Anelli al Borio Sotto i Riflettori: Come la Luce Trasforma le Molecole!

Ciao a tutti, appassionati di chimica e scoperte! Oggi voglio raccontarvi di qualcosa di veramente affascinante che sta succedendo nei nostri laboratori, un campo dove la luce visibile diventa una bacchetta magica per costruire molecole complesse. Parliamo di anelli tensionati borilati. Lo so, suona tecnico, ma fidatevi, è roba da fuochi d’artificio chimici!

Perché tutta questa eccitazione per degli anelli?

Immaginate molecole come costruzioni LEGO. Alcuni pezzi, come gli anelli piccoli (ciclopropani a 3 atomi di carbonio, ciclobutani a 4), sono un po’ “stirati”, tensionati appunto. Questa tensione non è un difetto, anzi! Conferisce loro proprietà uniche. Se inseriti in farmaci, ad esempio, possono renderli più efficaci o stabili, un po’ come dare una struttura più rigida e definita.

Ora, aggiungete a questi anelli un atomo di boro. Il boro è un elemento fantastico in chimica sintetica, una specie di coltellino svizzero che permette un sacco di trasformazioni successive (avete presente la famosa reazione di Suzuki-Miyaura, premio Nobel? Ecco, il boro è protagonista lì). Quindi, avere anelli tensionati *con* un gruppo borilato attaccato significa avere dei mattoncini da costruzione super versatili, preziosissimi per chi sviluppa nuovi farmaci o materiali innovativi.

Il problema? Non è sempre facile costruirli. Ed è qui che entriamo in gioco noi e la nostra idea: usare la luce!

La Magia della Catalisi per Trasferimento di Energia (EnT)

Normalmente, molte reazioni fotochimiche funzionano tramite trasferimento di elettroni (SET). Ma noi abbiamo pensato: e se invece di “lanciare” elettroni, usassimo la luce per “passare” energia, come una staffetta? Questo è il concetto di catalisi per trasferimento di energia (EnT). Un fotocatalizzatore assorbe la luce visibile (sì, quella blu dei comuni LED, niente UV aggressivi!), si eccita e poi “passa” questa energia alla nostra molecola di partenza.

Questa energia extra mette la molecola in uno stato “eccitato” (un diradicale, per i più tecnici), pronto a fare cose insolite. E qui viene il bello: abbiamo scoperto che questo processo permette un riarrangiamento molecolare unico che coinvolge proprio l’atomo di boro!

Due Reazioni al Prezzo di Una: Ciclopropani e Ciclobutani

Abbiamo progettato delle molecole di partenza specifiche (substrati) che contengono un legame carbonio-boro (un legame sigma, σ) e un doppio legame carbonio-carbonio (un legame pi, π), separati da un singolo atomo di carbonio (come nel metano). Quando attiviamo queste molecole con la luce e il catalizzatore giusto, succede una cosa incredibile: il gruppo borilato si sposta e la molecola si ripiega su sé stessa, formando un anello ciclopropanico borilato! Abbiamo chiamato questo processo “riarrangiamento π, σ-metano”, un nome nuovo per una reazione nuova.

Ma non è finita qui! Se nella molecola di partenza c’è un legame C-H un po’ più debole in una posizione strategica (benzilica, allilica…), la molecola eccitata preferisce un’altra strada. Invece di spostare il boro, “strappa” un atomo di idrogeno da un’altra parte della molecola stessa (un processo chiamato 1,5-HAT, Hydrogen Atom Transfer) e poi si chiude ad anello. Il risultato? Un anello ciclobutanico borilato!

Quindi, con la stessa strategia di base (luce visibile + catalisi EnT), cambiando leggermente il substrato, possiamo ottenere selettivamente due tipi diversi di anelli tensionati borilati. Fantastico, no?

La Scintilla Giusta: Trovare il Catalizzatore Perfetto

Ovviamente, non è stato tutto rose e fiori all’inizio. Abbiamo provato diversi fotocatalizzatori. Con il classico Ir(ppy)3, niente. Con un catalizzatore a base di carbazolo (4CzIPN), ancora niente. La svolta è arrivata con un catalizzatore all’iridio modificato (chiamato Ir-F). Con questo, voilà! La reazione per formare i ciclopropani è partita alla grande, con rese fino all’87%. Abbiamo anche visto che altri catalizzatori come Ir-Me o il tioxantone funzionano, ma Ir-F sembrava il migliore.

Abbiamo fatto esperimenti di controllo: senza luce, niente reazione. Senza catalizzatore, niente reazione. Questo conferma che servono entrambi e che il meccanismo è proprio quello fotochimico che avevamo ipotizzato, probabilmente un trasferimento di energia tripletto-tripletto (TTEnT). Abbiamo anche testato diversi solventi, scoprendo che la reazione è piuttosto robusta e funziona bene in molte condizioni.

Un Metodo Versatile: Dai Semplici Aromi alle Molecole Complesse

Una volta ottimizzate le condizioni, ci siamo sbizzarriti a provare quanti più substrati possibili. E i risultati sono stati davvero incoraggianti!

