Workshop “Acque di vegetazione olearie:
trattamento e valorizzazione nel rispetto dell’ambiente”
Enea, Centro Ricerche Casaccia, 23 ottobre 2007
Valorizzazione con metodiche chimiche
ecocompatibili di fenoli per prodotti di
interesse cosmetico e nutraceutico
Enrico Mincione, Roberta Bernini
Dipartimento di Agrobiologia e Agrochimica
Università degli Studi della Tuscia
Via S. Camillo De Lellis 01100 Viterbo
Obiettivo di ricerca
“Valorizzazione chimica” di prodotti presenti negli scarti
agroindustriali:
la loro utilizzazione come substrati di partenza per l’ottenimento di
prodotti di pregio (fine-chemicals) con metodologie chimiche di
green chemistry, ossia a basso impatto ambientale
“Bioraffineria” (VII° Programma Quadro)
una nuova metodologia che, a partire da materiali rinnovabili,
quali le biomasse, permette di ottenere energia e prodotti di
pregio operando con processi e tecnologie a basso impatto
ambientale che minimizzano la produzione di scarti
1
Composti fenolici presenti nelle A.V
OH
OH
R2
COOH
CO2H
R2
HO
HO
O
HO
R
R1
R1
R1=R2=H, acido p-idrossibenzoico
R1=OH, R2=H, acido protocatecuico
R1=OCH3, R2=H, acido vanillico
R1=R2=OCH3, acido siringico
R1=R2=H, acido p-cumarico
R1=OH, R2=H, acido caffeico
R1=OCH3, R2=H, acido ferulico
R1=R2=OCH3, acido sinapico
OH
HO
R=H, Luteolina
R=OH, Quercetina
OH
HO
O
HO
OH
Tirosolo
OH O
O
COOCH3
OH
Idrossitirosolo
O
Oleuropeina
OGlu
Servili, M.; Baldioli, M.; Selavaggini, R.; Miniati, E.; Macchioni, A.; Montedoro, G. J. Am. Oil Chem. Soc. 1999, 76, 873-802
Mulinacci, N.; Romani, A.; Galardi, C.; Pinelli, P.; Giaccherini, C.; Vincieri, F. J. Agric. Food Chem. 2001, 49, 3509-3514
Dellagreca, M.; Previtera, L.; Temussi, F.; Zarrelli, A. Phytochem. Anal. 2004, 15, 184-188
2
Acidi cinnamici: “valorizzazione chimica”
CO2H
R2
CO2H
HO
HO
2
1
- CO2
R1
HO
R2
R1
HO
R1
R1
1, 3, 5, 7
2, 4, 6, 8
Vinilfenoli: attività biologiche
 antiossidante
 antitumorale
 antifungina
Vinifenoli: applicazioni industriali
 settore cosmetico ed alimentare
(FEMA GRAS)
 settore chimico per la sintesi di
composti bioattivi
 settore chimico per la produzione
di materiali elettronici
 settore chimico per la produzione
di resine, elastomeri
1, 2: R1=R2=H
3, 4: R1=H, R2=OCH3
5, 6: R1=R2=OCH3
7, 8: R1=R4=OH
A) Ayer, W. A.; Muir, D. J.; Chakravarty, P. Phytochemistry, 1996, 42,
1321-1324. B) Koizumi, S.; Matsushima, Y.; Nagatsu, T.; Iinuma, H.
Biochimica et Biophysica acta 1984, 789, 111-118.1996: Vol. I and II. B)
Koski, A.; Pekkarinen, S.; Hopia, A.; Wahala, K.; Heinonen, M. Eur.
Food Technol. 2003, 217, 110-114. C) Kuwahara, H.; Kanazawa, A.;
Wakamatu, D.; Morimura, S.; Kida, K.; Akaide, T.; Maeda, H. J. Agric.
Food Chem. 2004, 52, 4380-4387. D) Vuorela, S.; Meyer, A. S.;
Heinonen, M. J. Agric. Food Chem. 2004, 52, 8202-8207. E) Fujioka, K.;
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M. A. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 979, 982; F) Namboodiri, V. V.; Varma,
R. S.; Sahle-Demessie, E.; Pillai, U. R. Green Chem. 2002, 4, 170-173;
G) Aslam, S. N.; Stevenson, P. C.; Phythian, S. J.; Veitch, N. C.; Hall, D.
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Willson, C. G. Macromolecules 1994, 27, 5154-5159; I) Atsushi, T.;
Atsushi, M.; Takeo, K.; Yoshinobu, I. React. Funct. Polym. 1998, 37, 39.
