Sintesi dei derivati del tetrafeniletilene (TPE)

I derivati del TPE, oltre a mostrare il tipico comportamento AIE, presentano proprietà ottiche facilmente modulabili in funzione della natura dei gruppi sostituenti, così da ottenere le caratteristiche necessarie per l’applicazione nel campo di LSC.

Le strategie sintetiche utili all’ottenimento del TPE e dei suoi derivati sono molteplici, sebbene per lo più abbiano in comune la via retrosintetica che prevede la disconnessione del doppio legame, e alcune di queste possono essere estese alla sintesi di TPE funzionalizzati. La prima testimonianza relativa alla sintesi del TPE risale al 1888, anno in cui de Boissieu e collaboratori prepararono questo composto per distillazione a partire da difenilmetano in presenza di bromo97.

a) b) c) d) e) f) g)

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Wang e collaboratori hanno utilizzato una reazione di condensazione tipo Knoevenagel tra difenilmetano e benzofenone per la preparazione del TPE (a, Schema 1.1)98_{. L’impiego di}

n-BuLi nella metodologia riportata comporta delle limitazioni in merito ai gruppi sostituenti sul difenilmetano di partenza e in modo analogo sul benzofenone; in particolare, non possono essere presenti sostituenti elettrondonatori sul difenilmetano, a causa della formazione di anioni instabili, e deve essere evitata la presenza di gruppi suscettibili di attacco nucleofilo sul benzofenone, in modo tale da evitare competizioni con il gruppo chetonico.

Okuma e collaboratori hanno proposto la reazione tra selenobenzofenoni, ottenuti dalla corrispondente ilide di fosforo e selenio elementare, e difenildiazometano che porta all’ottenimento di TPE, sebbene le rese non siano molto elevate. Questa strategia, può anche essere estesa alla sintesi di derivati asimmetrici di TPE99 _{(b, Schema 1.1).}

Alcune delle strategie sintetiche sfruttano la reattività di composti organometallici, come ad esempio nel lavoro di Tezuka del 1989, che ha dimostrato come il difenildiclorometano, in presenza di rame in condizioni stechiometriche, porti alla sintesi di TPE100 (c, Schema 1.1).

Un metodo di coupling elettrochimico è stato proposto nel lavoro di Barhadi e collaboratori, nel quale il TPE viene ottenuto a partire da difenildiclorometano in presenza di nichel come catalizzatore, lavorando a temperatura ambiente e utilizzando liquidi ionici come solvente101 (d, Schema 1.1).

Sfruttando l’attività catalitica del palladio, da Sajna e collaboratori è stata sviluppata una procedura di doppia arilazione del difenilacetilene condotta in mezzo acquoso102 _(e,

Schema 1.1), mentre Nadri e collaboratori hanno utilizzato la reazione di Heck a partire da di- e tri-arileteni per l’ottenimento di TPE e loro derivati103 (f, Schema 1.1).

Il metodo più comune per la sintesi di TPE e dei suoi derivati prevede l’utilizzo della reazione di coupling di McMurry, dove i sali di Ti(III) e Ti(IV) vengono ridotti a titanio a bassa valenza in presenza di un riducente, rendendo così possibile il coupling riduttivo del benzofenone e derivati. La reazione di McMurry risulta tollerante alla presenza di numerosi gruppi funzionali tra cui, gruppi alchilici, alogeni, eteri, ammine ed alcol, permettendo l’ottenimento di molti derivati simmetrici di TPE con elevate rese (g, Schema 1.1).

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Tra i metodi riportati, per la sintesi del fluoroforo condotta in questo lavoro di tesi, è stata selezionata la reazione di McMurry, in quanto in letteratura erano presenti numerosi composti analoghi sintetizzati con questo approccio sintetico; infatti, la sintesi di tetra- arileteni mediante reazione di omo-coupling di McMurry risulta ampiamente documentata104.

