• DES
• Diels-Alder reaction
• HMF

Questo lavoro di Tesi si colloca nell'ambito della transizione ecologica, con un focus specifico sull'utilizzo di nuovi solventi ecosostenibili per la reazione di Diels-Alder condotta sul 5-idrossimetilfurfurale (HMF).
L’ HMF è una delle molecole più promettenti nell’ambito della Green Chemistry, grazie alla sua origine rinnovabile e alle numerose possibilità applicative.
Si tratta di un composto eterociclico derivante dalla degradazione dei carboidrati quali, ad esempio, glucosio e fruttosio. L’HMF è caratterizzato dalla presenza di un gruppo aldeidico, di un anello furanico e di un gruppo idrossimetilico che gli conferiscono una rilevante versatilità in ambito chimico. È un intermedio che, grazie alle sue proprietà chimico-fisiche, trova applicazione in una vasta gamma di prodotti in ambiti piuttosto diversi quali ad esempio farmaceutico, metallurgico, nell’industria alimentare e nel settore agrochimico. Il suo impiego è inoltre in linea con gli obiettivi dell’economia circolare e della riduzione dell’impatto ambientale. Lo studio e l’ottimizzazione delle reazioni possibili su questo substrato risultano quindi cruciali nella transizione verso tecnologie più sostenibili.
Nonostante la sua versatilità, l’HMF è caratterizzato da una scarsa stabilità sia agli acidi che al calore, un limite nella produzione, nell’utilizzo e nella trasformazione della molecola stessa che può andare incontro a processi degradazione, dimerizzazione o oligomerizzazione.
La presenza del gruppo aldeidico, coniugato all’anello furanico, rappresenta invece una limitazione nella reazione di Diels-Alder a domanda elettronica diretta; il gruppo aldeidico coniugato al diene ne riduce la densità elettronica rendendolo meno reattivo nei confronti del dienofilo. La presenza del gruppo aldeidico, infatti, produce una perturbazione elettronica che modifica la distribuzione della densità elettronica del sistema, influenzando la sovrapposizione degli orbitali tra il diene e il dienofilo e alterandone l’allineamento durante la reazione.
In questo lavoro di Tesi si è quindi proposto di esaminare la reazione di Diels-Alder utilizzando come mezzo di reazione i Deep Eutectic Solvents (DESs).
I DESs sono una classe di solventi green formati da due o più componenti, i quali presentano un punto di fusione minore del loro eutettico ideale; per la formazione di un DES è necessaria la presenza di un donatore di legami a idrogeno (HBD) e di un accettore di legami a idrogeno (HBA). Tra le principali caratteristiche di questa emergente classe di solventi sono di particolare rilevanza la bassa tossicità, la scarsa volatilità, la biodegradabilità e la semplice ed economica trasformazione. Questi solventi garantiscono una buona stabilità chimica e termica elevata, rappresentando quindi una valida alternativa ai solventi organici tradizionali.
Alcuni di questi solventi chimici green, sono risultati però non inerti nei confronti dell’HMF. Per tale motivo è stato pensato di utilizzarli nella reazione selezionata e verificare se possano o meno avere un impatto sulla selettività e sulla reattività dell’HMF cercando di superare le limitazioni dettate dalla struttura della molecola. Dagli studi condotti è stato evidenziato che il DES non funge solo da solvente, ma è parte attiva nella formazione di un intermedio protetto sulla funzionalità aldeidica. Questo intermedio non necessita di purificazione perché è un intermedio elusivo.
È proprio questo intermedio formato in situ che subisce poi reazione di Diels-Alder in quanto l’acetale che deriva dalla protezione aumenta la ricchezza elettronica del diene e lo rende più reattivo verso il dienofilo. La protezione del gruppo aldeidico introduce un ingombro sterico che modula l’interazione tra diene e dienofilo aumentando la selettività dei prodotti.
In questo lavoro di Tesi, i DESs che hanno fornito i risultati più soddisfacenti sono DESs di tipo III; formati un sale di ammonio quaternario come HBA, nel nostro caso la colina cloruro (ChCl), e da una molecola organica come HBD, quale etilenglicole (EG) o 1,3-propandiolo (PD), che sono stati entrambi preparati in rapporto molare 1:3.
