RICERCA ITALIANA     

Attivazione ossidativa di molecole organiche attraverso nuovi processi catalitici e fotocatalitici

Università degli Studi di Pavia

Abstract

Il progetto intende introdurre nuovi metodi sintetici per la chimica fine, che siano meglio compatibili con l’ambiente, basati sull’attivazione selettiva di legami forti in condizioni blande attraverso reazioni fitochimiche o catalisi e fotocatalisi con ossidi e ossometallati. Le reazioni che verranno esplorate comprendono: 1) l’attivazione del legame C-H in alcani, sia per l’ossidazione selettiva con ossigeno molecolare che per reazioni di alchilazione; 2) l’attivazione di legami arilici C-X per reazioni di arilazione; 3) l’ossidazione in condizioni blande di posizioni alliliche o alfa al carbossile e 4) nuove metodi di epossidazione e sulfossidazione. Verranno preparati nuovi materiali con attività catalitica e/o fotocatalitica per eterogeinizzatione del biossido di titanio, di altri ossidi e di poliossometallati su materiali mesoporosi, che siano caratterizzati da maggior chemoselettività e più alto numero di turn-over, evitando perdite di ioni metallici e in attivazione. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Angelo ALBINI Università degli Studi di PAVIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Una delle sfide principali per la chimica contemporanea è lo sviluppo di nuove vie sintetiche che siano più accettabili dal punto di vista ambientale. La chimica ‘verde’ o sostenibile è emersa come una vera e propria disciplina a sé stante, con l’esplicito obiettivo di sviluppare una chimica più sensibile alle conseguenze sull’ambiente. Durante l’ultimo decennio questa disciplina ha in effetti mostrato che si possono sviluppare nuovi metodi che proteggano a salute umana e l’ambiente. L’aspetto più innovativo è la progettazione di nuovi metodi sintetici che partano da materiali di partenza non attivati e facilmente disponibili e portino attraverso una breve sequenza di reazioni a derivati funzionalizzati in condizioni bande, con alta selettività e minimi rifiuti.
C’è stato un notevole progresso in questo senso attraverso l’uso di nuovi catalizzatori. Questi sono complessi dei metalli di transizione che, benché operino con grande selettività ed efficienza, sono spesso instabili, costosi e tossici. Il progetto qui presentato segue una strada diversa, che si basa su reazioni fotochimiche e su alcune classi di reazioni catalitiche, che usano ossidi, spesso su materiali mesoporosi, che sono stabili ed attivi per la catalisi e/o per la fotocatalisi. La luce è certamente un reagente ‘verde’, e c’è un’ampia letteratura sulla fotochimica, ma l’applicazione di reazioni fotochimiche nel contesto della ‘chimica verde’ certamente merita uno studio più esteso. Un argomento che sta emergendo tra le sintesi fotoindotte è quello dei processi fotocatalitici.In questo caso, un catalizzatore assorbe la luce e nella forma eccitata attiva le molecole organiche, tipicamente trasformandole in un intermedio reattivo, come un radicale o no ione. Questi intermedi portano avanti la reazione del materiale di partenza, mentre il catalizzatore torna allo stato fondamentale. La reazione nel suo complesso usa una quantità stechiometrica di fotoni e ovviamente un piccolo quantitativo di catalizzatore. Sebbene l’esplorazione di questo metodo sia cominciata solo di recente, ci sono già indicazioni che l’applicazione sarà di grande estensione e innovazione. Tra questi fotocatalizzatori sono importanti composti inorganici quali alcuni ossidi e poliossoanioni, che hanno anche attività di catalizzatori termici in condizioni differenti. Un’utile maniera di manipolare l’attività catalitica di tali materiali, sia nei processi termici che in quelli fotochimica, è quella di incorporarli in matrici solide. Vi è quindi uno specifico interesse per un lavoro interdisciplinare volto a preparare e caratterizzare nuovi materiali che si possano usare come catalizzatori o fotocatalizzatori, in parallelo allo sviluppo di nuovi processi catalitici/fotocatalitici.
La comprensione di questo fatto motivò la presentazione nel 2002 di un progetto di ricerca dedicato a metodi di sintesi pulita via attivazione ossidativi di substrati organici attraverso nuovi processi catalitici/fotocatalitici. Questo progetto fu finanziato dal Ministero dell’Università.La domanda fu presentata da tre unità di ricerca, ciascuna con un interesse base differente (fotochimica, fotocatalisi e catalisi eterogenea, rispettivamente). Queste unità avevano contatti scientifici anche nell’ambito del gruppo di chimica verde del Consorzio Interuniversitario ‘Chimica per l’ambiente’. La collaborazione interdisciplinare i questo piano di ricerca biennale è stata in effetti fruttuosa, come si può vedere dal rapporto intermedio, ed è ora nella fase finale. I risultati incoraggianti ottenuti e lo sviluppo, nel frattempo,della letteratura sull’argomento, hanno suggerito la presentazione di una domanda che ne sia il seguito.
