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.

Nuovi catalizzatori per la trasformazione diretta di glicerolo ad acido acrilico

Alla luce delle improrogabili necessità ambientali, le prospettive di crescita del mercato dei bio-combustibili e quindi del biodiesel, sono molto ampie; si rende quindi necessario lo sviluppo di nuovi processi chimici in grado di valorizzare il co-prodotto della sintesi del biodiesel, ovvero il glicerolo. Tra le varie opzioni proposte dalla recente letteratura scientifica e brevettuale, la trasformazione one-pot del glicerolo ad acido acrilico può rappresentare una soluzione. All’interno di questa tematica, durante il periodo di tesi ho eseguito uno studio di catalizzatori a base di ossidi misti contenenti tungsteno, molibdeno e/o vanadio. Tali ossidi presentano sia funzionalità acida, necessaria per il primo stadio di disidratazione del glicerolo ad acroleina, sia funzionalità redox, necessaria all’ossidazione dell’acroleina ad acido acrilico. I sistemi tri-componente W-V-Mo si sono rivelati catalizzatori attivi e selettivi per la sintesi diretta di glicerolo ad acido acrilico. La miglior performance catalitica di questa classe di catalizzatori ha consentito di ottenere selettività in acido acrilico del 31%, con selettività totale ad acido acrilico ed acroleina superiore al 38% (valori tra i più elevati rispetto a quelli riportati in letteratura). Infine, si è dimostrato che i catalizzatori a base di W-V-Mo sono sistemi potenzialmente sfruttabili anche in impianti a doppio stadio per la produzione di acido acrilico con alimentazioni miste propilene/glicerolo. Ulteriori studi sono attualmente in corso per approfondire le capacità catalitiche degli ossidi misti studiati.

Studio dell'effetto dell'acidificazione del mare sulla riproduzione del corallo Astroides calycularis (Scleractinia, Dendrophylliidae) lungo un gradiente naturale di CO2

E’ previsto che l’emissione in atmosfera di anidride carbonica (CO2) da parte dell’uomo e la conseguente acidificazione delle acque dei mari provocherà effetti negativi di vasta portata sui processi biologici di diversi ecosistemi marini. L’acidificazione del mare può provocare effetti negativi su tutti gli stadi del ciclo vitale degli organismi marini, influenzandone la fisiologia, morfologia, comportamento ed alcune fasi della riproduzione e del reclutamento. Esistono poche informazioni riguardo gli effetti dell’acidificazione sulla riproduzione sessuale dei coralli. Questo studio ha lo scopo di quantificare la capacità riproduttiva di Astroides calycularis (scleractinia coloniale mediterranea azooxantellata) in colonie trapiantate lungo un gradiente naturale di pH, generato dalle emissioni di CO2 del cratere vulcanico sottomarino di Panarea (Isole Eolie). Le colonie sono state trapiantate in 4 siti, dal centro del cratere, dove si riscontra la condizione più acida (pH 7.40), alla periferia, caratterizzata da condizioni di pH normali (pH 8.07). La popolazione di A. calycularis di Panarea ha mostrato una sessualità mista a livello coloniale (polipi gonocorici in colonie ermafrodite), in contrapposizione alla condizione gonocorica riscontrata nella stessa specie studiata a Palinuro e a Punta de la Mona (Spagna). I risultati preliminari sembrerebbero mostrare un effetto negativo dell’acidificazione sullo sviluppo gonadico femminile della specie. L’ipotesi è che esso sia dovuto ad una riallocazione delle energie sui processi di calcificazione a danno dell’ovogenesi. La spermatogenesi risentirebbe meno degli effetti negativi dell’acidificazione nelle fasi di sviluppo interne all’ individuo, in quanto meno dispendiose da un punto di vista energetico rispetto alle fasi di ovogenesi. Gli spermatozoi potrebbero invece essere influenzati negativamente dall’ ambiente più acido una volta entrati in contatto con esso, con conseguenze sulla riuscita della fecondazione. Questo studio necessita di ulteriori dati e verrà completato con le analisi istologiche in corso.

