NEW PHOTO- AND NANOCATALYTIC SYSTEMS FOR APPLICATION IN ORGANIC SYNTHESIS

This thesis investigates innovative photo- and nanocatalytic systems that enhance sustainability and efficiency in various organic transformations. In doing so, the synthesis of new nanomaterials and the development of effective catalytic methods were promptly achieved under mild conditions to match the requirements of more sustainable chemical synthesis. Chapter 1 introduces the general concepts of catalysis, emphasizing its role in promoting green chemistry principles. It aims to describe the underlying theory and operative mechanisms of key polar and radical organic reactions, with a particular focus on the application of nanomaterials in photo- and organocatalysis. Chapter 2 discusses the synthesis of nitrogen-doped carbon dots (NCDs) from L-arginine and alkyl diamines. This process demonstrates how the rational design of NCDs enhances their aminocatalytic performances in various enamine and iminium ion activated model reactions. Chapter 3 introduces phenol-rich carbon dots (p-CDs), which serve as metal-free and recyclable photocatalysts. These nanoparticles effectively catalyse challenging photochemical reactions, such as [3+2] cycloaddition reactions, showcasing significant yields of desired products. Chapter 4 focuses on the development of a new protocol for metal-free homolytic aromatic substitution of indoles under visible light, utilizing electron-donor-acceptor complexes. Finally, Chapter 5 investigates the photopermutation of indazoles to give benzimidazoles under direct excitation using UV light. In particular, a logical and in-depth study of the reaction was accomplished.

Questa tesi esplora innovativi sistemi (foto)nanocatalitici che migliorano la sostenibilità e l’efficienza di varie reazioni organiche. In questo contesto, la sintesi di nuovi nanomateriali e lo sviluppo di metodi catalitici efficaci sono stati prontamente raggiunti in condizioni sintetiche blande, per soddisfare i requisiti di una sintesi chimica più sostenibile. Il Capitolo 1 introduce i concetti generali di catalisi, enfatizzando il suo ruolo nella promozione dei principi della chimica verde. Si propone di descrivere i principi di base e i meccanismi operativi delle principali reazioni organiche polari e radicaliche, con un’attenzione particolare sull'applicazione dei nanomateriali nella foto- e nell'organocatalisi. Il Capitolo 2 discute la sintesi di dots di carbonio dopati all’azoto (NCDs) a partire da L-arginina e diammine alchiliche. Questo processo dimostra come la sintesi razionale dei NCDs migliori le loro prestazioni amminocatalitiche in varie reazioni modello attivate da enammina e ioni imminio. Il Capitolo 3 introduce dots di carbonio ricchi di fenolo (p-CDs), che fungono da fotocatalizzatori riciclabili e privi di metallo. Queste nanoparticelle catalizzano efficacemente reazioni fotocatalitiche, come la reazione di cicloaddizione [3+2], mostrando rese elevate per i prodotti desiderati. Il Capitolo 4 si concentra sullo sviluppo di un nuovo protocollo senza l’utilizzo di metalli per la sostituzione aromatica omolitica degli indoli, utilizzando luce visibile, promosso dall’uso di complessi di donatore-accettore di elettroni. Infine, il Capitolo 5 indaga la fotopermutazione degli indazoli per dare benzimidazoli, sotto eccitazione diretta utilizzando luce UV. È stato quindi svolto uno studio logico e approfondito della reazione.