RICERCA ITALIANA     

Sintesi e reattività/attività di sistemi insaturi funzionalizzati. Parte II.

Università degli Studi di Genova

Abstract

In prosecuzione di ricerche già in atto presso le singole Unità di Ricerca (UR) afferenti al presente progetto, lo studio della chimica dei sistemi insaturi attivati, elettron-poveri o elettron-ricchi, rappresenta il fulcro di questo programma. In effetti i sistemi presi in esame forniscono un variegato quadro di reattività atto a consentire, talvolta con metodologie originali innovative e/o a basso impatto ambientale, la sintesi di nuove classi di molecole, spesso polifunzionalizzate e quindi aventi interesse applicativo sia come utili sintoni sia per la loro attività biologica. Principale scopo del progetto è pertanto quello di realizzare la sintesi di building-blocks insaturi che, contenendo più gruppi funzionali tra loro interagenti (ad esempio perché tra loro coniugati), possono prestarsi a numerose applicazioni sintetiche. Al successo delle ricerche in programma, accanto all'esperienza acquisita dalle singole UR negli specifici campi di indagine concorrerà sicuramente la stretta collaborazione tra le varie UR, intesa sia come scambio di conoscenze e competenze, sia come possibilità, offerta a tutti i partecipanti al progetto, di sfruttare le apparecchiature esistenti nelle singole sedi. Tra i sistemi insaturi attivati oggetto di studio (come substrati, intermedi o target finali) possiamo ricordare nitroenammine, dinitrodienammine, nitroalcheni, 2-nitro- e 2,3-dinitro-1,3-butadieni, composti carbonilici, enoni, idrazoni, 1,2-diaza-1,3-butadieni. Tra i composti eterociclici di interesse al progetto possiamo citare isossazoline, isossazoli, pirroli, pirazoli, pirazine, piridazine, triazine, imidazoli, triazoli, ossetani, ossadiazoli, benzofurazani, benzotiadifosfolo, eterocicli contenenti eteroatomi meno comuni come Sb, As, lattami, lattoni ecc..
Aspetti importanti di carattere "trasversale" sono costituiti dall'ottimizzazione delle tecniche preparative, da studi quanto-meccanici sui percorsi di reazione, dall'indagine sulla stereoselettività dei processi, dalla valutazione della possibile attività biologica di alcune delle molecole sintetizzate: valutazione che sarà effettuata tramite collaborazioni già esistenti o di nuova attivazione con centri nazionali e internazionali. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giovanni PETRILLO Università degli Studi di GENOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Questo progetto di ricerca si basa sullo sviluppo di nuove metodologie e di nuovi processi di sintesi attraverso l'impiego di sistemi insaturi attivati, sia elettron-poveri che elettron-ricchi, e sull'applicazione di tali metodologie alla preparazione di target di varia natura. In effetti i sistemi insaturi (poli)funzionalizzati ben si prestano, a causa della presenza di più punti reattivi nella loro molecola, a modificazioni strutturali in grado di fornire nuove molecole organiche che possono avere interesse applicativo sia come sintoni (per ulteriori sviluppi sintetici) sia come prodotti finali dotati di attività biologica e/o farmacologica. Gli obiettivi principali del progetto possono essere riassunti nelle linee di ricerca sottoriportate, descritte ovviamente in maniera più puntuale e dettagliata nei modelli B delle varie UR:
-- sintesi di building-blocks insaturi altamente funzionalizzati;
-- utilizzazione di tali building-blocks per la sintesi di molecole target, sia a catena aperta che di natura ciclica, di interesse applicativo anche dal punto di vista biologico/farmacologico;
-- ottimizzazione dei processi di sintesi ed individuazione di processi originali e innovativi, anche con l'ausilio di previsioni basate su calcoli quanto-meccanici ed ab-initio; studi sulla stereoselettività delle reazioni impiegate; analisi strutturale dei composti utilizzati (substrati, intermedi, prodotti).
Lo sforzo comune che sarà rivolto al raggiungimento degli obiettivi prefissi, garantito dalla complementarità tra gli interessi culturali e le competenze proprie della varie UR, sarà la base per uno sviluppo più efficiente del programma e certamente consentirà l'ottenimento di risultati più "importanti" rispetto a quelli che ogni UR potrebbe realizzare da sola, mettendo a frutto quelle sinergie che sono lo scopo che deve prefiggersi un progetto di ricerca interuniversitario. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati attesi dalla Fase 1 sono principalmente pubblicazioni (articoli e/o rassegne sui temi di ricerca affrontati) e comunicazioni a Congressi, il cui contenuto potrà essere giudicato dalla comunità scientifica oltre che, ovviamente, dal Collegio dei Garanti e dagli Esperti Revisori. Al termine della prima fase verrà organizzato un Meeting delle cinque Unità per la presentazione e discussione dei risultati ottenuti, la verifica dell'efficacia delle collaborazioni in atto e degli scambi di competenze auspicati, e la preparazione del previsto rendiconto scientifico e amministrativo.Come suggerito nella Fase 1, anche per la Fase 2 i risultati attesi sono pubblicazioni (articoli e/o rassegne) su riviste internazionali, comunicazioni a Congressi e Convegni nazionali e internazionali. I risultati ottenuti saranno valutati dal Collegio dei Garanti e dagli Esperti Revisori nonché dai membri della comunità scientifica internazionale.
Analogamente a quanto previsto al termine della prima fase, anche alla conclusione della Fase 2 verrà organizzato un Meeting delle cinque UR afferenti al Progetto per la verifica e la valutazione dei risultati e per predisporre il rendiconto scientifico ed amministrativo finale. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il legame multiplo, sia in sistemi lineari che in sistemi ciclici alifatici o aromatici, rappresenta un pilastro di fondamentale importanza nella sintesi organica [1]. La partecipazione di eteroatomi al legame multiplo, la loro presenza in una posizione adiacente o l'opportuna attivazione mediante sostituenti in posizione ad esso coniugata ne influenzano notevolmente la reattività e rendono disponibili alla sintesi sia sistemi elettron-ricchi che elettron-poveri, ampliando enormemente il panorama applicativo.

