Supporting Cubane’s Renaissance: Metathesis reactions on 4-iodo-1-vinylcubane and Stetter reaction on 1-iodocubane-4-carboxaldehyde

Cubane is a peculiar cube-shaped alkane molecule with a rigid, regular structure. This makes it a good scaffold, i.e. a molecular platform to which the substituents are arranged in a specific and fixed orientation. Moreover, cubane has a body diagonal of 2.72 Å, very similar to the distance across the benzene ring, i.e. 2.79 Å. Thus, it would be possible to use cubane as a scaffold in medicinal and material chemistry as a benzene isostere 1,2. This could lead to advantages in terms of solubility and toxicity and could provide novel properties. For this purpose, the possibility of performing “modern organic chemistry” on the cubane scaffold has to be studied. This project was entirely carried out in the framework of the Erasmus+ mobility programme at the Trinity College (Dublin, IRL) under the supervision of prof. M. O. Senge. The main goal of this project was to widen the knowledge on cubane chemistry. In particular, it was decided to test reactions that were never applied to the scaffold before, such as metathesis of 4-iodo-1-vinylcubane and Stetter reaction of 1-iodocubane-4-carboxaldehyde. These two molecules were synthesized in 10 and 9 steps respectively from commercially available cyclopentanone, following a known procedure. Unfortunately, metathesis with different olefins, such as styrene, α,β unsaturated compounds and linear α-olefins failed under different conditions, highlighting cubane behaves as a Type IV, challenging olefin under metathesis conditions. Even the employment of a specific catalyst for hindered olefins failed in the cross-coupling with linear α-olefins. On the other hand, two new molecules were synthesized via Stetter reaction and benzoin condensation respectively. Even if the majority of the reactions were not successful, this work can be seen as an inspiration for further investigation on cubane chemistry, as new questions were raised and new opportunities were envisioned.

Sintesi e caratterizzazione di eptameri a base tiofenica con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D per applicazioni in BHJ solar cells

L’interesse della ricerca scientifica sta crescendo sempre più tra i materiali a base tiofenica, spinta dalle loro sorprendenti proprietà funzionali e semiconduttive. Gli oligotiofeni trovano infatti applicazione in molti campi interdisciplinari, in particolare nei dispositivi fotovoltaici organici. In questo studio è stato sintetizzato un nuovo eptamero T7-Bz-TSO2 con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D grazie alla reazione di cross-coupling Suzuki-Miyaura catalizzata da un complesso di palladio e assistita da microonde. Questo lavoro si è incentrato sull’introduzione di una nuova unità tiofenica S,S-diossidata lungo la catena oligomerica principale e sullo studio delle diverse proprietà ottiche ed elettrochimiche del nuovo materiale, utilizzato come strato fotattivo in una cella solare organica di tipo bulk heterojunction (BHJ). Lo studio dei parametri di cella ha rivelato una promettente natura ambipolare del T7-Bz-TSO2, non comune in questa classe di composti e di grande interesse per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici organici.

Sintesi e proprietà fotovoltaiche di politiofeni water- soluble

Nell’ottica di una limitazione dello sfruttamento di fonti fossili, della diminuzione delle emissioni di gas serra e dell’introduzione, nel mercato energetico, di dispositivi fotovoltaici organici (OPVs) che permettano di sfruttare l’energia solare conferendo leggerezza e flessibilità alle celle fotovoltaiche, è stato sintetizzato un nuovo polialchiltiofene contenente unità elettron-donatrici e accettrici in catena principale, da testare come strato fotoattivo all’interno di un dispositivo OPV. In particolare, a partire da 1,6-dibromoesano e 3-bromotiofene, è stato preparato 4,7-bis(3-(6-bromoesil)tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazolo mediante reazione di cross-coupling di Suzuki con l’estere pinacolico dell'acido 2,1,3-benzotiadiazolo-4,7-bis(boronico) e, successivamente, polimerizzato via metodo ossidativo con FeCl3. Il polimero ottenuto, poli(4,7-bis(3-(6-bromoesil)tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazolo), è stato caratterizzato mediante analisi TGA, DSC, FTIR-ATR, GPC, 1H-NMR e UV-Vis. Verrà, in seguito, post-funzionalizzato con tributilfosfina per ottenere un polimero ionico solubile in acqua o in solventi polari, al fine di evitare l’impiego di solventi aromatici o clorurati durante la deposizione del film polimerico all’interno della cella fotovoltaica.

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.