Come viene illustrato nel piano dettagliato di ricerca, i principali obiettivi sono i seguenti.
Attivazione diretta del legame C-H in alcani, sia per reazioni di ossidazione selettiva, sia per reazioni di alchilazione, principalmente per via fotocatalitica.
Preparazione e caratterizzazione di catalizzatori eterogenei compositi che siano efficaci per l’epossidazione di alcheni che per l’ossidazione controllata di carboni sp3, sia attivati (per via termica) che non attivati (per via fotocatalitica).
Attivazione fotochimica del legame C-alogeno in alogenuri arilici per reazioni di arilazione selettive.
Altre reazioni di ossidazione catalizzate o fotocatalizzate i condizioni blande, in particolare l’ossidazione, eventualmente enantioselettiva di solfuri a solfossidi e l’ossidazione di chetoni tipo Baeyer-Villiger.
Gli specifici obiettivi che i partecipanti intendono raggiunger e l’approccio interdisciplinare che intendono usare sono discussi in dettaglio nel Cap. 2.4. <<<

Risultati parziali attesi

Ci si aspetta che nella prima fase del progetto saranno raggiunti i seguenti obiettivi. La preparazione e caratterizzatione di nuovi fotocatalizzatori in cui il diossido di titanio (eventulamente drogato) o un poliossotungstato siano immobilizzati su un supporto solido. Lo sviluppo di reazioni di funzionalizzazione di alcani, quali l’ossigenazione controllata e l’alchilazione. La preparazione di nuovi catalizzatori su silice mesoporosa o zeoliti che siano attivi nell’ossidazione allilica o benzilica termica. Lo sviluppo di reazioni di arilazione via catione fenilio generato da aril alogenuri con sostituenti elettron donatori.Nella seconda fase i metodi fotocatalitici verranno estesi usando i materiali eterogenei preparati nella fase precedente ed esplorando la bromurazione ossidativa degli alcheni e l’ossidazione selettiva (e stereoselettiva) di solfuri. Saranno sviluppati metodi che applicano la catalisi eterogenea a reazioni termiche di alfa-idrossilazione di acidi carbossilici e all’epossidazione di alcheni con ossigeno molecolare. Verranno sviluppate reazioni di arilazione ionica a partire da precursori diversi dagli alogenuri arilici, nochè per applicazioni intramolecolari. I risultati ottenuti saranno oggetto di note, almeno in parte in collaborazione tra le Unità, che verranno inviate per la pubblicazione. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Uno sviluppo sostenibile si può vere solo se si producono nuovi materiali che non danneggiano l’ambiente e vengono prodotti attraverso metodi che siano rispettosi per l’ambiente, in quanto minimizzano l’uso di risorse e di energia e riducono la contemporanea formazione di rifiuti da smaltire. Di fatto, la domanda continuamente crescente di materiali artificiali per nuove applicazioni è in contrasto con la coscienza sempre più chiara che le risorse disponibili sono limitate e devono essere usate nella maniera migliore, limitando la produzione di rifiuti. Una produzione attenta al risparmio delle risorse è pertanto specialmente importante per uno sviluppo sostenibile (1). Questa è una sfida della massima importanza per la chimica contemporanea. Negli ultimi decenni l’industria chimica ha svolto un grande sforzo per migliorare la compatibilità con l’ambiente dei processi sintetici usati. E’ chiaro che si può – e si deve – far molto migliorando le tecnologie esistenti, ma insieme bisogna anche aprire nuove prospettive esplorando nuove tecnologie. Queste, come indicato da una Commissione IUPAC su vie e processi sintetici nella chimica ‘verde’ (2, 3), devono avvalersi di condizioni che migliorino la selettività e minimizzano i rifiuti co-prodotti, sia durante il procedere vero e proprio della reazione, sia quando i prodotti desiderati vengono separati (2, 4). D’altra parte, una specifica disciplina, la chimica ‘verde’ o sostenibile, è emersa ed ha acquistato uno stato indipendente. Nell’ultimo decennio, questa branca della chimica ha dimostrato che si possono sviluppare nuove metodologie che proteggono la salute umana e l’ambiente (5. Tra i punti chiave sono l’uso di vie sintetiche corte che seguono il principio dell’economia di atomi (6) ed evitano protezioni non necessarie, l’uso di catalizzatori invece che attivatori che si usano in quantità stechiometrica, la ricerca di condizioni delicate. Questo progetto si propone di dare un contributo in questo campo esplorando alcune applicazioni dell’attivazione fotochimica e preparando e caratterizzando nuovi materiali che sono attivi sia come catalizzatori che come fotocatalizzatori.
