Stereoselective Catalytic Processes for the Synthesis of Polycyclic Aromatic Compounds

In this PhD-thesis, two methodologies for enantioselective intramolecular ring closing reaction on indole cores are presented. The first methodology represents a highly stereoselective alkylation of the indole N1-nitrogen, leading to 3,4-dihydro-pyrazinoindol-1-ones – a structural class which is known for its activity on the CNS and therefore of high pharmacological interest concerning related diseases. In this approach, N-benzyl cinchona-alkaloids were used for the efficient catalysis of intramolecular aza-Michael reactions. Furthermore, computational studies in collaboration with the research group Prof. Andrea Bottoni (Department of Chemistry “G. Ciamician”, Bologna) were accomplished in order to get insight into the key interactions between catalyst and substrate, leading to enantiomeric excesses up to 91%. The results of the calculations on a model system are in accordance with the experimental results and demonstrate the high sensibility of the system towards structural modifications. The second project deals with a metal catalyzed, intramolecular Friedel-Crafts (FC)-reaction on indolyl substrates, carrying a side chain which on its behalf is furnished with an allylic alcohol unit. Allylic alcohols are part of the structural class of “π-activated alcohols” – alcohols, which are more easily activated due to the proximity to a π-unit (allyl-, propargyl-, benzyl-). The enantioselective intramolecular cyclization event is catalyzed efficiently by employment of a chiral Au(I)-catalyst, leading to 1-vinyl- or 4-vinyl-tetrahydrocarbazoles (THCs) under the formation of water as byproduct. This striking and novel process concerning the direct activation of alcohols in catalytic FC-reactions was subsequently extended to similar precursors, leading to functionalized tetrahydro-β-carbolines. These two methodologies represent highly efficient approaches towards the synthesis of scaffolds, which are of enormous pharmaceutical interest and amplify the spectra of enantioselective catalytic functionalisations of indoles.

Design and development of new green catalytic methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules

The following Ph.D work was mainly focused on catalysis, as a key technology, to achieve the objectives of sustainable (green) chemistry. After introducing the concepts of sustainable (green) chemistry and an assessment of new sustainable chemical technologies, the relationship between catalysis and sustainable (green) chemistry was briefly discussed and illustrated via an analysis of some selected and relevant examples. Afterwards, as a continuation of the ongoing interest in Dr. Marco Bandini’s group on organometallic and organocatalytic processes, I addressed my efforts to the design and development of novel catalytic green methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules. In the first two projects the attention was focused on the employment of solid supports to carry out reactions that still remain a prerogative of omogeneous catalysis. Firstly, particular emphasis was addressed to the discovery of catalytic enantioselective variants of nitroaldol condensation (commonly termed Henry reaction), using a complex consisting in a polyethylene supported diamino thiopene (DATx) ligands and copper as active species. In the second project, a new class of electrochemically modified surfaces with DATx palladium complexes was presented. The DATx-graphite system proved to be efficient in promoting the Suzuki reaction. Moreover, in collaboration with Prof. Wolf at the University of British Columbia (Vancouver), cyclic voltammetry studies were reported. This study disclosed new opportunities for carbon–carbon forming processes by using heterogeneous, electrodeposited catalyst films. A straightforward metal-free catalysis allowed the exploration around the world of organocatalysis. In fact, three different and novel methodologies, using Cinchona, Guanidine and Phosphine derivatives, were envisioned in the three following projects. An interesting variant of nitroaldol condensation with simple trifluoromethyl ketones and also their application in a non-conventional activation of indolyl cores by Friedel-Crafts-functionalization, led to two novel synthetic protocols. These approaches allowed the preparation of synthetically useful trifluoromethyl derivatives bearing quaternary stereocenters. Lastly, in the sixth project the first γ-alkylation of allenoates with conjugated carbonyl compounds was envisioned. In the last part of this Ph.D thesis bases on an extra-ordinary collaboration with Prof. Balzani and Prof. Gigli, I was involved in the synthesis and characterization of a new type of heteroleptic cyclometaled-Ir(III) complexes, bearing bis-oxazolines (BOXs) as ancillary ligands. The new heteroleptic complexes were fully characterized and in order to examine the electroluminescent properties of FIrBOX(CH2), an Organic Light Emitting Device was realized.

