Dynamic resolution of alpha-substituted dihydrocinnamic aldehydes. A new asymmetric synthesis of pharmaceutically important amine building blocks.

Crystallization-induced diastereoisomer transformation (CIDT) was successfully employed in the enantioselective synthesis of 2-alkyl-3-aryl-propan-1-amines. These products are seen as potentially useful building blocks in the field of asymmetric organic chemistry, notably for pharmaceutically relevant compounds. The procedure was based on a recently reported protocol for deracemization of dihydrocinnamic aldehydes in which enantiomerically enriched 1-(amino(phenyl)methyl)naphthalen-2-ol (Betti base) is employed as a resolving agent. Additionally, fenpropimorph, a biologically active substance which contains the 2-alkyl-3-aryl-propan-1-amine moiety was synthetized, as an attempt to assess the usefulness of the enantiomerically enriched amines.

Embodied computation and life: building blocks for open-ended evolution

Il presente lavoro si propone di sviluppare una analogia formale tra sistemi dinamici e teoria della computazione in relazione all’emergenza di proprietà biologiche da tali sistemi. Il primo capitolo sarà dedicato all’estensione della teoria delle macchine di Turing ad un più ampio contesto di funzioni computabili e debolmente computabili. Mostreremo quindi come un sistema dinamico continuo possa essere elaborato da una macchina computante, e come proprietà informative quali l’universalità possano essere naturalmente estese alla fisica attraverso questo ponte formale. Nel secondo capitolo applicheremo i risultati teorici derivati nel primo allo sviluppo di un sistema chimico che mostri tali proprietà di universalità, ponendo particolare attenzione alla plausibilità fisica di tale sistema.

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.

Tetrafenilciclopentadienon-derivati ed analoghi: sintesi, "self-assembly" e caratterizzazione reologica

Gels are materials that are easier to recognize than to define. For all practical purpose, a material is termed a gel if the whole volume of liquid is completely immobilized as usually tested by the ‘tube inversion’ method. Recently, supramolecular gels obtained from low molecular weight gelators (LMWGs) have attracted considerable attention in materials science since they represent a new class of smart materials sensitive to external stimuli, such as temperature, ultrasounds, light, chemical species and so on. Accordingly, during the past years a large variety of potentialities and applications of these soft materials in optoelectronics, as electronic devices, light harvesting systems and sensors, in bio-materials and in drug delivery have been reported. Spontaneous self-assembly of low molecular weight molecules is a powerful tool that allows complex supramolecular nanoscale structures to be built. The weak and non-covalent interactions such as hydrogen bonding, π–π stacking, coordination, electrostatic and van der Waals interactions are usually considered as the most important features for promoting sol-gel equilibria. However, the occurrence of gelation processes is ruled by further “external” factors, among which the temperature and the nature of the solvents that are employed are of crucial importance. For example, some gelators prefer aromatic or halogenated solvents and in some cases both the gelation temperature and the type of the solvent affect the morphologies of the final aggregation. Functionalized cyclopentadienones are fascinating systems largely employed as building blocks for the synthesis of polyphenylene derivatives. In addition, it is worth noting that structures containing π-extended conjugated chromophores with enhanced absorption properties are of current interest in the field of materials science since they can be used as “organic metals”, as semiconductors, and as emissive or absorbing layers for OLEDs or photovoltaics. The possibility to decorate the framework of such structures prompted us to study the synthesis of new hydroxy propargyl arylcyclopentadienone derivatives. Considering the ability of such systems to give π–π stacking interactions, the introduction on a polyaromatic structure of polar substituents able to generate hydrogen bonding could open the possibility to form gels, although any gelation properties has been never observed for these extensively studied systems. we have synthesized a new class of 3,4-bis (4-(3-hydroxy- propynyl) phenyl) -2, 5-diphenylcyclopentadienone derivatives, one of which (1a) proved to be, for the first time, a powerful organogelator. The experimental results indicated that the hydroxydimethylalkynyl substituents are fundamental to guarantee the gelation properties of the tetraarylcyclopentadienone unit. Combining the results of FT-IR, 1H NMR, UV-vis and fluorescence emission spectra, we believe that H-bonding and π–π interactions are the driving forces played for the gel formation. The importance of soft materials lies on their ability to respond to external stimuli, that can be also of chemical nature. In particular, high attention has been recently devoted to anion responsive properties of gels. Therefore the behaviour of organogels of 1a in toluene, ACN and MeNO2 towards the addition of 1 equivalent of various tetrabutylammonium salts were investigated. The rheological properties of gels in toluene, ACN and MeNO2 with and without the addition of Bu4N+X- salts were measured. In addition a qualitative analysis on cation recognition was performed. Finally the nature of the cyclic core of the gelator was changed in order to verify how the carbonyl group was essential to gel solvents. Until now, 4,5-diarylimidazoles have been synthesized.

