Sintesi di membrane polimeriche nanoporose, funzionalizzate con N-metil-D-glucammina, per la rimozione dell'arsenico dalle acque

L’obbiettivo del lavoro è la messa a punto di membrane polimeriche nanoporose funzionalizzate con la N-metil-D-glucamina (NMDG), per la rimozione dell’arsenico dalle acque. Al fine di ottenere membrane con proprietà di filtro molecolare selettivo, si è deciso di sfruttare la capacità della NMDG di chelare selettivamente gli ossianioni dell’arsenico. La NMDG è stata funzionalizzata in maniera da ottenere due monomeri: metacrilato della N-metil-D-glucammina e 4-vinilbenzil-N-metil-D-glucammina, sui quali è stata effettuata una sililazione dei gruppi ossidrilici della glucammina in maniera da ottenere composti liquidi e quindi adatti al processo produttivo delle membrane. Con l’obbiettivo di ottenere un elevata area superficiale la morfologia della membrana è stata controllata mediante imprinting di nanoparticelle di silice colloidale. La cattura del arsenico da parte delle membrane polimeriche è stata valutata mediante analisi di assorbimento atomico a seguito dell’attacco acido con HF 5% che rimuove le particelle di silice ed i gruppi protettori.

Sintesi di 4-bromo-pirazoli quali precursori di sistemi eterociclici condensati. Sintesi della 3a,4,5,6,7,7a-esaidro-N-metil-1H-1,4,6-(epietano-1,1,2-triil)indeno-4,8-dicarbossimmide e di composti relazionati tramite reazione Diels-Alder intramolecolare.

Il progetto di tesi specialistica svolto durante questo anno accademico si è suddiviso in due parti: un primo periodo, da settembre 2010 a gennaio 2011, presso il dipartimento di Chimica Organica “A. Mangini” della Facoltà di Chimica Industriale dell’Università di Bologna e un secondo periodo in Spagna, da marzo ad agosto 2011, presso la Unitat de Química Farmacèutica de la Facultat de Farmàcia de la Universitat de Barcelona. Nel primo periodo a Bologna mi sono occupato della sintesi di 4-bromo-pirazoli da utilizzare come precursori di composti eterociclici condensati. Inizialmente è stato sintetizzato un pirazolo 1,3,5-trisostituito tramite cicloaddizione 1,3-dipolare tra un acetilene e una nitril immina generata in situ da un idrazonoil cloruro. Il pirazolo è stato poi bromurato facendo uno screening di diversi agenti bromuranti e condizioni di reazione per ottenere la migliore resa e chemoselettività. Infine è stata studiata la ciclizzazione intramolecolare del prodotto bromurato tramite reazione di cross-coupling catalizzata da metalli di transizione. Nel secondo periodo a Barcellona mi sono occupato della sintesi di dicarbossimmidi tricicliche con struttura a gabbia con il fine di creare alcheni altamente piramidalizzati e di studiarne la dimerizzazione ad un derivato del dodecaedrano. La strategia sintetica è stata impostata utilizzando come reagente di partenza una semplice succinimmide per giungere, dopo numerosi passaggi, al precursore del prodotto triciclico, del quale è stata studiata la ciclizzazione tramite reazione Diels-Alder intramolecolare.

Riduzione selettiva della 2-furaldeide ad alcol furfurilico e metil furano con catalizzatori a base di Mg/M/O e metanolo come fonte di idrogeno

