RICERCA ITALIANA     

Ingegnerizzazione e sviluppo di catalizzatori molecolari o nanostrutturati e strategie sintetiche sostenibili (alta selettività e resa) per la produzione di sistemi molecolari complessi da unità semplici ed eco-compatibili.

Università degli Studi di Bari

Abstract

Questo Progetto mira a sviluppare nuove metodologie sintetiche per la produzione di molecole complesse multifunzionali attualmente prodotte con tecnologie che non rispondono ai principi della sostenibilità.
Le nuove sintesi dovranno: evitare l'uso di prodotti tossici (fosgene, HCN, altri), ridurre l'uso di solventi organici (eliminando i solventi clorurati), introdurre il concetto di solvente-reagente che semplifica il sistema reattivo, operare alla temperatura più bassa possibile per risparmiare energia, essere guidate da catalizzatori di nuova concezione, molecolari o nano-strutturati, che siano in grado di organizzare la reazione in sequenza di diversi substrati. Il risultato atteso è un'alta resa e selettività nelle sintesi selezionate, con riduzione dell'impatto ambientale, e produzione di maggiori benefici per l'Industria Chimica o Farmaceutica.
Le molecole-obiettivo sono intermedi o prodotti della Chimica Fine o dell'Industria Farmaceutica. Esse sono state selezionate tra quelle che già hanno un mercato ampio, ed in espansione a causa dei nuovi usi dei prodotti, e richiedono l'innovazione della tecnologia sintetica perchè quella in uso ha forti costrizioni ambientali poichè usa prodotti tossici (come il fosgene, già messo al bando in diversi Paesi, o HCN) o produce grosse quantità di rifiuti tossici.
Gli obiettivi primari del Progetto convergono verso lo sviluppo di sintesi che:
* non usino fosgene nella sintesi di carbonati e carbammati organici, isocianati ed uree;
* usino metodologie dirette nella sintesi di molecole complesse multifunzionali come i lattoni, lattami, eterocicli ossigenati o azotati, o i sistemi multi-arenici (bi- e tri-fenili) con sostituenti che conferiscono particolari proprietà;
• producano acidi acrilici da olefine e CO2 o mediante altre tecnologie a basso impatto;
* generino carbossilati organici per carbossilazione diretta di substrati in condizioni blande;
* convertano in un solo reattore nitrobenzeni in alchilanilina usando il solvente come reagente;
* dealogenino polialogenati organici a dare sistemi aromatici o totalmente idrogenati.
Il Progetto promuoverà anche studi fondamentali a supporto della catalisi applicata.
I Partner del Progetto utilizzeranno metodologie e tecnologie avanzate. Studi teorici saranno a supporto di quelli sperimentali per avere una migliore caratterizzazione dei sistemi reattivi in termini di meccanismi di reazione e conoscenza degli atti reattivi.
Tecniche avanzate (autoclavi per micro-test per analisi veloci multiparametriche, uso di fluidi supercritici come solventi e reagenti, uso di liquidi ionici come solventi) renderanno spedita la ricerca ed approcci innovativi (scienza combinatoriale, ingegnerizzazione di catalizzatori, modellizzazione di reazioni, studi spettroscopiciin modalità “OPERANDO”) consentiranno una scelta oculata tra le possibili soluzioni sintetiche.
I catalizzatori ed i prodotti saranno sintetizzati e caratterizzati usando tecniche spettroscopiche avanzate (NMR multinucleare, NMR stato solido, raggi-X, XPS, tra le altre). Sarà valutata la cinetica nelle condizioni di reazione (FTIR accoppiato con fibre ottiche che operano a 470 K e 30 MPa o NMR sotto pressione) che consentiranno di raccogliere preziose informazioni sull'andamento delle reazioni e, eventualmente, di caratterizzare intermedi.
• Questo Progetto opererà in stretto collegamento con due Progetti Europei del VI Programma Quadro: il Progetto Integrato IP "TOPCOMBI: Towards optimized chemical processes and new materials by combinatorial science", e il Progetto ERANET “ACENET-Applied Catalysis" che costituiranno un'interessante opzione formativa per i giovani e saranno uno stimolante e qualificato forum di discussione con grande beneficio per l'intero Progetto. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Michele Aresta Università degli Studi di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

