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Introduzione In questi ultimi anni, sono stati messi a punto, da parte della UO AQ, alcuni processi elettrochimici ecocompatibili: le sintesi dei carbammati e dai carbonati organici, degli ossazolidin-2-oni chirali, delle uree N,N'-disostituite, dei derivati degli esteri alchilmalonici asimmetrici, dei vinil bromuri ecc. I risultati di queste indagini iniziali hanno stimolato lo studio di nuove sintesi indotte elettrochimicamente, che rispondano ai requisiti dei processi ecocompatibili: a) uso di condizioni di reazione blande e sicure, b) rese buone o eccellenti, c) uso di materiali di sintesi innocui in sostituzione di quelli tossici e pericolosi di alcuni processi convenzionali, d) facile e semplice procedura di esecuzione, e) possibile impiego, come fonte di carbonio, di anidride carbonica attivata elettrochimicamente, f) assenza di by-products inquinanti. Pertanto, noi abbiamo programmato , per i prossimi due anni, di studiare e di mettere a punto i seguenti processi elettrochimici ecocompatibili di sintesi di strutture organiche: Sintesi elettrochimica di beta-lattami. Il nucleo beta-lattamico è un elemento strutturale cruciale in molti prodotti sintetici e naturali con proprietà antibiotiche. Gli antibiotici beta-lattamici costituiscono il 50% del totale degli antibiotici. Il diffuso uso in medicina dei comuni antibiotici beta-lattamici, come le penicilline e le cefalosporine, ha avuto come risultato un aumento del numero di ceppi di batteri resistenti . Pertanto, negli anni recenti è stato dedicato un notevole impegno alla sintesi di nuovi antibiotici che abbiano il 2-azetidone come comune caratteristica strutturale e che siano in grado di superare i meccanismi di difesa dei batteri. L'uso, in sintesi organica, dei beta-lattami come building blocks chirali è stato spesso riportato in letteratura inoltre, la scissione selettiva di un legame nell'anello 2-azetidonico, accompagnato da ulteriori trasformazioni, rende queste molecole utili sintoni sintetici. Sono stati proposti diversi metodi di sintesi dei beta-lattami enantiomericamente puri: a) la reazione ketene-immina di Staudinger (comunemente indicata come una cicloaddizione [2+2]). La reazione viene condotta, in presenza di basi, usando il cloruro di un acido come precursore del chetene. b) ciclizzazioni, promossa da basi, di idonei substrati (es: ammidi di ?-aminoacidi),c) alchilazioni intramolecolari di derivati di N-benzil-N-chloroacetilamino acidi Nel passato, la sintesi elettrochimica dei beta-lattami è stata da noi realizzata mediante elettrolissi (in condizioni potenziostatiche) di soluzioni DMF-TEAP contenenti acetamidi sostituite ed una adatta probase. Una notevole limitazione, per una generale applicazione di questo metodo, è costituita dal fatto che il substrato non deve essere eletroattivo al potenziale di lavoro, cioè al potenziale correspondente al primo picco nelle curve voltammetriche della probase. L'acetonitrile è uno dei solventi polari aprotici più frequentemente usato nella elettrosintesi organica. La formazione dello ione elettroganerato CH2CN- nel compartimento catodico durante la eletrolisi di soluzioni di acetonitrile-eletrolita di supporto, è stato ripetutamente dimostrata. Recentemente noi abbiamo proposto l'uso dello ione elettroganerato CH2CN- come base nelle sintesi elettrochimiche di carbammati organici. Risultati preliminari hanno suggerito che beta-lattami possono essere ottenuti da acetammidi sostituite via formazione di un legame N-C4 indotta dall'anione elettrogenerato CH2CN-. Noi abbiamo pertanto programmato di studiare la reattività di differenti alogenoacetammidi nei confronti dell'anione elettrogenerato CH2CN-. Il cianometilanione viene generato mediante elettrolisi di soluzioni di CH3CN condotte sotto controllo galvanostatico Le alogenoacetammidi vengono addizionate alla soluzione catodica al termine della elettrolisi. Pertanto, ogni aggiunta di base o probase ed ogni problema relativo alla possibile riduzione elettrochimica dei substrati viene evitato. Verrà discusso l'effetto dei sostituenti nella struttura delle alogenoacetammidi così come il possibile meccanismo di formazione dei prodotti. In aggiunta, oltre al sistema CH3CN-TEAP, verranno considerati altri sistemi solvente-elettrolita di supporto: DMF, DMSO, CH3NO2, CH3CH2CN come solventi e TEAP or TEAEFP come elettroliti di supporto. Verrà studiata la rettività delle alogenoacetamidi in questi sistemi solvente-elettrolita di supporto. Verrà inoltre considerata la possibilità di indurre per via elettrochimica, mediante l'anione elettrogenerato CH2CN- la reazione di Staudinger