• acidochromism
• merocyanine
• molecular switch
• photochromism
• solvatochromism
• spiropyran
• thermochromism

Questo progetto di tesi è focalizzato sulla sintesi e la caratterizzazione di un derivato C-glucosidico dello spiropirano, ideato per migliorarne la solubilità e conseguentemente la sua applicabilità in vivo.
Gli spiropirani sono molecole fotocromiche in grado di interconvertirsi reversibilmente tra una forma chiusa e neutra, definita Spiropirano (SP), e una forma aperta, polarizzata e colorata, detta Merocianina (MC). Tale transizione avviene in risposta a stimoli esterni quali principalmente luce UV, ma anche variazioni di pH, temperatura o polarità del solvente. Ciò, unito alla vasta gamma di funzionalizzazioni cui possono essere substrato, li rende candidati ideali in vari campi. Tuttavia, la loro elevata idrofobicità e scarsa solubilità in acqua limitano fortemente l'impiego in sistemi biologici.
Per superare questo limite, è stata progettata una molecola in cui la porzione idrofobica dello spiropirano è coniugata a una molecola polare quale il glucosio. Inoltre è stato introdotto un gruppo nitro in posizione para al fenolo per migliorare la stabilità della forma aperta (MC) tramite effetto elettron-attrattore.
Sebbene la molecola ottenuta non sia solubile in acqua, è da ritenersi interessante la strategia sintetica che è stata attuata. In primo luogo, è stato ottenuto il p-nitrofenolo C-glucoside mediante una reazione one-pot a partire da D-glucosio e acetilacetone, formando il D-glucosil propanone. A questo è stata successivamente addizionata la nitromalonaldeide sodica monoidrata per ottenere il p-nitrofenolo C-glucoside.
È noto che la via sintetica più semplice per ottenere gli Spiropirani prevede la condensazione di una salicilaldeide con una base di Fischer, pertanto è stata attuata una reazione di Duff per ottenere il prodotto formilato. Tuttavia, tale formilazione non è semplice da ottenere su un substrato disattivato come nel caso del p-nitro fenolo C-glucoside, in quanto il gruppo nitro in para, esercita un'azione elettron-attrattrice e disattivante dell'anello, ostacolando reazioni di sostituzione elettrofila tradizionali. Ne consegue la necessità di ricorrere a una reazione di Duff modificata, condotta in condizioni drastiche, impiegando acidi forti come TFA e alte temperature. Condizioni di reazione così spinte hanno portato alla formazione di esteri derivanti dalla reazione tra gli ossidrili del glucosio e il TFA. È stato quindi necessario proteggere selettivamente gli ossidrili del glucosio prima di procedere alla formilazione per mezzo della reazione di Duff.
Il composto formilato è stato poi deprotetto tramite deacetilazione di Zemplén, purificato, e successivamente fatto reagire con la base di Fischer (1,3,3-trimetilindolina) per formare il legame spiropiranico attraverso una tipica reazione di condensazione.
A questa prima fase sintetica è seguita una seconda fase dedicata alla caratterizzazione dello Spiropirano C-glucoside ottenuto. In particolare, le sue proprietà fotochimiche e solvato-cromatiche sono state studiate attraverso spettroscopia NMR e UV/Vis in diversi solventi (MeOH, DMSO, CH₃CN), variando pH e temperatura. È stato dimostrato che il p-nitrospiropirano C-glucoside presenta un fotocromismo comparabile a quello riportato in letteratura per altri derivati spiropiranici: in solventi polari e al buio, l’equilibrio si sposta spontaneamente verso la forma aperta e colorata MC, un processo ulteriormente favorito dall’irradiazione UV a 365 nm, mentre l’esposizione alla luce visibile (535 nm) induce il ritorno alla forma chiusa e meno intensamente colorata SP. Allo stesso modo, l’aumento della temperatura o del pH contribuisce a stabilizzare la forma MC.
Inoltre, è stato dimostrato che la cinetica dell’interconversione SP ⇄ MC è influenzata non solo dalla polarità del solvente, ma anche dalla sua capacità di stabilizzare specie cariche. In particolare, i solventi polari protici favoriscono la forma MC tramite interazioni a idrogeno, mentre i solventi polari aprotici come il DMSO tendono a stabilizzare la forma chiusa SP, evidenziando il ruolo cruciale delle interazioni specifiche tra soluto e solvente nel modulare le proprietà fotoattive del composto.

This thesis project focuses on the synthesis and characterization of a C-glucoside derivative of spiropyran, designed to improve its solubility and consequently its applicability in vivo.
Spiropyrans are photochromic molecules capable of reversibly interconverting between a closed, neutral form known as Spiropyran (SP), and an open, zwitterionic, and coloured form called Merocyanine (MC). This transition occurs in response to external stimuli such as mainly UV light, but also changes in pH, temperature, or solvent polarity. These features, along with their versatility in chemical functionalization, make spiropyrans promising candidates for various applications. However, their high hydrophobicity and poor water solubility severely limit their use in biological systems.
To address this limitation, a molecule was designed in which the hydrophobic portion of the spiropyran is conjugated to a polar moiety such as glucose. Additionally, a nitro group was introduced in the para position of the phenol ring to stabilise the open form (MC) through its electron-attractor effect. Although the final compound is not water-soluble, the synthetic strategy employed is of significant interest. First, p-nitrophenol C-glucoside was obtained by a one-pot reaction from D-glucose and acetylacetone, forming D-glucosyl propanone. This intermediate was then reacted with sodium nitromalonaldehyde monohydrate to obtain p-nitrophenol C-glucoside.
It is known that the simplest synthetic route to obtain spiropyrans involves the condensation of a salicylaldehyde with a Fischer base. Therefore, a Duff reaction was attempted to obtain the formylated intermediate. However, formylation on a deactivated substrate such as p-nitrophenol C-glucoside proved challenging, due to the strong electron-attracting and deactivating effect of the para-nitro group, which hinders traditional electrophilic substitution reactions. Consequently, a modified Duff reaction under drastic conditions was required, involving strong acids such as TFA and high temperatures. These conditions led to the formation of esters resulting from the reaction between the hydroxyl groups of glucose and TFA. Selective protection of glucose hydroxyl groups was thus necessary prior to the formylation by the Duff reaction.
The formylated compound was subsequently deprotected via Zemplén deacetylation, purified, and reacted with a Fischer base (1,3,3-trimethylindoline) to form the spiropyran bond through a typical condensation reaction. This first synthetic phase was followed by a second phase dedicated to the characterization of the synthesized C-glucoside spiropyran. In particular, its photochemical and solvatochromic properties were studied through NMR and UV/Vis spectroscopy in different
solvents (MeOH, DMSO, CH₃CN), varying both pH and temperature. It was shown that the p-nitrospiropyran C-glucoside exhibits photochromism comparable to other spiropyran derivatives reported in the literature: in polar solvents and in the dark, the equilibrium shifts spontaneously toward the open, coloured MC form, a process further promoted by UV irradiation at 365 nm, while exposure to visible light (535 nm) induces the return to the closed and less intensely coloured SP form. Likewise, increased temperature or pH stabilises the MC form.
Furthermore, it was demonstrated that the kinetics of the SP ⇄ MC interconversion is influenced not only by solvent polarity, but also by the solvent’s ability to stabilise charged species. In particular, polar protic solvents promote the MC form via hydrogen interactions, whereas polar aprotic solvents like DMSO tend to stabilise the closed SP form, highlighting the crucial role of specific solute–solvent interactions in modulating the photoactive properties of the compound.