakcie analogicky ku použitiu rôzne silných oxidačných alevo redukčných činidiel v organickej syntéze. Zvyšovanie potenciálu vedie na zvýšenie náboja na elektródach, čo môže "rozhýbať" elektrochemickú reakciu. Štandardný potenciál (E0) je napätie potrebné na oxidáciu alebo redukciu chemickej látky.Pokiaľ je štandardný potenciál známy, je možné nastaviť potenciál elektrochemickej cely na túto hodnotu, čím dosiahneme selektivitu a minimalizujeme vedľajšie reakcie, zvýšime výťažky reakcie a znížime tvorbu vedľajších produktov. 

Redukcia arénov prebieha pri štandardných potenciáloch od - 3 V do - 2 V. Redukcia alkylketónov prebieha pri prebieha pri štandardných potenciáloch od - 3 V do - 1,5 V. Redukcia halogénderivátov prebieha pri štandardných potenciáloch od - 2,5 V do - 1,5 V. Redukcia arylhalogenidov prebieha pri štandardných potenciáloch od - 2 V do - 0,5 V.

Oxidácia uhľovodíkov prebieha pri štandardných potenciáloch od + 1,5 V do + 3 V. Oxidácia alkénov prebieha pri štandardných potenciáloch od + 1,5 V do + 2,5 V. Oxidácia fenolov prebieha pri štandardných potenciáloch od + 0,5 V do + 2 V. Oxidácia alkylamínov prebieha pri štandardných potenciáloch od + 0,5 V do + 2 V.

Výhodou elektrochemických reakcií je tónovateľnosť štandardného elektródového potenciálu , chemické oxidačné a redukčné činidlá majú presne daný štandardný elektródový potenciál. 

 Výber elektrochemickej reakcie 
Keďže v elektrochemickej cele môžeme realizovať redukcie aj oxidáciu, na úvod je potrebné vybrať, ktorú z týchto reakcií budeme využívať na prípravu žiadaného produktu a tejto reakcii treba prispôsobiť aj výber vhodného reaktantu. V prípade, že oxidačná reakcia látky A nevedie na žiadaný produkt P, treba zmeniť oxidačnú reakciu na redukčnú z reaktantu B za vzniku žiadaného produktu P.

V prípade, že voľba padne na oxidačnú reakciu prípravy žiadaného produktu, je potrebné dodať do reakčnej zmesi vhodný zdroj protónov na ich reduckiu na plynný vodík H2. Na anóde bude teda prebiehať oxidácia reaktantu a na katóde bude prebiehať redukcia protónov.

V prípade, že sa produkt rozhodneme pripravovať na katóde redukčnou reakciou, je potrebné použiť sakrifikačnú elektródu, ktorá bude uvoľňovať ióny do reakčnej zmesi. Na anóde bude teda prebiehať oxidácia materiálu tejto elektródy a na katóde bude prebiehať redukcia substrátu.

V prípade, že je žiadaná redukcia aj oxidácia, jedná sa o spárovanú elektrolýzu.

 Stechiometria 
V elektrochemických reakciách počítame s elektrónmi dodanými do reakčnej zmesi pomocou Faradayovej konštanty, čo je 1 mol elektrónov. Elektrochemická reakcia môže vyžadovať:

 katalytické množstvo elektrónov - na iniciáciu elektrochemických reťazových reakcií,
 ekvimolárne množstvo elektrónov
 nadbytok elektrónov - v prípade, že efektívnosť využívania elektrónov (Faradayovská efektívnosť) v reakcii je malá.

Najdôležitejším krokom v tejto etape optimalizácie je zistenie, koľkými elektrónmi redukujeme reaktant, či ide o jednoelektrónovú reakciu alebo dvojelektrónový proces.

 Typ elektrolýzy 
Po výbere elektrochemickej reakcie (oxidačná, redukčná, spárovaná) sa zvolí vhodný typ elektrolýzy. 

Elektrolýza s konštantným prúdom

Elektrolýza s konštantným prúdom využíva galvanostat (umožňuje realizáciu galvanostatických podmienok reakcie), ktorý umožňuje udržiavanie stáleho nemenného elektrického prúdu v reakčnej zmesi. Je to typ elektrolýzy, ktorým optimalizáciu začneme, pretože umožňuje jednoduchšiu realizáciu a vyššie výťažky reakcií. V priebiehu elektrolýzy s konštantným prúdom dochádza ku postupnému zvyšovaniu elektrického potenciálu, čo vedie na problémy so selektivitou: v priebehu zvyšovania potenciálu budú reagovať všetky redoxne aktívne funkčné skupiny, resp. zlúčeniny. V dôsledku toho môže dôjsť ku over-redukcii alebo over-oxidácii zlúčenín.