In generale, questa reazione di coupling carbonilativo consiste in due passaggi: la dimerizzazione riduttiva del chetone (o dell’aldeide) di partenza a formare il legame carbonio-carbonio e la deossigenazione dell’intermedio 1,2-diolato a dare l’alchene corrispondente. Il primo stadio è una semplice reazione pinacolica, che può avvenire grazie a vari metalli riducenti105, mentre il secondo stadio della reazione avviene unicamente grazie al titanio a valenza bassa.

Il meccanismo della reazione di McMurry non è ancora stato del tutto compreso, soprattutto a causa dell’eterogeneità della reazione che rende difficilmente isolabili e caratterizzabili gli intermedi. Per questo motivo Ledipo e collaboratori hanno approfondito lo studio meccanicistico della reazione tramite la sintesi e l’utilizzo di complessi di titanio a bassa valenza, al fine di solubilizzare e stabilizzare gli intermedi106. I meccanismi tipicamente proposti per la reazione di coupling di McMurry, riassunti nello Schema 1.2, coinvolgono stati di trasferimento elettronico singolo o doppio107_.

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La riduzione monoelettronica del substrato carbonilico produce un radicale chetilico, che può dimerizzare formando l’intermedio titan-pinacolato (via a, Schema 1.2) o attaccare un secondo gruppo carbonilico (via b, Schema 1.2) formando il legame C-C. Nella via b, è necessario che avvenga una seconda riduzione monoelettronica perché si ottenga l’intermedio di titan-pinacolato II. Alternativamente, una riduzione a due elettroni di un gruppo carbonilico genera la specie Ti-𝜂2-carbonilica (via c, Schema 1.2), che può dimerizzare a dare I o inserire un gruppo carbonilico nel legame titanio-carbonio a formare II. L’idrolisi di I o di II porta al prodotto pinacolico, mentre la deossigenazione degli intermedi titan-pinacolici a temperature elevate porta all’olefina corrispondente.

Nonostante non siano stati isolati e caratterizzati né l’intermedio Ti-𝜂2-carbonilico né l’intermedio titan-pinacolico nella reazione di coupling riduttivo mediato da reagenti eterogenei di titanio a valenza bassa, sono stati preparati e caratterizzati sistemi riduttivi solubili in fase organica contenenti titanio a stato d’ossidazione singolo e ben definito. Inoltre, in uno studio del meccanismo della reazione pinacolica, condotto da Steinhuebel e Lippard, è stato isolato un intermedio ciclico a tre centri, analogo a quello proposto per la reazione in esame, per altri metalli in grado di promuovere la reazione pinacolica (come ad esempio per l’itterbio), perciò è stato ipotizzato che anche per il titanio possa essere questo l’intermedio attivo105.

La frammentazione reversibile di titan-pinacolati derivanti dai complessi di titanio a bassa valenza porta ai composti carbonilici corrispondenti e al complesso Ti-𝜂2_{-carbonilico;}

questa evidenza supporta l’ipotesi di un meccanismo che preveda l’inserzione carbonilica per la formazione del complesso titan-pinacolico.

Il passaggio di deossigenazione non è stato ancora del tutto chiarito, sebbene sia ormai accertato che la driving force della reazione risieda nella formazione dei forti legami titanio-ossigeno presenti nel TiO2108. È stato dimostrato che, nonostante i due legami C-O

non si rompano nello stesso momento, la reazione di deossigenazione è molto vicina ad essere concertata e che avviene approssimativamente alla stessa velocità sia a dare l’isomero E sia l’isomero Z109_.

Sebbene per molti anni si siano ritenute attive unicamente le specie di Ti(0) e Ti(II), studi meccanicistici da parte di Diéguez e collaboratori hanno dimostrato che il titanio è attivo nella reazione anche nello stato d’ossidazione +3108.

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In modo analogo a ogni altro anello aromatico elettronricco, il TPE può subire sostituzione elettrofila aromatica, in particolare, le posizioni para di ogni anello aromatico sono le più elettronricche della molecola. Come atteso, la sostituzione elettrofila del TPE porta all’ottenimento di derivati di TPE 4-sostituiti. Nello specifico, il TPE può subire acilazione di Friedel-Crafts98, bromurazione110, iodurazione111 e nitrazione112 in condizioni di sostituzione elettrofila aromatica.

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