Studio di un metodo per la determinazione dei polifenoli dell'olio d'oliva in accordo con le indicazioni salutistiche previste dal reg.(ue) n. 432/2012

La principale finalità di questo lavoro sperimentale riguarda la messa a punto di un metodo analitico rapido ed economico di tipo colorimetrico, che possa essere attuato anche in laboratori attrezzati per eseguire solo semplici determinazioni spettrofotometriche, con il quale quantificare il contenuto in composti fenolici in accordo con quanto riportato nell’health claim salutistico relativo ai polifenoli negli oli d’oliva (Reg. UE 432/2012). A questo scopo, il metodo sarà testato su dodici oli extra vergini di oliva, sia italiani che spagnoli, caratterizzati da concentrazioni diverse in composti fenolici, in parallelo ad un metodo cromatografico (HPLC-UV-MS) preceduto da idrolisi acida, già presente in letteratura. Tale reazione idrolitica consente, infatti, una conversione dei fenoli complessi tipici dell’oliva - i secoiridoidi - in fenoli semplici (idrossitirosolo e tirosolo), permettendo una determinazione semplificata del contenuto fenolico di un campione rispetto a quanto possibile mediante l’applicazione del solo metodo COI ("Determinazione dei biofenoli degli oli di oliva mediante HPLC", COI/T.20/Doc.n.29, 2009) per la verifica di quanto richiesto dall’health claim. Sulla base dei risultati ottenuti, sarà possibile valutare se i test colorimetrici più comunemente applicati per la determinazione dei composti fenolici negli oli d’oliva (Folin-Ciocalteu e metodo per la determinazione degli orto-difenoli con sodio molibdato) siano effettivamente applicabili per la determinazione del contenuto totale di idrossitirosolo e derivati in oli vergini di oliva, indicando se gli oli oggetto dello studio soddisfino o meno i requisiti UE per l’indicazione in etichetta del claim salutistico.

Pirolisi catalitica di microalghe con zeoliti

L’aumento delle concentrazioni del diossido di carbonio in atmosfera dovuto alla combustione dei combustibili fossili è una fonte di grande preoccupazione a causa del suo impatto sul clima globale. La biomassa è l’unica fonte rinnovabile a poter essere convertita in combustibili e, tra i metodi di conversione, la pirolisi produce un liquido (bio-olio) che presenta potenzialità come combustibile. Le alghe sono una biomassa di interesse, ma il bio-olio che si ottiene è caratterizzato da composti contenenti ossigeno, zolfo e azoto che ne riducono la qualità. Tali elementi possono essere eliminati attraverso la scissione (cracking) con zeoliti con la produzione di idrocarburi. L’obiettivo dello studio è stato quello di valutare le caratteristiche del cracking catalitico di tre microalghe: Arthrospira platensis, Botryococcus braunii e Desmodesmus communis per la produzione di idrocarburi. Le biomasse sono state pirolizzate a 500 °C e i vapori prodotti termicamente sono stati fatti passare nella zeolite dove subiscono il cracking. Sono state utilizzate due zeolite a diversa acidità: un pellet H-ZSM5 (SiO2/Al2O3=38) e un monolite a base di HZSM5 (SiO2/Al2O3=80) e sepiolite. Dal cracking si ottengono sei frazioni pirolitiche: char, coke, fase acquosa, bio-olio, frazione volatile e gas non condensabili. Le frazioni sono state caratterizzate tramite analisi elementari e molecolari e dai dati ottenuti sono stati calcolati i bilanci di N, C e del potere calorifico. Per tutte le alghe si ottiene un bio-olio con un elevato contenuto di carbonio e fortemente deossigenato, ma le rese sono relativamente basse. I prodotti che contengono una maggior frazione del carbonio della biomassa iniziale sono il char ed il coke, seguiti dalla fase organica e dai gas. La distribuzione dell’azoto è simile ma con una maggiore frazione nella fase acquosa. Entrambi i catalizzatori agiscono migliorando la qualità del bio-olio tramite la riduzione dei composti azotati ed ossigenati e formando idrocarburi monoaromatici, tipici delle benzine, e poliaromatici. Il monolite, con zeolite meno acida, produce una maggior frazione di bio-olio caratterizzato, però, da una minor percentuale di composti aromatici. Si ritiene che l’aumento delle rese del bio-olio e la valorizzazione dei sottoprodotti (biochar, fase acquosa) siano indispensabili per la sostenibilità del processo.

