Sintesi di monomeri derivati da acidi carbossilici omega insaturi e successiva sintesi di poliesteri

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto basato sulla ricerca di monomeri e polimeri derivati da fonte bio, in un’ottica di transizione verso una chimica green legata alla realizzazione di prodotti ottenuti da risorse rinnovabili e con processi a basso impatto ambientale. I polimeri bio, in particolare, sono prodotti parzialmente o interamente ottenibili da risorse rinnovabili, quali oli vegetali, zuccheri, grassi, resine, proteine, amminoacidi, frazioni lignocellulosiche, etc, e non da petrolio. Tra questi, gli oli vegetali sono interessanti come reagenti di partenza perché permettono di minimizzare l’uso di derivati petrolchimici e sono disponibili in quantità maggiore rispetto al petrolio. Una possibilità di sintesi di polimeri da oli consiste nel trasformare gli acidi grassi, ottenendo composti bifunzionali che possono agire da precursori nella polimerizzazione: in questo modo si possono ottenere molti polimeri lineari, tra cui poliuretani, polieteri, poliesteri, poliammidi, etc. Questo è stato l’approccio seguito per la sintesi dei poliesteri alla base del progetto di tesi. In particolare, il lavoro si è articolato nella sintesi di monomeri e polimeri utilizzando derivati di acidi carbossilici omega insaturi. Inizialmente, trattandosi di prove esplorative sulla fattibilità delle reazioni, è stato utilizzato un precursore commerciale: visti i buoni risultati ottenuti, lo studio è poi proseguito con la sintesi di poliesteri a partire da prodotti di origine naturale. Tutte le polimerizzazioni sono state effettuate in massa. Per ogni reagente, monomero e polimero sono state effettuate analisi NMR (1H-NMR, 13C-NMR, HSQC, HMBC); su alcuni reagenti e monomeri è stata invece effettuata analisi GC-MS. Infine, su tutti i polimeri ottenuti sono state effettuate analisi ATR, GPC, DSC e TGA.

Sintesi del metil metacrilato mediante reazione tra metil propionato e metanolo in fase vapore

Il metil metacrilato (MMA) è un importante intermedio chimico principalmente utilizzato come monomero per la sintesi del poli metil metacrilato (PMMA). Il processo più moderno e sostenibile per la sintesi di MMA è il processo Alpha, che consiste nell'idrossi-metilazione del metil propionato (MP) con formaldeide (FAL) seguita dalla disidratazione dell’intermedio ottenuto. Il MP, attualmente prodotto tramite carbonilazione dell’etilene in presenza di metanolo (MeOH), può essere sintetizzato anche da glicerolo (coprodotto dalla produzione del biodiesel), un’economica molecola piattaforma di origine rinnovabile. Il principale svantaggio del processo Alpha consiste nell’utilizzo di FAL pura, notoriamente cancerogena. Questo inconveniente può essere superato promuovendo la formazione di FAL mediante deidrogenazione in-situ del MeOH, nello stesso reattore in cui avviene la reazione tra MP e FAL. Per questo motivo, la sintesi di MMA a partire da MP e MeOH è stata studiata in un reattore in continuo operante in fase vapore, investigando inizialmente due ossidi metallici come catalizzatori eterogenei: ossido di magnesio (MgO) e ossido di gallio (Ga2O3). Quest’ultimo è risultato molto più selettivo grazie alla moderata basicità ed al forte potere redox in grado di favorire la deidrogenazione del MeOH, tuttavia ha mostrato problemi di disattivazione. Nel tentativo di modulare le caratteristiche acido-base e redox dei catalizzatori, sono stati sintetizzati due ossidi misti con rapporto atomico Mg/Ga uguale a 10 e 20. L’introduzione di Ga3+ nella struttura aumenta l’attività catalitica per la deidrogenazione di MeOH e riduce la basicità totale rendendo il catalizzatore meno attivo per le reazioni parassite di chetonizzazione e riduzione tramite meccanismo di H-transfer. L’influenza dei principali parametri operativi (T, rapporto MeOH/MP, time factor) sul decorso della reazione è stato investigato approfonditamente ed è stato possibile proporre un complesso schema di reazione.

