Lighting the Way to Greener Chemistry: Incandescent

Jul 25, 2016 - Lighting the Way to Greener Chemistry: Incandescent Floodlights as a Facile UV ... varies with weather conditions, geographical locatio...
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Lighting the Way to Greener Chemistry: Incandescent Floodlights as a Facile UV Light Source for Classic and Cutting-Edge Photoreactions Katelyn Randazzo, Zhihan Wang, Zijun D. Wang, Jonathan Butz, and Qianli Rick Chu ACS Sustainable Chem. Eng., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acssuschemeng.6b01506 • Publication Date (Web): 25 Jul 2016 Downloaded from http://pubs.acs.org on July 31, 2016

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Lighting the Way to Greener Chemistry: Incandescent Floodlights as a Facile UV Light Source for Classic and Cutting-Edge Photoreactions Katelyn Randazzo, Zhihan Wang, Zijun D. Wang, Jonathan Butz, and Qianli R. Chu*  Department of Chemistry, University of North Dakota, 151 Cornell St, Grand Forks, ND 58202‐9024, United States  *E‐mail: [email protected]    Supporting Information Placeholder

ABSTRACT: While ultraviolet light is hailed for its renewability, non‐toxicity, and lack of resulting waste products, photochem‐ istry is relatively out of reach for many researchers and industries because conventional ultraviolet radiation sources are not always  accessible.  For example, the availability of sunlight varies with weather conditions, geographical location, and daylight duration.   The use of commercial incandescent light as an alternative to conventional ultraviolet radiation was explored in this article.  The  classic [2+2] photocycloaddition of trans‐cinnamic acid was tested under controlled conditions in the solid state, and it was found  that 150 W light bulbs provided satisfactory results and 1.5 cm away from the light source was a viable distance for the photoreac‐ tion.  A [2+2] cycloaddition of 10 milligrams trans‐cinnamic acid finished in as few as four hours.  Gram‐scale synthesis was also  achieved  in  40  hours  by  using  a  500  W  floodlight  bulb.    The  incandescent  floodlight  also  effectively  facilitated  a  cutting‐edge  photopolymerization in 24 hours to produce a two‐dimensional (2D) polymer.  The use of reliable, inexpensive, and non‐hazardous  incandescent  light  in  place  of  sunlight  or  even  ultraviolet  lamps  for  certain  photoreactions  will  allow  for  the  wider  study  and  development of photochemistry.    

Key words: Sunlight alternative, Polycyclobutane, 2D polymer, Cinnamic acid, Photocycloaddition, Green photochemistry, Frugal  engineering, Frugal innovation    INTRODUCTION  Over a century ago, nature’s safe and efficient synthesis through the use of light as a reagent inspired the pioneers of green chem‐ istry to turn to photochemistry in search of greener methods.1, 2  At the heart of green chemistry, and by extension photochemistry, 

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is the desire to reduce or eliminate hazardous substances associated with chemical synthesis.3‐6  Due to light’s renewability, non‐

