GRUPPO DI RICERCA
CAOS group (Catalytic Applications in Organic Synthesis - for fine chemicals)

DESCRIZIONE

Il gruppo di ricerca si occupa prevalentemente dello sviluppo di nuovi approcci sintetici basati sulla catalisi, con particolare riferimento alla catalisi omogena promossa da metalli di transizione e alla biocatalisi mediata da cellule intere o 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. La completa caratterizzazione chimico-fisica delle molecole sintetizzate rappresenta uno step fondamentale dei progetti di ricerca. Infine, a corollario e conclusione dei progetti di ricerca, in taluni casi sono indagate le potenziali applicazioni nell’ambito delle scienze della vita e dei materiali delle molecole sintetizzate.

Gli studi sono prevalentemente di tipo metodologico e non “product-oriented”. L’obiettivo non è quasi mai sintetizzare una particolare molecola bensì mettere a punto approcci robusti, sostenibili e innovativi in grado di promuovere un processo catalitico o sintetico o incrementarne l’efficienza, aprendo così la strada a una agevole preparazione di librerie di composti di potenziale interesse in ambito biologico e per chimica dei materiali.

Le ricerche del gruppo si articolano in tre principali linee:

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 linea ricerca si occupa di mettere a punto nuovi approcci per la sintesi di molecole organiche (con particolare riferimento a composti eterociclici ossigenati e azotai, 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 (cicloaddizioni, ciclizzazioni, anellazioni, cicloisomerizzazioni) che reazioni atte a funzionalizzarlo in maniera chemo- regio- e stereo-selettiva. Gli molecole più studiate sono i composti eterociclici, sia azotati quali indoli, chinoline e isochinoline, che ossigenati, come isocromeni, isocumarine e 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. In funzione della loro struttura, i DES hanno inoltre la peculiarità di potersi comportare non solo da solventi (innocent-DES) ma anche da reagenti e/o catalizzatori (active-DES), incrementando ulteriormente il grado di efficienza e sostenibilità dei processi che mediano.

3) Attivazione del legame C-H tramite catalisi dei metalli di transizione

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. In queste reazioni, il metallo largamente utilizzato è il palladio, normalmente nello stato di ossidazione Pd(II), in presenza di un ossidante necessario per riportare il catalizzatore nello stato di ossidazione reattivo. La strategia sintetica è quindi diversificata in funzione delle possibili variabili in gioco: oltre al catalizzatore e al solvente, anche l’ossidante può avere un ruolo cruciale. Si è visto che a partire dallo stesso substrato e utilizzando catalizzatori diversi (platino o rame in alternativa al palladio) o semplicemente condizioni di reazioni diverse, si possono ottenere prodotti diversi, seguendo percorsi sintetici divergenti, secondo meccanismi di reazione paralleli o alternativi.

COLLABORAZIONI SCIENTIFICHE IN ATTO