Crosslinked PEI-based materials for the synthesis of heterocyclic systems in medicinal chemistry

Polyethylenimine (PEI)-based polymers have a wide range of applications in many fields, providing substantial opportunities in pharmaceutical chemistry and other areas of biomedical research. According to its alkaline properties and high content of amino groups, PEI has been used as catalyst in amino-base-catalyzed reactions. However, since PEI is soluble in most polar solvents, it behaves like a homogeneous catalyst. Despite the selectivity advantage offered by homogeneous catalysts, the majority of industrial catalytic processes employ heterogeneous catalysts. This is primarily due to the significant advantage of being easily separated from the reaction product and to the reduced costs. PEI has the limitation of being not very manageable, which is why we make it solid by crosslinking it with organic molecules, which are preferred over metals from an eco-sustainable perspective. It was possible to obtain a thin solid powder material thanks to two important crosslinking reactions. The first was between PEI and methyl-diphenyl-diisocyanate, and the second between PEI and EDTA dianhydride. The produced material has been characterized using solid-state NMR and SEM analysis, and its catalytic activity was first tested in Gewald reactions, an excellent method for producing 2-aminothiophenes. Additionally, thanks to the remarkable properties of PEI, it was possible to synthesize thiophene derivatives using dithianes. Due to the great results achieved, another class of compounds considered was that of coumarin derivatives. These have gained significant attention in synthetic, organic, and pharmaceutical chemistry due to their versatile applications, including food additives, cosmetics, optical devices, drug candidates and dyes. It was possible to achieve high reaction yields using microwave irradiation, which facilitates faster reactions under bulk conditions and significantly reduces reaction times. The reusability of the catalyst is still to be investigated. The use of continuous in-flow conditions will also be considered. Future efforts will then focus on improving these reactions by optimizing the operating conditions and exploring the design of PEI based heterogeneous catalysts prepared from sustainable materials.

I polimeri a base di polietilenimmina (PEI) hanno una vasta gamma di applicazioni in molti campi, offrendo notevoli opportunità nella chimica farmaceutica e in altre aree della ricerca biomedica. Grazie alle sue proprietà alcaline e all'alto contenuto di gruppi amminici, il PEI è stata utilizzato come catalizzatore nelle reazioni catalizzate da basi amminiche. Tuttavia, poiché il PEI è solubile nella maggior parte dei solventi polari, si comporta come un catalizzatore omogeneo. Nonostante il vantaggio di selettività offerto dai catalizzatori omogenei, la maggior parte dei processi catalitici industriali impiega catalizzatori eterogenei. Questo principalmente a causa del significativo vantaggio di essere facilmente separabili dal prodotto di reazione e dei costi ridotti. Il PEI ha la limitazione di essere poco maneggevole, motivo per cui lo rendiamo solido tramite reticolazione con molecole organiche, preferite ai metalli per ragioni di eco sostenibile. È stato possibile ottenere un materiale solido in polvere sottile grazie a due importanti reazioni di reticolazione. La prima tra PEI e metil-difenil-diisocianato, e la seconda tra PEI e EDTA- anidride. Il materiale prodotto è stato caratterizzato mediante analisi NMR allo stato solido e SEM, e la sua attività catalitica è stata testata inizialmente nelle reazioni di Gewald, un eccellente metodo per la produzione di 2 amminotiofeni. Inoltre, grazie alle notevoli proprietà della PEI, è stato possibile sintetizzare derivati del tiofene utilizzando ditiani. Grazie agli ottimi risultati ottenuti, un'altra classe di composti considerata è stata quella dei derivati della cumarina. Questi hanno attirato notevole attenzione nella chimica sintetica, organica e farmaceutica per le loro versatili applicazioni, inclusi additivi alimentari, cosmetici, dispositivi ottici, coloranti e candidati farmaci. È stato possibile ottenere elevate rese di reazione utilizzando l'irradiazione a microonde, che facilita reazioni più rapide in condizioni bulk e riduce significativamente i tempi di reazione. La riutilizzabilità del catalizzatore deve ancora essere investigata. Sarà inoltre considerato l'uso di condizioni di flusso continuo. I futuri sforzi si concentreranno quindi sul miglioramento di queste reazioni ottimizzando le condizioni operative ed esplorando la progettazione di catalizzatori eterogenei a base di PEI preparati con materiali sostenibili. Parole chiave: Polietilenimmina (PEI), catalisi eterogenea, reazioni