Studio di un nuovo processo per la sintesi di anidride maleica mediante ossidazione di 1-butanolo

La sintesi industriale di anidride maleica (AM) è realizzata industrialmente mediante ossidazione selettiva di n-butano in aria ad opera di un catalizzatore a base di ossidi misti di vanadio e fosforo, avente formula chimica (VO)2P2O7 ed indicato con la sigla VPP (pirofosfato di vanadile). Vi è attualmente un notevole interesse per lo sviluppo di nuove vie sintetiche che utilizzino come reagenti molecole ottenute da materie prime rinnovabili; un’alternativa è costituita dall’utilizzo di 1-butanolo, un bio-alcool ottenuto mediante un processo fermentativo da biomasse; la sua disponibilità e il prezzo competitivo con quello delle materie prime tradizionali lo rendono una molecola interessante per la produzione di building blocks. Per studiare la reazione di ossidazione selettiva di 1-butanolo ad AM, sono state condotte prove di reattività su un catalizzatore industriale a base di VPP al variare di diversi parametri: configurazione del reattore, temperatura, tempo di contatto e frazione molare di ossigeno in alimentazione. Le prove hanno portato a risultati interessanti di selettività in AM, tali da confermare l’effettiva validità di 1-butanolo come reagente alternativo per questo tipo di sintesi.

Studio degli acceleranti dell'idratazione del clinker e sintesi di composti alternativi da fonti rinnovabili

Il cemento è il materiale da edilizia più comune al mondo e le problematiche ambientali associate all’utilizzo ed al ciclo produttivo sono numerose (rilascio di gas serra, scelta delle materie prime, risparmio energetico) e fortemente impattanti. Tuttavia, nonostante la sua diffusione sia globale e le proprietà siano note da millenni vi sono ancora alcuni processi che non sono stati correttamente spiegati. In particolare non esiste una teoria unica e consolidata che descriva efficacemente la microstruttura delle fasi minerali del cemento che si sviluppano successivamente all'idratazione, e come esso di conseguenza interagisca con principi attivi, organici o inorganici, di cui è noto l’effetto accelerante sulla cinetica di indurimento. Questa tesi si pone l'obiettivo di condurre uno studio dell'idratazione del clinker finemente macinato (CFM - principale componente di molti cementi) focalizzato sull’interazione tra elementi chimici presenti nella matrice cementizia (Calcio, Ferro e Alluminio) ed additivi acceleranti (Trietanolammina, Triisopropanolammina). Il fenomeno è stato studiato tramite osservazione dell'andamento del rilascio dei suddetti ioni su cementi in via di idratazione e tramite utilizzo di tecniche di microscopia elettronica e di diffrazione di raggi X. L'analisi del rilascio di ioni, effettuata mediante spettroscopia ad assorbimento atomico, è stata condotta al fine di approfondire l'azione di trietanolammina e triisopropanolammina sulle dinamiche di idratazione dei CFM nelle fasi precoci di idratazione, al fine di confrontare queste dinamiche con processi che avvengono in fasi successive e che coinvolgono la formazione delle principali fasi amorfe e cristalline responsabili delle proprietà del materiale. Da indagini di diffrattometria e microscopia sono inoltre state estrapolate interessanti considerazioni circa le cinetiche che portano alla formazione delle fasi cristalline tipiche dell'idratazione del cemento (portlandite, ettringite) in presenza e assenza di additivi. Nel corso dello studio sono stati sintetizzati alcuni composti alternativi agli additivi commerciali, sviluppati a partire da building blocks provenienti da fonti rinnovabili, portando quindi l'attenzione sulla sostenibilità del processo di progettazione delle molecole, anche alla luce della degradazione in ambiente delle sostanze sintetizzate. Tali molecole sono attualmente in fase di test presso i laboratori di Italcementi (ITC Group).