La disidratazione di beta-nitroalcoli derivanti da reazioni nitroaldoliche (reazioni di Henry) [2] è la più classica tra le vie di accesso ai nitroalcheni [3]. In tale ambito, l'UR di Camerino ha messo a punto una serie di nuove metodologie di sintesi di beta-nitroalcoli in fase eterogenea [4] e, in alternativa, processi di tipo Henry in fase acquosa, consentendo quindi di evitare l'impiego di solventi organici con ovvi vantaggi di tipo ambientale [5]. Più recentemente è stata realizzata una sintesi one-pot di nitroalcheni, senza la necessità di isolare i nitroalcoli intermedi [6]. Un interessante aspetto della reattività delle nitroolefine è rappresentato dalla addizione di sistemi nucleofili, che porta alla formazione di nitroalcani funzionalizzati [7]: tale processo può essere accoppiato alla trasformazione del nitro gruppo in gruppo carbonilico (reazione di Nef) [8]. Va infine ricordato che il carattere fortemente elettron-attrattore del nitrogruppo rende i nitroalcheni degli ottimi sistemi dienofili in reazioni di cicloaddizione [9].

La sintesi e la reattività/attività di nitro- e dinitro-butadieni polifunzionalizzati ottenibili tramite una iniziale apertura d'anello di nitrotiofeni con ammine alifatiche, rappresentano un campo di ricerca sviluppato con successo in anni recenti dall'UR di Genova, anche in collaborazione con l'Università di Bologna [10]. In questo ambito, l'1,4-bis(dietilammino)-2,3-dinitro-1,3-butadiene (ottenibile tramite apertura d'anello del 3,4-dinitrotiofene con dietilammina e caratterizzato da due funzioni nitroenamminiche coniugate), è stato trasformato in diversi interessanti building-blocks e/o molecole target alifatiche o aromatiche; sono stati ad esempio sintetizzati 1-nitro-1-(1-nitrovinil)ciclopropani e 1,1'-bis(nitrociclopropani) [10d], e questi ultimi sono stati più recentemente a loro volta trasformati, in tre passaggi ed alte rese complessive, in bis(isossazoli) [11]. Sono state sintetizzate anche pirroline e pirroli polisostituiti [12]. Studi effettuati in collaborazione con l'IST (Istituto Scientifico Tumori, Genova) e con l'EORTC (European Organization for Research and Treatment of Cancer) indicano, per alcuni degli intermedi sintetizzati, una interessante attività citotossica in vitro e in vivo su varie linee tumorali umane [13]. Una linea di ricerca parallela riguarda la sintesi e le applicazioni di sistemi 1-pirrolidino- e 1-aril-, 2-nitro- e 4-nitro-1,3-butadienici, ottenibili tramite una iniziale reazione di apertura d'anello di alfa- e beta-nitrotiofeni [10a,b] e contenenti interessanti funzionalità quali quelle nitroenamminica, nitrovinilica, cheteneditioacetalica, solfonildienica, così come sistemi vinilici captodativi. L'apertura d'anello di beta-nitrotiofeni è stata estesa con successo anche al 3-nitrobenzo[b]tiofene, come primo stadio di un complessivo processo di ring-enlargement che conduce alla formazione di derivati tiocromanici [10a].

