Development of heterogeneous catalysts and green chemistry based approach in the field of prebiotic chemistry

Abstract

This project fits in the field of green chemistry, paying particular attention to catalysis and multicomponent chemistry in the prebiotic field. In the first part of the project, the oxidative catalysis for traditional reactions and prebiotic chemistry was investigated. Initially, heterogeneous catalysts based on carbon nanotubes were designed as support for an organometallic redox species, methyltrioxorhenium. The catalysts were prepared using a common structural scheme consisting of the presence of spacer chains of different length and branching, a dendritic platform and the active specie complexed into internal cavity of crown ether, and used for the selective oxidation of a panel of aliphatic and aromatics olefins to epoxides, using hydrogen peroxide as an environmentally friendly primary oxidant. Catalysis in prebiotic chemistry has been applied to transglycosylation processes under various reaction conditions, using high-energy proton sources and chondrite meteorites (NWA 1465) as a source of heterogeneous catalysis. The meteorite increases the conversion of the reaction, the yield of nucleoside formation through a stereo and regio selective process. The second part of the project concerns the development of new models of prebiotic chemistry starting from formamide derivatives in a multicomponent chemistry approach. Studies show that formamide leads to a purine and pyrimidine nucleus, passing through intermediates of prebiotic interest such as amino imidazole carbonitrile (AICN,) aminomalononitrile (AMN) and diaminomaleonitrile (DAMN). In a first work, imidazole derivatives were synthesized through a condensation reaction between AMN, a panel of α-amino acids and trimethyl orthoacetate, in the presence of tetrahydrofuran under microwave irradiation. The imidazole derivatives were annuled into the corresponding amino-purine analogues in the presence of formic acid through a microwave-mediated, solvent-free reaction. The new compounds showed good activity against influenza A virus. The panel of derivatives has been expanded using urea and guanidine as annulation reagents. Diaminopurine and guanine derivatives, analogues of peptide nucleic acids, with selective inhibitory activity against influenza A virus in the nano-molar range, were obtained respectively. Finally, the multicomponent chemistry inspired by the prebiotic chemistry of DAMN was investigated. The regioselectivity of the multicomponent reaction between diaminomaleonitrile, trimethyl orthoacetate and a selected panel of a-amino acids, was controlled by the energy source used for triggering the condensation. The energy source can control the selectivity of the in-situ isomerization and annulation of DAMN to DAFN and AICN, respectively: these intermediates may afford heterocycles characterized by rings of different size and chemical composition. Imidazole derivatives were obtained under thermal condition, while photochemical and combined photothermal conditions afforded pyrimidine and purine derivatives, respectively.

Il progetto è collocato nell’ambito della chimica verde, ponendo particolare attenzione alla catalisi e alla chimica multicomponente in campo prebiotico. Nella prima parte del progetto è stata investigata la catalisi ossidativa per reazioni tradizionali e nell’ambito della chimica prebiotica. Inizialmente sono stati progettati catalizzatori eterogenei a base di nanotubi di carbonio come supporto per una specie redox organometallica, il metiltriossorenio. I catalizzatori sono stati preparati impiegando uno schema strutturale comune costituito dalla presenza di catene spaziatrici di diversa lunghezza e ramificazione, da una piattaforma dendridica e dalla specie attiva complessata nella cavità interna di etericorona e utilizzati per l’ossidazione selettiva di un panel di olefine alifatiche ed aromatiche ad epossidi, impiegando il perossido di idrogeno come ossidante primario ecocompatibile. La catalisi nella chimica prebiotica è stata applicata a processi di transglicosilazione in condizioni di reazione variabili, utilizzando sorgenti protoniche ad alta energia e meteoriti condriti (NWA 1465) come fonte di catalisi eterogenea. Il meteorite aumenta la conversione della reazione, porta ad un incremento di resa nella formazione dei nucleosidi attraverso un processo stereo e regio selettivo. La seconda parte del progetto riguarda lo sviluppo di nuovi modelli di chimica prebiotica a partire da derivati della formammide in un approccio di chimica multicomponente. Studi dimostrano come dalla formammide si arrivi ad un nucleo purinico e pirimidinico passando per intermedi di interesse prebiotico come l’ammino imidazolo carbonitrile (AICN,) l’amminomalononitrile (AMN) e il diamminomaleonitrile (DAMN). In un primo lavoro, sono stati sintetizzati derivati imidazolici attraverso la condensazione tra AMN, un panel di - amminoacidi e trimetil ortoacetato, in presenza di tetraidrofurano sotto irradiazione delle microonde. I derivati imidazolici sono stati annulati nei corrispondenti analoghi ammino-purinici in presenza di acido formico attraverso una reazione solvent-free, mediata dalle microonde. I nuovi composti hanno mostrato una buona attività contro il virus dell'influenza A. Il panel di derivati è stato ampliato usando urea e guanidina come reagenti di annulazione. Sono stati ottenuti rispettivamente derivati diamminopurinici e guaninici, analoghi degli acidi nucleici peptidici, con un'attività inibitoria selettiva contro il virus dell'influenza A nel range del nano-molare. Infine è stata investigata la chimica multicomponente ispirata alla chimica prebiotica del DAMN. La regioselettività della reazione multicomponente tra diamminomaleonitrile, trimetil ortoacetato e un panel selezionato di -amminoacidi, dipende dalla fonte energetica utilizzata per innescare la condensazione. La fonte di energia può controllare la selettività dell’isomerizzazione e dell’annulamento in situ di DAMN a DAFN e AICN, rispettivamente. Questi intermedi possono fornire eterocicli caratterizzati da anelli di diversa dimensione e composizione chimica. I derivati imidazolici sono stati ottenuti in condizioni termiche, mentre le condizioni fotochimiche e fototermiche combinate hanno permesso l’ottenimento di derivati pirimidinici e purinici.