Le biomasse sono attualmente la più promettente alternativa ai combustibili fossili per la produzione di sostanze chimiche e fuels. A causa di problematiche di natura etica la ricerca oggi si sta muovendo verso l'uso delle biomasse che sfruttano terreni non coltivabili e materie prime non commestibili, quali la lignocellulosa. Attualmente sono state identificate diverse molecole piattaforma derivanti da biomasse lignocellulosiche. Tra queste ha suscitato grande interesse la 2-furaldeide o furfurale (FU). Tale molecola può essere ottenuta mediante disidratazione di monosaccaridi pentosi e possiede elevate potenzialità; è infatti considerata un intermedio chiave per la sintesi di un’ampia varietà di combustibili alternativi come il metilfurano (MFU) e prodotti ad elevato valore aggiunto per l’industria polimerica e la chimica fine come l’alcol furfurilico (FAL). In letteratura tali prodotti vengono principalmente ottenuti in processi condotti in fase liquida mediante l’utilizzo di catalizzatori eterogenei a base di metalli nobili come: Ni-Co-Ru-Pd, Pt/C o Pt/Al2O3, NiMoB/γ-Al2O3, in presenza di idrogeno molecolare come agente riducente. La riduzione del gruppo carbonilico mediante l’utilizzo di alcoli come fonti di idrogeno e catalizzatori a base di metalli non nobili tramite la reazione di Meerwein–Ponndorf–Verley (MPV), rappresenta un approccio alternativo che limita il consumo di H2 e permette di utilizzare bio-alcoli come donatori di idrogeno. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di mettere a punto un processo continuo, in fase gas, di riduzione della FU a FAL e MFU, utilizzando metanolo come fonte di idrogeno tramite un meccanismo di H-transfer. In dettaglio il lavoro svolto può essere così riassunto: Sintesi dei sistemi catalitici MgO e Mg/Fe/O e loro caratterizzazione mediante analisi XRD, BET, TGA/DTA, spettroscopia RAMAN. Studio dell’attività catalitica dei catalizzatori preparati nella reazione di riduzione in fase gas di FU a FAL e MFU utilizzando metanolo come fonte di idrogeno.

Catalizzatori polifunzionali per la sintesi di Metil Isobutil Chetone

In this work, we have examined the activity and selectivity of new catalysts for the single-stage production of methyl isobutyl ketone (MIBK, 4- methyl-2-pentanone) from acetone (both in liquid and gas phase), using a fixed bed reactor operated in the temperature range between 373 and 473 K. The main reaction pathways for the synthesis of MIBK from acetone are given in Fig.1. The first step is the self condensation of acetone to diacetone alcohol (DAA, 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone); the second step is the dehydration of DAA to mesityl oxide (MO, 4-methyl-3-penten-2-one); the final step is the selective hydrogenation of the carbon–carbon double bond of MO to form MIBK. The most commonly observed side reactions are over-condensations and unselective hydrogenations (also shown in Fig.1). Two types of catalysts were studied: i)Pd supported on MgO-SiO2 mixed oxides with ratio of Mg to Si, synthetized using Ohnishi’s method and ii)Pd supported on alumina doped with 5% or 10% of MgO. The different Mg-Si and Mg-Al catalysts were characterized by different techniques (XRD, BET, SEM, NH3-TPD and CO2-TPD) and tested under different conditions in the condensation of acetone to diacetone alcohol and its dehydration to mesityl oxide to enhance the activity. Palladium was chosen as metal component, and its hydrogenation activity was studied. A low hydrogenation activity negatively affects the acetone conversion and promotes the production of mesityl oxide. Hydrogenation conditions being too severe may favor the unwanted hydrogenation of acetone to 2-propanol and of MIBK to methyl isobutyl carbinol (MIBC, 4-methyl-2-pentanol) but this effect is less detrimental to the MIBK selectivity than an unsufficient hydrogenation activity.

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.

Studio della reazione di hydrogen-transfer di metil levulinato con etanolo in fase vapore: effetto del palladio supportato su catalizzatori contenenti zirconio

La valorizzazione di biomasse lignocellulosiche rappresenta la strada che la chimica può percorrere per svincolarsi dalle fonti fossili e virare verso un futuro incentrato sulla sostenibilità ambientale. In quest’ottica, l’acido levulinico (AL) e i suoi esteri, detti alchil levulinati, ottenibili dalla valorizzazione di biomasse di scarto, rappresentano una classe di composti di grande interesse industriale. Infatti, dalla loro riduzione è possibile ottenere g-valerolattone (GVL), un’importante molecola piattaforma per l’industria chimica, o alchil valerati, composti interessanti per diverse branche dell’industria chimica e per la formulazione di bio-carburanti. Già da tempo è nota la possibilità di effettuare la riduzione di AL in fase liquida in presenza di alcoli come H-Donor secondo un meccanismo detto Catalytic Transfer Hydrogenation che può essere promosso da ossido di zirconio (ZrO2). Recentemente, è stato ottimizzato un processo che impiega i reagenti appena citati in un reattore continuo operante in fase gassosa con ZrO2 come catalizzatore. In questo lavoro, si è dopato tale sistema catalitico con palladio, al fine di promuovere le reazioni di riduzione consecutiva al GVL e si sono ottimizzati i parametri operativi come tempo di contatto, temperatura e rapporto tra substrato e H-Donor.

