Sviluppo di complessi di rodio(I) con leganti carbenici fluorurati e non-fluorurati per il loro utilizzo nella tecnica di PHIP-SAH

NMR spectroscopy is a powerful technique that provides easy access to both qualitative and quantitative information; however, it suffers from a significant drawback: low sensitivity. This issue derives from the low polarization present in the system under experimental conditions, and hyperpolarization offers a potential solution. Signal enhancement can be achieved using parahydrogen (a spin isomer of hydrogen), a cheap and easily available substance, through various techniques collectively known as PHIP (Para Hydrogen Induced Polarization). These techniques are categorized into non-hydrogenative methods (such as SABRE) and hydrogenative ones, such as PHIP-SAH (Side Arm Hydrogenation). The latter is the focus of this thesis; it can be used to produce hyperpolarized pyruvate, a crucial biomarker, which has applications in biomedical research for studying biological mechanisms and in tumor diagnostics. Although this technique has yielded significant results and advanced to preclinical testing, its clinical application is currently hindered by the high concentration of rhodium (used as a catalyst to activate para-hydrogen) and other organic species in the final water pyruvate solution. Against this backdrop, the aim of this work was to develop new rhodium(I) catalysts for PHIP-SAH processes, specifically seeking innovative catalytic designs capable of optimizing both polarization transfer from parahydrogen to the substrate and the efficiency of removing the metal catalyst from the aqueous phase. In particular, the project involved the synthesis and evaluation of rhodium(I) catalysts featuring N-heterocyclic carbene (NHC), bis-NHC, and diphosphine ligands. Some of the NHC ligands were functionalized with fluorinated chains to improve the separation of rhodium species from the aqueous phase. Regarding the catalytic studies, interesting results were obtained with bis-NHC systems, for which it was also possible to investigate catalyst activation pathways by identifying hydride intermediates.

La spettroscopia NMR è una tecnica molto potente e permette di accedere facilmente a informazioni sia qualitative che quantitative ma soffre di un problema importante ovvero la bassa sensibilità. Questo è causato dalla bassa polarizzazione presente nel sistema nelle condizioni sperimentali e una possibile soluzione a tutto ciò è il fenomeno di iperpolarizzazione. Per aumentare il segnale si può usare il para-idrogeno (un isomero di spin dell’idrogeno), facilmente disponibile e poco costoso, che può essere sfruttato in molteplici tecniche denominate PHIP (Para Hydrogen Induced Polarization). Queste si distinguono nelle tecniche non idrogenative (come SABRE) e in quelle idrogenative come quella di PHIP-SAH (Side Arm Hydrogenation). In particolare, quest’ultima tecnica è oggetto del presente lavoro di tesi e può essere utilizzata per ottenere piruvato iperpolarizzato, uno dei biomarker più importanti, che può essere sfruttato in campo biomedico per lo studio di meccanismi biologici e per diagnostica tumorale. Nonostante questa tecnica abbia già ottenuto importanti riscontri e si sia già arrivati alla sua implementazione in test preclinici, la sua applicazione in ambito clinico è ad oggi preclusa dalla elevata concentrazione di rodio, utilizzato come catalizzatore per attivare il para-idrogeno, e di altre specie organiche nella soluzione acquosa finale di piruvato. In questo contesto, l’obiettivo del presente lavoro è stato lo sviluppo di nuovi catalizzatori di rodio(I) per processi PHIP-SAH, con lo scopo di individuare design catalitici innovativi in grado di ottimizzare sia il trasferimento di polarizzazione dal para-idrogeno al substrato sia l’efficienza di rimozione del catalizzatore metallico dalla fase acquosa. In particolare, nel corso dell’attività sono stati sintetizzati e valutati catalizzatori di rodio(I) contenenti leganti carbenici N-eterociclici (NHC), bis-NHC e difosfinici. Alcuni dei leganti NHC utilizzati sono stati funzionalizzati con catene fluorurate nell’ottica di una migliore separabilità delle specie di rodio dalla fase acquosa. Per quanto riguarda gli studi catalitici, si sono ottenuti risultati interessanti con i sistemi bis-NHC per i quali è stato anche possibile studiare le vie di attivazione del catalizzatore individuando intermedi idrurici.