Nuove metodologie sintetiche di green chemistry per l’ottenimento di prodotti

Abstract

L’attività di ricerca svolta in questo dottorato si è basata sullo sviluppo e sull’applicazione di nuove metodologie sintetiche innovative ed ecocompatibili, nel rispetto di alcuni principi della green chemistry. In particolare, nella prima parte del lavoro, è stata estesa l’applicabilità del sistema catalitico acqua ossigenata (H2O2)/metiltriossorenio (CH3ReO3, MTO) in solventi innovativi a basso impatto ambientale, quali il liquido ionico [bmim(BF4)] e il dimetil carbonato (DMC) per condurre ossidazioni catalitiche di un cospicuo numero di sostanze organiche. I buoni risultati ottenuti hanno evidenziato che tale sistema ossidante ha mantenuto la sua efficienza e versatilità in entrambi i solventi. Tuttavia in generale, l’utilizzo del DMC è risultato più vantaggioso rispetto al liquido ionico per una serie di fattori, quali la bassa tossicità, la maggiore disponibilità commerciale, il minor costo, la maggiore reattività e versatilità del sistema ossidativo; la maggiore facilità di lavorazione. Di particolare interesse sono risultati i chinoni alchilati ottenuti dall’ossidazione catalitica dei corrispondenti fenoli, in quanto hanno mostrato una buona attività antifungina verso un discreto numero di specie contaminanti il suolo ed alimenti, che in alcuni casi è risultata anche superiore a quella di un antifungino commerciale, preso come riferimento. Successivamente, con l’obiettivo di condurre processi a basso impatto ambientale e di recuperare e valorizzare alcuni dei componenti fenolici presenti nei reflui agroindustriali, è stata sviluppata una sintesi di 4-vinil fenoli a partire dagli acidi cinnamici, utilizzando le microonde senza ricorrere all’utilizzo dei solventi organici. Le condizioni sperimentali ottimizzate hanno permesso di ottenere le molecole target in tempi brevi e in buone rese. Tale metodologia è stata estesa anche a campioni di acido ferulico provenienti da estratti naturali di crusca, dimostrando la sua validità anche su matrici vegetali. La ricerca è successivamente proseguita con l’obiettivo di utilizzare acidi cinnamici e tirosolo per la sintesi di molecole ad alto valore aggiunto, quali le 4-aril-3,4-diidrocumarine. Di particolare interesse sono risultati anche i prodotti derivanti dall’apertura idrolitica dell’anello lattonico, in quanto hanno mostrato un’attività antiossidante superiore a quella del tirosolo. Nel corso di queste sintesi si è reso necessario lo sviluppo di nuove metodologie di protezione selettiva di funzioni alcoliche presenti nelle molecole fenoliche utilizzate. In particolare, sono state messe a punto nuove metodologie di: 1. carbossimetilazione, utilizzando il DMC come solvente e reagente; 2. trifluoroacetilazione con acido trifluoroacetico; 3. acetilazione, utilizzando acetonitrile/acido cloridrico oppure cloruro di acetile/DMC; 4. esterificazione con cloruri degli acidi a catena lunga, satura ed insatura. Oltre alla metodologia di protezione, sono risultati interessanti anche i prodotti ottenuti, in quanto molecole antiossidanti dotate di una maggiore lipofilicità e quindi maggiore biodisponibilità rispetto a quelle naturali. Fra i risultati ottenuti in questa tesi di dottorato, di particolare interesse è stato il lavoro svolto per la messa a punto di due nuove procedure sintetiche dell’idrossitirosolo, una molecola dotata di molteplici attività biologiche, a partire da materiali di partenza presenti negli scarti agroindustriali, quali il tirosolo e l’alcol omovanillico e l’utilizzazione di alcuni rettivi dello iodio ipervalente (IBX, DMP). Tali procedure, per la loro originalità, semplicità, economicità, efficienza e il loro basso impatto ambientale, sono state oggetto di due brevetti nazionali depositati e sono promettenti per applicazioni a livello industriale.

The research activity of this PhD course has been based on the development of innovative and environmentally friendly synthetic methodologies using natural compounds as starting materials and applying some principles of green chemistry. In particular, a first aim has been the applicability of the hydrogen peroxide (H2O2)/methyltrioxorhenium (CH3ReO3, MTO) catalytic system in ecofriendly solvents such as ionic liquid [bmim(BF4)] and dimethyl carbonate (DMC) to perform the oxidative modifications of a wide number of organic compounds. The obtained results showed that the above-cited oxidant system maintained its efficiency and versatility in both solvents. Nevertheless, the use of DMC resulted more convenient than ionic liquid for the following factors: low toxicity, more availability, low cost, more reactivity and versatility of the oxidant system, more easy manipulation. Between oxidized compounds, some p-benzoquinones deriving from the catalytic oxidation of phenols resulted interesting for their tested antifungal activity against a wide number of fungi widespread in soil and food. In some cases, they resulted more active than a commercial antifungal agent (ketoconazole). Subsequently, in order to perform ecofriendly processes using phenolic components present in agroindustrial wastes, a new decarboxylation-microwave assisted of cinnamic acids to get 4-vinyl phenols have been developed. The experimental conditions have been optimized to obtain the target molecule in satisfactory yield. Such methodology has been also extended to samples of ferulic acid deriving from natural extract of flecks. This experiment demonstrated the applicability of this methodology on vegetal matrix. The research has been continued using cinnamic acids and tyrosol as starting materials for the synthesis of 4-aryl-3,4-dihydrocumarins, high add value-molecules. The corresponding products deriving from the hydrolytic opening of the lactonic ring have been tested as antioxidants and showed an higher activity than tyrosol. To achieve these syntheses, new methodologies of selective protection of alcoholic functions present in phenolic compounds have been optimized: 1. carbomethoxylation, using the DMC as solvent as well as reagent; 2. trifluoroacetylation with trifluoroacetic acid; 3. acetylation, using acetonitrile/chloridric acid or acetyl chloride /DMC; 4. esterification with acyl chlorides having long saturated and unsaturated chains. The obtained products were lipophilic antioxidants more bioavailable than natural antioxidants. Two new synthetic procedures of bioactive hydroxytyrosol have been developed. Tyrosol and homovanillyl alcohol have been used as starting materials and some hypervalent iodine reagents (IBX, DMP) as reagents. Such procedures, for their originality, simplicity, economic validity, efficiency and low environmental impact, have been object of two national patents and are promising for industrial applications.