Nuovi processi catalitici per la sintesi di prodotti ad attività farmacologica

The transition metal-catalyzed allylic alkylation (Tsuji-Trost type reaction) is a powerful tool for C-C, C-N, and C-O bond formation, which has been widely applied to organic chemistry over the last decades. Typical substrates for this transformation are activated allylic compounds such as halides, esters, carbonates, carbamates, phosphates, and so on. However, use of these substrates is associated with the disadvantage of generating a stoichiometric amount of chemical waste. Furthermore, these starting materials have to be prepared in an extra step from the corresponding allylic alcohol. Thus, ideal substrates would be the allylic alcohols themselves, with water being the only byproduct in this case. However, the scarse propensity of the hydroxyl moiety to act as good leaving group has significantly limited their use so far. During the last decade significant efforts have been made in order to develop more atom-economical and environmentally-friendly allylic alkylation protocols by employing allylic alcohols directly. In this PhD dissertation two main projects addressing this topic are presented. “Project 1” deals with the development of new metal-catalyzed intramolecular Friedel-Crafts (FC) allylic alkylations of electron-rich (PAPER A), as well as challenging electron-poor arenes (PAPER B) with alcohols. In “Project 2”, gold(I)-catalyzed intramolecular and stereoselective allylic alkylation reactions are reported. In particular, a FC alkylation of indole-containing allylic alcohols is presented in PAPER C. While, an O-alkylation of aminol-containing allylic alcohols is reported in PAPER D. To the best of knowledge, these reports represent the first example of gold(I)-catalyzed stereoselective alkylations with alcohols.

Cinchona alkaloids and BINOL derivatives as privileged catalysts or ligands in asymmetric synthesis

During the last fifteen years organocatalysis emerged as a powerful tool for the enantioselective functionalization of the most different organic molecules. Both C-C and C-heteroatom bonds can be formed in an enantioselective fashion using many types of catalyst and the field is always growing. Many kind of chiral catalysts have emerged as privileged, but among them Proline, cinchona alkaloids, BINOL, and their derivatives showed to be particularly useful chiral scaffolds. This thesis, after a short presentation of many organocatalysts and activation modes, focuses mainly on cinchona alkaloid derived primary amines and BINOL derived chiral Brønsted acids, describing their properties and applications. Then, in the experimental part, these compounds are used for the catalysis of new transformations. The enantioselective Friedel-Crafts alkylation of cyclic enones with naphthols using cinchona alkaloid derived primary amines as catalysts is presented and discussed. The results of this work were very good and this resulted also in a publication. The same catalysts are then used to accomplish the enantioselective addition of indoles to cyclic enones. Many catalysts in combination with many acids as co-catalysts were tried and the reaction was fully studied. Selective N-alkylation was obtained in many cases, in combination with quite good to good enantioselectivities. Also other kind of catalysis were tried for this reaction, with interesting results. Another aza-Michael reaction between OH-free hydroxylamines and nitrostyrene using cinchona alkaloid derived thioureas is briefly discussed. Then our attention focused on Brønsted acid catalyzed transformations. With this regard, the Prins cyclization, a reaction never accomplished in an enantioselective fashion until now, is presented and developed. The results obtained are promising. In the last part of this thesis the work carried out abroad is presented. In Prof. Rueping laboratories, an enantioselective Nazarov cyclization using cooperative catalysis and the enantioselective desymmetrization of meso-hydrobenzoin catalyzed by Brønsted acid were studied.

Sustainable processes using heterogeneous acid catalysts. Some examples of industrial interest.

In recent years the need for the design of more sustainable processes and the development of alternative reaction routes to reduce the environmental impact of the chemical industry has gained vital importance. Main objectives especially regard the use of renewable raw materials, the exploitation of alternative energy sources, the design of inherently safe processes and of integrated reaction/separation technologies (e.g. microreactors and membranes), the process intensification, the reduction of waste and the development of new catalytic pathways. The present PhD thesis reports results derived during a three years research period at the School of Chemical Sciences of Alma Mater Studiorum-University of Bologna, Dept. of Industrial Chemistry and Materials (now Dept. of Industrial Chemistry “Toso Montanari”), under the supervision of Prof. Fabrizio Cavani (Catalytic Processes Development Group). Three research projects in the field of heterogeneous acid catalysis focused on potential industrial applications were carried out. The main project, regarding the conversion of lignocellulosic materials to produce monosaccharides (important intermediates for production of biofuels and bioplatform molecules) was financed and carried out in collaboration with the Italian oil company eni S.p.A. (Istituto eni Donegani-Research Center for non-Conventional Energies, Novara, Italy) The second and third academic projects dealt with the development of green chemical processes for fine chemicals manufacturing. In particular, (a) the condensation reaction between acetone and ammonia to give triacetoneamine (TAA), and (b) the Friedel-Crafts acylation of phenol with benzoic acid were investigated.

