Sviluppo dei materiali innovativi e studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici

Nell’ambito della Chimica Sostenibile e dell’applicazione dei suoi principi per la salvaguardia dell’ambiente, il progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di materiali innovativi e lo studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici. In particolare l’attività si è focalizzata sulla sintesi di liquidi ionici ed indagini delle interazioni con membrane cellulari e sull’utilizzo ed isolamento di molecole da fonti rinnovabili. I liquidi ionici sono sali organici liquidi a temperature inferiori ai 100 °C; sono considerati promettenti solventi a ridotta tossicità, ma vanno chiarite a pieno le modalità di interazione con i sistemi biologici ed i meccanismi di tossicità. A questo scopo è stata impiegata una batteria di test bio-chimici, con saggi di fluorescenza e colorimetrici, che hanno permesso di discriminare le diverse tipologie di interazioni con varie strutture di membrana. Le informazioni raccolte sono servite per progettare sostanze meno dannose per le strutture cellulari, al fine di scegliere le funzionalità molecolari che consentano ai liquidi ionici di mantenere la loro attività ma di essere meno dannosi per l’ambiente. Per quanto riguarda l’utilizzo ed isolamento di molecole da fonte rinnovabili, si è utilizzata la tecnica della pirolisi per l’ottenimento di starting materials ed il loro impiego nella sintesi di chemicals in alternativa a composti derivanti da fonti fossili. La pirolisi tradizionale della cellulosa fornisce una molecola interessante, per semplicità denominata LAC, in quantità insufficienti ad un uso applicativo. Nell’ambito delle ricerche svolte è stato scoperto che la pirolisi condotta in presenza di catalizzatori meso-strutturati (MCM-41) drogati con metalli di transizione, fornisce buone quantità di LAC. LAC si è dimostrato promettente sia per la produzione di nuove molecole con possibili applicazioni nella chimica fine e farmaceutica, che come monomero per nuovi polimeri (copolimero ed omopolimero).

In the context of Green Chemistry and in line with the application of its principles for the protection of the environment, this project deals with the development of innovative materials and with the study of their interaction with biological and biomimetic systems. The activity was mainly based on: ionic liquid synthesis and study of their interaction with cellular membranes and with the usage and isolation of molecules from renewable bioresources. Ionic liquids are organic salts that are liquid at temperatures below 100 °C, they are considered solvents with low toxicity if compared to traditional solvents, but their action towards biological systems have to be clarified. A battery of bio-chemical test, based on fluorescence and colorimetric assays, has permitted to differentiate the mechanisms of action on cellular systems. The recorded informations have been used to project substances that are less dangerous for cellular structures and to select the molecular functionalities that are useful to maintain their activity and to be less harmful for the environment. The second topic has been the exploitation of pyrolysis for the obtainment of starting materials from renewable resources and their usage in the synthesis of fine chemicals. Pyrolysis of cellulose produces insufficient quantities of an interesting molecule - from an applicative point of view - named LAC for simplicity. In our research it has been uncovered that pyrolysis conducted with mesoporous catalysts (MCM-41) doped with transition metals like tin, can furnish appreciable quantities of LAC. LAC is a promising molecule for the production of new molecule with applications as fine chemicals or pharmaceuticals, and also as monomers for the production of polymers (homopolymers and copolymers).