fra cloruri di acidi (come precursori dei cheteni) ed immine. La reazione delle ammine acetileniche con anidride carbonica in presenza del cianometilanione elettrogenerato. Sintesi di 5-metilene-1,3-ossazolidin-2-oni. I derivati eterociclici dei 1,2-amminoalcoli sono stati, con successo, spesso impiegati come ausiliari chirali nelle sintesi asimmetriche. In questo contesto, il ruolo giocato dagli ossazolidin-2-oni chirali (ausiliari chirali di Evans) è stato particolarmente significativo. Questi composti sono stati infatti usati in una vasta gamma di reazioni (reazioni aldoliche, di alchilazione, di Diels-Alder ecc.) indirizzate alla sintesi stereoselettiva di prodotti naturali, di antibiotici e di prodotti di interesse farmaceutico. 1,2-amminoalcoli (o altri derivati di ammino alcoli) e fosgene (o i suoi derivati) sono i materiali di partenza delle sintesi classiche degli ossazolidin-2-oni. Un considerevole impegno è stato pertanto dedicato ad individuare nuove metodologie di sintesi che comportino l'impiego di materiali innocui (per esempio il diossido di carbonio) invece dei reattivi tossici ed inquinanti come il fosgene ed i suoi derivati. Nel passato, noi abbiamo proposto delle procedure elettrochimiche per la sintesi degli ossazolidin-2-oni chirali via anidride carbonica attivata elettrochimicamente. Tuttavia soltanto alcuni lavori riportano la sintesi dei 5-metilene-1,3-ossazolidin-2-oni. La reazione generalmente considerata è quella fra anidride carbonica e propargil ammine. Questa reazione procede in autoclave in presenza di catalizzatori. Recentemente, noi abbiamo considerato la reazione fra propargil ammine e tetraetilammonio cabonato (generato elettrochimicamente via riduzione catodica di diossido di carbonio in soluzioni aprotiche). Sostituiti e non sostituiti 5-metilene-1,3-oxazolidin-2-oni in rese alte o moderate in funzione delle caratteristiche dei substrati sono stati isolati. Attualmente, noi abbiamo programmato di studiare la reattività delle ammine propargiliche rispetto al diossido di carbonio in presenza del cianometil anione elettrogenerato. Il cianometil anione verrà generato mediante elettrolisi, condotte in condizioni galvanostatiche, di soluzioni CH3CN-TEAP. Al termine delle elettrolisi, il diossido di carbonio verrà fatto gorgogliare nella soluzione catodica e successivamente le ammine propargiliche verranno addizionate alla soluzione stura di CO2. Scopo di questa indagine è la messa a punto di una procedura elettrochimica per la sintesi di di 5-metilene-1,3-oxazolidin-2-oni chirali i condizioni blande, alte rese ed evitando l'impiego di catalizzatori. Carbossilazione elettrochimica di 3-trans-cinnamoil-ossazolidin-2-oni. Sintesi di derivati dell'estere succinico. Recentemente noi abbiamo descritto un'efficiente metodologia di sintesi di derivati degli esteri alchilmalonici asimmetrici. Questa reazione è stata condotta mediante riduzione catodica del legame carbonio-bromo in presenza di anidride carbonica. Le rese ed il rapporto diastereomerico dei due epimeri derivati dell'acido alchil malonico sono fortemente influenzati da vari fattori: il sistema solvente-elettrolita di supporto, la temperatura, il materiale elettrodico, le condizioni di elettrolisi, la struttura dell'ossazolidin-2-one. I due epimeri sono stati facilmente separati per flash cromatografia. I migliori risultati sono stati ottenuti usando il l'Oppolzer's canforsultame come ausiliario chirale. I derivati chirali dell'acido alchil malonico sono validi building blocks nelle sintesi di molecole che presentano attività biologica e dei derivati chirali del propano-1,3-diolo. Per i prossimi due anni noi abbiamo programmato di studiare il comportamento elettrochimico dei 3-trans-cinnamoil ossazolidin-2-oni in solventi aprotici in assenza ed in presenza di anidride carbonica. Scopo di questa indagine è la messa apunto di una sintesi elettrochimica efficiente dei derivati dell'estere succinico. La carbossilazione dei substrati verrà condotta mediante riduzione catodica del doppio legame. Verrà analizzato il possibile effetto, sulle rese e sul rapporto diastereomerico, delle condizioni di elettrolisi (natura del materiale elettrodico, del solvente e dell'elettrolita di supporto) e della presenza di differenti ausiliari chirali. Questa parte della ricerca verrà condotta in collaborazione con le Unità di Ricerca di Padova e di Palermo. Sintesi elettrochimica di uree asimmetriche. Le uree sostituite hanno suscitato notevole interesse a causa della loro importante attività biologica. Inoltre le uree hanno trovato notevole applicazione nella sintesi di prodotti di interesse agricolo, come precursori