Synthesis and conformational analysis of heteroaromatic atropisomeric systems

The research work reported in this Thesis was held along two main lines of research. The first and main line of research is about the synthesis of heteroaromatic compounds with increasing steric hindrance, with the aim of preparing stable atropisomers. The main tools used for the study of these dynamic systems, as described in the Introduction, are DNMR, coupled with line shape simulation and DFT calculations, aimed to the conformational analysis for the prediction of the geometries and energy barriers to the trasition states. This techniques have been applied to the research projects about: • atropisomers of arylmaleimides; • atropisomers of 4-arylpyrazolo[3,4-b]pyridines; • study of the intramolecular NO2/CO interaction in solution; • study on 2-arylpyridines. Parallel to the main project, in collaboration with other groups, the research line about determination of the absolute configuration was followed. The products, deriving form organocatalytic reactions, in many cases couldn’t be analyzed by means of X-Ray diffraction, making necessary the development of a protocol based on spectroscopic methodologies: NMR, circular dichroism and computational tools (DFT, TD-DFT) have been implemented in this scope. In this Thesis are reported the determination of the absolute configuration of: • substituted 1,2,3,4-tetrahydroquinolines; • compounds from enantioselective Friedel-Crafts alkylation-acetalization cascade of naphthols with α,β-unsaturated cyclic ketones; • substituted 3,4-annulated indoles.

