Nuovi processi "green" per la funzionalizzazione di composti fenolici.

L’obiettivo di questo lavoro è lo studio della funzionalizzazione del fenolo mediante vie sintetiche “green”, che utilizzino quindi reagenti non clorurati e catalizzatori eterogenei, quindi facilmente recuperabili e riutilizzabili. Esistono però altri derivati fenolici di interesse commerciale, quali il catecolo, in quanto reagente di partenza per svariate molecole (tra cui appunto il DOPET) utilizzate in vari ambiti applicativi (alimentare, cosmetica, farmaceutica, agrochimica). In particolare, lo studio è stato focalizzato sulla sintesi dell’IDROSSITIROSOLO (o DOPET). Le prove effettutate con fenolo non hanno portato alla formazione del composto desiderato, ma di altri prodotti che comunque hanno interesse commerciale; ad esempio, è stato ottenuto il 2-fenossietanolo con elevata resa e selettività. Oltre al fenolo, ho studiato la reattività del metilendiossobenzene; con entrambi è stato ottenuto (seppur con basse rese) l’attacco all’anello da parte dell’etil gliossilato, formando così un intermedio potenzialmente utile per la sintesi dell’idrossitirosolo.

L'utilizzo di carbonati come reagenti per la sintesi "green" di derivati fenolici: l'esempio del 2-fenossi-1-etanolo

2-Phenoxyethanol (ethylene glycol monophenyl ether) is used as solvent for cellulose acetate, dyes, inks, and resins; it is a synthetic intermediate in the production of plasticizers, pharmaceuticals, and fragrances. Phenoxyethanol is obtained industrially by reaction of phenol with ethylene oxide, in the presence of an homogeneous alkaline catalyst, typically sodium hydroxide. The yield is not higher than 95-96%, because of the formation of polyethoxylated compounds. However, the product obtained may not be acceptable for use in cosmetic preparations and fragrance formulations, due to presence of a pungent “metallic” odor which masks the pleasant odor of the ether, deriving from residual traces of the metallic catalyst. Here we report a study aimed at using ethylene carbonate in place of ethylene oxide as the reactant for phenoxyethanol synthesis; the use of carbonates as green nucleophilic reactants is an important issue in the context of a modern and sustainable chemical industry. Moreover, in the aim of developing a process which might adhere the principles of Green Chemistry, we avoided the use of solvents, and used heterogeneous basic catalysts. We carried out the reaction by using various molar ratios between phenol and ethylene carbonate, at temperatures ranging between 180 and 240°C, with a Na-mordenite catalyst. Under specific conditions, it was possible to obtain total phenol conversion with >99% yield to phenoxyethanol in few hours reaction time, using a moderate excess of ethylene carbonate. Similar results, but with longer reaction times, were obtained using a stoichiometric feed ratio of reactants. One important issue of the research was finding conditions under which the leaching of Na was avoided, and the catalyst could be separated and reused for several reaction batches.

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.

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.

Trasformazioni asimmetriche indotte da cristallizzazione di miscele diastereoisomeriche di aldeidi alpha-epimerizzabili

In the last few years organic chemistry has focused attention on enantiomeric resolution. Among the several techiniques, crystallization-induced diastereoisomeric transformation (CIDT) aroused the interest because of high yields, as well as to meet the criteria of green chemistry. The process is applied in the specific way for a racemic mixtures of α- epimerizable aldehydes, in order to obtain enatiomerically enrichment mixtures. This technique involves the transformation of a racemic mixture of enantiomers into a diasteroisomeric one by a reaction with a enantiopure auxiliary (Betti’s base). Then, to mixture of diastereoisomers is applied the acid-catalyzed enrichment process: in solution, the epimerization of more soluble diastereoisomer occurs, accompanied by precipitation and hence the removal of the less soluble one from the equilibrium. Finally, through the hydrolysis reaction, it was possible to recover the enantiomerically enriched aldehydes.