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.

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.

Engineering the synthesis of lantibiotics in e. Coli by combining the cynnamicin and nisin modification systems.

I lantibiotici sono molecole peptidiche prodotte da un gran numero di batteri Gram-positivi, posseggono attività antibatterica contro un ampio spettro di germi, e rappresentano una potenziale soluzione alla crescente problematica dei patogeni multi-resistenti. La loro attività consiste nel legame alla membrana del bersaglio, che viene quindi destabilizzata mediante l’induzione di pori che determinano la morte del patogeno. Tipicamente i lantibiotici sono formati da un “leader-peptide” e da un “core-peptide”. Il primo è necessario per il riconoscimento della molecola da parte di enzimi che effettuano modifiche post-traduzionali del secondo - che sarà la regione con attività battericida una volta scissa dal “leader-peptide”. Le modifiche post-traduzionali anticipate determinano il contenuto di amminoacidi lantionina (Lan) e metil-lantionina (MeLan), caratterizzati dalla presenza di ponti-tioetere che conferiscono maggior resistenza contro le proteasi, e permettono di aggirare la principale limitazione all’uso dei peptidi in ambito terapeutico. La nisina è il lantibiotico più studiato e caratterizzato, prodotto dal batterio L. lactis che è stato utilizzato per oltre venti anni nell’industria alimentare. La nisina è un peptide lungo 34 amminoacidi, che contiene anelli di lantionina e metil-lantionina, introdotti dall’azione degli enzimi nisB e nisC, mentre il taglio del “leader-peptide” è svolto dall’enzima nisP. Questo elaborato affronta l’ingegnerizzazione della sintesi e della modifica di lantibiotici nel batterio E.coli. In particolare si affronta l’implementazione dell’espressione eterologa in E.coli del lantibiotico cinnamicina, prodotto in natura dal batterio Streptomyces cinnamoneus. Questo particolare lantibiotico, lungo diciannove amminoacidi dopo il taglio del leader, subisce modifiche da parte dell’enzima CinM, responsabile dell’introduzione degli aminoacidi Lan e MeLan, dell’enzima CinX responsabile dell’idrossilazione dell’acido aspartico (Asp), e infine dell’enzima cinorf7 deputato all’introduzione del ponte di lisinoalanina (Lal). Una volta confermata l’attività della cinnamicina e di conseguenza quella dell’enzima CinM, si è deciso di tentare la modifica della nisina da parte di CinM. A tal proposito è stato necessario progettare un gene sintetico che codifica nisina con un leader chimerico, formato cioè dalla fusione del leader della cinnamicina e del leader della nisina. Il prodotto finale, dopo il taglio del leader da parte di nisP, è una nisina completamente modificata. Questo risultato ne permette però la modifica utilizzando un solo enzima invece di due, riducendo il carico metabolico sul batterio che la produce, e inoltre apre la strada all’utilizzo di CinM per la modifica di altri lantibiotici seguendo lo stesso approccio, nonché all’introduzione del ponte di lisinoalanina, in quanto l’enzima cinorf7 necessita della presenza di CinM per svolgere la sua funzione.

Valutazione del grado di assorbimento di matrici oleose da parte di polisaccaridi ottenuti da aloe vera

