Preparation of antioxidants showing catecholic structure and biologically active compounds obtained by benzylic oxyfunctionalisation from natural phenols with biomimetic (IBX) and enzymatic (O2/laccases/HBT) systems

Dottorato di ricerca in scienze ambientaliLa ricerca svolta nel triennio di dottorato ha sviluppato metodologie ossidative con reagenti chimici biomimetici ed enzimatici per l’ottenimento di fine chemicals e composti biologicame nte attivi a partire da sostanze presenti negli scarti agroalimentari. Essi, infatti, rappresentano una fonte di molecole di pregio, quali i biofenoli, le cui attività biologiche ne hanno promosso l’utilizzazione in campo nutraceutico, cosmetico e farmaceutico e che possono essere, a loro volta, utilizzati come materiali di partenza per l’ottenimento di nuovi prodotti di interesse industriale. Le metodologie di estrazione ed isolamento di tali fenoli sono già note e ne permettono l’ottenimento per alcuni di essi anche in discrete quantità. La prima parte del lavoro ha previsto la messa a punto di una serie di metodologie di protezione delle molecole in esame. Nello specifico, è stata sviluppata una procedura di metilazione di flavoni impiegando il dimetil carbonato (DMC), un composto ecocompatibile, nel ruolo di solvente/reagente, in sostituzione dei tossici e cancerogeni agenti metilanti di uso comune quali lo ioduro di metile e il dimetilsolfato. Il sistema si è rivelato efficiente, i prodotti metilati, dotati di importanti attività biologiche, sono stati ottenuti con rese quantitative. Successivamente, il DMC è stato impiegato come agente carbossimetilante per la protezione selettiva di funzioni alcoliche presenti nei composti fenolici e come solvente nelle reazioni di acetilazione selettiva degli stessi composti. Sono state messe a punto due metodologie di acetilazione; la prima con anidride acetica in presenza di quantità catalitiche di tricloruro di rutenio e la seconda con cloruro di acetile in assenza di catalizzatore. Quest’ultima procedura è stata estesa per esterificare le funzioni alcoliche di composti fenolici con cloruri di acidi a catena lunga satura e insatura. La maggior parte di queste reazioni è avvenuta con conversioni e rese quantitative e il prodotto target è stato recuperato puro per semplice work-up. Oltre alla metodologia di protezione, sono risultati interessanti anche alcuni dei prodotti ottenuti, in particolare i derivati dell’idrossitirosolo, in quanto molecole antiossidanti dotate di una maggiore lipofilicità e quindi maggiore biodisponibilità rispetto a quelle naturali. L’impiego dei reagenti ossidanti appartenenti alla famiglia dello iodio ipervalente, quali l’IBX e il DMP, ci ha permesso di raggiungere altri importanti obiettivi. Sfruttando la capacità di tali ossidanti di formare la funzione catecolica per inserzione ossidrilica o demetilazione ossidativa, è stato possibile mettere a punto nuove procedure sintetiche dell’idrossitirosolo, una molecola dotata di molteplici attività biologiche, a partire da materiali di partenza presenti negli scarti agroindustriali, quali il tirosolo e l’alcol omovanillico. Tali procedure, per la loro originalità, semplicità, economicità, efficienza e il basso impatto ambientale, sono state oggetto di un brevetto nazionale ed uno internazionale. La sintesi dell’idrossitirosolo è stata presa come metodologia di riferimento per verificare l’efficienza nelle reazioni di inserzione ossidrilica e demetilazione ossidativa dell’IBX supportato su polistirene. Il nuovo reattivo eterogeneo ha mostrato una selettività elevata; è stato recuperato e riutilizzato per dieci volte con un notevole abbattimento dei costi e dell’impatto ambientale del processo ossidativo. Inoltre, sono state sintetizzate altre molecole di pregio quali il piceatannolo e derivati lipofili per sintesi diretta dal trans-resveratrolo, composto presente negli scarti della lavorazione del vino; i flavoni e flavanoni con struttura catecolica, importanti antiossidanti; gli 1-arilisocromani poliossidrilati. Lo studio sulle ossidazioni con IBX è proseguito analizzandone altre potenzialità quali la capacità di deidrogenare in posizione adiacente ad un gruppo carbonilico per sintetizzare flavoni a partire da flavanoni, e la capacità di ossidare la posizione benzilica per indurre l’apertura d’anello di 1-arilisocromani allo scopo di formare importanti fine-chemicals. Gli ultimi e più recenti dati sono relativi all’impiego della catalisi ossidativa enzimatica ricorrendo al sistema O2/laccasi/HBT per ossidare la posizione benzileterea degli 1-arilisocromani e la posizione benzilica delle catechine. I risultati ottenuti sono stati soddisfacenti. In particolare, nell’ossidazione delle catechine, il sistema catalitico ha mostrato una stereoselettività nell’inserzione ossidrilica in posizione C-4 che mima quanto avviene in natura ad opera di batteri endofiti delle piante del tè.The research activity of this PhD course has developed oxidative methodologies by chemical and enzymatic reagents to obtain fine-chemicals and high add-value molecules from natural phenols present in agroindustrial wastes as starting materials. A first aim has been the flavones methylation by using dimethyl carbonate (DMC) as environmentally benign substitute for hazardous and toxic reagents such as methyl halides and methyl sulfate. Reactions proceeded with complete substrate conversion and yield; final products possess many biological and pharmacological activities. Subsequently, DMC has been used as well as reagent for the selective carbomethoxylation of aliphatic alcoholic chain of phenols and solvent for the selective acylation of these compounds. Two methodologies of acylation have been developed; the first, by acetic anhydride in the presence of a catalytic amount of RuCl3 as catalyst and the second, by acetyl chloride in DMC without any catalyst. This simple and cheap last procedure has been extended to the esterification of these compounds by using acyl chlorides with long saturated or unsaturated chains. All corresponding products were obtained in satisfactory conversions and yields. Between the obtained compounds, lipophilic derivatives of hydroxytyrosol are of particular interest. Important results have been obtained by using hypervalent iodine reagents of oxidation as the 2- iodobenzoic acid (IBX) and Dess-Martin Reagent (DMP). First, two convenient synthetic strategies to prepare hydroxytyrosol as well its lipophilic derivatives have been developed from commercially available, cheap natural phenols such as tyrosol and homovanillyl alcohol. These syntheses, for their originality, simplicity, economic validity, efficiency and ecofriendly character, have been deposited for a national and an international patent. Hydroxytyrosol synthesis has been employed also to verify the efficiency of polymer-supported IBX through the oxidative insertion of a hydroxyl and the demethylation reactions of phenolic compounds. After the first oxidation, the polymeric reagent was recovered, regenerated and reused for ten oxidation reactions without lack of efficiency to give the final products in excellent yields achieving economic and environmentally benefits. Other important molecules have been synthesized by using the oxidative chemistry of IBX: piceatannol and its lipophilic derivates starting to trans-resveratrol; antioxidant flavones and flavanones with catecholic structure; polyhydroxylated 1-arilisochromans. Again, we have applied IBX for the dehydrogenation of carbonylic groups to synthesize flavones starting to flavanones and for the oxidation of benzylic position of 1-arylisochromans to obtain fine-chemicals. Finally, the chemistry of enzymatic catalytic system O2/laccases/HBT has been optimized to oxidize benzyl ethereal position of 1-arylisochromans and benzylic position of catechins. Results have been satisfactory; the catalytic system has been selective and efficient to insert an oxygen atom in C-4 position miming the natural oxidation performed by bacteria contained in tea plants