Per quanto concerne i derivati insaturi azotati, sono particolarmente utili in sintesi organica gli 1,2-diaza-1,3-butadieni ("azoalcheni coniugati"), ottenibili per trattamento con basi dei corrispondenti idrazoni (UR di Modena e Reggio Emilia, in collaborazione con l'Università di Urbino). Rispetto ai sistemi omodienici coniugati, gli 1,2-diaza-1,3-butadieni manifestano, grazie all'effetto elettron-attrattore del gruppo diaza, una regioselettività straordinariamente esaltata dell'attacco nucleofilo sul carbonio terminale del sistema eterodienico. Se il nucleofilo possiede un leaving group è possibile ottenere, per eliminazione dello stesso, idrazoni funzionalizzati alfa,beta-insaturi. I summenzionati idrazoni sono, inoltre, in grado di fornire altri derivati aciclici (bis-idrazoni, azine, chetoidrazoni, idrossidrazoni) e ciclici (pirroli, pirazoli, imidazoli, tiazoli, selenazoli, 1,2,3-tiadiazoli, 1,2,3-selenadiazoli, piridazine, pirazine, 1,2,4-triazine ed eterocicli misti) [14].

Molti composti bioattivi con unità 2,5-furandioniche disostituite (acido bissoclamico, tautomicina, anidride chetomellica A, tiromicina A) sono stati isolati da fonti naturali. Partendo dall'anidride maleica variamente funzionalizzata si possono sintetizzare queste ed altre molecole naturali come l'acido roccellico, gli acidi paraconici, e vari metaboliti butenolidici. Una nuova e promettente via per la preparazione dei nuclei 2,5-furandionici è la Ciclizzazione Radicalica a Trasferimento di Alogeno (HTRC) di N-allil-alfa-percloroammidi seguita dal riarrangiamento funzionale, in alcoolato alcalino, del 2-pirrolidinone intermedio [15]. La costruzione di eterocicli monoazotati pentatomici con reazioni di ciclizzazione radicalica è stata effettuata sia a mezzo di una ciclizzazione riduttiva di alogenuri insaturi, mediata da trialchilstagnoidruri [16], sia per trattamento di N-allil-alfa-peralogenoammidi con catalizzatori redox. Recentemente è stato trovato (UR di Modena e Reggio Emilia) che trattando gamma-lattami clorurati in C3 e C6, prodotti dalla HTRC di N-allil-alfa-percloroammidi [17], con metilato in metanolo si ottengono selettivamente e con rese elevate i corrispondenti 5-metossi- o 5,5-dimetossi-4-metil-3-pirrolin-2-oni.
Anche l'anello gamma-lattonico, variamente funzionalizzato, è largamente diffuso in natura in molti composti con significative proprietà biologiche e correlabili strutturalmente con l'acido paraconico [18], ossia l'acido tetraidro-5-oxo-3-furancarbossilico. Relativamente meno frequente in natura è invece il nucleo gamma-lattamico, presente tuttavia in composti con straordinarie proprietà biologiche, come la lattacistina, e in altri già utilizzati in medicina come psicotropi o antimuscarinici. La sintesi degli acidi paraconici e di loro aza-analoghi volta alla determinazione della loro attività e/o tossicità biologica rappresenta quindi un settore di ricerca particolarmente nuovo e interessante. Per di più, l'idrolisi dell'anello lattamico consente la produzione di analoghi dell'acido gamma-amminobutirrico (GABA) [19], un neurotrasmettitore inibitore del sistema nervoso centrale dei mammiferi. GABA-Analoghi sono oggetto di intensa ricerca da parte di diversi gruppi scientifici, specialmente nel quadro delle sintesi di composti enantiomericamente e/o diastereomericamente puri ottenibili per apertura dell'anello gamma-lattamico [20]. Risultati preliminari hanno permesso di evidenziare la reattività di litio e zinco enolati di gamma-lattoni con nitroolefine, e i prodotti di alfa-nitroalchilazione che ne risultano sono stati sottoposti a riduzione per ottenere le corrispondenti alchilammine: queste ultime generano, in seguito ad attacco intramolecolare dell'ammino gruppo sul carbonile lattonico e conseguente apertura del lattone stesso, gamma-lattami diastereomericamente puri. Nell'ottica dell'utilizzo di nitroalcheni coniugati come reattivi verso gli stessi zinco enolati di gamma-lattoni, è di particolare interesse il sistema nitroenamminico, variamente funzionalizzato: la reattività di tali sistemi con nucleofili del carbonio carbociclico ed eterociclico è stata solo in tempi relativamente recenti oggetto di studio, in particolare, per ciò che riguarda l'ottenimento di prodotti otticamente attivi [21].