Il principale costituente delle foglie di aloe è il gel di aloe ampiamente utilizzato in diversi settori industriali (cosmetico, medico, alimentare) grazie alle sue caratteristiche chimico-fisiche, tra cui la presenza di polisaccaridi con un’elevata capacità di ritenzione di acqua e sostanze oleose. L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è stato la valutazione della capacità di assorbimento di cinque diverse matrici oleose (olio di mais raffinato, olio di soia raffinato, olio di girasole raffinato, olio extra vergine di oliva, glicerolo) da parte di polisaccaridi ottenuti dalla liofilizzazione di gel di aloe. Il prodotto liofilizzato è stato utilizzato per l’estrazione dei residui insolubili in alcol (AIRs) su cui è stata poi valutata la capacità di assorbimento delle matrici oleose. Per la caratterizzazione delle diverse tipologie di campioni utilizzati, sono state realizzate alcune determinazioni analitiche: per quanto riguarda gli AIRs, è stata realizzata la determinazione degli zuccheri mediante analisi gascromatografica, degli acidi uronici mediante spettrofotometria e del grado di metil esterificazione delle pectine mediante spettroscopia a infrarossi. Nelle matrici oleose è stata invece valutata la composizione in acidi grassi. I dati ottenuti sono risultati in accordo con quanto già presente in letteratura. Non è stato, inoltre, evidenziato un assorbimento selettivo in funzione dei diversi oli vegetali testati.

Sintesi e caratterizzazione di micelle polimeriche stabilizzate da un rivestimento di polidopamina

Questa tesi presenta la sintesi di un copolimero a blocchi successivamente funzionalizzato per ottenere le caratteristiche necessarie alla formazione di micelle con l’obbiettivo di un futuro impiego nel campo del drug delivery. Si è cominciato con la sintesi del copolimero poli(glicidil metacrilato)-block-poli(metil metacrilato) mediante tecnica di polimerizzazione radicalica controllata RAFT al fine di ottenere una distribuzione di peso molecolare e polidispersità definite.La funzionalizzazione del copolimero ottenuto tramite uno specifico nucleofilo, la morfolina, fornisce una nuova molecola (PHMPMA-b-PMMA) con caratteristiche anfifiliche e capace di autoassemblarsi in micelle polimeriche. Le micelle così ottenute sono state ulteriormente stabilizzate fisicamente mediante la reticolazione di polidopamina (PDA) sulla superficie esterna della micella e quindi analizzate mediante varie tecniche analitiche (UV-Vis; IR; TGA) per correlare il grado di reticolazione finale alla quantità di dopamina aggiunta in soluzione.

Studio della sintesi del 2-acetil furano mediante chetonizzazione in fase vapore

La reazione tra due acidi carbossilici o esteri a dare un chetone, H2O e CO2 (chetonizzazione) è molto studiata per l’upgrading del bio-olio grezzo, perché permette di ridurne l’acidità ed il tenore di ossigeno aumentandone il potere calorifico. Tuttavia, con opportuni accorgimenti questa reazione potrebbe essere impiegata anche per la sintesi selettiva di chetoni asimmetrici ad alto valore aggiunto; un esempio è l’acetil-furano (AF), che trova applicazione come aroma nell’industria alimentare e come intermedio per la sintesi dell’antibiotico Cefuroxima. In questo lavoro di tesi la sintesi di AF mediante la chetonizzazione incrociata tra 2-metil furoato (MF) ed etil acetato (EA) oppure acido acetico (AA), è stata investigata in fase gassosa con catalizzatori eterogenei (ZrO2, CeO2 e un ossido misto Ce/Zr/O), come alternativa più sostenibile al processo di sintesi industriale di AF basato sull’acilazione di Friedel-Crafts del furano con anidride acetica in fase liquida in reattori batch. Uno screening iniziale dei tre catalizzatori (350 °C, τ = 1 s, stechiometrica MF/AA = 1 in alimentazione) ha dimostrato che ZrO2 è di gran lunga più attivo e selettivo degli altri materiali, e che la chetonizzazione incrociata tra MF e AA è di gran lunga più selettiva di quella tra MF ed EA. Tuttavia, in queste condizioni la omochetonizzazione di AA (reagente limitante) compete con la chetonizzazione incrociata riducendo la massima conversione di MF ottenibile; pertanto, il rapporto AA/MF è stato aumentato fino a 4 ed in queste condizioni è stato possibile ottenere una conversione di MF quantitativa e una resa in AF pari al 70 %. Infine, la versatilità di questa via sintetica è stata ampliata sintetizzando chetoni furanici con catene alifatiche più lunghe propanoil furano (PF, resa = 82 %) e butanoil furano (BF, resa = 69 %) mediante la chetonizzazione incrociata di MF con acido propionico (AP) ed acido butirrico (AB).