Arti decorative: Bologna e Faenza tra Ottocento e Novecento

La ricerca approfondisce gli studi iniziati dalla dott.ssa Baldini in occasione della tesi di laurea e amplia le indagini critiche avviate per la mostra sull’Aemilia Ars, società attiva nel campo delle arti decorative bolognesi e romagnole tra la fine dell’Ottocento e i primi anni del Novecento. Inizialmente si intendeva allargare questo tipo di ricerca a tutto il territorio regionale, ma data la complessità e l’estensione della materia, si è optato per una ridefinizione degli ambiti. La ricerca si è quindi interessata alle aree di Bologna e Faenza individuando le connessioni che, nel periodo indicato, intercorrono tra la cultura artistica locale e quella nazionale ed europea. Per quanto riguarda l’ambiente faentino ci si è concentrati sull’opera degli artisti del Cenacolo baccariniano e delle botteghe artigiane locali, che stabiliscono un apprezzabile contatto tra le due città. L’indagine si orienta soprattutto allo studio degli aspetti decorativi legati agli arredi urbani, agli allestimenti d’interni e alle arti applicate, considerando gli eventuali collegamenti con pittura, grafica e scultura. Nella prima parte del lavoro viene delineato sinteticamente il panorama artistico e culturale di Bologna e di Faenza nel periodo che va dall’ultimo decennio dell’Ottocento al primo decennio del secolo successivo. Le due città, connesse da una rete di collaborazioni tra artisti e laboratori artigianali, vivono un momento di particolare vivacità e grazie all’impegno di valenti personalità e alla congiunzione d’interessanti sinergie, sono in grado confrontarsi con importanti esempi nazionali ed internazionali. Il clima artistico faentino di questi anni risente ancora della significativa eredità neoclassica lasciata da Felice Giani, il quale oltre a fornire ad artisti e artigiani ineludibili esempi nei palazzi locali – tra cui primeggiano gli splendidi apparati decorativi di Palazzo Milzetti – si era fatto promotore insieme al Laderchi della locale Scuola di Disegno. La Scuola, che dal 1879 era divenuta Scuola d’Arti e Mestieri, viene diretta da Antonio Berti per un quarantennio, dal 1866 al 1906. Il Berti, formatosi in area fiorentina e sostanzialmente antiaccademico, si fa portatore a Faenza d’istanze macchiaiole. In questi anni la Scuola si proietta anche verso una concezione delle arti decorative che s’ispira al mondo inglese delle Arts and Crafts. L’artigianato bolognese nella seconda metà dell’Ottocento è ancora saldamente ancorato ad una tradizione che affonda le sue radici nei due secoli precedenti. La cultura figurativa della città è inoltre influenzata dalla Accademia Clementina, i cui insegnamenti non risentono particolarmente del clima internazionale. Nasce proprio in questo periodo Aemilia Ars, uno dei più innovativi movimenti del contesto nazionale nel campo delle arti decorative. I membri del gruppo, raccoltisi intorno alla carismatica figura di Alfonso Rubbiani nei primi anni Ottanta, sono attratti da influenze nordeuropee e sin dall’inizio si mostrano orientati a seguire precetti ruskiniani e preraffaelliti. Molto importante in entrambe le città, per l’evoluzione dello scenario artistico e artigianale – in questi anni più che mai unite in un rapporto di strettissima correlazione – è l’apporto e il sostegno offerto dai salotti, dai circoli, dai caffé e dai cenacoli locali. Queste realtà alimentano il processo di rinnovamento, fornendo valide occasioni d’incontro e confronto tra gli operatori culturali locali e ospiti italiani e stranieri; supportano inoltre le nuove esperienze tese allo svecchiamento del settore produttivo, attraverso quel fenomeno sociale così tipico di questi anni che è la filantropia di marca più o meno utopista e socialista. Solo per citare alcuni esempi si deve ricordare l’attività dei cenacoli che si raccolsero a Faenza intorno ad Angelo Marabini, a Pietro Conti e a Domenico Baccarini, ma anche il sostegno che le famiglie Cavazza e Pizzardi non fecero mancare alle iniziative del gruppo bolognese, o ancora l’attività di cenacoli artistici come l’Accademia della Lira e il Comitato per Bologna Storica ed Artistica. Nella seconda parte del lavoro l’attenzione si è focalizzata sull’attività degli artisti e artigiani legati ad Alfonso Rubbiani, uniti in un sodalizio che fin dalla metà degli anni Ottanta prende il nome di Gilda di San Francesco e successivamente si istituzionalizza in Aemilia Ars. Si è cercato di esaminare l’intero campo di interventi per settori produttivi, delineando le principali modalità e caratteristiche operative di Aemilia Ars, dando risalto ai maggiori operatori di ogni settore. Ha inoltre dato ampio spazio dal punto di vista documentario, iconografico e fenomenologico al raffronto tra il lavoro dei bolognesi e quello che si ritiene essere stato per questi artefici il più rilevante ambito di riferimento, cioè l’attività degli artisti e artigiani inglesi che si formarono ed operarono attorno alla figura di William Morris. In conformità ai dettami anglosassoni si avvia un rinnovamento della tradizione artigianale sensibile dal punto di vista formale al mondo della natura, da cui sono selezionate forme eccentriche, idonee a subire un processo di razionalizzazione sintetizzante. Per quanto riguarda le modalità di realizzazione, si assiste spesso all’adozione di metodiche ibride che risentono di una volontà di recupero di modi produttivi antichi congiunti a materiali nuovi o perlomeno inusuali. Questo slancio innovatore, che si avvale di elementi fitomorfi, si fonde a un gusto storicista rivolto in particolar modo al recupero di modelli tardogotici – assai diffuso in Europa – o del primo Rinascimento; in entrambi i casi si tratta di forme particolarmente adatte alla modalità lineare ed astrattiva a cui tendono i principali interpreti dell’ultimo ventennio dell’Ottocento. I settori produttivi che si sono indagati riguardano prevalentemente la ceramica, l’ebanisteria, i ferri battuti, l’oreficeria, le arti tessili e i cuoi. Gran parte di queste lavorazioni – che si erano attardate nella realizzazione di oggetti dalle forme pesanti, di ispirazione seicentesca, certamente poco adatte all’affermarsi di una produzione industriale – subiscono ora una decisa accelerazione verso forme più leggere e svelte che, adeguandosi alla possibilità di riproduzione seriale degli oggetti, si diffonderanno quasi capillarmente tra l’aristocrazia e la borghesia, faticando tuttavia a raggiungere le classi meno abbienti a causa degli elevati costi di produzione. Nell’ultima parte viene tracciato sinteticamente il quadro delle attività artistiche e artigianali faentine del periodo indicato, con una particolare attenzione all’opera delle personalità afferenti al Cenacolo baccariniano: Giovanni Guerrini (Faenza 1887 – Roma 1972), Francesco Nonni (Faenza 1885 – 1976), Domenico Rambelli (Faenza 1886 – Roma 1972), Orazio Toschi (Lugo 1887 – Firenze 1972) e Giuseppe Ugonia (Faenza 1881 – Brisighella 1944). Viene notato che i giovani artisti, riunitisi intorno alla figura di Domenico Baccarini, interessati all’area anglosassone ed impegnati nel rinnovamento dell’artigianato locale, si avvicinano marginalmente al gusto floreale nella fase iniziale di ispirazione simbolista, per approdare negli anni successivi ad esiti spesso più vicini all’Espressionismo o al gusto déco. Viene tracciato un panorama delle attività articolato per settori produttivi: ceramica, ebanisteria e ferri battuti, all’interno dei quali si è dato risalto a coloro che maggiormente hanno influito sull’innovazione e lo sviluppo dell’artigianato locale. Si è inteso ricercare quelle che furono le principali collaborazioni con gli artisti e le botteghe prese in esame nel capitolo precedente, mettendo in rilievo le affinità stilistiche con il contesto nazionale ed europeo. Oltre ai già citati artisti inglesi è stato messo in evidenza il riferimento all’area scozzese e mitteleuropea. Questa ricerca si propone lo studio delle relazioni che si stabiliscono tra l’estetica neomedievalista e l’aspirazione al rinnovamento delle arti decorative. Tale orientamento, che nasce e si sviluppa tra Francia e Inghilterra alla metà dell’Ottocento intorno agli scritti e alle opere di figure quali Eugène Viollet-le-Duc e John Ruskin, è prontamente recepito in Italia tra gli anni Ottanta e gli anni Novanta dell’Ottocento dal gruppo di artisti e artigiani riunitosi nel capoluogo emiliano intorno ad Alfonso Rubbiani. In seguito questi artisti prenderanno strade diverse, portando con sé la propria cifra stilistica legata a quel gusto che in Italia si chiamerà “Stile Floreale”, che nel frattempo si diffonde anche attraverso importanti vetrine quali l’Esposizione Internazionale di Arte Decorativa di Torino e le Biennali veneziane nonché sulle pagine di autorevoli riviste come Emporium e Arte Italiana Decorativa e Industriale. Il successo dell’esperienza bolognese unito alla collaborazione che sorse con la città di Faenza, si ritiene abbia offerto significativi stimoli per la formazione di alcuni tra i principali artisti faentini di fine secolo.