Ossidazione catalitica del 5-idrossimetilfurfurale con sistemi Pd/Au supportati su TiO2

Al giorno d’oggi, la produzione di energia e di molecole di base per l’industria chimica è completamente dipendente da risorse non rinnovabili come petrolio, carbone e gas naturale ; con tali risorse in via di esaurimento e la sempre crescente domanda di energia e materiali da parte di tutte le economie, risulta obbligatorio sviluppare tecniche per la loro produzione da risorse rinnovabili. Le biomasse, 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. Tuttavia, ad oggi, lo sfruttamento di queste fonti risulta ancora sfavorito economicamente a causa di processi industriali non ancora ottimizzati, i cui costi si ripercuotono sul prodotto finale. Le molecole derivanti dagli scarti lignocellulosici possono essere usate come molecole di partenza per industrie chimiche di qualsiasi tipo, da quelle farmaceutiche a quelle plastiche. Queste molecole 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 . Una delle molecole “piattaforma” identificate tra le più importanti per la produzione di diversi prodotti chimici, risulta essere il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) , derivante dalla disidratazione di polisaccaridi esosi, da cui si può ottenere tramite ossidazione selettiva, l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), potenziale sostituto dell’acido tereftalico nella produzione del PET e molti altri prodotti. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio della reattività di catalizzatori a base di Pd e Au/Pd utilizzati nella reazione di ossidazione dell’HMF a FDCA. Il lavoro svolto ha avuto come obiettivi principali: • L’ottimizzazione della sintesi di nanoparticelle di Pd e Au/Pd a diverso rapporto molare, e la caratterizzazione delle sospensioni ottenute mediante analisi DLS, XRD e TEM. • La preparazione di catalizzatori supportati su TiO2 e la caratterizzazione dei catalizzatori ottenuti tramite analisi BET, TEM e analisi termiche TGA/DSC. • Lo studio dell’attività catalitica dei catalizzatori preparati nell’ossidazione selettiva in fase liquida del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) ad acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA) e del meccanismo di reazione.

Addizione coniugata di Michael atroposelettiva di composti 1,3-dicarbonilici su derivati maleimmidici

L'obiettivo di questa tesi sperimentale è quello di effettuare una reazione di addizione coniugata di Michael di sistemi 1,3-dicarbonilici atroposelettiva su substrati maleimmidici oppurtanamente sostituiti, catalizzata da derivati di alcaloidi naturali della Cinchona. Tale processo risulta importante ed innovativo in quanto si vuole ottenere una reazione di desimmetrizzazione atroposelettiva, contemporaneamente dell'asse prochirale e dei due atomi di carbonio del doppio legame della maleimmide stessa. Partendo dalla reazione di addizione del 2-acetilciclopetanone sulla (N-(2-tert- Butil)fenil)maleimmide, mediante reazioni di screening sono state determinate le condizioni ottimali. Si è poi proceduto a verificare l'estendibilità della reazione verso differenti substrati. Infine si è verificata la stabilità dell'asse di rotazione bloccato neosintetizzato. La sintesi di tali composti è importante per la possibilità di poter successivamente derivatizzare i gruppi sostituenti, in modo da creare building blocks per lo sviluppo di molecole ben più complesse.

Nuovi complessi alchinil tetrazolici di iridio(III) e renio(I): Sintesi, reattività e proprietà fotofisiche.