La reazione di Diels-Alder è stata quindi eseguita nei DESs selezionati utilizzando l’HMF come diene e una serie di maleimmidi N-sostituite come dienofili.
In accordo con i principi della Green Chemistry la strategia utilizzata consente quindi di utilizzare componenti a scarsa tossicità, valorizzare composti derivanti da fonti di scarto e eseguire reazioni intermedie senza la necessità di purificare a priori gli intermedi mediante la reazione one-pot che porta alla formazione dell’intermedio reattivo acetalico. La reazione ottimizzata è stata quindi testata su altri derivati maleimmidici per estendere ulteriormente le applicazioni della metodologia applicata.

This Project falls within the framework of ecological transition, with a specific focus on the use of new eco-sustainable solvents for the Diels-Alder reaction conducted on 5-hydroxymethylfurfural (HMF).
HMF is one of the most promising molecules in the field of Green Chemistry due to its renewable origin and numerous potential applications. It is a heterocyclic compound derived from the degradation of carbohydrates, such as glucose and fructose. HMF is characterised by the presence of an aldehyde group, a furanic ring, and a hydroxymethyl group, which impart significant versatility in chemical applications. This intermediate, owing to its chemical and physical properties, is applied in a wide range of products in diverse sectors, such as pharmaceuticals industry, food industry, metallurgy and agrochemicals. Furthermore, its use aligns with the objectives of circular economy and environmental impact reduction. Therefore, the study and optimization of reactions involving this substrate are crucial for advancing more sustainable technologies.
Despite its versatility, HMF exhibits poor stability under acidic conditions and heat, representing a limitation in its transformation, utilization, and production processes, as it may undergo degradation, dimerization, or oligomerization. The presence of the aldehyde group conjugated with the furanic ring also poses a challenge for electronically demanding Diels-Alder reactions; the conjugated aldehyde group reduces the electron density of the diene, making it less reactive towards the dienophile. This aldehyde group induces an electronic perturbation that alters the electron density distribution within the system, thereby influencing orbital overlap between the diene and dienophile and affecting their alignment during the reaction.
In this project, the Diels-Alder reaction was studied using Deep Eutectic Solvents (DESs) as the reaction medium. DESs are a class of green solvents composed of two or more components, which exhibit a melting point lower than their ideal eutectic mixture. The formation of a DES requires the presence of a hydrogen bond donor (HBD) and a hydrogen bond acceptor (HBA). Key features of this emerging class of solvents include low toxicity, low volatility, biodegradability, and the possibility of being prepared using simple and cost-effective techniques. These solvents provide high chemical and thermal stability, making them a viable alternative to traditional organic solvents.
However, some green solvents have been found to interact non-inertly with HMF. For this reason, they were employed in the selected reaction to investigate their impact on the selectivity and reactivity of HMF, aiming to overcome the structural limitations of the molecule. The conducted studies revealed that DESs do not merely serve as solvents but actively participate in the formation of a protected intermediate involving the aldehyde functionality. This intermediate does not require purification, as it is a transient species.
It is precisely this intermediate, formed in situ, that undergoes the Diels-Alder reaction. The acetal derived from the aldehyde protection increases the electron density of the diene, rendering it more reactive towards the dienophile. The protection of the aldehyde group also introduces steric hindrance that modulates the interaction between the diene and dienophile, enhancing the selectivity of the products.
In this study, the DESs that provided the most satisfactory results were Type III DESs, formed by a quaternary ammonium salt as the HBA, specifically choline chloride (ChCl), and an organic molecule as the HBD, such as ethylene glycol (EG) or 1,3-propanediol (PD). These DESs were prepared in a 1:3 molar ratio.
The Diels-Alder reaction was carried out in the selected DESs using HMF as the diene and a series of N-substituted maleimides as dienophiles. In line with Green Chemistry principles, this strategy utilizes low-toxicity components, valorizes compounds derived from waste sources, and allows intermediate reactions to proceed without prior purification of intermediates, employing a one-pot reaction approach to generate the reactive acetal intermediate. The optimized reaction was subsequently tested on other maleimide derivatives to further extend the applications of the proposed methodology.