Analisi del ciclo di vita di processi chimici industriali: applicazione alla sintesi di acrilonitrile mediante reazione di ammonossidazione

La green chemistry può essere definita come “l’utilizzo di una serie di principi che riducono o eliminano l’uso o la formazione di sostanze pericolose nella progettazione, produzione e applicazione di prodotti chimici”. . È in questo contesto che si inserisce la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), come strumento di analisi e di valutazione. Lo scopo del presente lavoro di tesi è l’analisi degli impatti ambientali associati a processi chimici, ambito ancora poco sviluppato nella letteratura degli studi di LCA. Viene studiato e modellato il ciclo di vita (dall’ottenimento delle materie prime fino alla produzione del prodotto) della reazione di ammonossidazione per la produzione di acrilonitrile, valutando e comparando due alternative di processo: quella tradizionale, che utilizza propilene ( processo SOHIO), e le vie sintetiche che utilizzano propano, ad oggi poco sviluppate industrialmente. Sono stati pertanto creati sei scenari: due da propene (SOHIO FCC, con propene prodotto mediante Fluid Catalytic Cracking, e SOHIO Steam), e quattro da propano (ASAHI, MITSUBISHI, BP povero e ricco in propano). Nonostante la produzione dell’alcano abbia un impatto inferiore rispetto all’olefina, dovuto ai minori stadi di processo, dai risultati emerge che l’ammonossidazione di propano ha un impatto maggiore rispetto a quella del propene. Ciò è dovuto ai processi catalitici che utilizzano propano, che differiscono per composizione e prestazioni, rispetto a quelli da propene: essi risultano meno efficienti rispetto ai tradizionali, comportando maggiori consumi di reattivi in input . Dai risultati emerge che gli scenari da propano presentano maggiori impatti globali di quelli da propene per le categorie Cambiamento climatico, Formazione di materiale e Consumo di combustibili fossili. Invece per la categoria Consumo di metalli un impatto maggiore viene attribuito ai processi che utilizzano propene, per la maggior percentuale di metalli impiegata nel sistema catalitico, rispetto al supporto. L’analisi di contributo, eseguita per valutare quali sono le fasi più impattanti, conferma i risultati. Il maggior contributo per la categoria Consumo di combustibili fossili è ascrivibile ai processi di produzione del propano, dell’ammoniaca e del solfato di ammonio ( legato all’ammoniaca non reagita ). Stessi risultati si hanno per la categoria Cambiamento climatico, mentre per la categoria Formazione di materiale particolato, gli impatti maggiori sono dati dai processi di produzione del solfato di ammonio, del propano e dell’acido solforico (necessario per neutralizzare l’ammoniaca non reagita). Per la categoria Consumo di metalli, il contributo maggiore è dato dalla presenza del catalizzatore. È stata infine eseguita un’analisi di incertezza tramite il metodo Monte Carlo, verificando la riproducibilità dei risultati.

Derivati naturali dell'acido difenolico per la sostituzione del bisfenolo A

La produzione di materie plastiche da fonti rinnovabili è oggi uno dei principali obiettivi della chimica dei polimeri. Anche se i materiali termoplastici da fonte “bio” sono stati già ampiamente studiati, non si può affermare lo stesso per i termoidurenti. Le resine epossidiche sono ampiamente usate come rivestimenti, adesivi e materiali strutturali grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche e alla buona resistenza al calore. Nonostante ciò, la ricerca svolta in questo campo su tali materiali è molto limitata e la loro produzione deriva ancora dalla reazione tra epicloridrina, cancerogena, e bisfenolo A, sospettato di avere effetti sul sistema ormonale. Per questo, la possibilità di trovare un sostituto per il bisfenolo A è un punto cruciale della chimica per dare una risposta eco-sostenibile alla domanda dei consumatori. L’acido difenolo è stato identificato come un buon canditato per la sostituzione del bisfenolo A, grazie alla similarità delle loro strutture. Dal momento che esso deriva dalla reazione tra acido levulinico, derivante da biomassa e fenolo, è possibile considerarlo un reagente di origine bio. Lo scopo di questo lavoro è quello di sostituire il fenolo con composti fenolici di origine naturale come m-cresolo, guaiacolo, catecolo e resorcinolo. Le molecole risultanti saranno confrontate con il bisfenolo A per ciò che concerne la possibilità di formare i rispettivi glicidil eteri tramite reazione con epicloridrina. Questo permetterebbe la formazione di un pre-polimero epossidico proveniente da fonte rinnovabile in un prossimo futuro.

