RICERCA ITALIANA     

Attivazione ossidativa catalitica e fotocatalitica per la sintesi organica

Università degli Studi di Pavia

Abstract

L’obiettivo del progetto è quello di 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 e altri semplici derivati alifatici, sia per l’ossidazione selettiva con ossigeno molecolare che per reazioni di alchilazione; 2) l’ossidazione in condizioni blande di posizioni alliliche o alfa al carbossile e 3) reazioni di inserzione dell’ossigeno in condizioni blande (epossidazione, sintesi di esteri di Baeyer Villiger 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 inattivazione. Delle tre Unità che collaborano, una si occupa principalmente della preparazione di nuovi materiali con attività fotocatalitica o catalitica e dello sviluppo di reazioni termiche, le altre due di reazioni fotoindotte di ossidazione e rispettivamente alchilazione, sotto entrambi gli aspetti preparativo e meccanicistico. <<<

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. Questo è un compito più difficile con derivati alifatici semplici, che d’altra parte sono la più abbondante ed economica fonte di composti organici. Internazionalmente, l’approccio più usato è quello di catalizzatori metallici. Questi sono complessi dei metalli di transizione che, benché operino con grande selettività ed efficienza, sono spesso instabili, costosi e tossici e comunque più raramente usati con composti alifatici che con derivati più attivati. 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 uno 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 e 2004 di progetti di ricerca dedicato a metodi di sintesi pulita via attivazione ossidativi di substrati organici attraverso nuovi processi catalitici/fotocatalitici, poi finanziati 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’. I risultati incoraggianti ottenuti (vedi le relazioni annuali) 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. Nuovi materiali con attività catalitica e fotocatalitica saranno preparati per eterogenizzazione di titanio diossido, di altri ossidi e di poliossometallati su materiali mesoporosi, che saranno cartterizzati da una maggiore chemo, regioo e stereoselettività e da alto numero di turn over, evitando la predita di ioni metallici e l’inattivazione. Delle tre Unità che collaborano, una si occupa principalmente della preparazione di nuovi materiali con attività fotocatalitica o catalitica e dello sviluppo di reazioni termiche, le altre due di reazioni fotoindotte di ossidazione e rispettivamente alchilazione, sotto entrambi gli aspetti preparativo e meccanicistico.
Gli specifici obiettivi che i partecipanti intendono raggiunger e l’approccio interdisciplinare che intendono usare sono discussi in dettaglio nel Cap. 2.3. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Come illustrato nel capitolo 2, l’idea base del progetto è che l’attivazione ossidativa possa essere la via per scoprire nuovi metodi sintetici che si possano applicare a semplici derivati aromatici, per cui sono diponibili pochi metodi. L’obiettivo del progetto è lo sviluppo di metodi più compatibili con l’ambiente in cui vengono utilizzate sequenze di reazioni più corte, condizioni più blande e reagenti meno aggressivi o inquinanti.
Una buona parte del piano comprende reazioni fotoattivate, in cui il passaggio iniziale avviene o per trasferimento di idrogeno o di elettrone. La luce è certamente un reagente innocuo e permette di ottenere trasformazioni chimiche in condizioni blande come è stato ampiamente dimostrato in diverse procedure sintetiche. La luce del visibile e del vicino ultravioletto (radiazione solare) rappresenta una sorgente di energia completamente rinnovabile; la sua utilizzazione richiede condizioni di impiego decisamente più blande rispetto all’attivazione termica; essa può consentire di portare avanti processi chimici attraverso brevi sequenze di reazioni, minimizzando, così, l’effetto di reazioni parallele indesiderate. [1]. Il progetto prevede l’attivazione di semplici derivati alifatici che non assorbono nel vicino UV. Questo viene ottenuto tramite l’uso di un fotoattivatore (P) che una volta eccitato dalla luce agisce come indicato di seguito:

P + fotone --&gt; P*
P* + A-B --&gt; P(.-) + A-B(.+) oppure
P* + A-H --&gt; PH(.) + A(.)


