Design razionale di nanoparticelle per catalizzare reazioni di condensazione aldolica

Although great successes have been achieved in the field of metal-mediated asymmetric catalysis, recent events in the field of organocatalysis have made "man-made" enzymes no longer a utopia but a concrete and attainable goal. Tangible examples of this qualitative leap are the improvements made in the field of aldol reactions one of the most important transformations in organic chemistry. Many processes, mostly stoichiometric, have been approached by scientists with the aim of overcoming the regio-, chemo-, diastero-, and enantioselective barriers presented by this category of reactions. In biological systems, this type of reaction is carried out by two classes of aldolases that catalyze the reaction by mechanism with intermediate step to enamine (type 1 aldolase) or zinc-enolate (type 2). In contrast to enzymatic catalysis most organocatalyzed reactions are conducted in organic solvents such as DMSO, DMF, CH2Cl2, which are far from being considered green solvents since in aqueous environment these give rise to low yield and stereoselectivity. In addition, the high amount of organocatalyst required to complete the reaction causes a serious problem during the purification step from the product since the former and the latter do not have good separation efficiency. Therefore, developing an "aldolase-like" approach that can catalyze the reaction but in an aqueous environment and allow good purification of the product is highly desirable. Although good results have often been obtained in catalyst removal from products, supported catalysts often suffer from lower levels of enzyme activity (diffusion effects) and selectivity (site heterogeneity) than their unsupported analogs. The emergence and advancement of nanotechnology has brought a large number of innovative nanomaterials that can be used as semi-heterogeneous catalytic supports by combining the advantages of high reactivity and easy separation. Their high surface area-to-area ratio gives them improved activity, while recent advances in nanofiltration, precipitation-flocculation, facilitate their separation from products. The functionalized and stabilized gold nanoparticles show excellent size, solubility and agglomeration behavior qualifying them to act as nanometric supports for catalyst immobilization. In this work, we designed several gold nanosystems with different types of functionalization to mimic the catalytic mechanism of type 1 aldolases to evaluate the catalytic ability with the goal of finding a set of conditions that could maximize chemical activity.

Sebbene grandi successi siano stati raggiunti nel campo della catalisi asimmetrica mediata da metalli, i recenti avvenimenti nel campo dell’organocatalasi hanno reso gli enzimi “man-made” non più un’utopia ma un obiettivo concreto e raggiungibile. Esempio tangibile di questo salto qualitativo sono i miglioramenti fatti nel campo delle reazioni aldoliche: una delle più importanti trasformazioni in chimica organica. Molti processi, per la maggior parte stechiometrici, sono stati affrontati dagli scienziati con lo scopo di superare le barriere regio, chemio, diastero ed enantioselettive presentate da questa categoria di reazioni. Nei sistemi biologici la trasformazione è svolta da due classi di aldolasi che catalizzano la reazione o mediante meccanismo con passaggio intermedio ad enammina (aldolasi di tipo 1) o a zinco-enolato (tipo 2). Al contrario della catalisi chimica la maggior parte delle reazioni organocatalizzate sono condotte in solventi organici come DMSO, DMF, CH2Cl2, lontani dall’essere considerati solventi green poiché in ambiente acquoso queste danno luogo a bassa resa e stereoselettività. Oltretutto, l’elevata quantità di organocatalizzatore richiesta per il completamento della reazione, causa un serio problema durante la fase di purificazione dal prodotto in quanto i primi e i secondi non hanno una buona efficienza di separazione. È quindi altamente desiderabile ideare quindi un approccio “aldolase-like” in grado di catalizzare la reazione in un ambiente acquoso e permettere una buona purificazione del prodotto. Sebbene spesso si siano ottenuti buoni risultati nella rimozione del catalizzatore dai prodotti, i catalizzatori supportati spesso accusano livelli di attività enzimatica inferiori (effetti di diffusione) e selettività (eterogeneità del sito) rispetto ai loro analoghi non supportati. La comparsa e il progresso delle nanotecnologie hanno portato un gran numero di nanomateriali e nanosistemi innovativi che possono essere utilizzati come supporti catalitici semi-eterogenei combinando i vantaggi di una notevole reattività con la facile separazione. L’elevato rapporto superficie su area conferisce loro migliorata attività, mentre i recenti progressi in nano filtrazione, precipitazione-flocculazione, ne facilitano la separazione dai prodotti. Le nanoparticelle d'oro funzionalizzate e stabilizzate presentando eccellenti dimensioni, solubilità e comportamento qualificandole in modo del tutto naturale per agire come supporti nanometrici per l'immobilizzazione del catalizzatore. In questo lavoro abbiamo progettato diversi nanosistemi d’oro con differenti tipi di funzionalizzazione per imitare il meccanismo catalitico delle aldolasi di tipo 1 e valutarne la capacità catalitica con l’obbiettivo di trovare un set di condizioni che massimizzino l’attività chimica.