Metodologie innovative in chimica organica: applicazione degli ultrasuoni in reazioni di C-H amminazione e nella degradazione di antibiotici veterinari

Ultrasound application importance in organic chemistry is raising in the last years, thanks to their capability to promote chemical transformations. While low-frequency ultrasound can increase reaction efficiency by producing a more efficient mass transfer, high-frequency ultrasound has a real chemical effect because it generates radicals which can modify the molecular structure of matter. In this research work, the first one has been applied to C-H bonds activation reaction, while the second one has been used as Advanced Oxidation Processes, for oxytetracycline degradation. Cross-Dehydrogenative Coupling reactions are a synthetic tool which are gaining raising importance in organic chemistry, because they permit to directly derivatize C-H bonds, without the needs of pre-functionalization. They are advantageous both from an economical and an environmental point of view. They can be applied not only to C-C bonds formation, but also to C-N, C-O and C-S bonds. The aim of this work is to optimize a protocol for azolic substrates amination and using it to investigate the potential effect of low-frequency ultrasound on reaction course. Using 2-phenyl-1,3,4-oxadiazole as substrate, a reaction protocol has been realized: it is based on Cu(I) use as catalyst, in acetonitrile and it can be used for C-H bond amination with secondary amines. The reaction has been profitably conducted on benzoxazole too. Ultrasound application (20 kHz) increased reaction rate and yield, allowing to reduce the catalyst amount from 60 to 20% and to halve the necessary amine amount. At the same time, ultrasound has been used to study the oxytetracycline (OTC) degradation process, in order to identify a process which can be applied to cow milk to break down the content of veterinary antibiotic in it, to make it disposable for human consumption. For this reason, an OTC aqueous solution has been sonicated with ultrasound at different frequencies (from 500 kHz to 1 MHz) and the effect of combined factors (as light, heat and oxidant use) has been studied: the best tested frequence is 575 kHz and, even if some factors has been studied in combination with ultrasound, they didn't produce a sensible increase in degradation rate. Sonication resulted to be effective, leading to a 70% reduction of OTC contained in the solution, but further studies are necessary to produce a scale-up (eventually designing a continuos process instead of a process in batch), to identify the structure of the degradation products and to define if the process can be apply to milk, without modify its nutritional and organoleptic characteristics.

L'utilizzo degli ultrasuoni in chimica organica sta guadagnando negli anni un'importanza sempre crescente, grazie alla loro capacità di promuovere trasformazioni chimiche. Mentre gli ultrasuoni a bassa frequenza sono in grado di aumentare l'efficacia di una reazione semplicemente determinando un trasferimento di massa più efficiente, gli ultrasuoni ad alta frequenza hanno un effetto chimico vero e proprio poichè generano specie radicaliche. Nel presente lavoro di ricerca i primi sono stati applicati in reazioni di C-H amminazione, mentre i secondi sono stati utilizzati, come Advanced Oxidation Process, per la degradazione dell'ossitetraciclina. Le reazioni di Cross-Dehydrogenative Coupling sono un tool sintetico che sta guadagnando un'importanza crescente in chimica organica, in quanto permettono la derivatizzazione diretta di legami C-H, senza la necessità di una pre-funzionalizzazione. Sono quindi vantaggiose da un punto di vista sia economico sia ambientale. Esse sono applicabili non solo alla formazione di legami C-C, ma anche di legami C-N, C-O o C-S. Il presente lavoro si prefigge l'obiettivo di ottimizzare un protocollo per l'amminazione di substrati azolici e di utilizzarlo per investigare il potenziale effetto degli ultrasuoni a bassa frequenza sull'andamento della reazione. Utilizzando come modello il 2-fenil-1,3,4-ossadiazolo è stato messo a punto un protocollo di reazione basato sull'utilizzo di Cu(I) come catalizzatore, in acetonitrile, per l'amminazione del legame CH in presenza di ammine secondarie. La reazione è stata condotta efficacemente anche in presenza di benzosazzolo. L'applicazione degli ultrasuoni (20 kHz) ha incrementato la velocità di reazione e la resa permettendo anche di ridurre la quantità di catalizzatore da 60 a 20 mol% e di dimezzare la quantità di ammina necessaria. In parallelo gli ultrasuoni sono stati studiati in un processo di degradazione dell'ossitetraciclina (OTC) allo scopo di identificare un processo applicabile al latte vaccino per abbattere il contenuto di antibiotico veterinario in esso presente, in modo da renderlo disponibile al consumo umano. A questo scopo, si è proceduto a sonicare una soluzione acquosa di OTC con varie frequenze da 500 kHz a 1 MHz, testando anche l'effetto ad essi combinato di fattori come la luce, il calore e l'utilizzo di un ossidante: la frequenza migliore tra quelle testate è risultata essere 575 kHz e, nonostante siano stati sperimentati vari fattori in combinazione ad essa, questi non hanno prodotto un sensibile incremento nel tasso di degradazione. La sonicazione è quindi risultata essere efficace, portando ad un abbattimento del 70% dell'OTC contenuta nella soluzione, ma ulteriori studi sono necessari per produrre uno scale-up (eventualmente anche portando il processo in un sistema in continuo piuttosto che in batch), per identificare la struttura dei prodotti di degradazione e per definire se il processo sia effettivamente applicabile al latte senza modificarne le caratteristiche nutrizionali ed organolettiche.