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toxicity, and lack of resultant waste products, photochemistry continues to appeal to both researchers and industry alike, with  recent advances observed in diverse applications ranging from synthesis to ecology.7‐17  Pharmaceutical companies in particular  have recently embraced photochemical innovation due to the capability of photochemistry to yield unique products that cannot  be  achieved  through  thermal  techniques.18    For  those  cases  in  which  thermal  and  photochemical  reagents  do  obtain  identical  products, the photochemical route is often much simpler and less expensive than its thermal equivalent.19  The long‐term cost‐ effectiveness of photochemistry may serve to advance efforts in frugal engineering, an emerging concept which aims to diminish  the complexity and cost associated with a product’s manufacture.20, 21, 22       Despite the mass appeal of photochemistry and all that it has to offer, lack of facile and reliable equipment prevents many  researchers and industries from realizing the full potential of photochemical techniques.  Sunlight represents the most abundant  source of ultraviolet radiation, but the availability of sunlight is dependent upon a number of uncontrollable factors including  weather conditions, daylight duration, and latitudinal location.6  Ultraviolet lamps are a reliable alternative, however their costli‐ ness, hazardousness, and resulting inconvenience constitute hindrances in their popularity with many research groups and busi‐ nesses.         In this article, incandescent light is demonstrated to be a promising candidate in the facilitation of photoreactions, which have  been conventionally executed via sunlight or UV lamp.  It is hypothesized that incandescent light’s effectiveness can be attributed  to its emission of a continuous distribution of wavelengths of light, which resembles that of sunlight.  The tail of the wavelength  distribution lies in the range of wavelengths smaller than 400 nm, which corresponds to the ultraviolet region.23  The incandescent  lights  proved  to  be  effective  in  the  facilitation  of  both  a  classic  photoreaction  and  for  the  cutting‐edge  synthesis  of  a  recently  developed two‐dimensional (2D) polymer.  Furthermore, the lights were reliable, inexpensive, and generally non‐hazardous.  It is  our hope that the adoption of incandescent lights as a facile alternative to traditional UV radiation sources for certain photoreac‐ tions will make photochemistry a more accessible discipline to researchers and industries seeking green, inexpensive solutions.         EXPERIMENTAL PROCEDURES   General Reagents and Methods:  The incandescent floodlights used in this article are readily available at residential lighting  sources. The incandescent floodlights were purchased from either local retail outlets or online.  Trans‐cinnamic acid and 1,2,4,5‐ tetrakis(bromomethyl)benzene and other chemicals used in the experiments were purchased through Alfa Aesar, Sigma Aldrich  and used without further purification.  Thin layer chromatography (TLC) was performed on silica gel W/UV 200 μm precoated  plates.  The solution phase nuclear magnetic resonance spectra (NMR) were recorded with Bruker AVANCE (1H: 500MHz, 13C: 125  MHz).  All spectra were obtained in deuterium dimethyl sulfoxide (DMSO‐d6).  For DMSO‐d6 solution, the chemical shifts were  reported as parts per million (ppm) with tetramethylsilane as a standard.  Coupling constants were reported in hertz (Hz).  Data  for 1H NMR spectra were reported as follows: chemical shift (ppm: referenced to parts per million), brs = broad singlet, s = singlet, 

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d = doublet, t = triplet, q = quartet, dd = doublet of doublets, dt = doublet of triplets, ddd = doublet of doublet of doublets, p = 

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pentet, h = heptet, m = multiplet, coupling constant (Hz), and integration.  Single crystal X‐ray data were recorded on Bruker  Kappa Apex II Duo X‐ray diffractometer with Mo Kα (λ = 0.710 73Å) or Cu Kα (λ = 1.541 78Å).  Melting points were measured on a  MEL‐TEMP device without correction.  Infrared spectroscopy (IR) was recorded on Thermo Scientific Nicolet iS5 FT‐IR spectrom‐ eter.  UV/Vis was recorded on Beckman DU 640 Spectrophotometer.  The emission spectra for the light bulbs was obtained using  a Thorlabs CCS200USB spectrometer coupled with a fiber‐optic CCSA2 cosine corrector in an open‐air setup.  The obtained spectra  were corrected for the CCSA2s transmittance (provided by manufacturer).  The spectra were processed using Thor Labs publishing  software.  The mass spectrometric analyses were performed using a high‐resolution time‐of‐flight G1969A with electrospray (at‐ mospheric pressure chemical) ionization (Agilent, Santa Clara, CA) and reported as m/z (relative intensity).  Accurate masses are  reported for the molecular ion [M + Na]+, [M + H]+, [M + NH4]+, or [M]+.         Photoreaction of trans‐cinnamic acid: Trans‐cinnamic acid powder was irradiated via residential incandescent light on a  transparent glass slide.  About 10 or 50 mg of powder was evenly scattered on a glass slide, and the sample was placed beneath the  bulb inside of a vented fumehood.  The progress of the photoreaction was monitored by FT‐IR.  Reaction completion time varied  for different bulbs and distances tested.  For the optimized trials, cinnamic acid was ground to a fine powder by scattering it evenly  between two glass slides which were rubbed together.  Stirring the powder sample with a spatula or a small knife every a few hours  to generate fresh surface increased the dimerization progress.  Figure S1 in the supporting information depicts the experimental  apparatus.         Gram‐scale photoreaction of trans‐cinnamic acid: Trans‐cinnamic acid powder was irradiated via 500 W quartz halogen  bulb of UTILITECH residential incandescent light on a transparent glass slide.24  About 1 gram of powder was evenly scattered on  a glass slide, and the sample was placed beneath the exposed bulb with a distance of 6 cm inside of a vented metal cabinet.  Another  glass slide was placed about 1 cm above the sample to block part of the heat generated by the bulb and a copper pipe with cooling  water was introduced into the cabinet to further cool the reaction environment.  The progress of the photoreaction was monitored  by 1H NMR.  Reaction completion time was 40 h, and it varied for distances between the sample and bulb tested.       Photoreaction of trans‐cinnamic acid using ambient sunlight: Trans‐cinnamic acid powder was irradiated via ambient  sunlight on a transparent glass slide for comparison.  About 50 mg of powder was evenly scattered on a glass slide in exactly the  same manner as was done for the procedure using incandescent bulbs.  The slide was placed outside to be exposed to sunlight  from 11 am until reaction completion, corresponding to the hours when direct sunlight was most readily available.  All experiments  using sunlight were conducted during peak daylight hours on sunny days during the month of May in Grand Forks, North Dakota,  USA.  The supporting information contains additional data for the weather conditions.  Synthesis of monomer: The monomer synthesis is similar to the reported literature procedure.25  Cinnamic Acid (3.3 g, 22.2  mmol), 1,2,4,5‐tetrakis(bromomethyl)benzene (2.0 g, 4.4 mmol), and K2CO3 (3.7 g, 26.7 mmol) were added to DMSO (50 mL). The  mixture was stirred at room temperature for 17 h.  White precipitate was formed.  Then the mixture was poured into 300 mL of 