Si formano quindi specie chimicamente reattive quali il radicale catione AB(.+) o il radicale A(.). Se in un passaggio successivo il fotoattivatore ridotto viene ossidato di nuovo alla specie originaria P (accettando un protone o un atomo di idrogeno), quest’ultimo non viene consumato e agisce come un fotocatalizzatore. Inoltre, le reazioni da noi studiate obbediscono al principio della ‘atom economy’, cioè dell’incorporazione del massimo numero di atomi dei reagenti nel prodotto. Questo significa che, rispetto alle sintesi convenzionali, si parte da un reagente poco funzionalizzato eseguendo direttamente trasformazioni complesse e riducendo così il numero di passaggi nella sequenza globale di sintesi.
Come è discusso nella sezione successiva, un aspetto fondamentale di questa proposta di ricerca è la formazione di legami C-C mediante attivazione diretta di un legame C-H. Questo è un problema fondamentale nella chimica odierna. Paradigmatico è il caso degli alcani dove attualmente un metodo selettivo di attivazione non esiste [2]. I metodi utilizzati prevedono l’uso di carbocationi, carbeni o, più diffusamente in anni recenti, di derivati organometallici o radicali. I derivati organometallici degli alcani sono ancora rari [3] sebbene recentemente ne siano stati riportati alcuni esempi interessanti [4, 5]. Ne consegue che il metodo più promettente è basato sull’uso di radicali [6]. In questo campo l’iniziazione fotochimica offre un potenziale passo in avanti viste le condizioni blande utilizzate. I fotoattivatori utilizzati per questo scopo vanno dai vapori di mercurio [7], che hanno un ovvio limite di accettabilità ambientale, ai fotoattivatori organici che sono maggiormente modulabili [8] ma spesso consumati nel processo.
Per quanto riguarda i materiali inorganici, come il biossido di titanio o i sali di poliossometallati, sono abbastanza attivi e robusti e possono essere considerati fotocatalizzatori a tutti gli effetti visto l’alto numero di turnover che riescono a raggiungere. L’attivazione di alcani è nota in letteratura da molto tempo ma è stata studiata principalmente dal punto di vista chimico-fisico [9-11] o applicata alla degradazione non selettiva di composti organici (ad esempio nella eliminazione di inquinanti). L’applicazione sintetica è stata esplorata solo in un numero limitato di casi sebbene siano evidenti le potenzialità del metodo e siano noti alcuni esempi soddisfacenti [12-16]. Inoltre, queste reazioni sono soggette a una vasta gamma di possibili variazioni (incorporando il fotocatalizzatore in templati inorganici come le zeoliti si può dirigere la reazione, oppure in materiale siliceo se ne può aumentare significativamente l’attività [17, 18]).
In questo contesto, reazioni di fotoossigenazione sono molto importanti. Fotocatalizzatori eterogenei in grado di utilizzare luce solare e ossigeno molecolare sono particolarmente importanti da questo punto di vista per i motivi di seguito riportati. [19] L’ottimizzazione dei sistemi fotocatalitici dal punto di vista dell’efficienza e della selettività può essere realizzata attraverso l'impiego di sistemi eterogenei capaci di controllare il microambiente in cui è localizzato il sito attivo [20]. Ossidi semiconduttori e poliossonioni sono classi di composti di grande interesse in fotocatalisi ossidativa [20] generando specie intermedie come O2-, H2O2, ROOH che partecipano al processo ossidativo.
Il biossido di titanio è un ossido semiconduttore studiato da diversi anni in fotocatalisi principalmente per la sua stabilità, per il basso costo, e perché utilizzabile facilmente in forma dispersa [21]. La maggior parte dei lavori pubblicati sono rivolti al suo impiego per la degradazione ossidativa di sostanze inquinanti presenti nell’ambiente, mentre un numero minore di ricerche hanno riguardato il suo uso in fotoossidazioni di interesse sintetico [22].
L’ottimizzazione dell’attività fotocatalitica del biossido di titanio in termini di efficienza e di selettività può essere perseguita seguendo diverse strategie: i) drogaggio con elementi inorganici di diversa natura per rendere attivo il fotocatalizzatore anche nella regione del visibile e per controllare le caratteristiche acido/base della sua superficie;[23] ii) creazione di nuovi siti attivi superficiali che svolgano un ruolo fondamentale nella cinetica dei processi di trasferimento elettronico mediante derivatizzazione della superficie [24] o con nanoparticelle metalliche; [25] iii) controllo dell’adsorbimento competitivo degli intermedi formatisi nel corso della fotoreazione [22b,26]; iv) uso di supporti solidi e di materiali nanostrutturati per creare effetti di cooperatività tra siti fotochimicamente attivi e non. [27]
