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CAOS group (Catalytic Applications in Organic Synthesis for Fine Chemicals)  

GRUPPO DI RICERCA
CAOS group (Catalytic Applications in Organic Synthesis for Fine Chemicals)

 

Responsabile scientificoProf. Egle Beccalli, Prof. Elisabetta Rossi
ComponentiProf. Egle Beccalli, Prof. Elisabella Rossi, Prof. Giorgio Abbiati, Prof. Raffaella Gandolfi, Dr. Isabella Rimoldi, Dr. Michail S. Christodoulou
Altro personaleDr. Valentina Pirovano (assegnista), Dr. Giorgio Facchetti (assegnista), Dr. Sabrina Giofrè (dottoranda), Dr. Elisa Brambilla (dottoranda)
Sito webhttp://www.disfarm.unimi.it/ecm/home/ricerca/sezione-chimica-generale-e-organica/tematiche-di-ricerca-della-sezione/home/ricerca/temi-e-linee/sezione-chimica-generale-e-organica/catalisi-omogenea

   

DESCRIZIONE


Il gruppo di ricerca si occupa prevalentemente dello sviluppo di nuovi approcci sintetici basati sulla catalisi. In particolare sulla catalisi omogena, promossa da metalli di transizione, e sulla biocatalisi, mediante l’uso di cellule intere o di enzimi isolati. Tra i metalli di transizione, rutenio, rodio, iridio, palladio, platino, rame, argento e oro rappresentano i principali oggetti d’indagine. L’interesse del gruppo è molteplice e include sia la progettazione, la preparazione e l’isolamento di nuovi catalizzatori, sia loro utilizzo in ambito organico, con particolare (ma non esclusivo) riferimento alla sintesi e alla funzionalizzazione di eterocicli azotati e ossigenati. Da un punto di vista metodologico, è dato grande rilievo allo studio di processi ad elevato grado di sostenibilità, quali le reazioni domino e multicomponente, l’uso di solventi alternativi caratterizzati da un ridotto impatto ambientale e l'impiego di fonti energetiche non convenzionali quali le microonde e gli ultrasuoni. Infine, la accurata caratterizzazione chimico-fisica delle molecole organiche sintetizzate e la valutazione delle loro possibili applicazioni in ambito biologico e dei materiali, rappresentano le fasi collaterali e conclusive dei progetti di ricerca perseguiti.
Gli studi sono fondamentalmente di tipo metodologico e non “product oriented”. L’obiettivo non è quasi mai sintetizzare una particolare molecola ma mettere a punto nuovi approcci robusti, sostenibili e innovativi in grado di consentire o migliorare l’efficienza di un processo catalitico e/o sintetico aprendo la strada alla facile preparazione di librerie di composti potenzialmente interessanti da un punto di vista biologico, ma non solo.


1) Catalizzatori chirali per la preparazione di sintoni otticamente attivi e di molecole bioattive


La ricerca ha come obiettivo la preparazione e la caratterizzazione di complessi metallici chirali al centro metallico configurazionalmente stabili e lo studio della stereochimica dei passaggi elementari di un ciclo catalitico sfruttando la stereochimica al metallo come “probe”. I complessi vengono preparati sia utilizzando una progettazione mirata dei leganti chirali, quali nuove fosfine e/o ammine, caratterizzati sia da una chiralità di tipo atropoisomerico sia da una chiralità basata su atomi stereogenici di tipo sp3. La ricerca ha come obiettivo inoltre la sintesi di nuovi catalizzatori ibridi dove la seconda sfera di coordinazione, deputata alla determinazione della stereoselettività della reazione, è caratterizzata dalla presenza di proteine o peptidi di diversa lunghezza ancorati alla porzione metallica tramite linker opportunamente scelti. Tali catalizzatori offrono il vantaggio del loro utilizzo in una più ampia gamma di reazioni data la loro stabilità anche in ambiente acquoso. I catalizzatori ottenuti vengono utilizzati per la preparazione di intermedi, sintoni e principi attivi chirali non racemi mediante catalisi asimmetrica, soprattutto idroformilazione, idrogenazione e hydrogen transfer in fase omogenea.
La ricerca inoltre è volta alla selezione e impiego di biocatalizzatori, enzimi e cellule microbiche, spesso complementari in termini di enantio- e diastereoselettività rispetto ai catalizzatori chimici a base di complessi di metalli di transizione, permettono la preparazione di molecole bioattive partendo da substrati prochirali in condizioni blande di reazione e ecocompatibili.


