Uno studio sistematico della reazione di Paternò-Büchi A systematic study of the Paternò-Büchi reaction

This work focuses on the Paternò-Büchi reaction. This reaction forms oxetanes by a [2+2] photocycloaddition between a carbonyl compound and an olefin. The classes of reactive investigated in this study are the para-substituted benzaldehydes as carbonyl compound, and enol ethers or simple alkenes as olefin. All the reactions were performed by irradiating at λ=375 nm. The reaction mixtures only contain the two reactives, with the olefin acting as both reagent and solvent. The aim of this project is to understand how substituents, on both carbonyl compound and olefin, can affect the diastereoselectivity, the conversion speed of benzaldehyde and the stability of products formed. First, several reactions was tested in a very small-scale screening. The formation of products, or the non-formation of them, was detected by Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC). In this way, the most efficient reactions were selected and reproduced on a larger scale. The speed of the benzaldehyde conversion was observed by 1H-NMR analysis, taking a sample per hour during the reaction. All the reactions exhibited the expected regioselectivity, based on the stability of the 1,4-diradical intermediate. A correlation between diastereoselectivity and the nature of substituents was not found, even if it was observed that the exo-product is always the favoured diastereoisomer. The speed of the benzaldehyde conversion, instead, was highly influenced by the electron-donor or electron-withdrawing nature of the substituent in para: the first substituents slow down the conversion, while the latter speed it up. The oxetanes formed by reaction with enol ethers as olefin are highly unstable. The oxetanes formed using simple alkenes as olefin, seems to be more stable. Nevertheless, some cases of degradation of the less favoured endo-diastereoisomer, when formed, were observed. A source of oxetanes instability, that leads to ring opening, is due to electron-donor substituent on benzaldehyde para-position. When the ring opening occurs spontaneously, some interesting intramolecular reactions can happen. In the end, it is remarkable that this process can be generally considered as a green one. All the photochemical reactions performed, except one, are solvent-free and involve a low energy wavelength for irradiation. Some improvements in purification methods are anyway required to consider it 100% green.

Questo lavoro tratta la reazione di Paternò-Büchi, una fotocicloaddizione [2+2] tra un composto carbonilico e un’olefina che porta alla formazione di un ossetano. In questo studio si è deciso di focalizzare l’attenzione sulla reazione tra benzaldeidi differentemente sostituite in para e enol eteri o alcheni semplici. L’obiettivo di questo progetto è quello di determinare quale influenza possano avere i sostituenti, sia quelli presenti sull’anello aromatico che quelli sull’olefina, sulla regio- e diastereoselettività della reazione, sulla stabilità degli ossetani formati e infine sulla velocità della conversione della benzaldeide nei prodotti. Tutte le reazioni sono state condotte utilizzando una radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda λ=375 nm. La procedura generale che è stata seguita ha previsto l’irraggiamento di un miscela formata dai due soli reagenti. Il primo passo dello studio è stato quello di effettuare uno screening preliminare di varie reazioni, al fine di selezionare quelle più efficienti. Le reazioni sono state seguite tramite cromatografia liquida ad alte prestazioni (UPLC). Le reazioni scelte sono poi state riprodotte su scala maggiore, al fine di caratterizzare i prodotti ottenuti e osservare l’andamento della conversione della benzaldeide para-sostituita rispetto al tempo. Quest’ultima operazione è stata fatta prelevando circa ogni ora, durante la reazione, un campione dalla miscela e misurando, tramite spettroscopia 1H-NMR, la diminuzione della quantità di reattivo usando il dimetilsolfossido come standard interno. Tutte le reazioni eseguite hanno mostrato la regioselettività prevista, determinata dalla stabilità dell’intermedio 1,4-biradicalico che si forma nel corso della reazione. La diastereoselettività, invece, non sembra essere influenzata dalla natura del sostituente (elettron-attrattore o elettron-donatore). In ogni caso, tutte le reazioni hanno mostrato una preferenza per la formazione del prodotto exo. Al contrario, la velocità della conversione della benzaldeide è fortemente influenzata dalla natura del sostituente in para: quelli elettron-donatori hanno la caratteristica di rallentare la reazione, mentre quelli elettron-attrattori la accelerano. Un altro dato riscontrato è l’instabilità di quegli ossetani formati utilizzando enol eteri come olefine. Gli ossetani frutto di una reazione con alcheni semplici, invece, sono piuttosto stabili. La reazione mostra la già osservata preferenza per il diastereoisomero exo, sensibilmente più stabile di quello endo. Una delle fonti di instabilità degli ossetani è dovuta alla presenza di un sostituente elettron-donatore in para sull’anello aromatico della benzaldeide. L’apertura dell’anello non porta però, soltanto, a prodotti di degradazione: in un caso è stata osservata la formazione di un ciclopropano trisostituito dovuto ad una reazione intramolecolare spontanea. Infine, è importante sottolineare l’eco-compatibilità del processo oggetto di questo studio: tutte le reazioni, eccetto una, sono state condotte in assenza di solvente. Inoltre, una reazione fotochimica può essere considerata già di per sé un processo green: la luce, infatti, è un reagente che non causa danni ambientali. La radiazione elettromagnetica utilizzata è a bassa energia, riducendo dunque ulteriormente il costo ambientale del processo. In ogni caso, per considerare al 100% green questo processo, sono necessari ulteriori miglioramenti nei metodi di purificazione, che hanno previsto essenzialmente l’impiego di tecniche quali la cromatografia in fase normale ed inversa e le estrazioni.