L’attività fotocatalitica dei poliossotungstati nell’ossidazione di idrocarburi in soluzione omogenea è ben documentata [27]. In letteratura sono riportati relativamente pochi lavori sull’impiego di poliossotungstati in fotocatalisi eterogenea. La possibilità che clusters di ossidi metallici di varia natura possano essere ancorati su materiali silicei micro e meso porosi rappresenta una promettente via da seguire. [28] I catalizzatori così ottenuti presentano, infatti, proprietà peculiari legate alla natura del supporto. Risultati promettenti sono stati recentemente ottenuti nell’ossidazione di idrocarburi attraverso l’”eterogenizzazione” del decatungstato W10O324- con materiali silicei o con resine a scambio ionico. [29]
La realizzazione di processi di funzionalizzazione attraverso l’impiego di metalli che siano economici e a basso impatto ambientale è un problema di grande interesse in catalisi. Da questo punto di vista, l’impiego di composti del ferro è altamente desiderabile, visto che questo elemento è presente in grande abbondanza sulla crosta terrestre. Diversi autori hanno dimostrato che complessi ferro-cloruro sono in grado di catalizzare la fotoossidazione di idrocarburi.[30] Sebbene questo processo non possa essere adeguatamente descritto da un semplice meccanismo, è stato proposto che, analogamente a quanto accade per il biossido di titanio e per i poliossotungstati, radicali alchilici e idroperossidi siano importanti intermedi nel ciclo fotocatalitico complessivo. Solo un lavoro è stato pubblicato sull’uso di cloruro ferrico in fotocatalisi eterogenea. Gli autori di questo articolo hanno dimostrato che il cicloesanone può essere ottenuto con buona selettività dal cicloesano a seguito della fotoeccitazione di emulsioni acquose di cloruro ferrico. [30a] Ossigenazioni fotocatalizzate verranno anche esplorate nel caso dei solfuri, che per la varietà di cammini possibili [31] ben si prestano a comprendere i meccanismi coinvolti, oltre a fornire, nel caso di fotocatalizzatori supportati [32], una possibilità di sulfossidazioni stereoselettive.
L'utilizzo di acqua ossigenata nella ossidazione di composti organici costituisce un obiettivo di grande interesse in virtù della facile accessibilità e della eco-compatibilità di tale ossidante, che dipende principalmente dalla natura del sottoprodotto, vale a dire l’acqua.
La reazione di ossidazione con H2O2 è stata estesamente studiata in presenza di metalli di transizione quali catalizzatori omogenei [33]. Tali sistemi sono sicuramente in grado di promuovere una ampia gamma di ossidazioni (la epossidazione e la chetonizzazione di olefine, la ossidazione di alcoli, la ossidrilazione di composti aromatici, la ossidazione di Baeyer-Villiger di chetoni ecc.) con attività e selettività (compresa la enantioselettività) talvolta eccezionali. Tuttavia sebbene essi siano adatti per la preparazione di prodotti della chimica fine e farmaceutica, il problema della separazione e recupero del catalizzatore ha finora posto molti ostacoli al loro utilizzo in processi su larga scala.
Il più importante successo nell’uso di acqua ossigenata come ossidante nell’industria chimica è stato comunque raggiunto con la scoperta della Titanio Silicalite (TS-1) realizzata circa 15 anni fa [34]. Ulteriori risultati positivi nella ossidazione con H2O2 sono stati inoltre ottenuti con zeoliti e aluminofosfati contenenti Ti, V, Cr e Sn nel “framework”[35]. E’ stato ben presto messo in evidenza che un notevole limite alla utilizzazione di tali materiali è costituito dal limitato numero di eteroelementi che possono essere incorporati nel framework. Tale difficoltà è stata tuttavia superata dalla scoperta che aerogels di titania-silice manifestano una attività superiore nella epossidazione di olefine con alchil idroperossidi come ossidanti [36], suggerendo in definitiva che la struttura cristallina regolare non rappresenta una condizione necessaria per il successo della reazione [37].
E’ stato evidenziato che una importante condizione per ottenere un catalizzatore capace di attivare H2O2 è rappresentato dalla dispersione dei siti [37] onde evitare una rapida decomposizione radicalica di H2O2 che è facilmente innescata dalla presenza di funzioni M-O-M (con M= metallo di transizione). La dispersione dei siti può essere facilmente controllata in ossidi misti cristallini, ma molto più difficile è tale controllo in materiali amorfi prodotti con tecnica sol-gel. Inoltre è stato messo in evidenza che i solidi amorfi a base di titania più studiati nelle reazioni in esame attivano gli idroperossidi organici ma sono molto meno attivi con H2O2 a causa della proprietà idrofilica della loro superficie in confronto con le silicaliti di natura idrofobica. Questo fondamentale punto è stato chiaramente dimostrato dagli studi di Klein e Maier [38], i quali hanno