Sintesi e caratterizzazione di cluster Ag-Cu-Fe, Au-Cu-Fe e Ni-Pd

Durante il mio periodo di tirocinio mi sono occupato della sintesi e caratterizzazione di cluster carbonilici eterometallici, ed in particolare di cluster Ag-Cu-Fe, Au-Cu-Fe, e Ni-Pd. In un primo momento il lavoro si è concentrato sullo studio della reazione tra cluster Cu-Fe e sali di Ag e Au, con lo scopo di ottenere specie Ag-Cu-Fe, e Au-Cu-Fe. Nella seconda parte l’attività è stata incentrata sulla sintesi di cluster Ni-Pd ad elevata nuclearità, attraverso reazioni tra [Ni6(CO)12]2- e composti di Pd(II). In entrambi i casi le sintesi sono state condotte variando i rapporti stechiometrici dei reagenti e i solventi, permettendo l’ottenimento di specie, caratterizzate spettroscopicamente mediante tecnica IR. In alcuni casi è stato anche possibile ottenere cristalli caratterizzati strutturalmente tramite diffrattometria a raggi X. Le reazioni di [Cu3Fe3(CO)12]3- con quantità crescenti di M=Ag, Au danno luogo alla formazione in sequenza di [Cu5Fe4(CO)16]3-, [MxCu5-xFe4(CO)16]3- (x = 0-5), [M5Fe4(CO)16]3-, [M6Fe4(CO)16]2-. Successivamente, nel caso in cui M= Ag, un ulteriore aggiunta di sali di M+ porta alla formazione di [Ag13Fe8(CO)32]3-, mentre se M= Au si formano i cosiddetti “bruni d’oro” e alla fine, [AuFe4(CO)16]-. Le specie [MxCu5-xFe4(CO)16]3- risultano particolarmente interessanti dato che possono essere viste come leghe molecolari M/Cu, che mostrano disordine sia sostituzionale che composizionale. Per quanto riguarda i cluster Ni-Pd sono state ottenute tre nuove specie carboniliche ad elevata nuclearità, ovvero [Ni37-xPd7+x(CO)48]6- (x= 0,69), [HNi37-xPd7+x(CO)48]5- (x= 0,53) and [Ni22-xPd20+x(CO)48]6- (x = 0.63). In tutte queste strutture il Pd tende ad occupare posizioni che minimizzano le interazioni Pd-CO massimizzando le interazioni M-M, mentre l’opposto risulta per il Ni. Ciò si traduce in una parziale segregazione dei due metalli, anche se alcuni fenomeni di disordine (sostituzionale e composizionale) sono presenti in tali strutture.

Dimetiladipato: una via di sintesi alternativa da chetoni e carbonati organici

In questo progetto è stata studiata la reazione tra dimetil carbonato e ciclopentanone come possibile alternativa sostenibile per la produzione di dimetiladipato, composto di notevole interesse industriale. Lo studio si è basato su reazioni in fase liquida con catalizzatori eterogenei (commerciali e di sintesi), sia in condizioni batch che soprattutto continue, mai riportate in letteratura, per le quali un apposito reattore a letto fisso è stato progettato e messo a punto. I parametri indagati sono il tempo di contatto, il rapporto di alimentazione dei due reagenti ed il catalizzatore utilizzato, osservando anche l’andamento di grandezze quali rese e conversioni nel tempo. Sono stati inoltre effettuate delle prove per approfondire il meccanismo e lo schema di reazione. Per il processo continuo è risultato come un maggior tempo di contatto porti a maggiori conversioni e rese, mentre per quanto riguarda il rapporto molare di alimentazione, il rapporto ottimale tra dimetilcarbonato e ciclopentanone sembra essere 15:1, sia come resa di dimetil adipato che come compromesso tra reazioni parassite dovute all’eccesso di dimetil carbonato e reazioni di autocondensazione del ciclopentanone. Tra i catalizzatori testati, i più efficienti nella conversione dei reagenti e nella formazione del prodotto sono risultati essere quelli con caratteristiche basiche come MgO e CeO2, rispetto ad un catalizzatore meno basico come ZrO2.

