Principali linee di RICERCA attive
Gli argomenti trattati attualmente possono essere così suddivisi:
Sintesi organica per via fotochimica
- Reazioni fotocatalizzate
- Reazioni fotoelettrochimiche
- Reazioni fotochimiche con luce visibile
- Reazioni via catione arilico
- Processi fotochimici in flusso
Aspetti applicativi della fotochimica
Sintesi organica per via fotochimica
Da tempo il nostro laboratorio opera nell'ambito dello sviluppo di metodologie sintetiche innovative, studiando la generazione fotochimica di intermedi altamente reattivi (quali radicali, radical ioni, cationi, ecc.) in condizioni blande ed in assenza di specie costose e tossiche. Le principali strategie eco-sostenibili che sviluppiamo sono riportate di seguito.
Reazioni FOTOCATALIZZATE
Una via sintetica è basata sulle reazioni fotocatalitiche: esse sono una particolare classe di processi fotochimici, che richiedono l'intervento combinato della radiazione luminosa e di un (foto)catalizzatore. La fotocatalisi trova applicazione nella produzione di idrogeno dall'acqua (water splitting), oppure per purificare matrici di differente natura dalla presenza di inquinanti (depollution). Recentemente, questo approccio è stato applicato con successo anche nel campo della sintesi organica. Nel ruolo di fotocatalizzatori possono essere usate indistintamente diverse tipologie di sostanze:
- Particelle solide di materiale semiconduttore (ad esempio: TiO2);
- Molecole organiche (ad esempio: benzofenone, cianoareni, coloranti);
- Complessi metallici (ad esempio: Ru- e Ir-polipiridil derivati);
- Sali inorganici (ad esempio: anione decatungstato).
I punti di forza della fotocatalisi:
- Condizioni di reazione estremamente blande: il fatto di sfruttare lo stato eccitato (altamente reattivo) del fotocatalizzatore permette di evitare l'impiego di reagenti aggressivi o di temperature elevate e di generare intermedi di reazione (come i radicali) da precursori difficilmente attivabili tramite altre vie (ad esempio: alcani);
- A differenza delle normali procedure fotochimiche che prevedono l'utilizzo di un reagente in grado di assorbire la radiazione luminosa, nell'approccio fotocatalitico non è il reagente, bensì il fotocatalizzatore il responsabile dell'assorbimento della luce: in questo senso, si apre la possibilità di andare ad attivare molecole normalmente non reattive come gli alcani (se non tramite radiazioni altamente energetiche) per via fotochimica.
È importante sottolineare come tutte le caratteristiche appena riportate siano in perfetto accordo con la filosofia della green chemistry: la fotocatalisi si propone quindi come valida alternativa eco-compatibile rispetto alle classiche strategie sintetiche disponibili.
Il termine "fotocatalizzatore" deriva dall'unione delle parole "fotochimica" e "catalizzatore" e cerca di rendere conto delle varie caratteristiche di questa specie: da un lato, infatti, P è il composto responsabile dell'assorbimento della luce e risulta attivo solo una volta raggiunto lo stato eccitato; dall'altro, invece, il fatto che possa essere utilizzato in quantità sotto-stechiometrica e che sia inserito all'interno di un ciclo catalitico (cfr. Schema a lato) lo avvicinano ad un comune catalizzatore.
Il fotocatalizzatore (P) è quindi in grado di assorbire la luce e, una volta raggiunto il proprio stato eccitato (P*), di attivare il reagente della reazione a dare un intermedio RA. Questa specie si addiziona ad un altro reagente e va quindi incontro ad un'evoluzione fino ad un altro intermedio RI e, prima di fornire il prodotto finale del processo, permette la rigenerazione di P. Come si può notare P si trova quindi inserito all'interno di un vero e proprio ciclo catalitico e ne basta una piccola quantità per far avvenire la reazione desiderata.
Negli ultimi anni, l'attenzione del nostro gruppo di ricerca si è focalizzata sullo studio di un nuovo fotocatalizzatore, il TBADT (tetrabutilammonio decatungstato). Questo composto, un sale bianco polverulento, è in grado di attivare i legami C-H in diverse classi di molecole (cfr. Schema sotto) e permette la generazione di particelle radicaliche (R•) in condizioni di reazione estremamente blande. Gli intermedi così generati vengono opportunamente intrappolati da olefine elettron-povere presenti nell'ambiente di reazione: nel complesso, si ha quindi una reazione di addizione coniugata di tipo radicalico.