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water.  The precipitate was filtered out to give crude product. The crude product was added into 100 mL of EtOAc and sonicatored 

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for 1 h.  Then, the solid was filtered to give pure product (2E,2’E,2’’E,2’’’E)‐benzene‐1,2,4,5‐tetrayltetrakis‐(methylene) tetrakis(3‐ phenyl acrylate) (2.2 g, 68%) as a white solid; mp 188‐189 °C.25  TLC (hexanes:ethyl acetate, 3:1 v/v): Rf = 0.54.  1H NMR (500 MHz,  DMSO‐d6): δ 7.62‐7.68 (m, 14H), 7.31‐7.40 (m, 12H), 6.64 (d, J = 16 Hz, 4H), 5.38 (s, 8H).   13C NMR (125 MHz, DMSO‐d6): δ 166.2,  145.4, 135.5, 134.2, 131.7, 130.9, 129.2, 128.7, 117.9, 63.5.  IR: 1707, 1635, 1575, 1495, 969 cm‐1.  UV/Vis: λmax 275 nm.  HRMS (m/z): [M +  Na]+ calcd. for C46H38O8Na, 741.24643; found 741.23698.         Photoreaction of stereoregular two‐dimensional (2D) polycyclobutane: About 5 mg of powder was added to about 10 mL  of solvent ethyl acetate.  The vial of the suspended mixture was put in an ultrasonic cleaner (Bransonic, Models 1200) for two  minutes.  Drops of the suspended mixture were scattered evenly on a quartz plate, which was placed 1.5 cm beneath a 150W General  Electric Floodlight w/ Saf‐t‐Gard inside of a vented fumehood.  The ethyl acetate evaporated, leaving very thin films of monomer  where each droplet was placed.  After twelve hours, the quartz plate was flipped over to allow the incandescent light’s radiation  to reach the unreacted underside of the monomer films.  Reaction progress was monitored by FT‐IR.  The reaction completed in  24 h.    RESULTS AND DISCUSSION  Commercially available light bulbs were screened for their efficacy in facilitating the dimerization of trans‐cinnamic acid to α‐ truxillic acid, a classic photoreaction which has been studied for over a century.26  The photoreaction of cinnamic acid and its  derivatives continues to attract the attention of researchers,27‐30 with recent studies suggesting that α‐truxillic acid possesses anti‐ inflammatory and anti‐nociceptive prop‐ erties.31 32, 33 The mechanism for the dimerization of cinnamic acid is [2+2] cycloaddition,  which is shown in Scheme 1.  In order for a species to undergo [2+2] cycloaddition in the solid state, its geometry must adhere to  the principles famously outlined by Schmidt, namely, there must exist parallel double bonds that are separated by 4.2 or fewer  angstroms.9, 34‐37    Upon  sufficient  exposure  to  ultraviolet  radiation,  cinnamic  acid’s  pi  bonds  close  to  form  a  cyclobutane  ring,  resulting in a stable stereospecific dimer in the solid state.     