3
Acidi cinnamici: “valorizzazione chimica”
Condizioni di reazione: silice o allumina basica (1g), DBU ( 6 mmoli), idrochinone (0.1 mmoli),
irradiazione con MW (650 W)
Acido
cinnamico
Supporto
solido
Tempo
(min)
p-Cumarico
Silice
20
p-Cumarico
Allumina
basica
Ferulico
4-Vinilfenolo
Conv. (%)
Resa
(%)
2
> 98
20
20
2
95
85
Allumina
basica
30
4
> 98
70
Siringico
Allumina
basica
15
6
> 98
84
Caffeico
Allumina
basica
15
8
60
35
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Provenzano, G.; Setti, L.
Tetrahedron 2007, 63, 9663-9667
4
Tirosolo: “valorizzazione chimica”
OH
OH
HO
HO
OH
Composto dotato di spiccata attività
antiossidante utilizzato in:
 preparazioni farmaceutiche
 formulati cosmetici
 alimenti (additivo)
Mun Mu K.; Sang Nyeon, K. Composition for promoting oral hygiene containing hydroxytyrosol. KR
2002/2001915, 2002
Geerlings, A.; Lopez-Huertas, L. E.; Morales Sanchez, J. C.; Boza Puerta, J.; Jimenez Lopez, J. Natural
compounds and their derivatives for the prevention and treatment of cardiovascular, hepatic and renal
diseases and for cosmetic applications. US 02225160, 2003
Dziabo, A. J.; De Brujin, C.; Christ, F. R.; Vigh, J. Ophthalmic, pharmaceutical and other healthcare
preparations with naturally occurring plant compounds, extracts and derivatives. WO 03086442, 2003
Crea, R. Method and compositions for treatment of inflammation and AIDS-associated neurological
disorders. US 0039066, 2004
Chikamatsu, Y.; Ando, H. Hydroxytyrosol: application for skin care preparation for external use or bathing
agent. JP2004026836, 2004
De La Cruz Cortes, J. P.; Gonzalez Correa, J. A. Use of hydroxytyrosol in the prevention and treatment of
cerebral ischemic stroke. WO 06114467, 2006
Schweikert, L.; Steinke, P. Pharmaceutical compositions containing hydroxytyrosol. US 2007/077279, 2007
5
Sintesi di Idrossitirosolo (HTyr) da Tirosolo
OH
OH
HO
OR
a)
HO
b)
HO
OR
HO
Tyr
c)
HO
OH
HO
HTyr
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A000519, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
6
a) Protezione selettiva della funzione alcolica:
acetilazione e trifluoroacetilazione
OH
HO
O
a)
O
HO
1
CR3
2: R=H
3: R=F
Condizioni di reazione
Resa (%)
Ac2O, RuCl3, r.t., 30 min
2: 85
CF3COOH, reflux, 2h
3: 90
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A000519, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
7
Dimetil carbonato:
proprietà tossicologiche ed ecotossicologiche
Tossicità orale acuta
LD50: 13.8 g/Kg
Tossicità acuta per contatto
LD50 >2.5 g/Kg
Tossicità acuta per contatto
LC50: 140 mg/L
Proprietà mutageniche
Nessuna
Proprietà irritanti
Nessuna
Biodegradabilità
>90%
H3CO
Mizia, F.; Notari, M:; Rivetti, F.; Romano, U.; Zecchini, C. Chimica & Industria Aprile 2001, 1-7
O
C
OCH3
8
DMC: solvente e reagente

H3CO
O
C
OCH3
Solvente:
DMC ha buone proprietà solvente. Nella sintesi organica sono riportate
poche applicazioni.
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F.; Gambacorta, A. Tetrahedron 2007, 63, 6895-6900
CH3
O
Nu

-
O
T>120°C
NuCH3 +
CH3COO-
O
Agente metilante e
carbossimetilante
CH3
CO2 + CH3O-
CH3
O
Nu
O
-
T=90°C
NuCOOCH3 + CH3O-
O
CH3
Tundo, P.; Selva, M. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 706-716; Tundo, P.; Perosa, A. Chem. Record 2002, 2, 13-23;
Tundo, P.; Memoli, S.; Herault, D.; Hill, K. Green Chem. 2004, 6, 609-612; Tundo, P.; Rossi, L.; Selva, M. J.