di resine, nelle vernici, come additivi nei prodotti petroliferi e nei polimeri. Recentemente una efficiente sintesi di uree N,N-sostituite è stata descritta da questa UO. Ammine primarie aromatiche ed alifatiche subiscono una carbossilazione ossidativa sottoposte alla pressione atmosferica di monossido di carbonio usando il Pd(II) come catalizzatore in combinazione con il suo riciclo anodico su elettrodo di grafite. Attualmente noi siamo impegnati nello studio della reattività delle ammine e dei carbammati organici rispetto al diossido di carbonio in solventi aprotici saturi di anidride carbonica. Le reazioni ammine-anidride carbonica e carbammati-anidride carbonica verranno seguite in soluzioni CH3CN-TEAP in presenza di basi elettrogenerate o in soluzioni CH3CN-TEAP preventivamente sottoposte ad elettrolisi. Scopo di questa indagine è la definizione di una efficiente sintesi indotta elettrochimicamente di uree N,N'-disostituite in condizioni blande e sicure e che eviti l'uso del catalizzatore e del monossido di carbonio. Derivati dello spirobifluorene. Si intendono sintetizzare ex-novo alcuni derivati mono- ed oligomerici dello spirobifluorene di immediata utilizzazione nel campo della elettroluminescenza, quindi sarà opportuno considerarne la deposizione su materiali elettrodici e studiarne il comportamento elettrochimico. Si cercherà di realizzare, per via elettrochimica (e/o chimica), la funzionalizzazione di superfici elettrodiche con derivati dello spirobifluorene e/o con altre molecole interessanti dal punto di vista dell'elettronica molecolare. Sarà ovviamente di cruciale importanza caratterizzare adeguatamente secondo le più moderne tecniche spettroscopiche le superfici elettrodiche ottenute. Sarà possibile un'interazione con l'U.O. di Bologna per lo studio delle superfici elettrodiche modificate. Con l'U.O. di Modena è prevista una collaborazione allo scopo di studiare il meccanismo di reazione elettrochimico in funzione della struttura intrinseca dello spirobifluorene, dei gruppi funzionali presenti e dell'eventuale effetto esercitato dal solvente. Elettrosintesi palladio catalizzate. L'impiego di metalli nanostrutturati nelle trasformazioni catalitiche di substrati organici è un'area di ricerca in rapida crescita e di notevole interesse. Le nanoparticelle, presentano dimensioni inferiori a circa 100 Å (10 nm), ed hanno la potenzialità di essere "analoghi solubili di catalizzatori eterogenei". Le nanostrutture metalliche presentano un'alta potenzialità catalitica dovuta al fatto che in esse è presente un'alta percentuale di atomi metallici sulla superficie, circa 50% per un nanoaggregato M(0)~300. L'argomento chiave nella catalisi, laddove ci si propone di sviluppare una nuova classe di catalizzatori, deve considerare: 1-l' attività catalitica, 2-la stabilità e il tempo di vita totale (come n° di turnover possibili), 3- la selettività, 4-la facile separabilità del catalizzatore dal prodotto di reazione e la sua riutilizzazione. Quindi la sintesi e la caratterizzazione di metalli nanostrutturati è molto interessante per le loro potenziali applicazioni in campo catalitico. Al fine di stabilizzare i metalli nanoparticellati possono essere utilizzati i legandi classicamente usati nella stabilizzazione dei metalli in forma molecolare. Ad esempio le fosfine, PPh3, come pure i derivati chirali come il BINAP [2,2'-bis-(difenilfosfino)-1,1'-binaftil]; ovviamente il Pd-BINAP otticamente attivo e utilizzabile nelle sintesi asimmetriche. L'uso di strutture di palladio di dimensioni nanometriche nella catalisi elettrochimica offre il vantaggio di poter riutilizzare il catalizzatore poichè è possibile separare facilmente reagenti e prodotti dal catalizzatore; inoltre nella maggior parte delle reazioni catalizzate dai palladio complessi si usa una percentuale molare comprese tra il 2 e lo 0,5 %. Questa quantità risulta essere 100-1000 volte più alta rispetto a quella usata impiegando palladio nanostrutturato. Per queste ragioni crediamo che i sistemi di palladio nanostrutturato siano degli ottimi candidati nelle applicazioni elettrochimiche catalizzate dal metallo zerovalente. Intendiamo quindi procedere: a) alla sintesi di sistemi nanoparticellati di palladio stabilizzati da ligandi, b) alla caratterizzazione per via elettrochimica di tali sistemi, previa caratterizzazione del nanostrutturato con tecniche come la TEM (Trasmission electron microscopy), direttamente in soluzione o previa elettrodeposizione su elettrodo solido , c) allo studio delle sintesi elettrochimiche Pd(0) catalizzate fino ad ora ottenute in presenza di complessi molecolari, con i nuovi complessi nanostrutturati.