La pressione esercitata sull' Industria Chimica mondiale a produrre sostanze rispettando i principi del Protocollo di Kyoto [1] e la Politica Comunitaria per l'Industria Chimica e per la protezione della salute umana [2] ha prodotto una richiesta urgente di sviluppo di processi di sintesi alternative. I nuovi metodi di catalisi (che assicura oltre l'80% della produzione chimica attuale) sono basati sui punti chiave elencati di seguito:
- Sviluppo di nuovi ed efficienti catalizzatori caratterizzati da eccellente selettività e lungo tempo di vita;
- Utilizzazione di nuovi mezzi di reazione, alternativi ai solventi convenzionali, con l'eliminazione totale di solventi clorurati;
- Nuove metodologie sintetiche caratterizzate da basso utilizzo di carbonio;
- Sostituzione di composti tossici con altri meno pericolosi;
- Riduzione dei costi di produzione minimizzando la quantità dei materiali impiegati e di energia, realizzando sintesi dirette e a singolo stadio.
L'adozione di tali concetti può contribuire a generare processi sintetici più efficienti caratterizzati da rese più elevate, con la minimizzazine della produzione di scarti realizzando, quindi, processi più sicuri. Questo implica sia il ripensamento delle metodologie sintetiche sia la verifica di nuove reazioni e lo scale-up delle idee più valide.
E' necessario sviluppare, quindi, nuove strategie, la cui efficienza deve essere governata a vari livelli:
- efficienza di atomi che si realizza attraverso l’attivazione e la reazione "intelligenti" di substrati, migliorando l'efficienza del catalizzatore;
- efficienza energetica, favorendo i processi a bassa temperatura;
- riduzione del costo attraverso
o l'aumento della efficacia di reazione (più alta selettività, costi ridotti di separazione, meno spreco),
o la riduzione di investimento di capitali (processi condotti in condizioni blande con composti meno pericolosi e reattori di nuova concezione) e
o un più ridotto costo di produzione (flessibilità dell'impianto);
- diversificazione di materie prime, con maggiore uso delle materie prime secondarie.
In conseguenza del cambiamento nella produzione, le industrie produrranno a costi più bassi e saranno incoraggiate ad investire nella ricerca, i mercati saranno più dinamici, gli utilizzatori finali avranno prodotti migliori e meno costosi.
Per rendere operativi i concetti descritti precedentemente, i Partners di questo Progetto puntano a sviluppare nuove strategie sintetiche basate su:
- Sviluppo di nuovi catalizzatori molecolari o nano-strutturati, ispirati agli enzimi, che siano in grado di guidare una sequenza ordinata di attivazione-reazione, selezionando substrati per "riconoscimento" e combinandoli nel corretto di ordine;
- Innovazione dei processi, attraverso la sostituzione dei solventi organici convenzionali con fluidi supercritici o liquidi ionici o una combinazione degli ultimi due;
- Sviluppo del nuovo concetto "solvente-reagente", per semplificare i sistemi reattivi;
- Nuove sintesi che non usino composti tossici e siano basate sull'uso di materiali facilmente disponibili e a basso costo;
- Reazioni "one-pot" con una sequenza di reazione ben specificata e governata dal catalizzatore;
- Riciclo del carbonio e conversione dei sottoprodotti o degli scarti in prodotti chimici utili.
Tali concetti saranno applicati alla sintesi di un certo numero di composti-target selezionati dai Partners sulla base dei bisogni di mercato Nazionali Europei ed Internazionali.
Essi sono:
- carbonati organici, carbammati, isocianati e carbossilati;
- prodotti organici per l'industria farmaceutica, come composti eterociclici contenenti O,N eteroatomi;
- lattoni e lattami che portino sostituenti che possono conferire speciali proprietà;
- acidi acrilici e loro derivati preparati dall'accoppiamento diretto di olefine e CO2 o mediante altre tecnologie a basso impatto;
- alchilaniline preparate per riduzione diretta di nitrobenzeni in alcoli;
- cicloesani ottenuti per dealogenazione di polialobenzeni;
- prodotti organici otticamente attivi per applicazioni speciali.
Le nuove sintesi saranno studiate unendo studi teorici di calcolo e sperimentali. Tale integrazione permetterà di identificare gli stati di transizione e la loro energia, il che contribuirà a progettare catalizzatori efficaci. Per quanto possibile saranno usate tecniche spettroscopiche in soluzione nelle "condizioni-catalitiche" per identificare gli intermedi per un cross-check dei dati teorici. Gli intermedi stabili saranno isolati e caratterizzati. I nuovi catalizzatori saranno sintetizzati e caratterizzati anche durante il loro uso, per quanto possibile. Essi saranno modulati da interazioni forti (con i leganti) o deboli (con il solvente o altri agenti secondari o sopramoleculari). Lo sviluppo corretto di questo Progetto richiede la complementarietà e la competenza qualificata dei cinque Partners:
