Studio dell'ammonossidazione in fase gas di etanolo ad acetonitrile

Lo sviluppo di nuovi processi per la chimica industriale vede come fulcro della ricerca l’armonizzazione tra gli aspetti economici, sociali, ambientali e quelli relativi alla sicurezza; questi ultimi incidono profondamente sull’approccio scientifico indirizzando il chimico moderno verso una chimica focalizzata sulla catalisi e sulla manipolazione di sostanze con basso pericolo intrinseco. Un esempio di obbiettivo da perseguire è quindi lo studio, l’ottimizzazione e la messa in opera di processi che utilizzino bioetanolo come “building-block” per la sintesi di intermedi, quali per esempio acetonitrile, attualmente ottenuto principalmente come sottoprodotto della sintesi industriale dell’acrilonitrile. Il lavoro di tesi, che ha visto coinvolta la mia partecipazione, ha permesso di evidenziare gli aspetti positivi, nonché quelli critici nella reazione di sintesi di acetonitrile mediante ammonossidazione in fase gas a partire da etanolo, in cui come catalizzatore modello è stato utilizzato pirofosfato di vanadile. Investigando il contributo apportato dai vari componenti della miscela di reazione, dei parametri operativi, quali temperatura e tempo di contatto, è stato possibile studiare la reazione in ogni suo aspetto mettendo in evidenza anche i limiti derivanti dall’utilizzo di questo particolare sistema catalitico.

Idrogenazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale in fase omogenea: studio dell'attività catalitica del complesso di Shvo

Il presente lavoro di tesi è frutto di una collaborazione fra il Dipartimento di Chimica Fisica ed Inorganica (gruppo del Prof. Valerio Zanotti – Mattia Vaccari, Dr. Rita Mazzoni) ed il Dipartimento di Chimica Industriale e dei Materiali (gruppo del Prof. Angelo Vaccari – Dr. Thomas Pasini, Dr. Stefania Albonetti, Prof. Fabrizio Cavani) e si inserisce il un progetto volto a valutare l’attività e la selettività del catalizzatore di idrogenazione di Shvo 1, verso l’idrogenazione selettiva del doppio legame polare del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) in fase omogenea. L’HMF è un composto di natura organica facilmente ottenibile dalle biomasse, il quale può essere impiegato come building block per ottenere prodotti ad alto valore aggiunto per la chimica fine o additivi per biocarburanti aventi un elevato potere calorifico. In particolare la nostra attenzione si è rivolta alla produzione del 2,5-diidrossimetilfurano (BHMF), un importante building block per la produzione di polimeri e schiume poliuretaniche. Il lavoro di tesi da me svolto ha riguardato la messa a punto di una nuova metodologia sintetica per la preparazione del catalizzatore di Shvo e lo studio della sua attività catalitica nella riduzione di HMF a BHMF. Il comportamento del catalizzatore è stato monitorato studiando la resa in BHMF in funzione di tutti i parametri di reazione: temperatura, pressione di H2, solvente, rapporto molare substrato/catalizzatore, concentrazione, tempo. Successivamente è stata valutata la possibilità di riciclare il catalizzatore recuperando il prodotto di estrazione con acqua, per precipitazione o eseguendo la reazione in miscela bifasica (toluene/H2O). The present work is a collaboration between the Department of Physics and Inorganic Chemistry (group of Prof. Valerio Zanotti - Mattia Vaccari, Dr. Rita Mazzoni) and the Department of Industrial Chemistry and Materials (Group of Prof. Angelo Vaccari - Dr. Thomas Pasini, Dr. Stefania Albonetti, Prof. Fabrizio Cavani), and it’s a project devoted to evaluate the activity and selectivity of the Shvo catalyst, in the selective hydrogenation of polar double bond of 5 -hydroxymethylfurfural (HMF) in homogeneous phase. The HMF is an organic compound easily obtained from biomass, which can be used as a building block for fine chemicals abd polymer production or additives for biofuels with a high calorific value. In particular, our attention turned to the production of 2.5-bishydroxymethylfuran (BHMF), an important building block for the production of polymers and polyurethane foams. This thesis has involved the development of a new synthetic methodology for the preparation of Shvo’s catalyst and the study of its catalytic activity in the reduction of HMF to BHMF. The behavior of the catalyst was monitored by studying the yield in BHMF as a function of all the reaction parameters: temperature, pressure of H2, solvent, substrate to catalyst molar ratio, concentration, time. Subsequently it was evaluated the possibility of recycling the catalyst recovering the product of extraction with water, by precipitation or performing the reaction in biphasic mixture (toluene/H2O).