Sintesi e caratterizzazione di eptameri a base tiofenica con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D per applicazioni in BHJ solar cells

L’interesse della ricerca scientifica sta crescendo sempre più tra i materiali a base tiofenica, spinta dalle loro sorprendenti proprietà funzionali e semiconduttive. Gli oligotiofeni trovano infatti applicazione in molti campi interdisciplinari, in particolare nei dispositivi fotovoltaici organici. In questo studio è stato sintetizzato un nuovo eptamero T7-Bz-TSO2 con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D grazie alla reazione di cross-coupling Suzuki-Miyaura catalizzata da un complesso di palladio e assistita da microonde. Questo lavoro si è incentrato sull’introduzione di una nuova unità tiofenica S,S-diossidata lungo la catena oligomerica principale e sullo studio delle diverse proprietà ottiche ed elettrochimiche del nuovo materiale, utilizzato come strato fotattivo in una cella solare organica di tipo bulk heterojunction (BHJ). Lo studio dei parametri di cella ha rivelato una promettente natura ambipolare del T7-Bz-TSO2, non comune in questa classe di composti e di grande interesse per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici organici.

Sintesi delle principali emergenze del Quadro Conoscitivo, idnividuazione degli obiettivi di tutela, e definizione delle misure di risanamento per il Documento Preliminare del Piano di Tutela delle Acque della Provincia di Ferrara

Determinazione del Documento Preliminare relativamente alle fasi di sintesi del QC, di individuazione degli obiettivi, e di definizione delle misure da adottare per il risanamento della risorsa idrica nel territorio ferrarese.

Studio di un nuovo processo per la sintesi di acido adipico.

Obiettivo del mio lavoro di tesi è stato quello di verificare la fattibilità di un nuovo processo per la produzione di acido adipico da cicloesene con due stadi di reazione. Il primo stadio di reazione prevede l’ossidazione del cicloesene con soluzione acquosa di acqua ossigenata a formare l’epossido, che idrata a 1,2-cicloesandiolo, mentre nel secondo stadio il glicole viene ossidato con ossigeno ad acido adipico. Il lavoro è stato focalizzato sullo studio del meccanismo di reazione per l’ossidazione del 1,2-cicloesandiolo ad acido adipico, utilizzando catalizzatori a base di Ru(OH)3/Al2O3, Ru(OH)3-Bi(OH)3/Al2O3, Cu/C e Cu/TiO2. Le prove condotte hanno dimostrato che i catalizzatori usati sono attivi nell’ossidazione di 1,2-cicloesandiolo, ma sono caratterizzati da scarsa selettività ad acido adipico. Dall’analisi dei risultati ottenuti si desume che la reazione richiede condizioni fortemente basiche per potere avvenire. In queste condizioni però si vengono a formare degli intermedi che reagiscono rapidamente con l’acqua e con l’ossigeno, dando luogo alla formazione di una serie di prodotti primari e secondari.

Nuovi catalizzatori a base di idrotalcite per la sintesi di biodiesel

Abbiamo studiato una nuova classe di catalizzatori per la sintesi di biodiesel mediante transesterificazione di trigliceridi in fase liquida con metanolo. Si sono preparate diverse serie di catalizzatori rispettivamente a base di magnesio ossido e idrotalcite dispersi su allumina commerciale mesoporosa. Partendo dai medesimi precursori ottenuti tramite wet-impregnation dell’allumina con soluzioni di magnesio metossido, si sono poi seguiti differenti metodi di calcinazione. Per la creazione della fase idrotalcite si è sfruttato un processo idrotermale di dealluminazione, comunemente impiegato nella sintesi delle zeoliti. Gli spettri XRD e le analisi TPD con biossido di carbonio confermano l’avvenuta formazione delle fasi ricercate. Il confronto tra il rapporto Mg/Al superficiale (ottenuto da analisi XPS) e bulk (ottenuto da analisi SEM/EDX) suggeriscono che la formazione della fase idrotalcite è dovuta ad una reazione allo stato solido avvenuta a seguito del trattamento dei campioni con vapore ad alta temperatura. Tutti i materiali preparati si sono dimostrati essere catalizzatori attivi per la transesterificazione in fase liquida del tributirrato e del triottanoato (molecole modello per la sintesi del biodiesel) con metanolo. I catalizzatori a base di idrotalcite hanno dimostrato le migliori proprietà catalitiche.