- per la sintesi di sistemi metallici (solubili in solventi organici o in CO2 supercritico o in liquidi ionici, o intercalati o ancorati alle matrici polimeriche idrofile) e la loro caratterizzazione in soluzione o allo stato solido;
- per la modulazione della loro attività attraverso i leganti;
- per lo studio sulla cinetica e del meccanismo di reazione anche sotto alta pressione;
- per la caratterizzazione degli intermedi.
I Partners usano lo stesso approccio metodologico e mettono a disposizione del Progetto i propri laboratori sostenuti anche dalle collaborazioni che hanno a livello Europeo ed Internazionale. I Partners del progetto hanno competenze specifiche che saranno integrate nel Progetto. Essi adotteranno strategie sintetiche complementari per la sintesi dei prodotti-obiettivo selezionati, in mdo che il progetto produca protocolli diversi che possano essere confrontati per il loro costo e la loro efficienza. Il metodo integrato porterà alla definizione "di un protocollo per una strategia per la sintesi selettiva di un prodotto", che è l'obiettivo ultimo di questo progetto.
I Partners utilizzeranno nella ricerca tecniche avanzate. Saranno anche promossi confronti tra i ricercatori delle istituzioni partners per far sì che le conoscenze sviluppate durante il Progetto siano di uso comune, promuovendo lo sviluppo ad elevati livelli.
Inoltre, questo progetto interagirà e coopererà con il progetto UE FP6: "TOPCOMBI-Towards Optimized Chemical Processes and New Materials by Combinatorial Science"; e con il Progetto FP6 "ACENET-Applied Catalysis" di cui il coordinatore di questo Progetto è Partner.
Ciò renderà disponibili a tutti i Partners di questo progetto:
- i servizi tecnologici altamente innovativi della UE per
- promuovere le scienze chimiche;
- sviluppare professionalità a livello elevato per l'Università Nazionale ed Europea e per l'Industria;
- stabilire un sistema comune dei riferimenti scientifici;
- promuovere giovani ricercatori nella scienza.
I nuovi concetti sviluppati in questo Progetto saranno diffusi attraverso i vari congressi internazionali e nazionali, seminari, pubblicazioni su giornali internazionali, riunioni scientifiche, corsi avanzati per PhD. I Partners di questo progetto collaborano da diverso tempo ed hanno raggiunto risultati eccellenti come evidenziato dalla Comunità Scientifica Internazionale, dai molti inviti come oratori a conferenze internazionali e da parte delle istituzioni scientifiche internazionali.
Un obiettivo chiave del Progetto è la alta formazione di giovani (PhD e Post-Doc) che saranno inseriti in un contesto internazionale. Una parte significativa del budget è destinata alla formazione. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La ricerca in catalisi deve trovare soluzioni che consentano l'innovazione della produzione dell'industria chimica sì da renderla sostenibile. Questo richiede un governo totale della complessità di processo o di prodotto, introducendo nella pratica i principi della sostenibilità. L'approcio innovativo deve essere integrato a livello della metodologia sintetica, dell'uso di reagenti, dei catalizzatori e dei mezzi di reazione con l'intento di avvicinare i caratteri della "catalisi enzimatica". Questo approccio innovativo globale richiede la combinazione di diverse conoscenze ed uno scambio di esperienze che rinforzi il potenziale di ciascun Partner del Progetto.
I Partners di questo Progetto collaborano da circa dieci anni in Programmi Internazionali ed hanno conseguito risultati molto positivi in Progetti Nazionali realizzati sulla base dei principi europei. L'obiettivo di questo Progetto è la "definizione di una strategia sintetica che possa consentire di gestire la complessità di prodotto o processo nella sintesi di prodotti molecolari a funzionalità multiple".
Le specie selezionate come obiettivo di sintesi sono:
• Carbonati organici, carbammati, uree, isocianati e carbossilati.
• Prodotti dell'industria farmaceutica, ossia eterocicli contenenti O,N.
• Lattoni e lattami che hanno sostituenti che conferiscono proprietà speciali.
• Acidi acrilici preparati da olefine e CO2 o mediante altre tecnologie a basso impatto.
• Alchilaniline preparate per riduzione di nitrobenzeni in alcol.
• Cicloesani ottenuti per dealogenazione riduttiva di alogenobenzeni.
• Bifenili, terfenili e congeneri.