Nell'ambito del vasto pool di eterocicli aromatici pentatomici, gli 1,2,4-ossadiazoli si sono rivelati (UR di Genova, in collaborazione con le Università di Bologna e Palermo) particolarmente proni a reazioni di interconversione di anello [22] a causa della presenza di un legame ossigeno-azoto con caratteristiche di legame semplice e quindi suscettibile di rottura per attacco nucleofilo. Utilizzando opportune catene laterali, la reazione di Boulton-Katritzky consente di sintetizzare una vasta gamma di derivati eterociclici pentatomici: 1,2,3- e 1,2,4-triazoli, pirazoli, pirazoline, 1,2,4- e 1,2,5-ossadiazoli ecc. [22]. Lo studio cinetico e le applicazioni sintetiche delle trasposizioni monocicliche di eterocicli hanno fornito una mole di informazioni su tali reazioni [22,23] che, utilizzando previsioni basate sulla conoscenza degli indici di aromaticità [24] e valutazioni di tipo quanto-meccanico [25], possono aprire la via ad applicazioni sintetiche innovative.
Lo studio dell'attività cardioregolatrice di una serie di 8-aril-8-idrossi-8H-[1,4]tiazino[3,4-c]1,2,4-ossadiazol-3-oni e dei corrispondenti acetali a differente struttura (lineare satura ed insatura, ramificata, ciclica, ecc.) ha consentito, in collaborazione con il Prof. G. Cruciani (Università di Perugia) ed usando tecniche di molecular modeling (GRIND), di formulare una ipotesi 3D-farmacoforica sulla struttura del sito attivo.

Un tema di ricerca recentemente intrapreso dall'UR di Genova riguarda i derivati benzofurazanici utilizzati in analisi chimico-cliniche come derivatizzanti fluorogenici per la determinazione quantitativa dei tioli (ad es., omocisteina, cisteina, glutatione) e dei corrispondenti disolfuri nei liquidi biologici. I reagenti fluorogenici oggi utilizzati sono alcuni derivati fluorurati del benzofurazano [26] il cui impiego nella derivatizzazione del campione biologico richiede condizioni tali da provocare facilmente l'ossidazione dei tioli a disolfuri, senza che esista un metodo veramente efficace [27] per la successiva necessaria riduzione quantitativa dei disolfuri stessi. Un approccio per la soluzione di questo problema può consistere nell'impiego di agenti derivatizzanti più reattivi, tali da consentire l'uso di condizioni di reazione più blande, ma parimenti dotati degli appropriati requisiti di fluorogenicità e selettività. Parallelamente, è di sicuro interesse l'individuazione di riducenti più efficienti nelle blande condizioni di analisi adottate.

Negli ultimi anni la chimica organica del fosforo ha ricevuto molta attenzione, non solo per le numerose applicazioni di derivati organici del fosforo ma anche perchè alcuni di questi sono diventati reagenti di grande utilità nella sintesi organica [28]. Inoltre la ricerca di nuove sintesi di fosfine cicliche o altri derivati del fosforo ha un enorme interesse dato il loro ampio uso nella catalisi omogenea o come leganti nella chimica di coordinazione. Le sintesi finora riportate in letteratura richiedono diversi stadi usando come reagenti di partenza alogeno fosfine (RPCl2), fosfine dimetallate (RPMet2) o fosfine primarie (RPH2) altamente piroforiche. Alcuni anni fa, nell'ambito dell'attività dell'UR di Bologna, la reazione fra il tioanisolo, fosforo tricloruro e alluminio tricloruro ha condotto alla inattesa formazione di un nuovo sistema eterociclico ad anelli condensati, l'1,2,3-benzotiadifosfolo (I). Tale composto, molto stabile all'aria anche per anni e la cui sintesi è stata ottimizzata nel corso di studi successivi, si è dimostrato un ottimo reagente donatore di fosforo, permettendo di mettere a punto un metodo generale di sintesi mono-stadio di fosfine cicliche con aggiunta simultanea di tre reagenti. La reazione procede a temperatura ambiente per simultanea aggiunta dei tre reagenti: il reagente (I), un bis-Grignard BrMg(CH2)nMgBr e un mono-Grignard RMgBr. Dopo l'aggiunta del bis Grignard a (I), nel secondo stadio si può aggiugere un alcolato, RONa, per ottenere il corrispondente derivato etereo al fosforo (fosfito). Al termine della reazione, si ottengono fosfine cicliche 1-sostituite o i corrispondenti solfuri aggiungendo acqua o zolfo, rispettivamente. Con la stessa semplice metodologia dovrebbe essere possibile sintetizzare altri eterocicli condensati contenenti eteroatomi come Sb, As o altri, di cui sembra interessante valutare la attivita biologica, così come composti eterociclici saturi od insaturi di cui è gia nota la importanza per l'attività biologica, come indoli, pirroli, pirazoloni, diazepine, fenazine [29].

