Innovative catalytic processes for oxidation reactions

Lo studio e lo sviluppo di sistemi metallo-catalizzati innovativi per l’ossidazione di molecole organiche con ossidanti sostenibili, specialmente ossigeno molecolare, O2, o acqua ossigenata, H2O2, è una prospettiva di grande attrazione per l’Industria Chimica. Nel progetto di Tesi di Dottorato, sono state sviluppate diverse strategie allo scopo di effettuare trasformazioni ossidative di riferimento quali l’autoossidazione di derivati benzilici, l’idrossilazione di idrocarburi aromatici e l’epossidazione di olefine. In tutti i casi, l’approccio alla ricerca si è basato su alcuni aspetti chiave che prevedono l’utilizzo integrato di: i) ossidanti a basso impatto ambientale quali O2 e H2O2; ii) catalizzatori multi-metallici ad elevata resistenza termica, idrolitica ed ossidativa; iii) tecniche di catalisi eterogenea per mezzo di materiali funzionali ibridi organici-inorganici costituiti da membrane catalitiche a matrice polimerica e protocolli che non prevedano l’impiego di solventi organici; iv) microonde o radiazioni fotochimiche quali tecniche di attivazione non convenzionali; v) tecniche di catalisi multipla con processi sequenziali e/o paralleli (Tandem Catalisi). I catalizzatori impiegati appartengono alla classe degli ossidi polianionici metallici, detti poliossometallati (POMs), aventi formula generale [XxMmOy]q-, dove M è il componente metallico principale (Mo, V, W) e X è un eventuale eteroatomo (P o Si). Questi complessi sono molto vantaggiosi come catalizzatori perché di natura inorganica, resistenti e sono modulabili in termini di struttura, composizione chimica, densità elettronica e carica polianionica. Particolarmente interessante è la possibilità di funzionalizzare la porzione inorganica con domìni di natura organica, potendo così ottenere catalizzatori ibridi organici-inorganici dalle prestazioni catalitiche migliori. Poiché le fasi fluorurate sono di particolare interesse per ciò che concerne le trasformazioni ossidative, l’attività di ricerca si è focalizzata sulla sintesi, caratterizzazione e attività catalitica di nuovi poliossometallati fluorurati. Sono state seguite due strategie di sintesi differenti basate sulla metatesi di controcatione e sulla funzionalizzazione covalente di superfici di POM inorganici. Con la prima strategia è stato isolato il polianione decatungstato (W10O32)4- con un controcatione tetraalchilammonio fluorurato ottenedo il sale fluorofilico ?[CF3(CF2)7(CH2)3]3CH3N}4W10O32 , (RfN4W10). Il decatungstato è noto per la sua capacità di essere iniziatore di processi radicalici se fotoirradiato in atmosfera di ossigeno. L’ossidazione fotocatalitica di etilbenzene ed altri idrocarburi benzilici tramite RfN4W10 e O2 è stata condotta in 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanolo (HFIP), sia in omogeneo che in fase eterogenea. L’applicazione della tecnologia delle membrane per la catalisi eterogenea offre, in particolare, numerosi vantaggi in termini di combinazioni di avanzati processi di separazione molecolare con proprietà di trasporto selettive, insieme alla reattività su supporti solidi. L’eterogeneizzazione del fotocatalizzatore è stata così ottenuta per incorporazione di RfN4W10 in film polimerici perfluorurati di HYFLON AD 60X, ottenendo così nuovi materiali ibridi da impiegare e reciclare in processi “multi-turnover” ed in assenza di solventi. Immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) della superficie e della sezione del film evidenziano una distribuzione omogenea ed altamente dispersa dei domini catalitici che appaiono come particelle sferiche a dimensioni uniformi e di diametro pari a circa 2-3 ?m. Inoltre, in condizioni controllate, è stato possibile ottenere una membrana porosa da poter utilizzare in un reattore a flusso continuo. Nelle condizioni testate, la fotoossigenazione con (RfN)4W10O32 dà benzilidroperossido ed il corrispondente alcool e chetone. E’importante evidenziare come la fotoossigenazione di tetralina ed indano proceda con TON>6000 e con una elevata selettività in alcool, fornendo così un’ importante alternativa ad altri sistemi di ossigenazione basati su meccanismi di tipo radicalico. Poliossometallati fluorurati sono stati sintetizzati anche tramite l’approccio di funzionalizzazione covalente. Questa strategia prevede l’impiego di poliossotungstati lacunari e organosilil cloruri CF3(CF2)7CH2CH2SiCl3 (RfSiCl3) a dare derivati ibridi per mezzo dell’attacco covalente dei gruppi organici sulla superficie del POM. I complessi finali risultanti, con formula generale Q4[(RfSi)xOySiWwOz], isolati come sali di tetrabutilammonio (Q+) sono stati caratterizzati ed impiegati come catalizzatori per l’epossidazione di diverse olefine in presenza di H2O2. Studi cinetici e meccanicistici hanno fornito diverse indicazioni circa l’esistenza di un effetto sinergico fra i catalizzatori e il solvente per fluorurato utilizzato (HFIP). E’importante sottolineare come questa reazione attivata da microonde produca epossido in rese quantitative dopo soli 20 minuti anche per le olefine terminali. Ulteriori aspetti trattati riguardano le caratteristiche auto-assemblanti di questi complessi fluorurati anfifilici. Fenomeni di aggregazione in soluzione di HFIP sono stati studiati tramite DLS e tramite microscopia elettronica allo stato solido. Anche l’eterogeneizzazione di questo sistema è stata ottenuta tramite l’approccio di funzionalizzazione covalente. In questo caso, il poliossotungstato lacunare è stato fatto reagire con un silano che porta una catena alchilica insatura terminale: CH2=CH(CH2)6SiCl3 (RSiCl3). La morfologia e la struttura del materiale ibrido risultante sono state modulate attraverso la variazione del rapporto dei solventi porogenici e dei comonomeri impiegati nella miscela di polimerizzazione. Il polimero ibrido finale presenta l’interessante proprietà di rigonfiare in alcool fluorurati, dove l’epossidazione di cis-cicloottene avviene con rese quantitative in 15 minuti. Infine, è stato studiato il processo POM-catalizzato per la sintesi di fenolo: uno degli intermedi e commodity a più alto valore di mercato. A questo scopo l’attività di ricerca è stata incentrata sullo studio sia del processo autoossidativo, sia della mono-idrossilazione diretta del benzene. (i) L’applicazione di tecniche di Tandem Catalisi, allo scopo di sfruttare la produzione con sistema a membrana foto catalitica del cumilidroperossido da cumene, e promuoverne la sua decomposizione a fenolo in un secondo stadio con un catalizzatore POM-acido, (ii) lo screening di diversi molibdovanadati come catalizzatori da usare con H2O2 per l’idrossilazione di benzene. Nel primo caso, la Tandem Catalisi permette di ottenere una resa in fenolo pari a 63% rispetto alle moli iniziali di cumilidroperossido, nel secondo caso, con H4Mo11VO40 si ha un miglioramento dei dati di letteratura per ottimizzazione della reazione con 17% di conversione, selettività = 90% e TOF = 22.5 h-1.