Ecofriendly synthetic methodologies in organic chemistry

Abstract

The aim of this PhD has been the optimization of synthetic processes using green chemistry, a chemistry based on the respect of the human health and environment, widely applied in our research group since many years. In particular, ecofriendly chemicals and renewable materials have been used as starting materials in order to produce biologically active compounds and fine chemicals. On the basis of these principles, four main topics have been developed. The first has been the synthesis of new complexes between methyltrioxorhenium (MTO) and bis(fluorous-ponytailed) 2,2’-bipyridines characterized by different values of fluorophilicity. These catalysts have been characterized and utilized in the epoxidation of olefins with hydrogen peroxide (H2O2), an ecofriendly oxidant. A second topic has been the utilization of dimethyl carbonate (DMC), an ecofriendly chemical, in several applications. Firstly, it has been used in the methylation reaction of a class of natural organic compounds (flavonoids) in the presence of 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU). This system has been efficient and alternative to the utilization of hazardous and carcinogen chemicals. Secondly, it has been utilized to protect amino and acid group of a large panel of α-amino acids. Also the removal of the protecting group has been optimized. A rare amino acid (3,4-dihydroxyphenylalanine, DOPA) has been prepared by oxidation of tyrosine using 2-iodoxybenzoic acid (IBX), a selective and efficient oxidant alternative to toxic oxidizing heavy metals. On the basis of these experimental results, the procedure has been extended to a panel of selected Tyr-containing dipeptides and tripeptides. In order to enhance the ecofriendly aspects of the oxidations, the reactions have been performed under heterogeneous conditions using polymer supported IBX. The oxidant has been recovered and reused for more runs without loss of efficiency and selectivity. Finally, new applications of glycerol carbonate have been optimized. Glicerol carbonate has been prepared from glycerol, a by-product of the production of biofuels, and DMC. High added-value products showing potential antioxidant activity were prepared from tosylated glycerol carbonate and a series of phenolic compounds.

Durante il triennio di dottorato di ricerca sono stati ottimizzate nuove metodologie sintetiche basate sull’applicazione della green chemistry, una chimica rispettosa dell’uomo e dell’ambiente, ampiamente applicata da alcuni anni dal nostro gruppo di ricerca. In particolare, gli obiettivi sono stati l’utilizzazione di prodotti chimici a basso impatto ambientale e di materiali rinnovabili come materie prime per la produzione di composti biologicamente attivi e/o di interesse industriale. Sulla base di questi principi, sono stati sviluppati quattro argomenti principali. Il primo ha riguardato la sintesi di nuovi complessi tra il metiltriossorenio (MTO) e una serie di 2,2’-bipiridine aventi catene alchiliche fluorurate (MTO/bpy-Fn). Tali catalizzatori, caratterizzati per via spettroscopica e classificati in base ai differenti valori di fluorofilicità, sono stati utilizzati in reazioni di epossidazione di olefine con il perossido d’idrogeno (H2O2), un ossidante ecocompatibile. Un secondo argomento ha riguardato l’utilizzazione del dimetil carbonato, un reagente chimico ecocompatibile in varie applicazioni. Una di queste sono state le reazioni di metilazione di una classe di sostanze organiche naturali (i flavonoidi) in presenza di 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU). Il sistema si è dimostrato efficiente ed alternativo all’uso di reagenti tossici e cancerogeni tradizionalmente utilizzati come reagenti metilanti. Una seconda applicazione è stata l’ottimizzazione di una procedura a basso impatto ambientale per la protezione (e successiva rimozione) dei gruppi amino e acido di α-aminoacidi naturali usando il sistema DMC/DBU. Un terzo obiettivo ha riguardato la conversione ossidativa della tirosina e suoi derivati peptidici nei corrispondenti derivati catecolici (DOPA), amminoacidi e peptidi non naturali noti per le loro attività farmacologiche. La metodologia messa a punto è basata sull’utilizzazione dell’acido 2-iodossibenzoico (IBX) come ossidante selettivo ed efficiente alternativo ad ossidanti tossici, quali, ad esempio, i metalli pesanti. Con l’obiettivo di ottenere ulteriori vantaggi ambientali, sono state condotte le reazione in condizioni eterogenee utilizzando IBX supportato che è stato recuperato e riutilizzato in più cicli di ossidazione. L’ultimo argomento della tesi ha riguardato nuove utilizzazioni dal glicerol carbonato preparato utilizzando il glicerolo, un sottoprodotto derivante dalla produzione dei biocarburanti, ed il sistema DMC/DBU. In particolare, è stata investigata la reattività del glicerol carbonato tosilato con una serie di composti fenolici naturali con l’obiettivo di per preparare nuovi composti con potenziali attività antiossidante.