Nuove vie di sintesi dell'idrossitirosolo

L’idrossitirosolo (3,4-diidrossifeniletanolo) è uno degli antiossidanti naturali più potenti e con molte proprietà benefiche sull'organismo umano ed è per questo molto pregiato. In natura, l’idrossitirosolo è presente nelle olive e in quantità maggiori nelle foglie dell’olivo. L’obiettivo di questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio esplorativo di vie di sintesi alternative per l’idrossitirosolo che partissero da reagenti a basso costo e green, attraverso la catalisi eterogenea e utilizzando acqua come solvente. Sulla base di questi requisiti abbiamo delineato un progetto per la sintesi che, partendo dal catecolo (o dal suo omologo guaiacolo), prevede l’introduzione di una catena C2 sull’anello aromatico (reazione già nota a livello industriale per la sintesi della vanillina)seguita da una riduzione one pot del derivato mandelico a dare il prodotto di interesse, l’idrossitirosolo. L’obiettivo posto è pertanto molto ambizioso e consente di ottenere l’idrossitirosolo in soli due passaggi sintetici in catalisi eterogenea a partire da reagenti green e a basso costo.

Biodiesel ottenuto da olio di babassu e sue miscele: studio di produzione e controllo di qualità

Il contributo all’innalzamento del riscaldamento globale, prodotto dai combustibili fossili è un dei principali problemi ambientali. Le bioenergie potrebbero contribuire enormemente alla riduzione di questo fenomeno, sostituendo in parte i combustibili tradizionali di origine fossile. In questo contesto, può collocarsi il biodiesel prodotto a partire da oli vegetali, rappresentando una valida e strategica alternativa. Il biodiesel è una miscela di metil esteri di acidi grassi, [fatty acids methyl esters (FAME)], normalmente ottenuta tramite reazione di transesterificazione tra oli vegetali e alcol a catena corta in presenza di un catalizzatore acido o basico in catalisi sia omogena che eterogenea. Il biodiesel si colloca tra le materie prime di seconda generazione e può risultare una buona base di partenza per ottenere un biodiesel performante e con un basso costo finale.

Sintesi e caratterizzazione di prepolimeri per resine epossidiche derivanti da fonti rinnovabili e naturali attraverso un processo a basso impatto ambientale

La sostituzione di materie prime provenienti da risorse fossili con biomasse rinnovabili, utilizzando un processo a basso impatto ambientale, è una delle più importanti sfide della "Green Chemistry". Allo stesso tempo, la sintesi di resine epossidiche fornisce la chiave per la realizzazione di materiali ad alto valore aggiunto. Tuttavia, ad oggi, il 90% della produzione di resine epossidiche è basato sull'uso di bisfenolo A, che ha effetti di xenoestrogeno, ed epicloridrina, tossica e cancerogena. Su queste basi, è stata individuata una strategia sintetica per la sintesi di prepolimeri innovativi per resine epossidiche, che utilizza come substrato di reazione diidrossibenzeni di origine naturale ed evita l'uso di epicloridrina e altri reagenti tossici o pericolosi. La suddetta strategia sintetica è basata sulla sequenza: allilazione dei diidrossibenzeni - epossidazione dei doppi legami ottenuti. In questa procedura non vengono utilizzati drastiche condizioni di reazione e il solvente è acqua, con una catalisi di trasferimento di fase o, in aggiunte di acetonitrile, in un sistema bifasico. La resa complessiva dei due “step” dipende dalla posizione dei due ossidrili nei diidrossibenzeni. Il reagente che porta la resa massima è l’idrochinone (1,4 diidrossibenzene), che, come riportato in letteratura, permette la formazione di resine epossidiche con proprietà simili alle resine di epicloridrina e bisfenolo A. The substitution of raw materials from fossil fuels with renewable biomass using a low environmental impact process is one of the greatest challenges of the "Green Chemistry". At the same time, the synthesis of epoxy resins provides the key to the realization of high added value materials. However, 90% of the production of epoxy resins is based on the use of bisphenol A, a xenoestrogen, and epichlorohydrin, that is toxic and carcinogenic. On these bases, a synthetic strategy for the synthesis of innovative prepolymers of epoxy resins, that uses dihydroxybenzenes of natural origin as reaction substrates and avoids the use of epichlorohydrin and other toxic or dangerous reagents has been identified. The above synthetic strategy is based on the sequence: allylation of dihydroxybenzenes - epoxidation of the double bonds obtained. In this procedure, drastic reaction conditions are dismissed and the solvent used is water with a phase transfer catalysis or, in addition, acetonitrile in a biphasic system. The overall yield of the two steps depends on the position of the two hydroxyls of the dihydroxybenzenes. The reagent that leads to the highest yield is hydroquinone (1,4 dihydroxybenzene), which, as reported in literature, allows the formation of epoxy resins with similar properties to the resins from bisphenol A and epichlorohydrin.