2) Sintesi organica promossa da metalli da conio


Questa parte della ricerca si occupa di studiare la sintesi di molecole organiche (con particolare riferimento a composti eterociclici anche policondensati) mediante l’ausilio della catalisi metallica. In particolare, i metalli oggetto di studio sono sali e complessi di oro e argento, metalli da conio caratterizzati da peculiarità uniche. L’oro è infatti è il metallo di transizione che maggiormente risente dell’effetto relativistico, il che lo rende in grado di promuovere efficacemente trasformazioni difficilmente ottenibili per altre vie. L’argento, con la sua duplice attività σ-filica e π-filica è in grado di attivare contemporaneamente e in maniera differente centri reattivi di diversa natura, tra cui sistemi insaturi carbonio-carbonio (alcheni, alchini, alleni, etc.) e carbonio-eteroatomo (carbonili, immine, nitrili, etc.).
Per queste peculiarità, i materiali di partenza utilizzati per sviluppare le trasformazioni promosse da metalli da conio sono principalmente sistemi insaturi variamente funzionalizzati e/o caratterizzati dalla presenza di un gruppo reattivo in posizione prossimale. Vengono studiate sia reazioni che portano alla formazione dell’eterociclo (ciclizzazioni, annulazioni, cicloisomerizzazioni) che reazioni atte a funzionalizzarlo in maniera chemo- regio e stereo-selettiva. Gli scaffolds più studiati sono eterocicli sia azotati quali indoli, chinoline, isochinoline, che ossigenati, come isocromeni, isocumarine, isobenzofurani.
Le modalità con cui vengono pianificate e condotte queste trasformazioni sono parametri determinanti per il successo delle ricerche e la sostenibilità complessiva dei processi diventa argomento decisivo. Quindi, da un punto di vista metodologico sono privilegiati approcci a cascata e multicomponente che permettono la formazione di più legami in un unico step operativo senza l’aggiunta di ulteriori reagenti e catalizzatori, senza isolamento degli intermedi e senza modificare le condizioni di reazione. Ciò permette un vantaggio sia dal punto di vista economico che ecologico. Sono preferite condizioni di reazione blande e laddove è necessario il riscaldamento viene valutata la possibilità di utilizzare fonti energetiche altamente performanti quali le microonde, in grado di ridurre i tempi di reazione e limitare la formazione di sottoprodotti a fronte di un aumento complessivo delle rese di reazione. Riguardo ai solventi utilizzati, sono cercate soluzioni alternative e maggiormente sostenibili. In particolare alcune trasformazioni vengono studiate nei DES (Deep Eutectic Solvents), nuova frontiera dei liquidi ionici da cui si discostano, oltre che per la natura dei legami coinvolti nella formazione dell’eutettico, per la maggior facilità di preparazione e le minor tossicità e impatto ambientale dei componenti (possono provenire anche da biomassa). Alcuni DES hanno inoltre la peculiarità di potersi comportare da solventi- reagenti o solventi-catalizzatori (i cosiddetti active DES), aumentando ulteriormente il grado di efficienza e sostenibilità dei processi che mediano.


3) C-H Activation


La catalisi dei metalli di transizione ha portato uno sviluppo impensabile in sintesi organica, in modo particolare nella sintesi dei composti eterociclici. Tuttavia in generale, la maggior parte dei nuovi legami che si formano derivano da substrati precedentemente attivati. Il passo successivo, che rappresenta la sfida attuale, sfrutta il principio della C-H activation, che consiste nell’applicare la catalisi per creare nuovi legami partendo da substrati non attivati. Il processo può interessare la formazione di composti carbo- ed eterociclici, tramite legami intramolecolari C-C, C-N e/o C-O o portare a sistemi ciclici variamente funzionalizzati, attraverso la formazione di più legami mediante reazioni domino o a cascata. Normalmente vengono utilizzati a questo scopo complessi di Pd(II), il metallo sicuramente più versatile, ma sono stati sfruttati anche complessi di Pt(II) e Cu(II).

 

PROGETTI


Progetto COST action CHAOS (CA 15106) (2016-2019)

 

COLLABORAZIONI SCIENTIFICHE IN ATTO


• Scuola Normale Superiore di Pisa (Dr. Marco Fusè);
• Università della Calabria, Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche – CTC (Prof.ssa Iolinda Aiello);
• Università di Padova, Dipartimento di Scienze Farmaceutiche e Farmacologiche (Prof. Nicola Ferri, Prof.ssa Lisa Dalla Via);
• Università degli Studi de L’Aquila, Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, (Prof. A. Arcadi);
• University of Oviedo, Department of Organic and Inorganic Chemistry (Prof. J. M. Gonzàlez, Dr. R. Vicente);
• Università di Milano, Dipartimento di Chimica (Prof. A. Caselli, Prof. S. Rizzato).
• Università degli Studi di Parma, Dipartimento di Medicina e Chirurgia (Prof. Luca Ronda)
• Università di Chieti-Pescara “G. D’Annunzio”, Dipartimento di Farmacia (Dr. Matteo Tiecco)
• Università di Catania (prof. A. Chiacchio)
• Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06 (prof. G. Poli).

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