Per quanto riguarda la fotoattivazione, di recente è stato detto che: ‘tra le tecniche disponibili per la chimica verde, la fotochimica è una delle più trascurate. L’uso della luce come fonte di energia e come agente di un cambiamento chimico può permettere condizioni di reazione veramente delicate ed è certamente una materia prima sostenibili, almeno per alcune decine di milioni di anni a venire’ (7). Diversi libri e messe a punto dimostrano l’uso della fotochimica per sintesi innovative di molecole organiche (8-10), ma questo campo certamente merita un’esplorazione più estesa. Un argomento che sta emergendo all’interno del campo delle sintesi fotoindotte è quello dei processi fotocatalitici (11), nei quali un catalizzatore assorbe la luce e nella forma eccitata attiva una molecola organica, trasformandola in un intermedio reattivo, quale un radicale o uno ione. I fotocatalizzatori più usati soni ossidi inorganici e poliossoanioni, che hanno anche attività catalitica termica. Si sta facendo una approfondita ricerca su catalizzatori eterogenei che contengono metalli di transizione attivi in reazioni di ossidazione (2). Tuttavia, questi materiali rilasciano ioni metallici in soluzione e questo fatto è un problema, insieme all’inefficienza dovuta al difficile accesso ai siti attivi attraverso i micropori (13). Una soluzione è preparare ossidi mesoporosi, avendo cura che la struttura de materiale non collassi quando viene distrutto il templante usato per dar forma ai canali (14).
Per quanto riguarda e reazioni che intendiamo sviluppare, si dà di seguito un riassunto dello stato della ricerca ne campo,
Uno degli obiettivi principali è l’attivazione diretta de legame C-H in alcani. Come è stato detto di recente, ‘un metodo versatile per la funzionalizzazione selettiva degli idrocarburi è ancora fuori portata e risolvere i problemi del meccanismo si è rivelato una sfida molto difficile’ (15). Un’importante parte della ricerca è ideare processi di ossidazone di substrati organici che usino direttamente l’ossigeno molecolare, pur ottenendo la selettività richiesta Qui hanno un ruolo peculiare i processi fotocatalitici, dato che le condizioni impiegate sono molto più delicate, il che permette di ottenere una miglior selettività che nei processi termici. L’attivazione dell’ossigeno molecolare è stata dimostrata e la selettività e l’efficienza della fotocatalisi possono essere migliorate usando sistemi eterogenei organizzati in grado di determinare il microambiente intorno ai siti attivi (16, 17). Ossidi semiconduttori, poiossometallati e metalloporfirine sono stati usati come fotocalizzatori in grado di ossidare substrati organici e contemporaneamente di ridurre l’ossigeno molecolare ad anione superossido, perossido di idrogeno o alchilperossido, specie queste che possono poi partecipare alla ossofuzionalizzazione del substrato organico. Tra questi materiali il diossido di titanio è un fotocatalizzatore di grande interesse per a sua stabilità, il basso costo e la possibilità di usarlo in forma dispersa (18). Queste caratteristiche rendono promettente per la produzione di intermedi d’interesse nella chimica fine e industriale, per esempio per alcoli o chetoni direttamente da alcani e ossigeno, mentre vengono anche condotti studi per rendere aggiustabile la sua attività, ad esempio per drogaggio con vari cationi metallici (19, 20).
I poliossometallati sono buoni modelli degli ossidi semiconduttori e possono partecipare a processi di trasferimento di elettrone senza subire trasformazioni irreversibili. E’ ben noto che questi sali sono in grado di ossidare fotochimicamente vari composti organici, a fino ad ora gli studi si erano concentrati sull’aspetto chimico-fisico e sull’individuazione dei primi intermedi nel processo di ossidazione (21, 22) ed erano state riportate solo poche applicazioni sintetiche (23). Nelle reazioni di ossigenazione, l’efficienza e la selettività di questo fotocatalizzatore può essere migliorata usando sistemi organizzati in cui complessi ferro-porfirinici agiscono da co-catalizzatori (24). Questi materiali possono essere immobilizzati su silice e in effetti si è potuto dimostrare che il decatungstato di tetrabutilammonio su silice mesoporosa è molto efficiente per l’ossidazione selettiva del cicloesano con ossigeno fino al 20% di conversione (25) Anche le zeoliti sono state usate con successo (25). Un aspetto che non dovrebbe essere sottovalutato è che dei complessi ferro-porfirinici si possono usare per costruire sistemi modello delle emoproteine, che mimino enzimi naturali come il citocromo P-450, la perossidasi, la N–O sintetasi per quanto riguarda l’ossidazione degli idrocarburi (27, 28).