 Elektrolýza s konštantným napätím 
K elektrolýze s konštantným napätím pristúpime, ak elektrolýza s konštantným prúdom poskytla nízke výťažky v dôsledku nedostatočnej selektivity. Nevýhodou elektrolýzy s konštantným napätím je, že vyžaduje referenčnú elektródu a navyše úplná konverzia reaktantov nie je možná kvôli znižujúcej sa koncentrácii redoxne aktívnych látok v reakčnej zmesi. V dôsledku toho v priebehu času dochádza ku poklesu prúdu až ku zastaveniu elektrolýzy.

 Zapojenie elektrického obvodu 
V prípade, že počas elektrolýzy spozorujeme abmormálne vysoké napätia (nad U ≥ 30 V) alebo abnormálne nízke prúdy (pod I ≤ 0,5 mV), je nutné skontrolovať pevnosť zapojenia vodičov, priamy kontakt elektród a dostatočné ponorenie elektród do roztoku.

 Žiadna tvorba produktu 
V prípade, ak sa netvorí žiadaný produkt, zvýšime elektrický prúd a elektrický potenciál aplikovaný do reakčnej zmesi. V prípade ak to nepomôže, je nutné hlbšie štúdium reakcie pomocou cyklickej voltametrie, resp. použitie elektrokatalyzátorov. Cyklická voltametria podá správu o reaktante, za akého rozdielu potenciálov prebieha jeho reakcia a aké je potenciálové okno rozpúšťadla. Pokiaľ reakcia prebieha mimo potenciálového okna rozpúšťadla, je nutné použiť elektrokatalyzátor, ktorý je oxidačne/redukčne aktívny v potenciálovom okne rozpúšťadla a následne prenesie elektróny z/na reaktant (elektrokatalyzátor ako redoxný mediátor), resp. elektrokatalyzátor bude súčasť katalytických cyklov (elektrokatalyzátor ako intermediát v katalytickom cykle).

 Príklady využitia organickej elektrochémie pri príprave zlúčenín 

 Dekarboxylatívna syntéza éterov 
Syntéza rozvetvených dialkyléterov nie je možná za podmienok Williamsonovej syntéz založenej na SN2. V prípade sekundárnych a terciárnych derivátov dochádza často ku nežiadúcej eliminácii vzniknutého karbkatiónu alebo konverzia reakcie je príliš malá. Hydroalkoxylácia alkénov je dodnes najpoužívanejšou metódou syntézy rozvetvených stéricky bránených éterov:  vyžadujú sa ale silno kyslé podmienky, čo spôsobuje problémy v chemoselktivite tejto reakcie. Treťou metódou syntézy éterov je Hoferova Moestova reakcia založená na princípe Kolbeho reakcie: karboxylová kyselina podlieha elektrolytickej oxidácii, z ktorej vzniká karbkatión, ktorý následne reaguje s prítomnými nukleofilmi. Výhodou Hoferovej Moestovej reakcie je, že reakčná zmes nie je silno kyslá. Nevýhodou Hoferovej Moestovej reakcie je, že vyžaduje vysoký molárny nadbytok alkoholu, čo môže byť u drahých, vzácnych a synteticky náročne pripraviteľných alkoholov veľký problém. Veľký molárny nadbytok alkoholu bol potrebný z dôvodu, že alkohol slúžil na katodický vývoj plynného vodíka ako zdroj protónov, alkoxidy vzniknuté na katóde ďalej slúžili ako elektrolyty zvyšujúce vodivosť reakčnej zmesi a znižujúce odpor reakčnej zmesi, samotný alkohol slúžil vo vysokom molárnom nadbytku na zachytenie karbokatiónov za vzniku žiadaného produktu. Problémom bola aj anodická oxidácia alkoholu na zodpovedajúcu karbonylovú zlúčeninu.

