13C NMR of a single molecule magnet: analysis of pseudocontact shifts and residual dipolar couplings

Paramagnetic triple decker complexes of lanthanides are promising Single Molecule Magnets (SMMs), with many potential uses. Some of them show preferable relaxation behavior, which enables the recording of well resolved NMR spectra. These axially symmetric complexes are also strongly magnetically anisotropic, and this property can be described with the axial component of the magnetic susceptibility tensor, χa. For triple decker complexes with phthalocyanine based ligands, the Fermi˗contact contribution is small. Hence, together with the axial symmetry, the experimental chemical shifts in 1H and 13C NMR spectra can be modeled easily by considering pseudocontact and orbital shifts alone. This results in the determination of the χa value, which is also responsible for molecular alignment and consequently for the observation of residual dipolar couplings (RDCs). A detailed analysis of the experimental 1H-13C and 1H-1H couplings revealed that contributions from RDCs (positive and negative) and from dynamic frequency shifts (negative for all observed couplings) have to be considered. Whilst the pseudocontact shifts depend on the average positions of 1H and 13C nuclei relative to the lanthanide ions, the RDCs are related to the mobility of nuclei they correspond to. This phenomenon allows for the measurement of the internal mobility of the various groups in the SMMs.

The use of mobile single-sided NMR for the diagnosis of osteoporosis: a preliminary study

Una nuova ed originale tecnica è stata messa a punto, finalizzata alla realizzazione di una procedura per la diagnosi dell’osteoporosi, mediante l’utilizzo di scanner low field single-sided NMR. Tre differenti scanner (NMR MOLE, MOUSE PM 10 e MOUSE PM5) sono stati usati per determinare il Bone Volume-to-Total Volume ratio (BV/TV), parametro che fornisce indicazioni sulla microstruttura dell’osso. I risultati sono stati confrontati con le analisi micro-CT. Gli esperimenti sono stati condotti nel Lab. NMR del dipartimento DIFA di UNIBO e nel Lab. NMR della Victoria University di Wellington (NZ), durante un periodo di visita di cinque mesi, supportato da una borsa di studio della “Facoltà di Scienze” di UNIBO. Le analisi micro-CT sono state condotte presso il Lab. di Tecnologie Mediche dell’Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologna. La ricerca è stata parzialmente finanziata dalla “Fondazione del Monte di Bologna e Ravenna”. La caratterizzazione dell’osso trabecolare di campioni animali e dei tessuti che lo circondano (come cartilagine e muscolo) è stata condotta tramite mappe di correlazione T1-T2 e D-T2 , dove T1 e T2 sono, rispettivamente, il tempo di rilassamento longitudinale e trasversale del nucleo 1H, e D è il coefficiente di autodiffusione molecolare. E’ stata sviluppata una sequenza di impulsi (Diffusion-Weighted T1-T2) per ottenere mappe T1-T2 pesate in diffusione. I risultati hanno consentito di mettere a punto una procedura che elimina il segnale NMR proveniente da cartilagine e muscolo, rendendo più realistico lo scenario di applicazione in-vivo. I tre diversi dispositivi NMR hanno dato risultati consistenti tra loro e con le immagini micro-CT. L’intera catena di esperimenti condotti ha mostrato che dispositivi NMR single-sided possono essere usati per valutare il BV/TV di ossa trabecolari, con il vantaggio di essere portatili, a basso costo e non invasivi, permettendo campagne di screening della popolazione a rischio osteoporosi.

Sintesi di nanoparticelle polimeriche basate su acido(D,L-lattico-co-glicolico) per applicazioni in nanomedicina

Questo lavoro di tesi rientra nel progetto europeo SaveMe, al quale partecipa il gruppo di ricerca del dipartimento di chimica organica nel quale ho svolto l’attività di tirocinio. Obiettivo finale di tale progetto è la sintesi di nanoparticelle a base di PLGA (acido poli(D,L-lattico-co-glicolico)) superficialmente funzionalizzate con biomolecole, per l’impiego nel trattamento e nella diagnosi del cancro al pancreas. L’obiettivo da raggiungere nel primo anno di ricerca per il mio gruppo era la sintesi delle nanoparticelle centrali (core nanosystems). Nel presente lavoro sono quindi riportati i metodi di sintesi di polimeri derivati da PLGA e suoi copolimeri con PEG (polietilenglicole) aventi vari gruppi funzionali terminali: acidi idrossamici, amminici e acidi carbossilici. I polimeri sintetizzati sono stati caratterizzati tramite test colorimetrici qualitativi, 1H-NMR, 13C-NMR, spettrometria IR e TGA. Sono state sintetizzate nanoparticelle polimeriche (PNPs), con le tecniche Oil/Water (O/W) e nanoprecipitazione (NP), basate sui polimeri ottenuti, aventi quindi funzioni acide, idrossamiche ed amminiche sulla superficie. Su queste PNPs è stato effettuata una decorazione superficiale con nanoparticelle metalliche di maghemite (CAN-Maghemite). Le nanoparticelle polimeriche sono state caratterizzate tramite DLS e delle PNPs decorate sono state ottenute immagini TEM. Sono riportati inoltre i test di viabilità cellulare delle nanoparticelle ottenute.