La reazione di Paternò-Büchi [30] è una fotocicloaddizione tra un composto carbonilico ed un alchene, la cui importanza è testimoniata da una gran mole di articoli e reviews sulle possibili applicazioni sintetiche [31]: gli ossetani che si formano possono avere una grande importanza nello sviluppo di composti con interessanti proprietà biologiche [32-35]. La reazione è stata applicata a derivati furanici [36,37] ma i motivi della regio- e della stereo-selettività non sono stati definitivamente chiariti. Utilizzando furani sostituiti, in alcuni casi si ha addizione sul lato sostituito della molecola, in altri il composto carbonilico si addiziona sul lato meno sostituito [38-40]. Per spiegare la formazione stereoselettiva dell'isomero eso nella posizione 6 del prodotto di addizione è stato invocato l'accoppiamento spin-orbita [41]. Diastereoselettività è stata osservata utilizzando fenil gliossilati chirali [42], ed i risultati raccolti sono stati spiegati assumendo che la diastereoselezione venga prodotta a due livelli: 1) formazione preferenziale di un intermedio 1,4-biradicalico diastereoisomerico e 2) retrocleavage preferenziale ai reagenti dell'intermedio diastereoisomerico energeticamente sfavorito [43]. Successivamente, Adam ha mostrato che alcol allilici reagiscono con benzofenone per dare gli addotti con un'alta regio- e diastereo-selettività [44]. Ciò è in accordo con la presenza di un effetto direzionale da parte dell'ossidrile nella reazione di Paternò-Büchi. Lo stereoisomero treo può essere favorito dalla formazione di un legame idrogeno fra il benzofenone tripletto eccitato ed il substrato in un exciplex, mentre la formazione dello stereoisomero eritro sarebbe meno favorita a causa di un fenomeno di impedimento sterico allilico. Si è osservato, però (UR della Basilicata), che, quando il substrato è l'alcol 1-(2-furil)benzilico, si ottiene un solo diastereoisomero [45]. La diastereoselettività osservata nella reazione con composti carbonilici aromatici mostra chiaramente che questa aumenta in relazione alla natura dei sostituenti sul carbonio che porta la funzione alcolica così come descritto da Adam: tuttavia, mentre Adam considera che la driving force per indurre diastereoselettività dipenda dall'allylic strain indotto da un gruppo metilico, l'assenza, in questo caso, di tale gruppo indica chiaramente la non correttezza della sua ipotesi e, pertanto, la necessità di un diverso approccio al problema [46].

Uno dei metodi più comuni per ottenere derivati azotati consiste nella reazione di addizione di sistemi nucleofili alle immine o loro derivati [47]. Questa procedura risulta però di difficile attuazione quando vengono utilizzate immine ottenute da aldeidi alifatiche a causa di reazioni di enolizzazione che competono con il processo di addizione nucleofila. Per questo motivo sono stati sviluppati diversi sistemi che, pur possedendo una reattività analoga o addirittura superiore a quella delle immine, possono reagire in maniera efficiente con sistemi nucleofili di diversa forza. Le N-acilimmine manifestano una reattività superiore rispetto alle N-alchilimmine nei confronti di sistemi nucleofili [48]. A causa della loro elevata reattività esse vengono spesso preparate a partire da precursori stabili come gli alfa-ammidoalchilfenil solfoni [49] e fatte immediatamente reagire con reagenti nucleofili quali sistemi organometallici [50] e carbanioni stabilizzati come quelli derivanti da nitroalcani, beta-dicarbonili, esteri, nitrili [51,52] (UR di Camerino). I prodotti di queste reazioni sono generalmente derivati azotati N-protetti come alfa e beta-ammino acidi, ammine funzionalizzate e altri composti biologicamente attivi. <<<