Il TBADT si è rivelato un fotocatalizzatore molto robusto e versatile: da un lato, infatti, può essere utilizzato in concentrazioni molto piccole (2% eqv.) e rimane attivo per diverse decine di cicli catalitici; dall'altro, invece, si è dimostrato in grado di attivare classi di molecole molto differenti tra loro. Nel corso degli anni, nel ruolo di R-H sono state utilizzate classi di molecole molto differenti tra loro, come: alcani, alcol, eteri, acetali, aldeidi (sia alifatiche, sia aromatiche) e ammidi.
Sviluppi futuri
Nell'ultimo periodo, l'attenzione si è spostata sulla possibilità di realizzare reazioni via trasferimento elettronico fotoindotto (PET, che si contrappone al trasferimento di idrogeno - HAT - di cui si è parlato sopra) mediate da decatungstato. Un altro campo di ricerca riguarda la scoperta e messa punto di nuovi sistemi fotocatalitici dotati di attività nel campo della luce visibile.
Presentazione sulla FOTOCATALISI
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Reazioni fotoelettrochimiche
La possibilità di combinare la fotocatalisi con l'elettrochimica è un argomento di primissimo piano in letteratura, che coinvolge l'utilizzo di una cella elettrochimica associato ad un sistema fotocatalitico omogeneo. Stiamo iniziando a muovere i primi passi in questa direzione, STAY TUNED...
Reazioni fotochimiche con luce VISIBILE
Selettività, ecosostenibilità ed efficienza sono le parole chiave con cui ogni chimico deve confrontarsi. Recentemente, la catalisi photoredox è emersa come un promettente metodo di sintesi. In questo approccio un catalizzatore (colorato) assorbe una radiazione ed è così in grado di attivare (tramite un trasferimento elettronico) un substrato. In questo caso, tuttavia, è necessario l'uso di un fotocatalizzatore e le reazioni sono limitate a substrati aventi un sito redox. Nei processi fotochimici tradizionali, invece, il fotone viene assorbito da uno dei reagenti, causandone la promozione ad uno stato eccitato responsabile dell'evento chimico. La luce è quindi responsabile diretta della formazione del prodotto e non lascia traccia all'interno del reattore, facilitando le procedure di work-up e purificazione, minimizzando la produzione di rifiuti in accordo con i principi della chimica verde.
Le recenti pubblicazioni in letteratura confermano l'interesse in rapida crescita per i processi fotondotti in condizioni "photocatalyst-free" suggerendo che questa linea di ricerca potrebbe essere una "next big thing" nel campo della sintesi organica.
La presente linea di ricerca si pone quindi l'obiettivo di superare l'approccio photoredox attraverso lo sviluppo di un metodo per la fotogenerazione di intermedi ad alta energia in condizioni blande ed in assenza di fotocatalizzatore ed additivi. L'approccio da noi proposto prevede quindi l%apos;introduzione, all'interno del substrato da attivare, di un gruppo "dyed-auxiliary" responsabile per il colore e la fotoreattività della molecola stessa (nello schema sottostante si possono vedere una classe di composti studiata recentemente, gli azosolfoni). In questo modo intermedi di diversa natura quali radicali, radical ioni e biradicali possono essere generati selettivamente modulando le condizioni di reazione (ad esempio la lunghezza d'onda di irraggiamento o il solvente) ed impiegati nello sviluppo di nuove metodologie sintetiche. Lo sviluppo di processi versatili ed efficienti, indotti da luce visibile/solare in assenza di catalizzatori e di additivi/co-catalizzatori vuole unire le potenzialit' intrinseche della fotochimica in termini di sostenibilità con la versatilità della catalisi photoredox portando ad una innovativa filosofia nella chimica di sintesi.
Presentazione su AZOSOLFONI
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Reazioni via CATIONE ARILICO
Una via sintetica alternativa alle classiche metodiche di arilazione basate sull'utilizzo di catalizzatori metallici prevede l'impiego di cationi arilici. Queste specie elettrofile non sono ottenibili in soluzione per via termica, ma risultano facilmente accessibili in condizioni blande mediante la foto-frammentazione eterolitica di alogenuri (ed esteri) aromatici elettron-ricchi (cfr. Schema seguente).
