Neuartige N-Arylphenothiazine für die photoredoxkatalytische Anwendung

Die Photoredoxkatalyse nutzt überwiegend sichtbares Licht statt energiereiches UV-Licht, um chemische Reaktionen unter milden Bedingungen selektiv zu ermöglichen und so unerwünschte Nebenreaktionen zu minimieren. Bereits vor über einem Jahrzehnt etablierten sich Phenothiazinderivate als vielversprechende Photoredoxkatalysatoren (PRK), wobei insbesondere N-Arylphenothiazine auf großes wissenschaftliches Interesse stießen. Die Arbeitsgruppe Wagenknecht zeigte die hohe photoredoxkatalytische Aktivität eines Phenothiazinderivats, welches ein Oxidationspotential im angeregten Zustand von E_Ox^* (PRK^(•+)/PRK^*)= −2.9 V vs. ... mehrSCE aufweist. Dieser PRK ermöglicht die Aktivierung bislang schwer zugänglicher Substrate, wie α-Methylstyrol oder Chlorbenzol. Basierend auf diesen Erkenntnissen war das erste Ziel dieser vorliegenden Arbeit neue Phenothiazinderivate zu entwickeln, die ein noch niedrigeres Oxidationspotential im angeregten Zustand als das literaturbekannte Phenothiazin von Wagenknecht et al. aufweisen und möglichst mit Licht im sichtbaren Spektralbereich angeregt werden können. Nach der Synthese und eingehenden Analyse der neuen Verbindungen, wurden diese in der photoredoxkatalytischen Methoxylierung von α-Methylstyrol eingesetzt. Der Photoredoxkatalysator mit einem E_Ox^* (PRK^(•+)/PRK^*) < -2.9 V wurde darüber hinaus für die photoredoxkatalytische Aktivierung von Arylfluoriden verwendet. Da Arylfluoride mit E_Red (PhF/PhF^(•-)) = −2.97 V ein sehr niedrigeres Reduktionspotential besitzen, konnten diese bislang überwiegend nur mittels ConPET- oder dualen Katalyseverfahren aktiviert werden. Allerdings wurden dafür teilweise Opfermoleküle, Übergangsmetallkatalysatoren oder größere Mengen an Katalysator benötigt. Deswegen sollte ein Organo-PRK eingesetzt werden, der eine direkte Aktivierung der Arylfluoride im initialen Einelektronentransfer (SET) ermöglicht. Die Einbringung einer Trifluormethylgruppe (CF3-) in Molekülen führt häufig zu einer deutlich verbesserten Bioverfügbarkeit, metabolischen Stabilität und Reaktivität gegenüber den Ausgangsverbindungen. Daher ist die Erforschung milder Methoden zur Einführung dieses Substituenten insbesondere für biomedizinische und pharmazeutische Anwendungen von großem Interesse. Deswegen war das zweite Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines wasserlöslichen Organo-Photoredoxkatalysators basierend auf Phenothiazin. Diese Verbindung wurde in der photoredoxkatalytischen Trifluormethylierung verschiedener Substrate sowohl unter organischen als auch unter wässrigen Bedingungen verwendet.

Photoredox catalysis uses visible light rather than high-energy UV light to selectively enable chemical reactions under mild conditions, thereby minimising undesirable side reactions. Over a decade ago, phenothiazine derivatives emerged as promising photoredox catalysts (PRC), with N-arylphenothiazines in particular attracting significant scientific interest. The Wagenknecht research group demonstrated the high photoredox catalytic activity of a phenothiazine derivative, which has an oxidation potential in the excited state of E_(Ox)^(* )(PRC^(•+)/PRC^(* ))= −2.9 V vs. SCE. ... mehrThis PRC enables the activation of previously inaccessible substrates, such as α-methylstyrene or chlorobenzene. Based on these findings, the first objective of this study was to synthesise new phenothiazine derivatives with an even lower oxidation potential in the excited state than that reported by Wagenknecht et al., which can be excited by visible light. Following the synthesis and detailed analysis of the new compounds, they were employed in the photoredox catalytic methoxylation of α-methylstyrene. The photoredox catalyst with an E_Ox^(* )(PRC^(•+)/PRC^(* ) <−2.9 V was also used for the photoredox catalytic activation of aryl fluorides. Aryl fluorides have a very low reduction potential (E_(Red)(PhF/PhF^(•−)) = −2.97 V), so could only previously be activated using ConPET or dual catalysis processes. However, these processes sometimes required sacrificial molecules, transition metal catalysts, or large amounts of catalyst. For this reason, an organo-PRC was used to enable direct activation of the aryl fluorides in the initial single electron transfer (SET). Introducing a trifluoromethyl group (CF₃-) into molecules often leads to significantly improved bioavailability, metabolic stability and reactivity compared to the original compounds. Therefore, research into mild methods of introducing this substituent is of great interest, particularly in the context of biomedical and pharmaceutical applications. With this in mind, the second objective of this study was to develop a water-soluble organo-photoredox catalyst based on phenothiazine. This compound was employed in photoredox-catalysed trifluoromethylation reactions involving various substrates under both organic and aqueous conditions.