Supramolecular Homogeneous Organic Transformations (SHOT)

Il nostro gruppo di ricerca ha una lunga tradizione di collaborazione con le industrie farmaceutiche e chimiche per l'ottimizzazione dei metodi sintetici per la preparazione e l'isolamento di candidati API e farmaci. Inoltre il gruppo è stato coinvolto da anni nello sviluppo di nuovi bisfosfonati come potenziali candidati per il trattamento dei disturbi dell'assorbimento osseo, come l'osteoporosi e la malattia di Paget. Recenti applicazioni dei bisfosfonati riguardano il loro impiego come nuovi tensioattivi anionici per la funzionalizzazione di nanoparticelle di metalli e per la formazione di molecole autoassemblanti in acqua.

Tra i pigmenti, il dichetopirrolppirrolo (DPP) rappresenta una delle unità organiche più interessanti e studiate in virtù della sua eccellente stabilità. La nostra ricerca riguarda l’implementazione nel DPP di specifiche funzionalità per conferire proprietà diverse di aggregazione in una vasta gamma di solventi, dall'esano apolare all'acqua. L'obiettivo è quello di creare un pigmento auto-riparante, le cui proprietà di colore e di aggregazione possono essere modificate in modo reversibile per consentire il ritocco facilitato di queste specie. Inoltre, la modifica di tipici polimeri commerciali basati sulle unità di ossazolina quali l’Aquazole ™, permetterà la formazione di un ligando auto-riparante, che faciliterà il futuro restauro grazie alla reversibilità del reticolazione della struttura polimerica dove i pigmenti tipici sono dispersi. 

"Natural BioZipper" è un progetto finalizzato all'implementazione di biopolimeri naturali, in polisaccaridi particolari come l'acido ialuronico e il chitosano, attraverso interazioni reversibili supramolecolari, al fine di preparare idrogel ad elevata capacità di carico di acqua da attuare per la medicina rigenerativa, sensori o come sistemi di rilascio di farmaci. Il nucleo del progetto è la funzionalizzazione di tali biopolimeri con unità chimiche che, a richiesta, possono subire una reciproca reversibilità tra le catene, sotto la presenza di stimoli esterni come cambiamenti di calore, luce o pH. Esempi sono l'utilizzo di unità dimerizzabili basate sul legami ad H o foto-dimerizzabili, collegate covalentemente ai biopolimeri che permettono un processo reversibile grazie all'utilizzo di variazioni di pH o di una specifica lunghezza d'onda.

Il nostro gruppo di ricerca ha studiato la sintesi e le applicazioni dei sin-benzociclotrimeri che offrono un'alternativa originale per la costruzione di strutture molecolari rigide e altamente simmetriche. Queste molecole a forma di vaso sono costruite intorno ad un nucleo centrale aromatico. A differenza dei calixareni, sono piuttosto più rigidi, anche se sono modificabili per forma, dimensione e proprietà elettroniche. E’ stato messo a punto un certo numero di metodologie mirate alla sintesi di queste molecole caratterizzate da alto livello di diastereoselettività tra sin ed anti. La possibilità di ottenere buone rese nella sintesi di questa classe di benzociclotrimeri largamente funzionalizzati e con elevata selettività ne ha reso possibile lo studio delle applicazioni supramolecolari. Benzociclotrimeri correttamente funzionalizzati con dimensioni e forma adeguate hanno dimostrato di includere molecole come fullerene, acqua, ioni ammonio. Ancora più significativo è la preparazione di capsule che di formano spontaneamente in soluzione in presenza di diversi gas (argon, metano, ossigeno, azoto, monossido di carbonio). In alternativa, sono state ottenute molecole simili a gabbie, che sono state in grado di ospitare piccole molecole (metano, acetilene, etilene, etano). 

I solventi rappresentano molto più della metà della massa di trasformazioni chimiche, per cui per ridurne al minimo l'impatto sull'ambiente risulta altamente auspicabile la loro sostituzione con altri più rispettosi dell'ambiente. L'acqua è il solvente che la Natura ha selezionato per tutte le trasformazioni chimiche in condizioni miti, ma questo contrasta con l’evidenza sperimentale della tipica bassa solubilità dei reagenti organici in acqua.
Imitando la Natura è possibile sfruttare le potenzialità del’acqua in condizioni "on water" o "in water" o in presenza di mezzi micellari come nanoreattori per avere un migliore controllo sulla selettività di prodotto a tutti i livelli, con gli ulteriori vantaggi relativi a un facilitato isolamento del prodotto e in alcuni casi al riciclo adeguato del catalizzatore.
Il nostro gruppo di ricerca ha dimostrato che i sistemi micellari forniscono grandi vantaggi in termini di reattività, selettività del prodotto a livello di chemio, regio e spesso enantioselettività, nonché selettività del substrato per un'ampia gamma di reazioni catalizzate metalliche (idroformilazioni, ossidazione e altre reazioni di formazione di legami C-C e C-X).

In catalisi omogenea esiste ancora una grande divario di conoscenza tra i catalizzatori omogenei creati dall'uomo e gli enzimi prodotti dalla Natura. Questo divario sarà potenzialmente colmato solo implementando aspetti della chimica supramolecolare, del riconoscimento molecolare e dei processi dinamici molecolari nei catalizzatori omogenei di domani. Una contaminazione incrociata tra la chimica supramolecolare e la catalisi omogenea è cruciale per affrontare questo ambizioso obiettivo.
Lo sviluppo di nanoreattori molecolari per applicazioni catalitiche è la nuova frontiera della mimesi enzimatica e il nostro gruppo è da anni coinvolto nell'applicazione di capsule legate da legame ad H come l'esamero del resorcin[4]arene. Quest'ultima capsula ha dimostrato di agire come: i) un nanoreattore che fornisce sia selettività di substrato che di prodotto nelle reazioni che avvengono all’interno della cavità; ii) un inibitore reversibile per modulare l'attività di un catalizzatore metallico e iii) come organo-catalizzatore supramolecolare che lega substrati specifici, nonché intermedi elettron-poveri ed accelera la velocità di reazione con caratteristiche tipiche degli enzimi.