Sintesi di nanocluster molecolari di platino stabilizzati da monossido di carbonio

Questo lavoro di Tesi è diviso essenzialmente in due parti. La prima parte consiste nello studio delle reazioni di decomposizione termica dei cluster di Chini [Pt3n(CO)6n]2– (n = 3-6) sia come sali sodici che come sali di tetra alchilammonio. Al variare delle condizioni di reazione si ottengono vari prodotti, a volte come specie singole, ma più spesso come miscele. Tra questi sono stati individuati i prodotti già noti [Pt19(CO)22]4-, [Pt24(CO)30]2–, [Pt26(CO)32]2-. Inoltre sono stati isolati e caratterizzati strutturalmente i nuovi cluster [Pt33(CO)38]2- e [Pt44(CO)45]2-. Nella seconda parte del lavoro di Tesi è stata studiata l'ossidazione di [Pt19(CO)22]4- con l'acido HBF4•(OCH2CH3)2. Anche questa reazione porta alla formazione di vari prodotti a seconda della quantità di acido impiegata e del tempo di reazione. Sono state individuate al momento le specie [Pt19(CO)22]3-, [Pt40(CO)40]6-, [Pt36(CO)44]2- e [Pt38(CO)44]2-. Tutte queste specie, tranne la prima, sono state caratterizzate strutturalmente. Le nuove specie [Pt33(CO)38]2- e [Pt36(CO)44]2- mostrano delle strutture ccp difettive riconducibili a quella di [Pt38(CO)44]2-. Il cluster [Pt44(CO)45]2- mostra invece una struttura compatta complessa ABCBA, che può essere vista come due frammenti ccp geminati tramite un piano di riflessione. Il cluster [Pt40(CO)40]6- rappresenta un raro caso (unico per i cluster di platino) di cluster con elevata nuclearità di struttura bcc. La struttura dei nanocluster molecolari ottenuti è stata determinata tramite cristallografia a raggi X su cristallo singolo e le proprietà redox di alcuni di questi cluster sono state investigate tramite voltammetria ciclica. Il profilo della voltammetria ciclica del [Pt33(CO)38]2– mostra una serie di processi redox, due ossidazioni e quattro riduzioni, che indicano alcune proprietà di reversibilità chimica permettendo così di individuare una serie di cluster strettamente correlati del tipo [Pt33(CO)38]n– (n=0-6) come suggeriscono anche gli studi IR spettroelettrochimici. Inoltre sono stati condotti studi 13C{1H}NMR di [Pt19(CO)22]4- arricchito isotopicamente con 13CO per investigare il comportamento di questa specie durante il processo ossidativo.

Sintesi di monomeri derivati da acidi carbossilici omega insaturi e successiva sintesi di poliesteri

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto basato sulla ricerca di monomeri e polimeri derivati da fonte bio, in un’ottica di transizione verso una chimica green legata alla realizzazione di prodotti ottenuti da risorse rinnovabili e con processi a basso impatto ambientale. I polimeri bio, in particolare, sono prodotti parzialmente o interamente ottenibili da risorse rinnovabili, quali oli vegetali, zuccheri, grassi, resine, proteine, amminoacidi, frazioni lignocellulosiche, etc, e non da petrolio. Tra questi, gli oli vegetali sono interessanti come reagenti di partenza perché permettono di minimizzare l’uso di derivati petrolchimici e sono disponibili in quantità maggiore rispetto al petrolio. Una possibilità di sintesi di polimeri da oli consiste nel trasformare gli acidi grassi, ottenendo composti bifunzionali che possono agire da precursori nella polimerizzazione: in questo modo si possono ottenere molti polimeri lineari, tra cui poliuretani, polieteri, poliesteri, poliammidi, etc. Questo è stato l’approccio seguito per la sintesi dei poliesteri alla base del progetto di tesi. In particolare, il lavoro si è articolato nella sintesi di monomeri e polimeri utilizzando derivati di acidi carbossilici omega insaturi. Inizialmente, trattandosi di prove esplorative sulla fattibilità delle reazioni, è stato utilizzato un precursore commerciale: visti i buoni risultati ottenuti, lo studio è poi proseguito con la sintesi di poliesteri a partire da prodotti di origine naturale. Tutte le polimerizzazioni sono state effettuate in massa. Per ogni reagente, monomero e polimero sono state effettuate analisi NMR (1H-NMR, 13C-NMR, HSQC, HMBC); su alcuni reagenti e monomeri è stata invece effettuata analisi GC-MS. Infine, su tutti i polimeri ottenuti sono state effettuate analisi ATR, GPC, DSC e TGA.