Analisi del ciclo di vita della produzione industriale di acroleina: confronto tra il processo tradizionale e vie di sintesi alternative.

La green chemistry può essere definita come l’applicazione dei principi fondamentali di sviluppo sostenibile, al fine di ridurre al minimo l’impiego o la formazione di sostanze pericolose nella progettazione, produzione e applicazione di prodotti chimici. È in questo contesto che si inserisce la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), come strumento di analisi e di valutazione. Il presente lavoro di tesi è stato condotto con l’intenzione di offrire una valutazione degli impatti ambientali associati al settore dei processi chimici di interesse industriale in una prospettiva di ciclo di vita. In particolare, è stato studiato il processo di produzione di acroleina ponendo a confronto due vie di sintesi alternative: la via tradizionale che impiega propilene come materia prima, e l’alternativa da glicerolo ottenuto come sottoprodotto rinnovabile di processi industriali. Il lavoro si articola in due livelli di studio: un primo, parziale, in cui si va ad esaminare esclusivamente il processo di produzione di acroleina, non considerando gli stadi a monte per l’ottenimento delle materie prime di partenza; un secondo, più dettagliato, in cui i confini di sistema vengono ampliati all’intero ciclo produttivo. I risultati sono stati confrontati ed interpretati attraverso tre tipologie di analisi: Valutazione del danno, Analisi di contributo ed Analisi di incertezza. Dal confronto tra i due scenari parziali di produzione di acroleina, emerge come il processo da glicerolo abbia impatti globalmente maggiori rispetto al tradizionale. Tale andamento è ascrivibile ai diversi consumi energetici ed in massa del processo per l’ottenimento dell’acroleina. Successivamente, per avere una visione completa di ciascuno scenario, l’analisi è stata estesa includendo le fasi a monte di produzione delle due materie prime. Da tale confronto emerge come lo scenario più impattante risulta essere quello di produzione di acroleina partendo da glicerolo ottenuto dalla trans-esterificazione di olio di colza. Al contrario, lo scenario che impiega glicerolo prodotto come scarto della lavorazione di sego sembra essere il modello con i maggiori vantaggi ambientali. Con l’obiettivo di individuare le fasi di processo maggiormente incidenti sul carico totale e quindi sulle varie categorie d’impatto intermedie, è stata eseguita un’analisi di contributo suddividendo ciascuno scenario nei sotto-processi che lo compongono. È stata infine eseguita un’analisi di incertezza tramite il metodo Monte Carlo, verificando la riproducibilità dei risultati.

Sostituzione dell'epicloridrina con derivati del glicerolo nella preparazione di prepolimeri per resine epossidiche bio-based.

