PHOtochemical processes TOwards tandem Carbonylation and Oxidation REactions

PHOTOCORE è un progetto molto ambizioso che mira alla progettazione senza precedenti di un sistema fotosintetico artificiale in grado di promuovere la conversione guidata dal sole di materie prime in impalcature molecolari a valore aggiunto, con una visione in linea con gli obiettivi di sviluppo sostenibile dell'UE e con gli obiettivi del PNRR italiano. In particolare, il progetto mira alla realizzazione di un setup innovativo basato sulla corretta combinazione di due moduli fotosintetici in condizioni omogenee, con un approccio che ricorda il paradigma della fotosintesi naturale. Sul modulo riduttivo effettueremo la riduzione selettiva di CO2 a CO guidata dalla luce utilizzando componenti molecolari privi di metalli nobili, con il CO prodotto che sarà eventualmente impiegato per realizzare processi di carbonilazione su ioduri aromatici per ottenere ammidi/esteri aromatici di rilevanza applicativa. Sul versante ossidativo, prenderemo in considerazione l'ossidazione degli alcoli innescata dalla luce e l'attivazione ossidativa dei legami C-H per ottenere composti di interesse industriale come l'acido 2,5-furandicarbossilico (attraverso l'ossidazione dell'idrossimetilfurfurale), il cicloesanolo/cicloesanone (attraverso l'ossidazione del cicloesano), l'acido tereftalico e l'acido acrilico (attraverso l'ossidazione del p-xilene e dell'acido acrilico, rispettivamente). Le due semireazioni saranno collegate per mezzo di un mediatore redox che agisce da navetta e assiste il trasferimento fotoindotto di elettroni e protoni tra i due moduli. Verrà infine presa in considerazione un'ulteriore implementazione in condizioni di flusso, andando oltre l'attuale stato dell'arte della sintesi sostenibile e aprendosi a potenziali applicazioni industriali. Per raggiungere questi obiettivi, considereremo un approccio multidisciplinare che integra le competenze consolidate e complementari in sintesi, fotochimica ed elettrochimica di 3 unità di ricerca (UNIFE, UNIPD e UNITS). All'interno di questa rete collaborativa, scambieremo ricercatori e conoscenze, facendo crescere le giovani generazioni di scienziati con un approccio che si rivolge alle sfide della società. I risultati scientifici prodotti da PHOTOCORE saranno diffusi nella comunità scientifica e al grande pubblico, con un impatto non solo scientifico, ma anche economico e sociale.

PHOTOCORE is a very ambitious project that targets the unprecedented design of an artificial photosynthetic system capable of promoting the solar-driven conversion of raw feedstock materials into added-valued molecular scaffolds, with a vision in line with the EU sustainable development goals as well as the Italian PNRR objectives. In particular, the project aims at the realization of a novel setup based on the proper combination of two photosynthetic modules in homogeneous conditions, with an approach that is reminiscent of the paradigm of Natural Photosynthesis. On the reductive module we will perform the selective light-driven reduction of CO2 to CO using noble-metal-free molecular components, with the produced CO that will be eventually employed to accomplish carbonylation processes on aromatic iodides to target aromatic amides/esters of applicative relevance. On the oxidative side, we will consider light-triggered oxidation of alcohols and oxidative activation of C-H bonds to target compounds of industrial interest such as 2,5-furandicarboxylic acid (via oxidation of hydroxymethylfurfural), cyclohexanol/cyclohexanone (through oxidation of cyclohexane), terepthalic and acrylic acids (through oxidation of p-xylene and acrylic acid, respectively). The two half-reactions will be connected by means of a redox mediator acting as a shuttle and assisting the photoinduced transfer of electrons and protons between the two modules. Further implementation into flow conditions will be finally considered, going beyond the current state-of-the-art in sustainable synthesis, while opening to potential industrial applications. To achieve these goals, we will consider a multidisciplinary approach which integrates the consolidated and complementary expertise in synthesis, photochemistry, and electrochemistry of 3 research units (UNIFE, UNIPD, and UNITS). Within this collaborative network, we will exchange researchers and knowledge, growing the younger generation of scientists with an approach that targets societal challenges. The scientific results produced by PHOTOCORE will be disseminated across the scientific community as well as to the general audience, thus impacting not only at a scientific level, but also at an economic and societal level.