HO O

hv 

O OH

     

HO O

O OH

 

 

 

Scheme 1. The synthesis of α‐truxillic acid from trans‐cinnamic acid via [2+2] cycloaddition.  Dimerization is accessible through  this mechanism because double bonds in adjacent molecules are a) parallel and b) separated by fewer than 4.2Å.  

  

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     During the screening process, about 50 milligrams of trans‐cinnamic acid powder was spread evenly on a glass plate and posi‐

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tioned beneath an incandescent lightbulb.  The time necessary to for the dimerization to complete was monitored by FT‐IR and  1H NMR.  The results of the screening process are compiled in Table 1.     

     Decreasing the distance between the bulb surface and the sample had a dramatic effect on dimerization rate.  For example,  trials of both the 150W Sylvania Utility bulb and the 150W General Electric Floodlight w/ Saf‐T‐Gard demonstrated that decreasing  the reaction distance from 3 cm to 1.5 cm reduced the dimerization time by about a third (entry 1 vs. 8 and 4 vs. 9).  This is most  likely because light emitted by the bulbs becomes increasingly scattered in many directions as it travels further from its source.   Therefore,  samples  closer  to  the  bulb  received  a  more  concentrated  dosage  of  light,  and  those  which  were  positioned  farther  received only a fraction of the same dosage, with the difference lost to the surroundings.  

  Table 1. Summary of results from the screening process: Variances in manufacturer, wattage, and distance between the bulb sur‐ face and the sample affected the photodimerization rate of trans‐cinnamic acid. 

Entry 

Bulb 

Light  Color  Temp (K) 

Dis‐ tance  (cm) 

Reaction  Temp  (ºC) 

1st        Result  (h) 

2nd      Result  (h) 

3rd       Result  (h) 

Average  (h) 

Not speci‐ fied 

1.5 

50 

20 

16 

18 

18 



150W Sylvania Utility 



150W Sylvania Soft White 

2850 

1.5 

45 

50 

48 

48 

49 



150W General Electric Rough  Service Garage Light 

2800 

1.5 

52 

80 

84 

78 

81 



150W General Electric Flood‐ light w/ Saf‐T‐Gard 

2700 

1.5 

50 

24 

25 

20 

23 



100W Westinghouse Amber 

Not speci‐ fied 

1.5 

40 

100 

‐ 

‐ 

100 



120W Aero Tech Indoor Flood  Light 

2800 

1.5 

41 

96 

‐ 

‐ 

96 



250W Sylvania Halogen Flood  Capsylite 

3025 

3.0 

85 

(Melted  after 3  hours) 

‐ 

‐ 

(Melted  after 3  hours) 



150W Sylvania Utility 

Not speci‐ fied 

3.0 

49 

30 

28 

36 

31 



150W General Electric Flood‐ light w/ Saf‐T‐Gard 

2700 

3.0 

48 

30 

36 

35 

34 

10 

150W General Electric Rough  Service Garage Light 

2800 

5.0 

46 

60 

‐ 

‐ 

60 

11 

150W General Electric Flood‐ light w/ Saf‐T‐Gard 

2700 

6.0 

44 

36 

41 

40 

39 

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     Dimerization progressed more rapidly when the bulbs were of a higher wattage.  Among the lower wattage bulbs screened were  the 100W Westinghouse Amber light (entry 5) and the 120W Aero Tech Indoor Floodlight (entry 6), both of which required at  least four days to complete the dimerization.  This is in contrast to bulbs of a higher wattages which achieved the dimerization  from the same distance in less than a day (entries 1 and 4).  These results were consistent with the expectation that bulbs which  release light at a higher rate would more rapidly facilitate the reaction.             