Studio della reazione di isomerizzazione del d-glucosio

I carboidrati, come il D-glucosio, sono i principali costituenti della biomasse e potrebbero rappresentare un’alternativa concreta alla chimica tradizionale del petrolio per la produzione dei building-blocks, utili quest’ultimi per lo sviluppo della filiera produttiva della chimica industriale. Dal D-glucosio è possibile ottenere epimeri importanti per la medicina o zuccheri largamente utilizzati in campo alimentare come il D-fruttosio tramite isomerizzazione strutturale del D-glucosio. Attualmente, la maggior parte dei metodi di sintesi di questa molecole prevedono l’utilizzo enzimi, o la catalisi omogenea con impiego di grandi quantità di basi e acidi minerali dannosi per l’ambiente. Lo scopo di questo lavoro è stato lo studio di innovativi catalizzatori eterogenei capaci operare in soluzione acquosa la conversione acido catalizzata del D-glucosio in prodotti di epimerizzazione e isomerizzazione strutturale. I catalizzatori dei nostri test sono stati caratterizzati tramite tecniche BET, ATR-IR, DRUv-Vis e XRD. Lo studio, quindi, è stato focalizzato sulle valutazioni delle prestazioni catalitiche di questi sistemi e sull’individuazione, tramite caratterizzazione strumentale, degli ioni costituenti questi solidi responsabili delle alte selettività nelle reazioni di riarrangiamento strutturale del D-glucosio. Gli studi condotti hanno portato alla conclusione che, grazie all’utilizzo di questi sistemi inorganici è possibile ottenere con alte selettività prodotti di riarrangiamento strutturale del D-glucosio, evitando al contempo la degradazione del substrato che in genere accompagna queste reazioni in condizioni di catalisi acida. Ulteriori studi riguardanti questi catalizzatori apriranno con buone probabilità la strada allo sviluppo di un nuovo processo industriale per la sintesi di questi zuccheri derivati, rendendo possibile una via produttiva sostenibile da un punto di vista economico che ambientale.

Studio della trasformazione di 1,2-propandiolo ad acido propionico

Il presente lavoro ha riguardato lo studio della trasformazione one-pot in fase gas di 1,2-propandiolo ad acido propionico, impiegando il pirofosfato di vanadile (VPP), (VO)2P2O7, e due differenti sistemi a base di bronzi di tungsteno con struttura esagonale (HTB), gli ossidi misti W1V0,3 e W1Mo0,5V0,1. Il processo richiede un catalizzatore con due differenti funzionalità: una acida, principalmente di tipo Brønsted, fornita nel VPP dai gruppi P-OH presenti sulla sua superficie, e negli HTB dai gruppi W-OH sulla loro superficie e dagli ioni H+ nei canali esagonali dell’ossido; e una ossidante, fornita nel VPP dal V, e negli HTB da V e Mo incorporati nella struttura esagonale. I risultati delle prove di reattività hanno consentito di dedurre gli aspetti principali dello schema della reazione one-pot di disidratazione-ossidazione dell’1,2-propandiolo ad acido propionico. I catalizzatori provati non possiedono la combinazione ottimale di proprietà acide e redox necessarie per ottenere elevate rese in acido propionico. Le scarse proprietà ossidanti portano a un accumulo di propionaldeide, che reagisce con l’1,2-propandiolo a dare diossolani, e inoltre dà luogo alla formazione di altri sottoprodotti. È perciò necessario incrementare le proprietà ossidanti del catalizzatore, in modo da accelerare la trasformazione della propionaldeide ad acido propionico, ed evitare quindi che le proprietà acide del catalizzatore, necessarie per compiere il primo stadio di disidratazione di 1,2-propandiolo, siano causa di reazioni parassite di trasformazione dell’aldeide stessa.