• Composti organici otticamente attivi per applicazioni speciali.
Queste classi di composti hanno un mercato in espansione a causa delle nuove applicazioni come sintoni o per fine chemicals o per prodotti faramaceutici. I processi esistenti non sono in grado di produrre le quantità richieste dal mercato a causa delle restrizioni di ordine ambientale poste al diffondersi dei processi di produzione.
Pertanto, è necessario ripensare le sintesi, sviluppando tecnologie sostenibili, cercando di trovare un approccio flessibile ed adattabile a più casi di applicazione. In particolare, è necessario che le nuove sintesi non utilizzino le sostanze tossiche (fosgene, HCN, dimetilsolfati, e congeneri) oggi usate, non siano distruttive e siano tutte convergenti verso l'uso di una classe di catalizzatori e tipologia di processo, minimizzando sia l'energia utilizzata che la produzione di rifiuti. Merita attenzione il fatto che molte delle sintesi oggi usate non sono catalitiche, ed usano sostanze tossiche. Infatti:
• i carbonati, carbammati, uree, isocianati sono ottenuti da fosgene[3], messo al bando in molti Paesi, cosa che ha provocato di recente la chiusura di un grosso impianto anche in Italia (Brindisi).
• I carbossilati sono preparati per ossidazione di idrocarburi, [4] o utilizzando cianuri, [5] il che comporta un'efficienza in atomi del 50-60%.
• Gli acidi acrilici sono prodotti per vie a bassa resa e selettività e l'acido metacrilico si ottiene per cianazione dell'acetone. [6]
• I lattoni ed i lattami sono preparati attraverso lunghe procedure con elevata produzione di scarti. [7]
• Le alchilaniline sono ottenute per alchilazione dell'anilina, in bassa selettività ed uso, sovente, di prodotti tossici come metilioduro e dimetilsolfato (solo recentemente si è passati all'uso di dimetilcarbonato che, però, presenta problemi legati alla sua sintesi).
• I composti alogenati alifatici ed aromatici sono inquinanti comuni difficili da detossificare che richiedono tecnologie innovative in quanto la ossidazione porta alla produzione di sostanze molto tossiche.
• Determinate classi di composti otticamente attivi sono ottenute con bassa resa.
Pertanto, esiste un grande interesse nella comunità internazionale a scoprire nuove metodologie sintetiche che rispondano ai caratteri della sostenibilità. E' opportuno rilevare che i composti target elencati sopra sono specie che hanno diverse funzioni e che oggi richiedono sintesi multi-step per la produzione. Usando i catalizzatori appropriati, questi stadi possono essere governati e succedersi in modo da gestire l'attivazione-reazione dei substrati in un ordine ben definito che porta alla realizzazione di sintesi ad alta selettività e resa. Ne deriva che le nuove sintesi non possono essere una semplice ottimizzazione di quelle esistenti, piuttosto devono essere basate sui nuovi principi della sostenibilità, rispondendo ai requisiti della economia di atomi, della riduzione della produzione di rifiuti, del risparmio energetico e della ecoefficinza. Per realizzare questo progetto di gestione della complessità dei sistemi reattivi, bisogna ingegnerizzare i catalizzatori sintetizzando degli agenti "organizzatori" delle sequenze reattive, che siano caratterizzati da elevata chemio-, regio-, stereo-selettività. I catalizzatori "Nature inspired" o i "nano-materiali" sono i candidati più idonei a svolgere questi compiti di organizzazione ordinata di reazione dei substrati: il centro attivo deve avere proprietà simili a quelle di un enzima, sì da assicurare elevata selettività e resa. Le proprietà del catalizzatore possono essere regolate da interazioni forti (attraverso i leganti) o deboli (attraverso i solventi o le interazioni secondarie o supra-molecolari).
L'organizzatore deve essere in grado di far partire ed arrestare una sequenza reattiva o l'attivazione di un determinato substrato, scegliendo i reagenti in ordine ben definito, controllando i vari aspetti della complessa sequenza reattiva in maniera efficiente. La utilizzazione di solventi supercritici o liquidi ionici o di sistemi bi- tri-fasici può aiutare a risolvere alcuni problemi in termini di maggiori rese e selettività. Lo studio delle interazioni supramolecolari dei catalizzatori, a livello di interazioni multiple con substrati e reagenti, o a livello di nano-dimensioni, può assicurare un effettivo controllo delle reazioni, in termini di velocità, e chemio-, regio-, e stereo-selettività.
Per esemplificare la dimensione dei problemi da affrontare e risolvere, saranno discussi alcuni casi relativi alle complesse sintesi che il Progetto dovrà realizzare.