Valorizzazione di molecole da materie prime rinnovabili: la trasformazione del 2,5-diidrossimetilfurano con catalisi acida

The present work is part of a larger project aimed at obtaining compounds of industrial interest from renewable sources. The work is particularly aimed to investigate the reactivity of 2,5-bis-hydroxymethylfuran (BHMF), an important building block of organic nature easily obtainable from biomass, with acid catalysis. Through the study of the reactivity of BHMF in water, in the presence of an heterogeneous acid catalyst (Amberlyst 15), has been developed a new synthetic method for the preparation of α-6-hydroxy-6-methyl-4-enyl-2H-pyran-3-one a derivative whose molecular skeleton is similar to that of natural products which are used in pharmaceutical chemistry. The product is obtained in milder conditions and with better selectivity with respect to the strongly oxidizing conditions with which it is prepared in the literature starting from different precursors containing furan ring.

Studio della reattività di etanolo in fase gas su catalizzatori a base di MgO e Mg/Si/O

A causa delle questioni economiche ed ambientali legate alla sostenibilità dei processi petrolchimici, recentemente l'industria chimica ha focalizzato il proprio interesse nello sviluppo di processi per la produzione di chemicals, che utilizzino materiali di partenza rinnovabili. L'etanolo, prodotto per via fermentativa, sembra essere uno dei bio-building block più promettenti e versatili e può essere utilizzato per numerose applicazioni. È noto da tempo che l’etanolo può reagire su catalizzatori costituiti da ossidi misti con caratteristiche acido-base a dare numerosi composti chimici tra cui acetaldeide, 1,3-butadiene, 1-butanolo e 2-butenale. Nonostante il lungo impiego dell’etanolo nell’industria chimica, il meccanismo di formazione di composti C4 a partire da etanolo è ancora però materia di dibattito. Il meccanismo generalmente accettato si basa sulle seguenti reazioni chiave: deidrogenazione di etanolo ad acetaldeide e condensazione aldolica di due molecole di acetaldeide. Tuttavia in letteratura sono riportate anche altre proposte alternative. In questo lavoro è stato studiato il processo di trasformazione di etanolo su catalizzatori a base di MgO e sistemi misti Mg/SiO, attraverso esperimenti di reattività condotti in un micro-impianto da laboratorio, al fine di fare chiarezza sul meccanismo di formazione di composti C4 a partire da etanolo. In particolare è stato condotto uno studio meccanicistico utilizzando MgO come catalizzatore modello, materiale che possiede esclusivamente proprietà basiche, ritenute essenziali per catalizzare la condensazione di molecole C2. Inoltre, è stata investigata l’influenza delle caratteristiche acido-base del catalizzatore sulla selettività del processo di conversione di etanolo, studiandone la reattività su materiali costituiti da ossidi misti Mg/Si/O, con diverso rapporto atomico tra i due cationi.

Studio dell'interazione di etanolo con catalizzatori TiO2-CeOx.

Due to the limited availability of natural oil and the harmful effects of its usage, the industry has focused in searching for sustainable types of raw materials for the production of chemicals. The bioethanol, obtained by fermentation of biomass, has gained particular importance in recent years both as a biofuel, and as a “building block” molecule because it can be considered as a starting reagent to obtain other added value chemical compounds, such as ethylene, acetaldehyde, butadiene and ethyl acetate. The goal of this research was the study of the interaction of ethanol with catalysts based on TiO2-CeOX. Since the electronic properties have implications on the catalytic activity, the idea was to understand if the TiO2-CeOX systems have different reactivity from that of ceria and rutile alone, or an intermediate between them. The study was focused on the characterization of the adsorbed species on the catalysts surface after ethanol adsorption through an in-situ spectroscopic technique (DRIFTS) that allowed us to extract information that could be helpful for the understanding of the processes at the molecular level. The mass spectrometry was used to monitor on-line the desorbed products. Furthermore, reactivity tests in a flow reactor were performed, in order to verify the catalytic behavior of the samples in conditions which are more similar to those applied at an industrial scale. The samples showed to behave in different way depending on the conditions used and the thermal treatment. The particular behavior of the mixed samples with respect to the single oxides is interpreted for each case according to the spectroscopic information collected.