L'elevata reattività dei cationi arilici nei confronti di alcune classi di nucleofili è stata sfruttata a fini sintetici, consentendo di formare legami arile-carbonio per via fotochimica, in assenza di catalizzatori metallici o reattivi organometallici. Nello Schema seguente sono rappresentati alcuni esempi significativi dal punto di vista della sintesi organica.
In presenza di un chetensililacetale come trappola (via a), si ottengono selettivamente in buone rese i rispettivi acidi α-arilpropionici, che sono importanti precursori di farmaci anti-infiammatori (Alminoprofene e Indoprofene).
Utilizzando come nucleofilo l'alliltrimetilsilano (via b), è stato possibile sintetizzare, talvolta in rese quantitative, un'ampia gamma di allilanisoli e allilfenoli, composti naturali dotati di attività biologica.
Un'altra reazione estremamente pulita ed efficiente sfrutta l'attacco degli aril cationi su alchini terminali, portando ai rispettivi arilalchini in rese comprese tra il 70 e il 90% (via c). Questo processo costituisce una valida alternativa metal-free alla tradizionale reazione termica di Sonogashira, che richiede una doppia catalisi metallica a base di palladio e rame.
I nucleofili aromatici (ad esempio, benzene o vari alchilbenzeni simmetrici, via d) rappresentano delle efficaci trappole per gli intermedi aril cationici. Questa caratteristica è stata sfruttata per la sintesi in rese elevate di diversi derivati biarilici poli-sostituiti; inoltre, la nostra metodica non viene inficiata dalla presenza di eventuali sostituenti in posizione orto- rispetto al legame biarilico.
Gli esempi sinora considerati si riferiscono all'arilazione di nucleofili di tipo π; tuttavia, i cationi fenilio sono estremamente reattivi anche nei confronti di anioni inorganici quali ioduro e cianuro. L'irraggiamento dei precursori fotochimici in presenza di cianuro di potassio (via e), ad esempio, consente di ottenere una serie di benzonitrili variamente sostituiti, i quali hanno importanti applicazioni sia nel settore farmaceutico, che in quello agrochimico.
Recentemente abbiamo messo a punto una reazione a tre componenti, sfruttando l'addizione di un catione arilico su un viniletere (via f) e il successivo attacco del risultante catione-addotto su un alcol, utilizzato come solvente. In questo modo, sono stati preparati vari arilacetali e arilchetali.
Sviluppi futuri
Il nostro interesse per la chimica dei fenil cationi si sta ora concentrando sull'uso di diversi precursori, tra cui una varietà di solfonati aromatici. Inoltre, stiamo portando avanti la ricerca di procedure innovative di sintesi che sfruttino questi intermedi altamente reattivi.
Presentazione sui CATIONI ARILICI
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Processi fotochimici in FLUSSO (FLOW photochemistry)
L'uso di processi fotochimici per applicazioni industriali è molto limitata e queste reazioni difficilmente riescono ad esprimere il loro pieno potenziale sintetico. Con l'obiettivo di sviluppare processi adatti alla realizzazione su larga scala, il nostro laboratorio sta rivedendo e ottimizzando una serie di protocolli di reazione per migliorarne l'impatto ambientale.
Stiamo quindi concentrando la nostra attenzione sull'uso di condizioni a flusso e sulla sostituzione delle sorgenti luminose artificiali (apparati multi-lampada o ad immersione) con luce solare diretta o con un opportuni simulatori. In entrambi i casi, esperimenti preliminari ci hanno permesso di elaborare semplici sintesi di composti ad alto valore aggiunto sulla scala dei grammi.
Sviluppi futuri
Sono in corso test preliminari sull'impiego di fonti luminose a basso consumo elettrico (LED) e sulla progettazione di microreattori fotochimici.
Aspetti applicativi della fotochimica
I processi fotochimici trovano svariate applicazioni oltre alla sintesi organica. Queste interessano campi molto diversi tra loro, a partire da quello tecnologico fino alla biologia. Come riportato di seguito, il nostro gruppo di ricerca è impegnato anche in alcuni di questi.