trans-cinnamic acid starting material

 

After 12 hours

After 24 hours

Figure 1. The photodimerization of trans‐cinnamic acid: 1H NMR spectra demonstrate that the dimerization was completed within  24 hours.    Dimerization rate also varied with bulb manufacturer, even when wattage and the distance between the bulb surface and the  sample were held constant.  The screening process results identified the 150W Sylvania Utility bulb and the 150W General Electric  Floodlight w/ Saf‐T‐Gard as the most effective bulbs surveyed.  Due to its longer lifetime, the latter was selected for further study.   Figure 1 shows the progression of the dimerization reaction for trans‐cinnamic acid as facilitated by the selected bulb.  Over the 

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course of the 24‐hour reaction, the cyclobutane ring transformed the alkene alpha and beta hydrogens of the trans‐cinnamic acid  starting material into the cyclobutane hydrogens present in the α‐truxillic acid dimer.  This is evidenced by the disappearance of  the peaks at 6.5 ppm and 7.7 ppm, respectively, and the emergence of the peaks at 4.3 ppm and 3.8 ppm, corresponding to the  cyclobutane hydrogens.  Furthermore, the upfield shift in the remaining peaks is consistent with the loss of conjugation in the  molecule.            Following the screening process, the reaction conditions were further optimized for the dimerization of trans‐cinnamic acid  facilitated by the 150W General Electric Floodlight w/ Saf‐T‐Gard.  By grinding the cinnamic acid to a fine powder, the dimerization  rate was  drastically  increased.    Figure  2 shows  that  at  a  distance  of  1.5  cm  between  the  sample  and  the  bulb  surface,  about  10  milligrams of cinnamic acid was completely dimerized within four hours.  Even at a distance as great as 14 cm, the dimerization  was completed in less than 80 hours.     300

Completion time (h)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

250 200 150 100 50 0 0

5

10

15

Distance (cm)

20

25  

Figure 2. The time‐distance relationship for the dimerization of finely ground trans‐cinnamic acid.         Gram‐scale  synthesis  of  α‐truxillic  acid  from  cinnamic  acid  was  achieved  by  within  40  hours  by  using  a  500  W  residential  floodlight bulb.  The spectra presented in Figure 3 offers insight as to why the floodlights were effective.  Cinnamic acid’s absorp‐ tion of light as solid film and methanol solution are shown as black line and blue line, respectively.  While the solution absorption  has a peak with wavelengths of 220‐320 nm, the solid spectrum shows clear red shift and a broader absorption peak reaching near  400 nm.  Because glass surface of the General Electric Floodlight w/ Saf‐T‐Gard allows for the transmission of light with wave‐ lengths greater than 280 nm (green line in Figure 3a),24 there exists a range of ultraviolet wavelengths which correspond to light  that is both absorbed by trans‐cinnamic acid and transmitted through the bulb surface.  It is the light that falls within this distinct  range of wavelengths that makes the photodimerization via incandescent floodlight possible.  No reaction was observed when an  optical filter was used to block the radiation below 400 nm (purple line in Figure 3), confirming that the dimerization is induced  by UV light that is present in the emission spectra of the incandescent bulbs.  Figure 3b show the UV emission spectra for each 

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bulb tested during the screening process.  Significant concentrations of ultraviolet light appear in the range of 360 nm to 400 nm  in the bulbs’ emission spectra.  In this range, 70‐80% of the light is transferred through the bulb glass (green line in Figure 3a).   Therefore, not only do the incandescent bulbs emit a non‐negligible amount of UV light, but a significant portion of this light  reaches the sample unimpeded.  It is also worthwhile to mention that the two most efficient 150W bulbs in table 1, General Electric  Floodlight w/ Saf‐T‐Gard and Sylvania Utility, showed highest UV emission in Figure 3b.    a)

100

     

Transmittance(%)

 

 

80 60 40

Cinnamic acid solution GogglesFilter Optical Floodlight glass Cinnamic acid solid film

20 0 200

 

