New synthetic strategies in photochemistry and organocatalysis: towards the assembly of structurally complex heterocyclic systems

Una delle sfide più importanti nella moderna chimica di sintesi riguarda lo sviluppo di strategie efficienti per la produzione di molecole sotto forma di singoli enantiomeri. Questo processo viene comunemente denominato sintesi asimmetrica. Nei primi anni 2000 è stata sviluppata una nuova metodologia per fare sintesi asimmetrica: l’organocatalisi stereoselettiva, che consiste nell’utilizzo di piccole molecole organiche chirali per catalizzare trasformazioni chimiche. Questa metodologia catalitica offre diversi vantaggi, se confrontata con altre. Uno di questi è il fatto che gli organocatalizzatori si possano spesso ottenere da fonti naturali, come ad esempio gli amminoacidi, il che li rende economici, stabili all’aria e all’umidità, decisamente meno tossici dei catalizzatori a base di metalli di transizione, e facili da ottenere in forma enantiopura. Il termine “organocatalisi” racchiude al suo interno decine di reazioni e diversi modi di attivazione. Tra questi, gli esempi più importanti sono l’amminocatalisi, la catalisi con basi di Lewis, e la catalisi ai legami idrogeno. Oggi l’organocatalisi viene considerata un ambito di ricerca maturo, con numerose sue applicazioni innovative che vengono sviluppate ogni anno, sia in ambito accademico che industriale. Negli ultimi dieci anni sono comparsi molti lavori in cui l’organocatalisi veniva utilizzata in sinergia con la fotochimica. La fotochimica è lo studio di trasformazioni chimiche che sopravvengono dall’interazione della materia con la luce. L’assorbimento di luce permette ad una molecola di raggiungere uno stato eccitato ad alta energia, che a sua volta permette un tipo di reattività chimica che non può essere ottenuto altrimenti. In questo lavoro vengono presentati tre diversi progetti. Il primo progetto rappresenta il primo studio della reattività fotochimica del 2-metilbenzofenone (MBP) all’interno di un fotoreattore microfluidico (MFP), e di come i risultati siano notevolmente migliori rispetto a quando la reazione viene effettuata in normali condizioni batch. Quando viene irradiata con luce UV, la molecola di MBP riarrangia ad una specie nucleofila di vita breve chiamata fotoenolo, che può prendere parte a reazioni di cicloaddizione e di addizione coniugata. Effettuando tali reazioni all’interno di un MFP abbiamo dimostrato che, oltre ad un generale miglioramento della resa e una forte riduzione dei tempi di reazione, nuovi tipi di trasformazioni diventano possibili, come la reazione del MBP con cromofori forti come le cumarine. Nel secondo progetto viene descritta una nuova reazione di allilazione alchilica asimmetrica con MBP. La reazione funziona grazie ad una strategia di attivazione duale. Da una parte, l’uso di una base di Lewis organica chirale permette l’attivazione stereoselettiva di un composto allilico, che servirà da elettrofilo. Dall’altra, abbiamo l’attivazione fotochimica del MBP. Curiosamente, l’eccesso enantiomerico dei prodotti di questa reazione è risultato essere diminuito da un processo di fotoisomerizzazione a carico degli intermedi di reazione. Abbiamo studiato la dimensione e gli effetti di questo processo, e siamo riusciti a delineare il meccanismo generale della reazione grazie a studi di risonanza magnetica nucleare (NMR). Il terzo progetto è stato svolto in collaborazione con il gruppo del Prof. Karl Anker Jørgensen ad Aarhus (Danimarca), e consiste nello sviluppo di una nuova strategia per la sintesi aminocatalitica stereoselettiva di cicloottanoidi. Questo metodo sfrutta le proprietà dipolari dei pentafulveni, insieme ad un’attivazione con ammine primarie di ioni pirilio. Il risultato è una cicloaddizione [6+4] enantioselettiva che permette di ottenere anelli ad otto membri con un alto grado di funzionalizzazione, per i quali le strategie esistenti di sintesi stereoselettiva sono molto poche. Durante il mio tirocinio ho contribuito alla stesura di due review. La prima review è una raccolta delle più importanti e recenti metodologie di fissaggio della CO2 senza l’utilizzo di metalli di transizione, un argomento interessante sia dal punto di vista sintetico che dello sviluppo di nuovi processi sostenibili. La seconda review è invece incentrata sui recenti progressi nello sviluppo di reattività non convenzionale degli addotti di Morita–Baylis–Hillman, una classe di composti molto versatili dalle numerose applicazioni sintetiche.