Preparazione di potenziali FOTOCHEMIOTERAPICI
Un agente chemioterapico deve essere sufficientemente aggressivo per uccidere le cellule tumorali, ma inattivo contro quelle sane. Tra le poche classi chimiche di potenziali agenti chemioterapici, ricordiamo il gruppo degli idrocarburi insaturi, come gli enini-alleni. Questi sistemi polinsaturi a 10 elettroni π subiscono una facile (spesso spontanea) cicloaromatizzazione convertendo due legami σ in un legame π (la cosiddetta ciclizzazione di Myers-Saito) per formare un biradicale α,3-dideidrotoluene (α,3 -DHT, un σ,π-biradicale). Questi radicali sono noti per essere altamente aggressivi e capaci di estrarre atomi di idrogeno dai residui di deossiribosio nel DNA, causando in ultima istanza un danno ossidativo del DNA con conseguente morte cellulare.
Questo approccio, tuttavia, richiede una sintesi multistep di strutture complesse, aspetto che ne limita notevolmente l'applicabilità. Inoltre, la generazione di DHT tramite ciclizzazione di Myers-Saito porta esclusivamente agli isomeri α,3- dei dideidrotolueni. Recentemente abbiamo sviluppato un approccio completamente alternativo, che permette di ottenere gli stessi intermedi reattivi (DHT) tramite l'assorbimento di una grande quantità di energia da parte di un composto stabile facilmente ottenibile, piuttosto che a partire da un precursore instabile ottenuto attraverso una sintesi costosa. La generazione degli α,n-DHT avviene nel nostro caso attraverso due eliminazioni consecutive a partire da un derivato benzilico sostituito (Ar-LG) e prevede la formazione iniziale di un fenil catione. Nei sistemi enini-alleni, la formazione del biradicale è accompagnata dall'aromatizzazione del sistema, mentre il nostro approccio parte da un sistema aromatico e l'energia necessaria per promuovere il processo viene fornita convenientemente tramite irraggiamento. L'adozione di precursori stabili amplia il campo delle strutture accessibili che possono così essere progettate a tavolino; allo stesso tempo, l'attivazione fotochimica consente vantaggi sotto il profilo pratico nell'applicazione della terapia.
Nel nostro schema reattivo, Ar-LG è un composto aromatico avente un buon gruppo uscente (LG) e un frammento CH2EG (con EG come buon gruppo elettrofugo) che reagisce mediante irraggiamento in soluzione. Nella prima fase, la frammentazione dello stato eccitato di tripletto dell'aromatico (3Ar-LG) porta alla formazione di un fenil catione tripletto (3Ar+), che a sua volta perde il gruppo EG per formare l'intermedio α,n-DHT desiderato.
Sviluppi futuri
Al momento, stiamo programmando di sintetizzare differenti precursori di DHT, caratterizzati da differenti gruppi LG ed EG. Allo stesso modo, stiamo esplorando l'effetto di ulteriori gruppi funzionali coniugati con il nucleo aromatico.
Presentazione sui DIDEIDROTOLUENI (DHT)
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PhotoAcid Generators (PAGs) non ionici
Lo studio di nuovi photoresist è di fondamentale importanza in diversi settori applicativi, che vanno dalla micro-elettronica alla fotonica, alla nano-fabbricazione, fino allo sviluppo di sensori. In qualsiasi ambito sia richiesta la realizzazione di micro/nano-strutture su photoresist, prerogative fondamentali sono una risoluzione spaziale elevata combinata ad una elevata sensibilità, unitamente alla possibilità di aggiungere nuove caratteristiche al photoresist.
Da diversi anni siamo impegnati nello studio di possibili fotoiniziatori. È stato dimostrato che l'irraggiamento di opportuni alogenuri, solfonati o fosfati aromatici (ArX) permette un efficiente rilascio (ca.100%) dei corrispondenti acidi forti (HX) quali HCl, acidi solfonici e fosforici attraverso l'eterolisi del legame Ar-X. È così possibile variare in maniera opportuna la forza dell'acido fotogenerato, attraverso una modifica del gruppo X.
Presentazione sui PHOTOACID GENERATORs (PAG)
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