300

400

500

600

700

800

Wavelength (nm) b) 1.0

Relative Intensity

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

150W GE Floodlight w/ Saf-T-Gard 100W Westinghouse Amber

0.8

120W Aerotech Indoor Floodlight 150W GE Rough Service Garage Light

0.6

150W Sylvania Soft White 150W Sylvania Utility

0.4 0.2 0.0 200

250

300

350

Wavelength (nm)

400  

Figure 3. a) The UV‐Vis spectra for trans‐cinnamic acid, 150W General Electric Floodlight w/ Saf‐T‐Gard glass, and plastic optical  filter.  A range of wavelengths exists that is both absorbed by the trans‐cinnamic acid and transmitted by the floodlight glass. b)  Ultraviolet emission spectra for screened bulbs.  Emission was measured from a distance of 3 cm for all bulbs.         Unlike the conventional mercury UV lamp, incandescent floodlight intrinsically lacks the strong sharp peaks in the UV range.   However, its emission of a continuous distribution of wavelengths of light offered a facile and reliable alternative to sunlight as a  UV source.  In addition, incandescent floodlight can be readily combined with other lab techniques to control temperature of the  reaction, accomplish transformation under an inert atmosphere, and achieve slow addition of starting material etc.  Meanwhile,  the reactions can be visualized and easily monitored by multiple means such as FT‐IR, NMR, and TLC (Thin Layer Chromatog‐ raphy).  For  comparative  purposes,  the  dimerization  was  also  carried  out  using  ambient  sunlight.    While  sunlight  during  peak  daylight hours on a clear day only required an average of 5 hours for completion, the inherent disadvantages associated detracted  from its practicality.  For example, the three trials with sunlight conducted were performed on the only three days in the month 

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of May in which there were sufficiently clear skies during peak daylight hours in Grand Forks, North Dakota, USA.  Therefore, 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

while sunlight promoted the most expedient reaction time, the incandescent floodlight proved to be a viable alternative, trumping  sunlight in terms of reliability.       Having demonstrated that incandescent floodlights may facilitate the efficient dimerization of a classic photoreaction, we en‐ deavored to further extend the usefulness of the floodlights to other applications.  The synthesis of a 2D polycyclobutane  recently  developed by our research team represents a cutting‐edge opportunity for the practical implementation of the floodlights.25       A novel monomer consisting of four cinnamic acid arms linked by 1,2,4,5‐tetrakis‐(bromomethyl)benzene was synthesized and  the monomer readily self‐assembled into a crystalline solid.  The chemical and crystal structure of the symmetric monomer are  depicted in Figure 4.  All of the C=C double bonds of the monomer structure in the solid state satisfy the requirements for [2+2]  cycloaddition,25, 34  and upon sufficient exposure to incandescent floodlight adjacent monomers were locked into a covalently‐ bonded 2D stereoregular polycyclobutane.32  The locally confined topochemical photopolymerization process in the solid‐state  led to the stereoregularity and avoided cross‐linking.  Monomer conversion with respect to time was monitored via FT‐IR, and is  summarized  in  Figure  5.    The  absorption  peak  at  1637  cm‐1  typical  of  C=C  stretching  grew  smaller  and  ultimately  disappeared  within 24 hours of exposure to the 150W General Electric Floodlight w/ Saf‐T‐Gard, as did the peak at 980 cm‐1 corresponding to  the out‐of‐plane twist of the carbon‐hydrogen single bonds in the starting material.  Completion of the polymerization was further  evidenced by the shift of the C=O peak to a higher energy wavenumber, consistent with the deconjugation of the carbonyl group.   The IR spectrum of 2D polymeric product was nearly identical to the ones obtained by using sunlight and UV mercury lamp that  were reported, confirming the success of photopolymerization.32  a)  

b) O

 

O

O O

 

O O

O

O

c)

    Figure 4. The structure of the cinnamic acid‐derived monomer: a) chemical structure of the symmetric monomer; b) Oak Ridge  Thermal Ellipsoid Plot (ORTEP) representation at 50% electron density of the monomer crystal structure; c) packing of the mon‐ omer in the solid state showing parallel double bonds that are fewer than 4.2Å apart (the red dotted lines showing where the new  C‐C bonds form; monomer colors introduced arbitrarily for illustrating the packing).     