Synthesis of new non-fullerene acceptors based on indacenodithiophene core for organic solar cells

Due to the low cost, lightness and flexibility, Polymer Solar Cell (PSC) technology is considered one of the most promising energy technologies. In the past decades, PSCs using fullerenes or fullerene derivatives as the electron acceptors have made great progress with best power conversion efficiency (PCE) reaching 11%. However, fullerene type electron acceptors have several drawbacks such as complicated synthesis, a low light absorption coefficient and poor tuning in energy levels, which prevent the further development of fullerene-based PSCs. Hence the need to have a new class of electron acceptors as an alternative to conventional fullerene compounds. Non-fullerene acceptors (NFAs) have developed rapidly in the last years and the maximum PCEs have exceeded 14% for single-junction cells and 17% for double-junction tandem cells. By combining an electron-donating backbone, generally with several fused rings with electron-withdrawing units, we can simply construct NFA of the acceptor–donor–acceptor type (A–D–A). Versatile molecular structures have been developed using methods such as acceptor motif engineering and donor motif engineering. However, there are only a few electron-donating backbones that have been proved to be successful. Therefore, it is still necessary to develop promising building blocks to further enrich the structural diversity. An indacenodithiophene (IDT) unit with just five fused rings has a sufficiently rigid coplanar structure, which has been regarded as one of the promising electron-rich units to design high-performance A–D–A NFAs. In this work, performed at the King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia, a new nine-cyclic building block (TBIDT) with a two benzothiophene unit was synthesized and used for designing new non-fullerene electron acceptors.

Investigation of gold-based catalysts for liquid phase oxidation of glucose to glucaric acid

Glucaric acid (GA) is one of the building block chemicals derived from sugar biomass with higher added value. Nowadays, GA is produced by oxidation of glucose (Glu) with either stoichiometric oxidants (HNO3), or by means of electrochemical or biochemical synthesis. However, these processes show drawbacks from either the environmental or economic viewpoint. For this reason, gold nanoparticles (Au NPs) supported on activated carbon (AC) have been studied as catalysts for the oxidation of Glu, using O2 as oxidant in the presence of a base. Using sol immobilization technique, Au NPs have been supported on AC following different experimental procedures. UV-Vis spectroscopy, XRD, TEM and TG analysis were utilized in the characterization of the catalysts. The operational conditions were optimized obtaining 24% of yield of GA, 37% to GO and 27% to byproducts in 1 h, 1000 rpm, 10 bar of O2 and Glu:Au:NaOH molar ratio of 1000:1:3000. Under such conditions, catalysts show relatively high Glu conversion (≥82%) with different GA yields. GO+GA yield is around 58-61%. Therefore, the oxidation reaction was performed at 15 min where Au/AC PVA0 reached the highest yield of GA (16%) and Au/AC PVA2.4 gave the lowest (8%). It is evident that the presence of PVA influences to a higher degree the reaction rate than the Au NPs size. Hence, the effect of different heat treatments where applied for the removal of PVA: washing with water at 60℃ or heat treatment (120-250℃) with Air/H2. Washing treatment and heat treatment at 120℃ with Air/H2 may have resulted in the mildest treatments for the removal of PVA. Finally, two different supports have been used in order to study the effect of metal-support interaction in the immobilization of Au NPs: ZrO2 and AC. Au/AC catalyst demonstrated a higher conversion of GO to GA at short reaction times (15.1% yield GA) compared to Au/ZrO2 (2.4% yield GA).

Nuovo copolimero multiblocco a base di acido polilattico e acido 2,5-furandicarbossilico 100% biobased e compostabile per packaging sostenibile

Questo progetto di tesi sperimentale è incentrato sulla sintesi di un copolimero multiblocco alifatico/aromatico a partire da reagenti aventi origine da fonti rinnovabili. L’applicazione proposta per il prodotto è nell’ambito del packaging sostenibile. E’ stato prima sintetizzato il poli(pentametilene furanoato) idrossil-terminato (PPeF-OH) a partire dall’acido 2,5-furandicarbossilico; esso è stato poi sottoposto ad una reazione di estensione di catena con acido poli-L-lattico (PLLA) parzialmente depolimerizzato. L’innovativa strategia di sintesi utilizzata è in linea con i principi della green chemistry, partendo da building block bio-based ed evitando l’uso di solventi. Il copolimero finale, definito P(LLA50PeF50)-CE, è stato caratterizzato dal punto di vista molecolare, strutturale e termico attraverso, rispettivamente, analisi NMR e GPC, WAXS, TGA e DSC. Sono state anche effettuate prove a trazione, test delle proprietà barriera e valutazione della compostabilità. I risultati dimostrano che la stabilità termica del PLLA è stata migliorata, determinando anche un allargamento della finestra di processabilità del materiale; la rigidità e la fragilità del PLLA sono state ridotte, rendendo il nuovo materiale idoneo alla realizzazione di film per imballaggi flessibili. La permeabilità all’ossigeno del PLLA è stata migliorata del 40% circa e un analogo miglioramento è stato riscontrato anche rispetto all’anidride carbonica. Infine, la compostabilità del PLLA non è stata compromessa.