La recente e innovativa filosofia della green chemistry che si sta diffondendo nell’industria chimica e l’incombente esaurimento di risorse fossili, stanno indirizzando la ricerca del settore chimico verso la realizzazione di processi sempre più sostenibili. Tra i processi che necessitano maggiormente di questi cambiamenti, vi è quello della produzione di resine epossidiche che per il 90% è costituito attualmente da resine a base di bisfenolo-A, neuro tossico e pericoloso per la riproduzione umana, ed epicloridrina cancerogena; entrambi ottenuti da risorse fossili. Per tali motivi, in questo elaborato si è cercato di sviluppare un processo di sintesi il più possibile “green”, per l’ottenimento di una molecola derivante da risorse rinnovabili, da sostituire all’epicloridrina nella sintesi di prepolimeri per resine epossidiche bio-based. Lo sviluppo del lavoro è avvenuto tramite lo studio dei reagenti, solventi e parametri operativi, ottenendo il glicidil tosilato a partire da glicerolo e tosil cloruro attraverso una reazione in sistema bifasico, semplice dal punto di vista pratico e senza l’utilizzo di composti tossici. Il glicidil tosilato è meno problematico in quanto meno volatile rispetto all’epicloridrina, ed inoltre le prove di reazione con il bisfenolo-A hanno portato all’ottenimento del prepolimero con rese maggiori rispetto a quelle ottenute nelle stesse condizioni con epicloridrina.

Selective photo-oxidation of glucose

Biomass transformation into high-value chemicals has attracted attention according to the “green chemistry” principles. Low price and high availability make biomass one of the most interesting renewable resources as it provides the means to create sustainable alternatives to the oil-derived building blocks of the chemical industry In recent year, the need for alternative environmentally friendly routes to drive chemical reactions has in photocatalytic processes an interesting way to obtain valuable chemicals from various sources using the solar light as energy source. The purpose of this work was to use supported noble metal nanoparticles in the selective photo-oxidation of glucose through using visible light. Glucose was chosen as model molecule because it is the cheapest and the most common monosaccharide. Few studies about glucose photo oxidation have been conducted so far, and reaction mechanism is still not totally explained. The aim of this work was to systematically analyze and assess the impact of several parameters (eg. catalyst/substrate ratio, reaction time, effect of the solvent and light source) on the reaction pathway and to monitor the product distribution in order to draw a general reaction scheme for the photo oxidation of glucose under visible light. This study regards the reaction mechanism and the influence of several parameters, such as solvent, light power and substrate concentration. Furthermore, the work focuses on the influence of gold and silver nanoparticles and on the influence of metal loading. The glucose oxidation was monitored through the mass balance and the products selectivity. Reactions were evaluated in terms of glucose conversion, mass balance and selectivities towards arabinose and gluconic acid. In conclusion, this study is able to demonstrate that the photo oxidation of glucose under visible light is feasible; the full identification of the main products allows, for the first time, a comprehensive reaction mechanism scheme.

Preparazione di una resina epossidica bio-based e studio delle relative proprietà

Epoxy resins are very diffused materials due to their high added value deriving from high mechanical proprieties and thermal resistance; for this reason they are widely used both as metallic coatings in aerospace and in food packaging. However, their preparation uses dangerous reagents like bisphenol A and epichlorohydrin respectively classified as suspected of causing damage to fertility and to be carcinogen. Therefore, to satisfy the ever-growing attention to environmental problems and human safeness, we are considering alternative “green” processes through the use of reagents obtained as by-products from other processes and mild experimental conditions, and also economically sustainable and attractive for industries. Following previous results, we carried out the reaction leading to the formation of diphenolic acid (DPA), its allylation and the following epoxidation of the double bonds, all in aqueous solvent. In a second step the obtained product were cross-linked at high temperature with and without the use of hardeners. Then, on the obtained resin, some tests were performed like release in aqueous solution, scratch test and DSC analysis.

Valorizzazione di acque di vegetazione provenienti da oleifici tramite recupero di polifenoli per adsorbimento

The environmental problems associated to the disposal of the olive oil wastewater (OMW, Olive Mill Wastewaters), and the difficulty in the recycling because of their polyphenolic content, led to propose the separation of their polyphenols. The recovery of polyphenols from olive mill wastewaters (OMWs) provides the double opportunity to obtain high-added value biomolecules and to reduce the phytotoxicity of the effluent. The separation can be obtained by a continuous flow extraction process of adsorption and desorption, this process is characterized by the possibility to recycling the adsorbing phase and the extraction solvent. The present work is part of a project aimed to the development of pilot scale process based on the use of the AMBERLITE XAD16 as adsorption resin. The adsorption stage is preceded by a wastewater filtration pretreatment, and a final desorption process is added to recover the polyphenols using acidified ethanol as the solvent.