i) Carbonati, carbammati, uree, isocianati
I carbonati organici, così come i carbammati e gli isocianati, sono preparati oggi dal fosgene (via A). Le sintesi non basate sul fosgene comprendono la carbonilazione ossidativa di un alcol, realizzata con catalizzatori a base di CuCl (Processo ENIChem, [8]) o Pd/NO (Processo UBE, [9]) (via B) o la carbossilazione di alcoli (via C).

Nelle sintesi A-C l'alcol è un reagente comune, ma andando da A verso C, il contenuto energetico del partner di reazione (COCl2, CO+O2, CO2) diminuisce notevolmente, sicchè mentre la via basata sul fosgene non richiede alcun catalizzatore, la carbossilazione degli alcoli richiede un attivo catalizzatore. Se si guarda, ora, la struttura di un carbonato organico, si può comprendere che nella carbossilazione dell'alcol una molecola di alcol deve generare un alchil catione (R+), mentre un'altra deve dare un alcosso gruppo (RO-) che interagirà con CO2 a dare l'emicarbonato ROC(O)O- che sarà poi alchilato da R+. Questo esempio chiarisce che il catalizzatore in questo processo deve essere in grado di governare una catalisi bifunzionale, il che richiede un'attenta ingegnerizzazione del promotore.

ii) Carbossilazione ossidativa di olefine.
Nella carbossilazione ossidativa di olefine (Eq. 1) viene utilizzato diossigeno come ossidante dell'olefina [10] a dare un epossido, e CO2 per la carbossilazione dell'epossido.

L'epossidazione dell'olefina richiede il trasferimento di un solo atomo della molecola di ossigeno al substrato: è necessario che esista un altro accettore, come accade negli enzimi "mono ossigenasi". In genere l'accettore può essere un'aldeide, che può essere esterna o formarsi dal cleavage del doppio legame attraverso una reazione radicalica promossa da O2. Pertanto, questo processo richiede un attento governo delle reazioni in competizione, epossidazione dell'olefina e cleavage del doppio legame. Riuscire ad ottenere una resa del 50% in epossido sarebbe già molto significativo. I carbonati ciclici possono essere convertiti in carbonati lineari mediante transesterificazione (Eq. 2) [11].

iii) Sintesi di acidi acrilici da olefine e CO2 o mediante altre tecnologie innovative.
La reazione di sintesi di acido acrilico (un importante monomero per la produzione di polimeri) potrebbe avvenire con resa in atomi del 100 % facendo reagire etilene con CO2 (Eq. 3).