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.

Double-stimulus sensitive (temperature and pH) self-assemblable polymers

The rheological properties of block co-polymers in water solution at different pH have been investigated. The block copolymers are based on different architectures containing poly(ethylene glycol), poly(propylene glycol) and different blocks of polymer that change their hydrophobic/hydrophilic behavior as a function of pH. The polymer chains of the starting material were extended at their functional ends with the pH-sensitive units using ATRP; this mechanism of controlled radical polymerization was chosen because of the need to minimize polydispersity and avoid transfer reactions possibly leading to homopolymeric inpurities. The starting material were modified in order to use them as macroinitiator for ATRP. The kinetic of each ATRP reaction has been investigated, in order to be able to synthesize polymers with different degree of polymerization, stopping the reaction when the desired polymers chain length has been reached. We will use polymer chains with different basicity and degree of polymerization to link any possible effect of their presence to the conditions under which they become hydrophobic. It has been shown that the rate of polymerization changes changing the type of macroinitiator and the type of monomer synthesized. The slowest rate of polymerization is the one with the most hindered monomer synthesized using the macroinitiator with the highest molecular weight. The water solubility of the synthesized polymers changes depending on the pH of the solution and on the structure of the polymers. It has been shown using 1H-NMR that some of the synthesized polymers are capable to self-aggregation in water solution. The self-aggregation and the type of aggregation is influenced from the structure of the polymer and from the pH of the solution. Changing the structure of the polymers and the pH it is possible to obtain different type of aggregates in solution. This aggregates differ for the volume occupied from them, and for their hardness. Rheological measurements have been demonstrated that the synthesized polymers are capable to form gel phases. The gelation temperature changes changing the structure of the aggregates in solution and it is possible to correlate the changing in the gelation temperature with the changing in the structure of the polymer.

Sintesi e caratterizzazione di polimeri anfifilici a struttura controllata mediante ATRP

Sono stati sintetizzati diversi copolimeri con struttura a blocchi o di tipo statistico aventi struttura e pesi medi molecolari controllati utilizzando polimerizzazioni radicaliche viventi (ATRP). Questi polimeri solitamente esibiscono proprietà superiori rispetto a polimeri con struttura non controllata e alta polidispersità. Alcuni dei polimeri sono stati ottenuti polimerizzando un monomero metacrilico sintetizzato tramite esterificazione di una miscela commerciale costituita da alcoli alifatici a diversa lunghezza di catena. Per fare ciò è stata studiata la polimerizzazione controllata di monomeri metacrilici a diverso peso molecolare, dimostrando che la reattività dipende dalla lunghezza della catena laterale. I nuovi copolimeri ottenuti sono stati caratterizzati tramite 1H-NMR, DSC, TGA, GPC ed IR.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi materiali politioalchiltiofenici per applicazioni in celle solari bulk-heterojunction

L’oggetto della presente tesi di laurea magistrale consiste nello studio di polimeri coniugati nella catena principale, per una loro applicazione come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche. In particolare, sono stati sintetizzati e caratterizzati politiofeni tioalchil sostituiti, funzionalizzati in posizione 3-3' con catene alchiliche di diversa lunghezza e grado di ramificazione (tra cui una chirale), al fine di studiarne l'effetto sulle proprietà ottiche ed elettriche del materiale. I polimeri ottenuti sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (1H-NMR, UV-PL), cromatografia a permeazione su gel (GPC), analisi termiche (DSC, TGA) e misure elettrochimiche (voltammetria ciclica). Il comportamento chiro-ottico del campione chirale è stato inoltre valutato tramite misure di dicroismo circolare. Si è infine testata l’efficienza delle celle fotovoltaiche ottenute utilizzando i polimeri sintetizzati come materiale fotoattivo.