Cocristalli di acidi dicarbossilici: sintesi, caratterizzazione e stabilità allo stato solido

It is well-known that crystalline materials obtain their fundamental physical properties from the molecular arrangement within the solid, and altering the placement and or interactions between these molecules can impact the properties of the particular solid. Solid state chemistry looks at an attempt to alter the chemical and physical solid-state properties of APIs through many different strategies as the formation of salts, polymorphs, hydrates, solvates, and cocrystals. The final aim of this work is to study the chemical and physical propriety of new crystal structures. The work consists of three parts. The first is the cocrystallization of α,ω-alkanedicarboxylics acids with pirimidine. Single-crystal X-ray diffraction analysis of this adduct have been carried out at RT, 150 and 200 K. The cocrystals show an alteration of their melting point similar to pure acids. The two significant deviations are for the cocrystals with succinico and glutarico acids. The second object of work is the structure determination of β polymorph undecandioic acids. In literature is known the other polymorph α. We observed that the thermodynamic relation for this dimorphics system is monotropic. In the third part we synthesized and analyzed the stability of four new salts of serine and oxalic acid. This project highlights the advantage of the solid state synthesis.

Sintesi di catalizzatori supportati Au/Cu e studio della loro reattività per l'ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale

Al giorno d’oggi i combustibili fossili come carbone, olio e gas naturale forniscono più del 75% dell’energia mondiale. Tuttavia, la crescente richiesta di queste fonti di energia non rinnovabili, si manifesta in un momento in cui le riserve naturali si stanno esaurendo; è stato infatti stimato che le riserve petrolifere di tutto il mondo possano essere sufficienti per fornire energia e produrre prodotti chimici per i prossimi quarant’anni. Per questo motivo la conversione delle biomasse per produrre energia e prodotti chimici sta diventando una valida alternativa per diversificare le fonti energetiche e ridurre il surriscaldamento globale. Le biomasse, infatti, oltre ad essere una fonte rinnovabile, generano minori emissioni di gas serra rispetto ai combustibili fossili, perché la CO2 rilasciata nei processi di utilizzo viene bilanciata da quella consumata nel processo di crescita delle biomasse stesse. Lo sfruttamento delle biomasse per la produzione di building blocks per la chimica suscita particolare interesse, poiché le molecole ottenute sono già parzialmente funzionalizzate; ciò significa che la sintesi di prodotti chimici specifici richiede un minor numero di stadi rispetto ai building blocks petroliferi, con conseguente diminuzione di prodotti di scarto e sottoprodotti. Un esempio di queste potenziali “molecole piattaforma” è il 5-idrossimetilfurfurale (HMF), un importante composto derivato dalla disidratazione di zuccheri, intermedio chiave per la sintesi di un’ampia varietà di prodotti chimici e combustibili alternativi, tra cui l’acido 2,5- furandicarbossilico (FDCA), che è stato identificato tra i dodici composti chimici più importanti degli ultimi anni. Per esempio, il FDCA è un possibile sostituto dell’acido tereftalico, usato per produrre il polietilentereftalato (PET). Recentemente alcuni autori hanno riportato interessanti risultati sull’ossidazione dell’HMF a FDCA utilizzando catalizzatori a base di Au supportato. Questi catalizzatori mostrano però significativi problemi di disattivazione. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quindi lo sviluppo di catalizzatori attivi e stabili nella reazione di ossidazione dell’HMF a FDCA. Il lavoro portato avanti ha avuto come obbiettivi principali: l’ottimizzazione della sintesi di nanoparticelle di oro e oro/rame a diverso rapporto molare, mediante un processo di sintesi, in acqua, a basso impatto ambientale. Tale metodo di sintesi si basa sull’azione riducente del sistema glucosio-NaOH ed è stato messo a punto in lavori di tesi precedenti. Le nanoparticelle sintetizzate sono state utilizzate, quali fase attiva, per la preparazione di catalizzatori supportati su TiO2 e CeO2 lo studio dell’attività catalitica e riusabilità dei catalizzatori preparati nell’ossidazione in fase liquida del HMF a FDCA.

Sintesi e caratterizzazione di copolimeri a blocchi derivanti da acido lattico

I copolimeri derivanti da acido lattico, hanno attirato una grande attenzione, negli ultimi decenni, per le loro caratteristiche di biodegradabilità e biocompatibilità e per questo sono stati ampiamente studiati i loro metodi di sintesi e le loro proprietà. Il lavoro presentato parte dalla sintesi dei due monomeri trimetilene carbonato (TMC) e p-diossanone (PDO) da utilizzare poi nella formazione di copolimeri a blocchi con il lattide commerciale racemo e levogiro. Tali copolimeri dovrebbero presentare la proprietà di memoria di forma. Nell’elaborato sono presentate le diverse tecniche di polimerizzazione sperimentate per ognuno dei copolimeri sintetizzati: la prima parte riguarderà i copolimeri TMC-lattide, inizialmente con lattide racemo (DL-lattide) e poi, trovato un metodo di sintesi appropriato, approfondito con esempi di polimerizzazione TMC-L-lattide; la seconda parte esaminerà invece i copolimeri PDO-DL-lattide.

