L’elettrochimica è quella branca della chimica che si occupa di studiare i sistemi elettrochimici, dunque tutte quelle reazioni che prevedono uno scambio di elettroni tra specie chimiche. Tali reazioni chimiche prendono il nome di reazioni di ossido/riduzione. Una sostanza che presenta una grande affinità per gli elettroni viene definita agente ossidante (oppure ossidante), mentre una sostanza che manifesta una certa tendenza a cedere elettroni è detta agente riducente (oppure riducente). Queste reazioni chimiche comportano una variazione del numero di ossidazione delle specie chimiche coinvolte. Una specie chimica che si ossida aumenta il proprio numero di ossidazione, allo stesso tempo una che si riduce diminuisce il proprio numero di ossidazione.
Questa tipologia di reazioni chimiche vengono condotte nelle celle elettrochimiche, che essenzialmente sono costituite da un sistema di alimentazione, elettrodi, solventi ed elettroliti. Inoltre, in base alla tipo di esperimento che deve essere condotto, possono essere utilizzate ad esempio celle indivise, celle divise e celle quasi divise. Le caratteristiche delle celle dipendono in prima approssimazione dal modo in cui sono separati gli elettrodi.
Reazioni elettrochimiche per la sintesi organica
Le reazioni che coinvolgono gli elettrodi sono nella maggior parte dei casi molto complesse, e il meccanismo di trasferimento elettronico prevede più stadi, anche perché le molecole organiche in molti casi sono specie chimiche decisamente complesse e possono reagire in diversi modi nel momento in cui sono sottoposte all’azione di un campo elettrico. Senza indagare i possibili diversi meccanismi che coinvolgono da un punto di vista chimico-fisico il trasferimento elettronico e l’eventuale formazione di specie elettroattive, di seguito sono indicate alcune tra le principali reazione elettrochimiche di grande valore per l’elettrosintesi organica: 1) Funzionalizzazione del legame CN (carbonio-azoto), 2) Accoppiamento CC (carbonio-carbonio), 3) Ossidazione del legame CH (carbonio-idrogeno), 4) Solfonazioni, 5) Alogenazioni, 6) Ossidazioni e riduzioni dell’anello aromatico.
Il valore delle reazioni elettrochimiche è davvero rilevante, considerando il fatto che l’utilizzo dell’elettricità, in numerosi casi, consente di limitare o evitare l’utilizzo di grandi quantità di reagenti e solventi. Tutto ciò permette di aprire nuove strade nel campo della catalisi e permette, inoltre, di servirsi di una chimica con un minor impatto ambientale.
Applicazioni farmaceutiche
In letteratura scientifica sono presenti numerose potenziali applicazioni elettrochimiche per il settore chimico-farmaceutico. Ad esempio, molto importanti sono le elettrolisi che vengono condotte su prodotti chirali per ottenerne di nuovi, come nel caso della conversione, per via elettrochimica, dell’L-Cistina in L-Cisteina. È stato possibile ottenere anche soluzioni chirali partendo da substrati non chirali: un esempio ci viene fornito dalla riduzione catodica enantioselettiva della 4-metilcumarina.
Senza alcun dubbio, una delle reazioni elettrochimiche che più risultano essere utili all’industria farmaceutica riguarda la formazione di ammidi, pertanto un approccio più ecologico fornito dall’elettrochimica si dimostra molto allentante per lo sviluppo di nuovi schemi sintetici a favore della formazione di questo gruppo funzionale. Le ammidi per via elettrochimica possono essere sintetizzate in diversi modi, ad esempio servendosi di un’ossidazione anodica dello ioduro usando come specie reagenti metilchetoni e formammidi, oppure partendo direttamente da gruppi nitrilici. Altri importanti esempi nella sintesi delle ammidi sono rappresentati dalla riduzione catodica di nitro-areni derivati e dall’utilizzo di carbeni N-eterociclici come mediatori nell’elettrosintesi organica.
L’applicazione industriale dell’elettrochimica nel settore farmaceutico è ancora fortemente limitata. Tuttavia, considerate le grandi potenzialità di questa branca della chimica, gli sforzi di ricerca potrebbero nel tempo condurre a risultati molto importanti: una vera e propria applicazione di queste tecnologie su scala industriale.
Riferimenti
- Joyeeta Lodh, Shounik Paul, He Sun, Luyang Song, Wolfgang Schöfberger and Soumyajit Roy. Electrochemical organic reactions: A tutorial review, Front. Chem., 2023.
- Peter W. Seavill and Jonathan D. Wilden. The preparation and applications of amides using electrosynthesis, The Royal Society of Chemistry, Green Chem., 2020.
- Norman L. Weinberg. Chiral Electrosynthesis For The Pharmaceutical Industry, Electrosynthesis, 1997.
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