• Per i ciclopropani: Abbiamo potuto usare substrati con anelli aromatici variamente sostituiti (con fluoro, cloro, metile, fenile, gruppi trifluorometossi, trifluorometile, chetoni, esteri…). La reazione tollera un sacco di gruppi funzionali diversi! Siamo riusciti persino a incorporare motivi complessi derivati da molecole naturali o farmaci come il mentolo, l’ibuprofene e il β-rodinale. Abbiamo anche giocato con le sostituzioni vicino al gruppo boronico, e anche lì, grande tolleranza. Abbiamo persino ottenuto ciclopropani con due centri quaternari (atomi di carbonio legati ad altri 4 atomi di carbonio), strutture notoriamente difficili da ottenere.
• Per i ciclobutani: Come detto, cambiando substrato, la reazione vira verso la formazione di ciclobutani tramite HAT/ciclizzazione. Anche qui, abbiamo dimostrato una buona tolleranza a diversi gruppi funzionali sull’anello aromatico (idrogeno, trifluorometossi, trifluorometile, fluoro, cloro, nitrile, estere) e persino gruppi alchino e alchene.

In molti casi, si formano due diastereoisomeri (molecole speculari ma non sovrapponibili), ma siamo riusciti a separarli facilmente tramite cromatografia su colonna. Per alcune strutture chiave, abbiamo anche ottenuto la conferma definitiva tramite analisi a raggi X.

Capire il Come e il Perché: Indagini sul Meccanismo

Ok, le reazioni funzionano e sono versatili. Ma *come* funzionano esattamente? Abbiamo fatto un po’ di esperimenti investigativi:

• Aggiungendo inibitori di radicali (come TEMPO) o “spegnitori” di energia tripletto, la reazione si blocca. Questo suggerisce che passiamo attraverso intermedi radicalici e un meccanismo di trasferimento di energia.
• Provando a iniziare la reazione con metodi tradizionali per generare radicali (senza luce/fotocatalizzatore), non otteniamo il prodotto. Questo esclude un meccanismo di semplice trasferimento elettronico (SET).
• Esperimenti “luce on/luce off”: accendiamo la luce, la reazione parte; spegniamo, si ferma; riaccendiamo, riparte. La luce è indispensabile!
• Esperimenti con deuterio: abbiamo sostituito degli idrogeni chiave con deuterio (un isotopo più pesante) nel substrato per la reazione HAT. Abbiamo osservato che il deuterio si sposta proprio come previsto, confermando il trasferimento di atomo di idrogeno.
• Studi spettroscopici (UV-Vis, Stern-Volmer) mostrano che solo il fotocatalizzatore assorbe la luce blu e che l’energia viene trasferita al nostro substrato.
• Abbiamo persino “fotografato” i radicali intermedi usando la Risonanza Paramagnetica Elettronica (EPR).
• Infine, i nostri amici della chimica computazionale hanno fatto calcoli teorici (DFT) che supportano i percorsi reattivi che avevamo ipotizzato, sia per il riarrangiamento π, σ-metano che per la sequenza HAT/ciclizzazione, spiegando anche perché in certi casi prevale una via sull’altra.

Non Solo Teoria: Scalabilità e Applicazioni Sintetiche

Bello fare reazioni in piccola scala, ma funzionano anche “in grande”? Assolutamente sì! Siamo riusciti a produrre grammi di questi preziosi anelli borilati, sia in batch (la classica beuta) che usando un sistema di flusso continuo, più adatto alla produzione industriale.

E una volta ottenuti questi anelli, cosa ce ne facciamo? Abbiamo dimostrato che sono manipolabili facilmente. Il gruppo boronico può essere trasformato in tanti altri gruppi funzionali:

• Possiamo trasformarlo in un gruppo ossidrile (alcol).
• Possiamo usarlo per reazioni di accoppiamento (tipo Suzuki!) per attaccare altri pezzi (anelli aromatici, gruppi vinilici, furani…).
• Possiamo fare reazioni di omologazione (allungare la catena di carbonio).
• Nel caso dei ciclobutani, possiamo ossidarli a chetoni o lattoni.

Questo dimostra che i nostri anelli borilati non sono un punto d’arrivo, ma piattaforme versatili per costruire molecole ancora più complesse e interessanti.

In Conclusione: Un Nuovo Capitolo per la Sintesi

Quindi, cosa abbiamo combinato? Abbiamo sviluppato due nuovi metodi potenti, basati sulla catalisi per trasferimento di energia attivata da luce visibile, per sintetizzare anelli tensionati borilati (ciclopropani e ciclobutani). Queste reazioni, il “riarrangiamento π, σ-metano” e la sequenza HAT/ciclizzazione, aprono le porte a una vasta gamma di queste strutture molecolari preziose.

La chiave del successo è stata la combinazione intelligente tra la scelta del catalizzatore e il design del substrato. Il metodo è robusto, tollera molti gruppi funzionali e funziona in condizioni blande (luce blu, temperatura ambiente).

Crediamo che questo lavoro non sia solo un’aggiunta interessante al campo della fotochimica e della catalisi per trasferimento di energia, ma che offra anche strumenti pratici e versatili per i chimici, sia nel mondo accademico che nell’industria, che lavorano alla scoperta di nuovi farmaci e materiali. È sempre emozionante quando la luce ci permette di vedere la chimica… beh, sotto una nuova luce!

Fonte: Springer