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1637

Monomer

980

  1.5 cm 16 h

 

Trasmittance

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

1.5 cm 24 h

 

Hg Lamp Polymer

   

  1703

 

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

-1

 

Wavenumber (cm )

Figure 5. Photopolymerization of a stereoregular 2D polycyclobutane facilitated by incandescent floodlight: FT‐IR spectra confirm  that polymerization was completed within 24 hours.  The IR spectrum of 2D polymeric product (blue) was nearly identical to the  one obtained by UV mercury lamp (magenta).         The key starting material used in this article is cinnamic acid, a naturally occurring compound in plants that has been widely  used in flavorings, synthetic indigo, plastic, and pharmaceuticals.38  Recently, cinnamic acid was adequately derived from a by‐ product of growing biofuel production39,40  and from other renewable substrates such as glucose by using engineered E. coli.41‐43   Biomass‐based  cinnamic  acid  is  a  likely  prospect  for  the  production  of  styrene  by  decarboxylation  to  make  environmentally‐ friendly polystyrene.41‐44  In this work, cinnamic acid has been used in an atomically economical way, as only one hydrogen atom  was lost during the transformations to the novel 2D polymer.  The photopolymerization via incandescent floodlight was solvent‐ free  and  resulted  in  a  2D  polycyclobutane  comprised  of  81%  biomass  by  mass,  such  that  both  the  reactants  and  the  reagents  involved in the reaction were sustainable.  This cutting‐edge application of the incandescent floodlights constitutes merely one  opportunity for the transformation of an already environmentally‐friendly reaction into a holistically greener process.                    CONCLUSIONS  Incandescent floodlights were successfully demonstrated to be effective in facilitating both a classic photoreaction and the cutting‐ edge polymerization of a recently developed 2D polymer.  The solid‐state [2+2] cycloaddition of trans‐cinnamic acid to yield α‐ truxillic acid was completed in a timely manner as confirmed by NMR spectroscopy when factors such as the thickness of the  sample powder and the distance between the sample and the bulb surface were controlled.  Synthesis of a stereoregular 2D poly‐ cyclobutane was monitored via FT‐IR spectroscopy and completed within 24 hours of exposure to incandescent light.  As exem‐ plified in the article, photoreactions that do not require hazardous deep UV sources may be carried out with the commercially  available inexpensive incandescent floodlight.  Although the incandescent lights are not attractive in terms of energy efficiency, 

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they are reliable, inexpensive, convenient, safe, and can be easily combined with other lab techniques and industrial operations.  

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The implementation of incandescent floodlights as an alternative to sunlight or other conventional UV radiation sources for cer‐ tain photoreactions may allow for the wider execution of photochemistry by academia and industry alike, granting greater acces‐ sibility to what has traditionally been a relatively inaccessible discipline.            ASSOCIATED CONTENT  

Supporting Information

Experimental details and spectra are available free of charge via the Internet at http://pubs.acs.org.    Photo of the polymerization apparatus, reaction details with ambient sunlight; 1H NMR spectra of cinnamic acid start‐ ing materials, dimerization progress after 12 h, and α‐truxillic acid product after 24 h; UV/Vis spectra of starting ma‐ terials, FT‐IR spectra of cinnamic acid dimerization, time‐distance relationship data for the dimerization, emission  spectra of bulbs  

AUTHOR INFORMATION Corresponding Author

*E‐mail: [email protected]  (Q. Rick Chu).    Notes

The authors declare no competing financial interests. 

ACKNOWLEDGMENT This material is based upon work supported by the Doctoral New Investigator grants of the American Chemical Society  Petroleum Research Fund (PRF 52705‐DNI7) and the National Science Foundation Grant (NSF EPSCoR Award IIA‐ 1355466).   

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Lighting the Way to Greener Chemistry: Incandescent Floodlights as a Facile UV Light Source for Classic and Cutting-Edge Photoreactions Katelyn Randazzo, Zhihan Wang, Zijun D. Wang, Jonathan Butz, and Qianli R. Chu

Synopsis: Incandescent lamps are effective in facilitating certain photoreactions, providing a reliable, inexpensive, and non-hazardous alternative to sunlight.

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