Phil S. Baran vyšiel v roku 2019 z Hoferovej Moestovej reakcie a pripravil okolo 1000 nových zlúčenín v ElectaSyn 2.0. Za podmienok Hoferovej Moestovej reakcie pozoroval P. S. Baran len stopové množstvo žiadaného éteru. Konverziu východzej karboxylovej kyseliny sa mu podarilo zvýšiť výmenou oxidovateľnej bázy (trietylamínu a podobných báz, ako Hünigova báza) za neoxidovateľnú bázu (uhličitan draselný alebo 2,4,6-kolidín), pričom ako hlavné produkt pozoroval produkty eliminácie a abstrakcie vodíka intermediátnym radikálom. Tento problém vyriešil Baran zmenou rozpúšťadla z pôvodného dimetylformamidu (DMF) na dichlórmetán (DCM): pozoroval 7-násobné zvýšenie výťažku žiadaného éteru. Problémom bolo, že produkt hydratácie karbkatiónu stále vznikal v rovnakom výťažku ako pred zmenou rozpúšťadla. Prítomnú vodu, ktorá reagovala s karbkatiónom ostránil použitím 3A molekulových sít. Katódová redukcia dichlórmetánu: DCM → DCM- bola problém, tak Baran nahradil tento sakrificiálny oxidant lepším: hexafluoridofosforečnanom strieborným AgPF6, v priebehu reakcie sa teda na katóde vylučovalo striebro, čo zdvojnásobilo výťažky z priemerných na výborné. Prítomná soľ AgPF6 tiež obmedzovala vznik vedľajších produktov: produkt eliminácie karbokatiónu a produkt záchytu vodíka radikálom. Baran pozoroval, že bez prítomnosti bázy nevzniká žiadny produkt, pričom hlavnými nežiadúcimi produktmi bol produkt anodickej oxidácie alkoholu (ketón) a ester vznikajúci záchytom nezreagovaného karboxylátu s karbkatiónom. Baran pozoroval, že vygenerované karbkatióny možno ďalej nechať reagovať nielen s prítomnými alkoholmi na étery, ale aj s vodou (na alkoholy), s fluoridmi (na halogenderiváty), s nitrilmi (na amidy: nitril atakuje karbkatión svojim terminálym dusíkom, vzniknutý acýliový ión reaguje s vodou na amid), s nereaktívnymi karboxylovými kyselinami (na estery: reakčná zmes obsahuje dve rôzne karboxylové kyseliny: reaktívnu karboxylovú kyselinu, ktorá podľahne elektrochemickej dekarboxylácii na zodpovedajúci karbkatión a druhá kyseliny je nereaktívna (nedekarboxyluje, pretože vzniknutý karbkatión by bol veľmi nestabilný): alkylkarboxylové kyseliny, benzoové kyseliny. Karboxylové skupiny, ktoré je nutné ochrániť pred dekarboxyláciou, stačí chránniť vo forme metylesteru.

 Elektrochemická Birchova redukcia 
Birchova redukcia trpí problémami ako je požiadavka nebezpečného skvapalnenia amoniaku, kryogénnymi templotami a použitím pyroforických kovov. Ďalším problémom je zvyšovanie škály reakcie v priemysle. Phil S. Baran dosiahol silno redukčné podmienky  pri laboratórnej teplote, bez potreby vylúčenia vzduchu a vlhkosti, pričom celá reakcia je jednoduchá bezpečná: ako sakrificiálnu anódu použil horčík alebo hliník, ako zdroj protónov lacnú, netoxickú a vo vode rozpustnú dimetylmočovinu a ako ochranu pred tvorbou pevnej elektrolytovej interfázy použil analóg hexametylfosforamidu: tri(pyrolidino)fosforamid. Phil S. Baran ukázal, že tieto reakčné podmienky je možné použiť aj v iných reakciách ako mcMurryho coupling, redukcia ketónov na alkány, otváranie eopidov a aziridínov, deprotekcie debenzylácie.

Phil S: Baran vyššiel z pôvodných Kashimirových podmienok, t.j. použil tetrahydrofurán (THF) a lítne soli, pretože sú stabilné v redukujúcom prostredí. Ukázalo sa však, že produkt reakcie (1,4-dién) je reoxidovaný (rearomatizovaný), ak sa použijú nensakrificiálneanódy, ukázal však, že použitie hliníkových alebo horčíkových anód je vhodné spolu so zinkovou katódou. Phil S. Baran pozoroval, že katóda sa v priebehu reakcie prokrýva kovovou látkou, ktorá pri premývaní s metanolom a vodou prudko reaguje, z čoho usúdil, že sa jedná o kovové lítium, ktoré je veľmi zle rozpustné v tetrahydrofuráne. Tento problém vyriešil prídavkom fosforamidu, nekarcinogénneho tris(pyrolidino)fosforamidu (TPPA), analógu karcinogénneho hexametylfosforamidu (HMPA).  Čím dosiahol až 80% konverziu reaktantu a výťažok 50%, bez TPPA boli výťažky pod 5%. 30% produktov tvorili nežiadúce vedľajšie produkty ako rôzne izoméry a produkty ďalšej redukcie. Výmenou pôvodného zdroja protónov (tercbutanolu) za lepší zdroj protónov: dimetylmočovinu (DMU, dimethylurea), zvýšil pomer žiadaného produktu k vedľajším produktom z 50%/30% až na 65%/14%. Na ďalšie zvýšenie selektivity smerom ku žiadanému produktu, znížil teplotu, pri ktorej prebiehala reakcia z laboratórnej teploty na - 78 °C, za zisku pomeru 74%/5%. Keďže Baran chcel, aby reakcia orebiehala pri laboratórnej teplote, rozhodol sa zmeniť hliníkovú anódu za horčíkovú a zinkovú anódu vymenil za galvanizovaný oceľový drôt (GSW, galvanised steel wire): dosiadol pomer 70%/5% pri labolatórnej teplote. Zvýšenie selektivity si vysvetľoval zvýšením prúdovj hustoty, zvýšením katódového potenciálu. 

 Referencie 

Kategória:Elektrochémia
Kategória:Organická chémia