Org. Chem. 2005, 70, 2219-2224; Selva, M.; Tundo, P. J. Org. Chem. 2006, 71, 1464-1470
9
a) Selettiva protezione della funzione alcolica:
carbossimetilazione
OH
HO
O
a)
CH3
O
HO
1
O
4
Condizioni sperimentali
Resa (%)
Dimetil carbonato, H2SO4 (20%), 90°C, 7 h
>98
Dimetil carbonato, DBU (10%), 90°C, 8 h
>98
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F.; Fabrizi, G.; Gentili, P. Tetrahedron Lett. 2007, 63, 7000
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A000519, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
10
b) Ossidazione
O
R
HO
b)
O
HO
O
O
HO
2, 3, 4
2, 5: R=CH3
3, 6: R=CF3
4, 7: R=OCH3
R
5, 6, 7
Rese quantitative
HO
Idrossitirosolo carbossimetilato
O
OCH3
O
HO
7
EC50=0.11±0.02 (mmol 4/mmol DPPH)
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A000519, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F.; Fabrizi, G.; Gentili, P. Tetrahedron Lett. 2007, 63, 7000-7003
11
Ossidante catalitico:
H2O2/Metiltriossorenio (MTO)
O
Re O
H3C O
MTO
H2O2
H2 O
O
H3C
O
Re
O
O
H2O2
H2 O
O O
O
O Re
O
H3C
mpRe
Herrmann, W. A. ; Frotz-Meyer-Weg.;
Wagner, M.; Kuchler, J. G.;
Weichselbaumer, G.; Fischer, R.
US Patent 5,155,247 (13/10/1992)
Saladino, R.; Neri, V.; Pelliccia, A. R.;
Caminiti, R.; Sadun C. J. Org. Chem. 2002,
67, 1323-1332
Gonzalez R. L. M.; Villa de P. A. L.; Montes
de C. C.; Gelbard G. React. Funct. Polym.
2005, 65, 169-181
O O O O O O
Re
Re
H3C
H3C
dpRe
O O O O O O
Re
Re
H3C
H3C
N
N
n
O-
O-
N+
N+
n
PVPN-2%/MTO
PVPN-25%/MTO
PVP-2%/MTO
PVP-25%/MTO
12
Nuovi antifungini da fenoli per ossidazione con
H2O2/MTO
OR5

Nuovi chinoni da catechine
R4O
O
A
O
H2O2/MTO
R2
R1
OR3
OR5
OR6
R4O
OR6
O
R2
R1
O
Bernini, R.; Mincione, E.; Provenzano, G.; Fabrizi, G.Tetrahedron Lett. 2005, 46, 2993-2996

OH
Chinoni da fenoli alchilati
O
R4
R1
R3
R2
R4
H2O2/MTO
R3
R1
O
R2
Bernini, R.; Mincione E.; Barontini, M.; Fabrizi, G.; Pasqualetti, M.; Tempesta, S. Tetrahedron 2006, 62, 7733
Bernini, R.; Mincione E.; Barontini, Crisante, F.; M.; Fabrizi, G. Tetrahedron 2006, 62, 7733-7737

Nuovi flavanoni da flavoni
R3
R2
B
O
C
H2O2/MTO
H
R1 O
R4
R4
R3
R2
O
C
R1 O
H
OCH3
OH
Bernini, R.; Mincione, E.; Provenzano, G.; Tempesta, S.; Pasqualetti M. Bioorg. Med. Chem. 2007, submitted
13
Ossidanti stechiometrici:
acido 2-Iodossibenzoico (IBX); reattivo di Dess- Martin (DMP)
Oxone, H2O
O
R
b)
O
HO
HO
O
5, 6, 7
2, 5: R=CH3
3, 6: R=CF3
4, 7: R=OCH3
O OH
I
O
I
O
HO
2, 3, 4
R
IBA
CO2H
IBX
O
Rese quantitative
SO
S
Dess, D.B.; Martin, J. C. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 7277-7280
Frigerio, M.; Santagostino, M.; Sputore, S. J. Org. Chem. 1999, 64, 4537-4538
O OH
I
O
IBX
O
Ac2O, 100°C oppure
Ac2O, TsOH, 80° C
AcO OAc
I OAc
O
O
Reattivo di Dess-Martin (DMP)
Dess, D.B.; Martin, J. C. J. Org. Chem. 1983, 48, 4155-4158
14
c) Idrolisi
HO
O
R
c)
O
HO
5, 6, 7
HO
OH
HO
HTyr
5: R=CH3
6: R=CF3
7: R=OCH3
Substrato
Condizioni sperimentali
Resa %
5
5
HCl 6N, THF, 25°C, 24 h
KOH 1N, THF, 25°C, 10 min
85
83
6
6
HCl 6N, THF, 25°C, 24 h
KOH 1N, THF, 25°C, 10 min
87
80
7
KOH 1N, THF, 25°C, 30 min
85
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A000519, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
15
Utilizzazione di alcol omovanillico per la
sintesi di HTyr
H3CO
OH
HO
a)
H3CO
HO
8
O
R
O
b)
HO
O
R
O
HO
12, 13, 14
9, 10, 11
c)
HO
OH
HO
HTyr
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A001110, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
16
Metodologie sintetiche di HTyr a confronto
(1) Materiale di partenza: Tirosolo
(2) Materiale di partenza:
Alcol Omovanillico
100
90
80
70
60
R=CH3
R=CF3
R=OCH3
50
40
30
20
10
0
HTyr protetto
HTyr
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A000519, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A001110, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
17
Sintesi di derivati lipofili di HTyr
OH
HO
O
a)
HO
R
O
O
b)
R
O
O
HO
O
OH
1
R= catene alchilate
(CH2)14CH3
Rese: 75-90%
OH
Buisman, G. J. H.; Van Helteren, C. T. W.; Kramer, G. F. T.; Vedsink, J. W.; Derksen, J.