Applicazioni di 1-azadieni in cicloaddizioni di Diels-Alder enantioselettive organocatalizzate

Lo scopo di questo lavoro è stato quello di studiare dettagliatamente la reattività dell’N-benzilossicarbonil-1-aza-butadiene, utilizzando diversi dienofili in reazioni di Diels-Alder catalitiche enantioselettive promosse da organocatalizzatori bifunzionali in grado di dare interazioni deboli come legami a idrogeno. Questo 1-azadiene infatti può dare in linea di principio sia prodotti derivanti da reazioni di Diels-Alder a domanda elettronica diretta in cui funge da diene, sia reazioni a domanda elettronica inversa in cui il doppio legame terminale dell’1-azadiene, maggiormente reattivo in quanto meno ingombrato, funge da olefina elettronricca (reazione di Povarov). Per effettuare questo studio sono stati provati vari dienofili tra cui olefine elettron povere bi- e monosostituite che portavano alla degradazione del diene; derivati della malimmide e del pirazolo che davano cilcloaddotti derivanti dalla classica cicloaddizione [4+2] Diels-Alder con ottime conversioni in modo altamente diastereoselettivo, ma bassi eccessi enantiomerici ed infine si sono provate diverse immine che portavano al cicloaddotto della reazione di Povarov con ottimi risultati in termini di conversione e buoni eccessi enantiomerici. Quest’ultima applicazione che permette la sintesi di interessanti prodotti variamente funzionalizzabili, sarà oggetto di studio in futuro per ottimizzare le condizioni della reazione.

Sintesi e caratterizzazione di La0.4Sr0.4TiO3 (LST) come anodo innovativo per celle a combustibile ad ossido solido (SOFC)

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono reattori elettrochimici che convertono l’energia chimica di un gas combustibile direttamente in energia elettrica con un’alta efficienza e con basse emissioni. Il materiale più comunemente usato come anodo, il Ni/YSZ cermet, mostra però numerosi svantaggi nell’applicazione quali la suscettibilità all’avvelenamento da zolfo e la deposizione di coke per cracking degli idrocarburi usati come combustibile. E’ perciò necessario sviluppare materiali alternativi che sopperiscano a questi problemi. Il titanato di stronzio drogato con lantanio con stechiometria La0.4Sr0.4TiO3 (LST) è stato scelto come anodo alternativo per le ottime proprietà possedute. Lo scopo del lavoro di tesi è stato quindi lo studio dell’influenza della natura dei precursori, delle condizioni di sintesi e dell’aggiunta di agenti porizzanti necessari per l’ottenimento della fase perovskitica pura e con porosità controllata. In un primo tempo è stata verificata la possibilità di ottenere la fase La0.4Sr0.4TiO3 pura mediante sintesi allo stato solido, trattando termicamente miscele di precursori diversi. I risultati ottenuti hanno evidenziato che l’utilizzo di nitrati metallici porta a risultati migliori rispetto all’utilizzo di carbonati ed ossidi poiché permette la formazione della fase perovskite a temperature inferiori e con una purezza maggiore. Poiché l’analisi elementare sui materiali preparati in questa prima fase ha evidenziato un problema sulla stechiometria, il metodo di sintesi è stato ottimizzato solubilizzando preventivamente i precursori di lantanio e stronzio e determinandone il titolo mediante ICP. Inoltre, sono state effettuate delle sintesi utilizzando TiO2 a diversa area superficiale, per verificare l’effetto sulle fasi formate di una maggior reattività di questo componente. Per completezza la perovskite è stata sintetizzata anche tramite sintesi sol-gel, utilizzando il metodo Pechini, ottenendo a 700°C la fase pura. L’analisi morfologica ha evidenziato che le polveri con caratteristiche migliori per la formatura sono quelle ottenute tramite sintesi allo stato solido. Le pastiglie prodotte, miscelando tali polveri e agenti porizzanti opportuni, hanno evidenziato la stabilità della fase perovskitica voluta ma anche la necessità di ottimizzare l’aggiunta del porizzante per avere una porosità adeguata all’applicazione del sistema quale anodo SOFC.