In this experimental thesis, two luminescent Ir(III) and Re(I) complexes which have a terminal alkynyl group on the tetrazole ligand were prepared. The aim was to use them as building blocks, in order to synthesize more complex structures. We explored two simple reactions: the first one was a coupling, for the formation of Ir(III)/Au(III) and Re(I)/Au(III) hetero binuclear complexes, and the second was a 1,3-dipolar Cu(I)-catalyzed “Click” cycloaddition, between the terminal alkyne and azide. The synthesized products were characterized through photophysical analysis, evaluating how the photoemissive properties of these substrates were affected by the formation of more complex structures. In questo lavoro di tesi sperimentale sono stati preparati due complessi luminescenti di Ir(III) e Re(I) che presentano un alchino terminale sul legante tetrazolico. Lo scopo è stato quello di utilizzarli come building blocks per la sintesi di strutture più complesse. Sono state esplorate due semplici reazioni: la prima di coupling, per la formazione di complessi etero binucleari Ir(III)/Au(III) e Re(I)/Au(III), e la seconda di “click”, ossia una cicloaddizione 1,3-dipolare Cu(I) catalizzata tra l’alchino terminale e un’azide. I prodotti sintetizzati sono stati caratterizzati attraverso analisi fotofisiche, valutando come le proprietà fotoemissive di questi substrati siano influenzate in seguito alla formazione di strutture più complesse.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni per applicazioni in elettronica e biodiagnostica

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati numerosi oligomeri e polimeri del tiofene che, grazie alle loro proprietà di semiconduttori, hanno trovano largo impiego in molti campi di interesse tecnologico come, ad esempio, transistor ad effetto di campo, diodi elettroluminescenti, dispositivi ottici non lineari e celle fotovoltaiche. Più recentemente, oligomeri tiofenici ossidati allo zolfo hanno trovato applicazione sia in campo elettronico, come materiali accettori in blenda con il poli(3-esiltiofene) (P3HT) usato come materiale donatore, in celle solari di tipo Bulk Hetero Junction (BHJ), ma anche in campo biologico come marcatori fluorescenti di proteine e oligonucleotidi. Tuttavia la sintesi di queste specie richiede condizioni di reazione spinte e al contempo rischiose dovute all’utilizzo in largo eccesso di agenti ossidanti molto forti. Uno degli obiettivi di questa tesi è stato lo sviluppo di metodi più versatili per la mono e di-ossidazione selettiva allo zolfo del tiofene di building-blocks dibromurati di diversa natura. Successivamente i building-blocks S-monossido e S,S-diossido derivati sono stati impiegati per la sintesi di oligomeri e polimeri tramite reazioni di cross-coupling Palladio catalizzate. I composti finali sono stati caratterizzati sia dal punto di vista spettroscopico UV-Vis che elettrochimico, mettendo in evidenza le relazioni che esistono fra gli andamenti dei dati sperimentali ottenuti con il diverso stato di ossidazione dei composti tiofenici diversamente sostituiti. Infine i composti finali sono stati testati sia in campo fotovoltaico che biologico.

ALMASat-1, ALMASat-EO and beyond: evolution of structural concepts and technologies towards multifunctional structures for microsatellites

Multifunctional Structures (MFS) represent one of the most promising disruptive technologies in the space industry. The possibility to merge spacecraft primary and secondary structures as well as attitude control, power management and onboard computing functions is expected to allow for mass, volume and integration effort savings. Additionally, this will bring the modular construction of spacecraft to a whole new level, by making the development and integration of spacecraft modules, or building blocks, leaner, reducing lead times from commissioning to launch from the current 3-6 years down to the order of 10 months, as foreseen by the latest Operationally Responsive Space (ORS) initiatives. Several basic functionalities have been integrated and tested in specimens of various natures over the last two decades. However, a more integrated, system-level approach was yet to be developed. The activity reported in this thesis was focused on the system-level approach to multifunctional structures for spacecraft, namely in the context of nano- and micro-satellites. This thesis documents the work undertaken in the context of the MFS program promoted by the European Space Agency under the Technology Readiness Program (TRP): a feasibility study, including specimens manufacturing and testing. The work sequence covered a state of the art review, with particular attention to traditional modular architectures implemented in ALMASat-1 and ALMASat-EO satellites, and requirements definition, followed by the development of a modular multi-purpose nano-spacecraft concept, and finally by the design, integration and testing of integrated MFS specimens. The approach for the integration of several critical functionalities into nano-spacecraft modules was validated and the overall performance of the system was verified through relevant functional and environmental testing at University of Bologna and University of Southampton laboratories.