In realtà, questa reazione, benchè studiata dagli anni '80, ha prodotto solo metallacicli (Eq. 4) [12] e idruro-acrilato-complessi [13] da cui non si ottiene acido acrilico.(Eq. 5)

Recenti studi della UO-Aresta [14, 15] hanno consentito di stabilire in quali condizioni si può avere eliminazione di acido acrilico, rigenerando il catalizzatore. Queste nozioni saranno trasferite alla sintesi dei sistemi catalitici che saranno saggiati nelle sintesi di acidi acrilici.

iv) Sintesi di lattoni e butenolidi
I lattoni sono composti che hanno molte interessanti applicazioni in diversi campi. Lo scheletro di un sistema lattone è presente in molti prodotti naturali ed in diverse molecole che presentano interessanti proprietà farmacologiche. Le sintesi classiche di lattoni funzionalizzati impiegano procedure molto costose e basate su molti stadi. Viceversa, i sistemi di metalli di transizione possono catalizzare la carbonilazione di determinati substrati opportunamente selezionati per dare la sintesi di lattoni in un solo stadio. Questa via è non solo ad alta economia di atomi, ma anche molto più economica di quella esistente. (Schema 1)


v) Sintesi di uree senza uso di fosgene e di prodotti di interesse farmaceutico.
La sintesi di diariluree avviene usando fosgene, il che presenta molti aspetti negativi dal punto di vista ambientale. Una recente scoperta di uno dei Partners [16] di questo Progetto consente di sintetizzare le uree in un solo passaggio, con alte rese (85%) e turnover number (&gt;5000), evitando l'uso di fosgene (Eq. 6).

La carbonilazione di aniline sostituite è guidata da Pd-complessi e la sintesi si realizza in un solo stadio.

vi) Sintesi di eterocicli condensati.
Similmente, diversi prodotti farmaceutici che hanno uno scheletro costituito da un anello eteroatomico contenente azoto, come i fenantridinoni (Schema 2) anche nelle più recenti applicazioni sintetiche (2003) sono ottenuti mediante sintesi multi-stadio ed a bassa resa globale di atomi [17].



Recenti studi dell'UO-Catellani hanno dimostrarto come sia possibile una sintesi in un solo stadio catalizzata da Pd-complessi che governano una sequenza ordinata di reazioni in cui il norbornene gioca un ruolo chiave.

vii) Funzionalizzazione diretta di substrati organici ossigenati catalizzata da Pt.
La sintesi di aromatici ossigenati funzionalizzati (per es. i fenoli funzionalizzati) comporta l’uso di processi multistep con produzione di grandi quantità di rifiuti. In questo Progetto sarà investigata una metodologia diretta cha parte da un composto aromatico (fenolo) e lo funzionalizza utilizzandolo come agente nucleofilo verso olefine attivate dal Pt. Questo processo può avvenire con efficienza di atomi del 100%.

viii) Dealogenazione di polialogenati aromatici.
Gli aromatici polialogenati sono molecole persistenti e chimicamente inerti che costituiscono inquinanti ubiquitari. La loro detossificazione per ossidazione non è semplice poiché generano inquinanti quali alogenobenzofurani che sono altamente tossici. La idrodealogenazione appare la tecnica più efficace per la loro conversione. Saranno utilizzati a tal fine catalizzatori eterogenei di nuova concezione che sono capaci di produrre una totale idrogenazione di aromatici alogenati, convertendo un rifiuto in composti utili.

Lo sviluppo corretto di questo Progetto richiede complementarietà di competenze, alta qualificazione scientifica per la sintesi di catalizzatori, omogenei ed eterogenei o solubili in sc-CO2, e la loro caratterizzazione allo stato solido o in soluzione, per la modulazione dell'attività del centro metallico attraverso i leganti, per lo studio della cinetica di reazione e del meccanismo di reazione e per la caratterizzazione di intermedi.

I Partners contribuiscono l'esperienza e le competenze necessarie dal punto di vista metodologico e della disponibilità di tecniche avanzate di laboratorio. Tutti hanno grande esperienza di sintesi chimiche ed ognuno ha una specifica competenza in settori quali: chimica teorica e modellizzazione di reazioni e catalizzatori, cinetica e meccanismi di reazione, ingegnerizzazione di processi, progettazione di sintesi basate su sequenze ordinate, reazioni complesse che avvengono in un unico reattore. I Partners sono attivi in differenti aree della Chimica: Chimica Inorganica e Metallorganica, Chimica Organica, Chimica Organica Industriale, Chimica Teorica, Strutturistica Chimica. I Partners sono anche distribuiti in varie Regioni d'Italia, conferendo a questo Progetto un reale carattere "nazionale", come interessi scientifici, formativi, culturali e di interazione con il Territorio. <<<