Dei catalizzatori eterogenei contenenti metalli di transizione sono attivi anche in reazioni di ossidazione termica. Come è stato detto più sopra, l’introduzione di questi materiali in processi industriali è scarsa, principalmente a causa del rischio di rilascio di ioni metallici durante l’operazione e della difficile estensione del metodo alle reazioni con molecole grandi, che non penetrano nei pori del catalizzatore, impedendo l’attivazione. Questi fatti hanno incoraggiato la ricerca si nuovi materiali macroporosi con un’area superficiale eccezionalmente alta, che meglio si adattano alle molecole di maggiori dimensioni che sono quelle d’interesse in chimica fine. Ad esempio, sono state usate zeoliti contenenti ioni titanio nel loro scheletro e dovrebbe essere possibile preparare ossidi mesoporosi di metalli di transizione (W, Mo, Fe, Pb, Sn e altri), purchè gli agenti tempranti usati per dar forma ai canali e ai pori dei materiali si possa eliminare senza provocare il collasso della struttura. Ciò è stato usato con successo per il diossido di titanio mesoporoso. L’applicazione di questi catalizzatori può essere ancora per l’ossidazione di carboni sp3, sia attivati (derivati allilici o benzilici), sia non attivati. Finora solo poco lavoro è stato svolto sul primo gruppo di composti (ad esempio l’ossidazione selettiva di propilene (29) o toluene (30)). Più lavoro è stato dedicato all’ossidazione di alcani, data la grande disponibilità di questa materia prima a basso costo e l’interesse dei prodotti di ossidazione intermedia (alcoli, chetoni, acidi). Come ossidanti sono stati usati acqua ossigenata, butilidroperossido e ossigeno molecolare e come catalizzatori diverse zeoliti. Nonostante qualche importante successo (31), le rese, la selettività e il numero di turn over rimangono bassi (32). Alcuni di questi materiali sono stati usati per l’epossidazione di olefine. Ad esempio, diossido di titanio supportato su silice è stato usato con successo per l’epossidazione di olefine a basso peso molecolare con alchilidroperossidi, benchè per ora la reazione non si sia potuta estendere all’acqua ossigenata (33).
L’attivazione ossidativa degli alcani non è limitata a reazioni di ossigenazione. E’ stata anche esplorata la formazione di legami C-C per attivazione diretta di legami C-H alifatici. Fotocatalizzatori usati per questo scopo comprendono vapori di mercurio (34), che hanno problemi di selettività e di accettabilità ambientale, e sensibilizzatori organici (35), che di solito richiedono un trattamento del grezzo più complesso. Il diossido di titanio non ha dato buoni risultati in questo campo (35), ma recenti esperimenti mostrano che con poliossometallati si ottiene efficientemente l’alchilazione di alcheni elettrofili a partire da alcani (37), una reazione che si può aggiungere ai pochi esempi precedenti che comportavano l’addizione a monossido di carbonio e a cianoformiati (23).
In realtà, la fotochimica ha la potenzialità di attivare molte funzioni chimiche altrimenti inattive. In parallelo alle alchilazioni viste sopra, si possono considerare arilazioni che si basano sull’attivazione del legame arile-alogeno. E’ ben noto che questi composti reagiscono con enolati con meccanismo SNR solo quando portano sostituenti elettron attrattori, mentre il meccanismo SRN1, potenzialmente più generale, dà spesso sottoprodotti risultanti da reazioni alternative del radicale intermedio (38). Di recente, si è lavorato molto a un aproccio ‘verde’ al problema, usando complessi metallici come catalizzatori (30-40), ma la fotochimica offre una via originale, che evita l’altro prezzo e la bassa stabilità di tali catalizzatori. Infatti, la 4-cloro- e la 4-fluoroanilina subiscono frammentazione fotochimica a dare il catione 4-amminofenilico e questo somma a nucleofili come alcheni, aromatici ed eteroaromatici attraverso un processo che è l’analogo ionico delle reazioni di Meerwein e di Gomberg-Bachmann (41, 42). I risultati ottenuti finora suggeriscono che questo sia un cammino percorribile per una reazione di arilazione generale.
Infine, l’uso della fotocatalisis, eventualmente eterogenea, potrebbe aprire una nuova prospettiva anche per altre reazioni, ad esempio l’ossidazione dei solfuri. Con dialchil solfuri non ingombrati, questa si può ottenere fotochimicamente con ossigeno molecolare (via ossigeno singoletto), ma eseguendo la reazione in zeoliti permette di estendere la reazione a diaril solfuri (43) e inltre l’uso di argille (44) o di catalisi acida (45) aumenta considerevolmente l’applicabilità della reazione. Un’altra possibilità è l’uso di fotosensibilizzatori, che hanno un campo di applicazione ancora diverso (46). <<<