Ahmedabad | Laboratorio di architettura moderna Il National Institute of Design (1961-68) fra contatti internazionali ed echi della tradizione

Oggetto della ricerca è lo studio del National Institute of Design (NID), progettato da Gautam Sarabhai e sua sorella Gira, ad Ahmedabad, assunta a paradigma del nuovo corso della politica che il Primo Ministro Nehru espresse nei primi decenni del governo postcoloniale. Obiettivo della tesi è di analizzare il fenomeno che unisce modernità e tradizione in architettura. La modernità indiana, infatti, nacque e si sviluppò con i caratteri di un Giano bifronte: da un lato, la politica del Primo Ministro Nehru favorì lo sviluppo dell’industria e della scienza; dall’altro, la visione di Gandhi mirava alla riscoperta del locale, delle tradizioni e dell’artigianato. Questi orientamenti influenzarono l’architettura postcoloniale. Negli anni ‘50 e ’60 Ahmedabad divenne la culla dell’architettura moderna indiana. Kanvinde, i Sarabhai, Correa, Doshi, Raje trovarono qui le condizioni per costruire la propria identità come progettisti e come intellettuali. I motori che resero possibile questo fermento furono principalmente due: una committenza di imprenditori illuminati, desiderosi di modernizzare la città; la presenza ad Ahmedabad, a partire dal 1951, dei maestri dell’architettura moderna, tra cui i più noti furono Le Corbusier e Kahn, invitati da quella stessa committenza, per la quale realizzarono edifici di notevole rilevanza. Ad Ahmedabad si confrontarono con forza entrambe le visioni dell’India moderna. Lo sforzo maggiore degli architetti indiani si espresse nel tentativo di conciliare i due aspetti, quelli che derivavano dalle influenze internazionali e quelli che provenivano dallo spirito della tradizione. Il progetto del NID è uno dei migliori esempi di questo esercizio di sintesi. Esso recupera nella composizione spaziale la lezione di Wright, Le Corbusier, Kahn, Eames ibridandola con elementi della tradizione indiana. Nell’uso sapiente della struttura modulare e a padiglione, della griglia ordinatrice a base quadrata, dell’integrazione costante fra spazi aperti, natura e architettura affiorano nell’edificio del NID echi di una cultura millenaria.