Bionanocomposites based on Plla, Pcl and montmorillonite: synthesis, characterization and crystallization

Poly(lactide) is one of the best candidate to replace conventional petroleum-based polymers, since it is biobased, biocompatible and biodegradable. However, commercial PLA materials typically have low crystallization rate resulting in long processing time and low production efficiency. In this work the effects of two nanofillers MMT30B and MMT30B-g-P(LA-co-CL) on the crystallization rate of neat PLA and PLA/PCL blend were investigated. MMT30B-g-P(LA-co-CL) was synthetized by in situ grafting reaction. The synthesis was carried in xylene at 140°C, upon the results of a screening. The grafted copolymers were evaluated by 1H-NMR ,ATR–IR and TGA. Solvent casted films were obtained by mixing MMT30B-g-P(LA-co-CL) at 5% (w/w) with neat PLA and PLA/PCL blend, comparing the properties with the corresponding blends with and without a 5% of (w/w) unmodified clay. SEM images on PLA based blends shows that MMT30B is aggregated into larger particles compared to MMT30B-g-P(LLA-co-CL). This behavior is correlated to the better exfoliation of MMT30B-g-P(LA-co-CL) clay layers. SEM images on PLA/PCL based blends exhibit the typical sea-island morphology, characteristic of immiscible blends. PLA is the matrix while PCL is finely dispersed in droplets. MMT30B does not reduce PCL droplets size, while MMT30B-g-P(LA-co-CL) reduces the size of PCL droplets. This means that MMT30B-g-P(LA-co-CL) can migrate to the PLA-PCL interface, acting as a compatibilizer. Non-isothermal DSC cooling scans show a fractionated crystallization of the PCL phase in PLA/PCL/MMT30B-g-P(LA-co-CL), confirming the compatibilizer effect of MMT30B-g-P(LA-co-CL). At the same timeMMT30B-g-P(LA-co-CL) can better nucleate the PLA phase, both in neat PLA and PLA/PCL blend, promoting the crystallization during the heating scans. In isothermal condition, both the nanofillers increase the crystallization rate of PLA phase in neat PLA, while in PLA/PCL blends the effect is covered by the nucleating effect of PCL.

Development of a fluorescent-based single liposome assay for studying calcium transporter LMCA1

The morphological and functional unit of all the living organisms is the cell. The transmembrane proteins, localized in the plasma membrane of cells, play a key role in the survival of the cells themselves. These proteins perform a variety of different tasks, for example the control of the homeostasis. In order to control the homeostasis, these proteins have to regulate the concentration of chemical elements, like ions, inside and outside the cell. These regulations are fundamental for the survival of the cell and to understand them we need to understand how transmembrane proteins work. Two of the most important categories of transmembrane proteins are ion channels and transporter proteins. The ion channels have been depth studied at the single molecule level since late 1970s with the development of patch-clamp technique. It is not possible to apply this technique to study the transporter proteins so a new technique is under development in order to investigate the behavior of transporter proteins at the single molecule level. This thesis describes the development of a nanoscale single liposome assay for functional studies of transporter proteins based on quantitative fluorescence microscopy in a highly-parallel manner and in real time. The transporter of interest is the prokaryotic transporter Listeria Monocytogenes Ca2+-ATPase1 (LMCA1), a structural analogue of the eukaryotic calcium pumps SERCA and PMCA. This technique will allow the characterization of LMCA1 functionality at the single molecule level. Three systematically characterized fluorescent sensors were tested at the single liposome scale in order to investigate if their properties are suitable to study the function of the transporter of interest. Further studies will be needed in order to characterize the selected calcium sensor and pH sensor both implemented together in single liposomes and in presence of the reconstituted protein LMCA1.

The effect of poly(lactide)-poly(carbonate) based block copolymers on the morphology and crystallization of double crystalline poly(lactide)/poly(ε-caprolactone) blends

Block copolymers of poly(lactide) and poly(carbonate) were synthetized in three different compositions and characterized by 1H-NMR and ATR analyses. The compatibilization effect of this copolymers on 80/20 (w/w%) PLA/PCL blend was evaluated. SEM micrographs show that all the blends exhibit the typical sea-island morphology characteristic of immiscible blends with PCL finely dispersed in droplets on a PLA matrix. Upon the addiction of the copolymers a reduction on PCL droplets size is observable. At the same time, a Tg depression of the PLA phase is detected when the copolymers are added in the blend. These results indicate that these copolymers are effective as compatibilizers. The copolymer that acts as the best compatibilizer is the one characterized by the same amount of PLA and PC as repeating units. As result, in the blend containing this copolymer PLA phase exhibits the highest spherulitic growth rate. An analyses on PLA phase crystallization behaviour from the glassy state within the blends was evaluated by DSC experiments. Isothermal cold crystallization of the PLA phase is enhanced up an order of magnitude upon the blending with PCL. Annealing experiments demonstrated that the crystallization of the PCL phase induces the formation of active nuclei in PLA when cooled above cooled below Tg. When the crystallization rate of PCL is retarded, a reduction on PLA nucleation is observed.