T. P.; Cuperus, F. P.
Enzymatic esterifications of functionalized phenols for the synthesis of lipophilic
antioxidants.
Biotechnol. Lett. 1998, 20, 131-136
Alcudia, F.; Cert, R.; Espartero, L. J.; Mateos, R.; Trujillo, M.
Method of preparing hydroxytyrosol esters and use of them. WO 2004/005237, 2004
OH
O
O
H
CH2(CH2)6CH3
H
OH
OH
Trujillo, M.; Mateos, R.; Collantes, De Teran, L.; Espartero, L. J.; Cert, R.; Jover, M.;
Alcudia, F.; Bautista, J. Cert, A.; Parrado, J. Lipophilic hydroxytyrosyl esters.
Antioxidant activity in lipid matrices and biological systems.
J. Agric. Food Chem. 2006, 54, 3779-3785
Grasso, S.; Siracusa, L.; Spatafora, C.; Renis, M.; Tringali, C.
Hydroxytyrosol lipophilic analogues: enzymatic synthesis, radical scavenging activity
and DNA oxidative damage protection.
Bioorg. Chem. 2007, 35, 137-152
(CH2)6CH2
O
O
(CH2)6CH2
H
CH2
H H
(CH2)4CH3
H
OH
OH
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A000519, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. MI2007A001110, 2007
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Org. Lett. 2007, submitted
18
Tirosolo e acidi cinnamici:
“valorizzazione chimica”
COOCH3
R3
R2
O
OH
HO
HO
1
Prodotto
EC50 (mmol product/mmol DPPH)
Tyr
21
21
2.32
22
2.49
23
3.00
24
2.04
25
0.86
27
0.24
OCH3
O
R1
O
O
CF3COOH, rt
R1=R3=H; R2=OMe
R1=H; R2=R3=OMe
R1=R2=R3=OMe
R1=R3=H; R2=OAc
R1=OMe; R2=H; R3=OAc
R1=R2=OAc; R3=H;
R1=R3=OMe; R2=OAc
O
O
R
OCH3 3
R1
R2
Rese: 40-50%
THF, KOH, rt
21: R1=R3=H; R2=OMe
22: R1=H; R2=R3=OMe
23: R1=R2=R3=OMe
24: R1=R3=H; R2=OH
25: R1=OMe; R2=H; R3=OH
26: R1=R2=OAc; R3=H
27:R1=R3=OMe; R2=OH
OH
COOH
HO
R3
R1
R2
Rese: >98%
Bernini, R.; Mincione, E.; Barontini, M.; Crisante, F. Data not published
19
Oleuropeina: fonte di HTyr
HO
L’OLEUROPEINA è un
metabolita
secondario
presente in tutte le piante
dell’albero (6-9% w/w
foglie secche)
HO
O
O
COOCH3
HO
H2O/OH-
O
OH
HO
Yield: 10%
OGlu
Resa: 77%
Oleuropein
Deprotezione
Protezione
O
O
O
O
H2O/OHCOOCH3
O
O
OH
O
OGlu-acetonides
Gambacorta, A.; Tofani, D.; Bernini, R.; Migliorini, A. J. Agric. Food Chem. 2007, 55, 3386-3391
20
Conclusioni
I risultati ottenuti nei nostri laboratori evidenziano che le acque di vegetazione e, in
generale, gli scarti agroindustriali, rappresentano una preziosa fonte di composti
chimici che possono essere “valorizzati” in modo da ottenere “prodotti di pregio”.
OR
OR
RO
OR
OR
O
RO
O
Ringraziamenti
OR O
OR O
OR
OR
RO
O
OH
R
R
R
R
OH
OR
OH
HO
COOH
R
OH
Università della Tuscia
Prof. E. MINCIONE
Dr. M. BARONTINI
Dr. F. CRISANTE
Dr. G. PROVENZANO
Università di Roma Tre
Prof. Augusto GAMBACORTA
Università di Roma La Sapienza
Prof. S. CACCHI
Prof. G. FABRIZI
R
R
HO
OH
21