Valutazione degli impatti ambientali di un processo biobased nella produzione di acido crotonico

L’utilizzo di biomasse come fonte di chemicals nell’industria chimica mira a rendere più sostenibili i processi industriali e i materiali prodotti. In particolare, l’acido crotonico (AC), impiegato come building block nella produzione di vernici e rivestimenti, è prodotto tradizionalmente da fonti fossili. La domanda globale ammonta a circa 1000 tonnellate ed è in continuo aumento, rendendo prioritaria l’individuazione di una sintesi alternativa e sostenibile. In questo studio, l’analisi del ciclo di vita (life cycle assessment, LCA) è stata applicata per stimare la carbon footprint e la domanda cumulativa di energia relative ad una sintesi innovativa dell’AC, basata sulla conversione termica di un precursore derivato da biomasse di scarto. In particolare, il processo prevede l’applicazione di un trattamento termochimico a poli-idrossi-butirrati (PHB) prodotti da colture batteriche miste a valle del processo B-PLAS. Sono stati modellati due scenari comparativi con l’obiettivo di (i) valutare la sostenibilità ambientale della sintesi alternativa nella tecnologia B-PLAS, considerando una condizione “base” di processo (con un contenuto di PHB pari al 30% nello slurry in ingresso al processo) e una “ottimale” (con un contenuto di PHB pari al 60%); (ii) confrontare gli impatti ambientali del processo di sintesi alternativo per entrambi gli scenari con quelli di sintesi dell’AC da fonti fossili. I risultati dell’LCA mostrano che nel processo B-PLAS, giunti alla produzione dello slurry (fango) arricchito in PHB, si possono avere due strade equivalenti estraendo i PHB o convertendoli in AC con una lieve preferenza per il processo estrattivo (0.71MJ/kgslurry vs 1.11MJ/kgslurry) nella condizione di base e (0.69MJ/kgslurry vs 1.17MJ/kgslurry) in quella ottimale. Estendendo la comparazione alla produzione dell’AC da fonti fossili, quello bioderivato comporta un impatto ambientale ampiamente inferiore, stimato in 159.6 MJ/kgAC e 204.6 MJ/kgAC per gli scenari “base” e “ottimale”.

Structural steel design with BIM technology - interventions on a three buildings block in Deruta (PG)

The aim of this thesis is to use the developments, advantages and applications of "Building Information Modelling" (BIM) with emphasis on the discipline of structural design for steel building located in Perugia. BIM was mainly considered as a new way of planning, constructing and operating buildings or infrastructures. It has been found to offer greater opportunities for increased efficiency, optimization of resources and generally better management throughout the life cycle of a facility. BIM increases the digitalization of processes and offers integrated and collaborative technologies for design, construction and operation. To understand BIM and its benefits, one must consider all phases of a project. Higher initial design costs often lead to lower construction and operation costs. Creating data-rich digital models helps to better predict and coordinate the construction phases and operation of a building. One of the main limitations identified in the implementation of BIM is the lack of knowledge and qualified professionals. Certain disciplines such as structural and mechanical design depend on whether the main contractor, owner, general contractor or architect need to use or apply BIM to their projects. The existence of a supporting or mandatory BIM guideline may then eventually lead to its adoption. To test the potential of the BIM adoption in the steel design process, some models were developed taking advantage of a largely diffuse authoring software (Autodesk Revit), to produce construction drawings and also material schedule that were needed in order to estimate quantities and features of a real steel building. Once the model has been built the whole process has been analyzed and then compared with the traditional design process of steel structure. Many relevant aspect in term of clearness and also in time spent were shown and lead to final conclusions about the benefits from BIM methodology.