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.

Enantioselective synthesis of Equol with Ir-BARF and labelling with deuterium

In this project we researched and optimized an new synthetic route for R-Equol, a molecule that is attracting increasing interest for the medicine because of its phytoestrogenic properties and the chemoprevention of breast cancer. To reach this objective we start, from smaller building blocks, with the synthesis of Daidzein followed by a chemoselective borane reduction to obtain an olefin that will be hydrogenated enantioselectively with a commercial Ir-BARF catalyst. The increasing success of these catalysts even with this genre of substrates has already given good results with different catalysts in both e.e. and yield. For further researches we deuterate the Equol in the aliphatic O-ring and attempt a secondary synthetic route with an hydrogenation using QN-modified Pd.

Sintesi di acido glucarico da d-glucosio con catalizzatori a base di oro nanoparticellare

L’utilizzo delle biomasse rappresenta oggi una delle vie più interessanti da percorrere nell’ambito di una chimica industriale maggiormente sostenibile, alternativa alla chimica tradizionale basata sulle risorse fossili. I carboidrati sono i costituenti maggioritari della biomassa e potrebbero rappresentare un’alternativa ideale al petrolio per la produzione dei building-blocks, molecole di partenza per lo sviluppo della filiera produttiva della chimica. Fra i building-blocks ottenibili dagli zuccheri vi è l’acido glucarico. I suoi usi sono molteplici ma suscita grande interesse soprattutto per la possibilità di essere utilizzato nella sintesi di diverse tipologie di polimeri. Attualmente la maggior parte dei metodi di sintesi di questa molecola prevedono l’utilizzo di ossidanti tossici o dannosi per l’ambiente come l’acido nitrico. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio di catalizzatori eterogenei per la sintesi di acido glucarico da D-glucosio utilizzando ossigeno puro come ossidante. Sono stati sintetizzati sistemi monometallici a base di oro e sistemi multimetallici contenenti oro ed altri metalli in lega. Tutti i catalizzatori sono stati preparati depositando i metalli sotto forma di nanoparticelle su carbone attivo. Lo studio dei catalizzatori è stato focalizzato sull’individuazione dei metalli e delle condizioni di reazione ottimali che permettano di aumentare la selettività in acido glucarico. Gli studi condotti hanno portato alla conclusione che è possibile ottenere acido glucarico a partire da D-glucosio con rese fino al 35% utilizzando catalizzatori a base di oro in presenza di ossigeno. Attualmente l’acido glucarico viene prodotto solo su piccola scala ma ulteriori sviluppi in questa direzione potrebbero aprire la strada allo sviluppo di un nuovo processo industriale per la sintesi di acido glucarico sostenibile sia da un punto di vista economico che ambientale.

Synthesis and organocatalyzed enantioselective transfer-hydrogenation of beta-amino nitroolefins

The importance of the β-amino nitroalkanes is due to their high versatility allowing a straightforward entry to a variety of nitrogen-containing chiral building blocks; furthermore obtaining them in enantiopure form allows their use in the synthesis of biologically active compounds or their utilization as chiral ligands for different uses. In this work, a reaction for obtaining enantiopure β-amino nitroalkanes through asymmetric organocatalysis has been developed. The synthetic strategy adopted for the obtainment of these compounds was based on an asymmetric reduction of β-amino nitroolefins in a transfer hydrogenation reaction, involving an Hantzsch ester as hydrogen source and a chiral thiourea as organic catalyst. After the optimization of the reaction conditions over the β-acyl-amino nitrostyrene, we tested the reaction generality over other aromatic compound and for Boc protected substrate both aromatic and aliphatic. A scale-up of the reaction was also performed.