ottenuto interessanti risultati nella attivazione di H2O2 come ossidante utilizzando TiO2-SiO2 amorfi preparati con tecnica sol-gel, nei quali la polarità della superficie può essere controllata per parziale metilazione della superficie della silice attraverso l’uso di Si(OMe)3Me come precursore. Risultati analoghi sono stati osservati anche con silicati di Ti, Mo e W preparati usando alcossidi di tipo MCl2(OR)x con M= Ti, Mo e W, nei quali la polarità della superficie era localmente modificata dalla presenza di leganti covalenti cloruro [39]. Infine è stato altresì documentato che la polarità della superficie può influenzare non solo la velocità di reazione e la selettività, ma anche la conversione ed il tempo di vita del catalizzatore [40]. Pertanto è evidente che tale proprietà superficiale del catalizzatore è altrettanto importante quanto la presenza dei siti cataliticamente attivi, poiché una superficie a polarità “sbagliata” può rendere difficoltosi eventi catalitici che altrimenti sarebbero più facili.
Sulla base di queste importanti considerazioni generali si può prevedere che il successo nella messa a punto di catalizzatori eterogenei per la chimica fine e farmaceutica risulti da una sinergica combinazione fra la natura dei siti attivi, la loro distribuzione sulla superficie del supporto, la polarità della superficie del supporto stesso oltre che la sua porosità.
La realizzazione di un processo sintetico operante su larga scala non può prescindere dalla attenta valutazione ed ottimizzazione dei parametri qui citati. Infatti nell’industria farmaceutica e della chimica fine così come nell’industria delle specialità, dei coloranti, dei prodotti fitosanitari e delle essenze, si incontrano spesso reazioni “batch” che richiedono diversi stadi ridondanti e costosi fondati su separazione/purificazione che rendono l’intero processo poco attraente. E’ noto che l’industria farmaceutica produce 80-100 Kg di sottoprodotti o di scarti per 1 Kg di prodotto desiderato. Un fattore cruciale nella applicabilità di un processo di sintesi è la forte incidenza dei costi del recupero e del riutilizzo dei solventi, dei reattivi e dei catalizzatori. Tale costo può essere ridotto attraverso diverse strategie:
a) eterogeneizzando un catalizzatore omogeneo
b) utilizzando reazioni a cascata o “one-pot”
c) impiegando catalizzatori polifunzionali.
I punti a, b, c trovano la massima valorizzazione nella realizzazione di processi sintetici “in continuo” nei quali si raggiunge l’ulteriore vantaggio della minimizzazione dello stress meccanico del catalizzatore stesso con aumento dei valori di TON [41] e controllo stereochimico [41, 42] L’Unità III ha recentemente acquisito importanti risultati preliminari sull’utilizzo di catalizzatori ancorati a supporti inorganici per realizzare processi ossidativi di fondamentale interesse pratico quale la reazione di Baeyer-Villiger e la alfa-ossidrilazione di chetoni oppure la ossidazione di solfuri allilici a solfoni e solfossidi ovvero la conversione di olefine ad epossidi o ad alcoli allilici . Tali processi costituiscono trasformazioni di primaria importanza sintetica e pertanto la messa a punto di catalizzatori eterogenei capaci di promuoverli con elevata efficienza rappresenta un obiettivo a cui mirano molti gruppi di ricerca sia a livello accademico che industriale. Sulla base di quanto ottimisticamente ribadito da Corma è oggi possibile , mediante speciali metodi sintetici o trattamenti “post-sintesi” preparare l’adatto catalizzatore solido per ogni specifica reazione [43].
Le tecniche analitiche a cui ha accesso l’Unità III direttamente o come naturale sviluppo di strette cooperazioni da tempo attive con gruppi accademici ed industriali spaziano in tutta la gamma delle metodologie spettroscopiche così come le tecniche di diffrazione o di “imaging” che potranno essere efficacemente applicate per la analisi strutturale dei materiali catalitici. Poiché la dispersione dei siti attivi deve essere spazialmente omogenea sulla intera superficie dei solidi, la superficie del più promettente catalizzatore verrà studiata anche tramite microscopia elettronica ad alta risoluzione. Parallelamente ai paramentri strutturali si dovranno valutare parametri chimico-fisici di cruciale importanza per la catalisi quali l’area superficiale, la acidità e la distribuzione fra i siti hard e soft, la polarità superficiale mediante adsorbimento competitivo di miscele ottano-acqua [38]. Inoltre un notevole input alla ottimizzazione dei sistemi catalitici potrà essere raggiunto dagli studi basati su spettroscopia IR “in situ” che consente non solo il riconoscimento di intermedi e cammini chimici, ma anche lo studio delle interazioni fra i reagenti e prodotti ed i siti attivi sul catalizzatore solido[44]. <<<