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.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni tioalchil sostituiti per applicazioni fotovoltaiche

Nell'ultimo decennio sono stati sviluppati numerosi materiali π-coniugati contenenti unità tiofeniche per applicazioni in dispositivi organici a film sottile. Nel campo delle celle solari, la possibilità di creare dispositivi basati sull’utilizzo di materiali organici, rispetto ai dispositivi attualmente in commercio a base di silicio, ha suscitato grande interesse soprattutto per la possibilità di realizzare dispositivi su larga area con basso costo di produzione e su substrati flessibili. Gli oligo- e i politiofeni sono eccellenti candidati grazie alle ottime proprietà di trasporto di carica e alle caratteristiche di assorbimento di luce. In celle solari di tipo Bulk-Heterojunction (BHJ), ad esempio, il poli(3-esiltiofene) è uno tra i materiali più studiati. Ad oggi, con il P3HT sono state raggiunte efficienze certificate superiori all’8%, variando sia parametri dipendenti dalla struttura molecolare, come ad esempio il peso molecolare, la regioregolarità delle catene alchiliche, il grado di polidispersità, il grado di polimerizzazione, sia parametri da cui dipende l’organizzazione della blend donatore-accettore. Per superare l’efficienza di conversione ottenuta con i polimeri classici come il P3HT è necessario progettare e sintetizzare materiali con precise caratteristiche: basso energy gap per aumentare l’assorbimento di luce, elevata mobilità di carica per avere una rapida estrazione delle cariche, posizione ottimale degli orbitali di frontiera per garantire una efficiente dissociazione dell’eccitone ed infine buona solubilità per migliorare la processabilità. Il presente lavoro di tesi si è articolato nei seguenti punti: sintesi di oligo- e politiofeni tioalchil sostituiti con inserzione di unità benzotiadiazolo per massimizzare l’assorbimento ed abbassare il gap energetico; studio dell’effetto della ramificazione del gruppo tioalchilico sull’organizzazione supramolecolare allo stato solido e successiva ottimizzazione della morfologia del film solido variando metodi di deposizione e solventi; applicazione degli oligomeri e dei polimeri sintetizzati come materiali donatori in celle fotovoltaiche di tipo Bulk-Heterojunction in presenza di fenil-C61-butirrato di metile (PCBM) come materiale accettore.

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.

Synthesis of novel ribose-based thioimidate n-oxides

This work is based on the study of new synthetic paths to obtain thioimidate N-oxides (TINOs) from D-ribose and to study their reactivity with the purpose to obtain ketonitrones. TINOs, aren’t well known molecules, but these enantiomerically pure backbones could be valuable intermediates in the synthesis of novel ketonitrones which are key intermediates in the synthesis of iminosugars. TINOs were discovered from the study of glucoraphanin, a particular glucosinolate, that unexpectedly cyclized into a TINO after desulfatation, by a spontaneous intramolecular Michael addition. The first part of this work was to synthetize the TINO 3 from D-ribose 1. The key step was the desilylative cyclisation of a suitably functionalized thiohydroximate 2. Based on precedent work developed in the laboratory, we could obtain the thiohydroximate from D-ribose. We then focused our studies on the cyclisation step trying to find the suitable substituents that could give the TINO in good yield by desilylative cyclisation. The second part of the project is to obtain ketonitrones 4 by palladiumcatalyzed coupling reaction.

Sintesi di oligotiofeni “push-pull” per applicazioni in celle solari di tipo bulkheterojunction (BHJ)

Sintesi e caratterizzazione di cinque eptameri "push-pull" a base tiofenica con sequenza D-A-D-A-D-A-D e D-D-D-A-D-D-D per applicazioni in celle solari di tipo bulkheterojunction (BHJ).

Synthesis, characterization and catalytic performances of ruthenium-based catalysts for the acceptorless dehydrogenative coupling of butanol

A growing interest towards new sources of energy has led in recent years to the development of a new generation of catalysts for alcohol dehydrogenative coupling (ADC). This green, atom-efficient reaction is capable of turning alcohol derivatives into higher value and chemically more attractive ester molecules, and it finds interesting applications in the transformation of the large variety of products deriving from biomass. In the present work, a new series of ruthenium-PNP pincer complexes are investigated for the transformation of 1-butanol, one of the most challenging substrates for this type of reactions, into butyl butyrate, a short-chain symmetrical ester widely used in flavor industries. Since the reaction kinetics depends on hydrogen diffusion, the study aimed at identifying proper reactor type and right catalyst concentration to avoid mass transfer interferences and to get dependable data. A comparison between catalytic activities and productivities has been made to establish the role of the different ligands bonded both to the PNP binder and to the ruthenium metal center, and hence to find the best catalyst for this type of reaction.

Evaluation of most promising options for the C1 to C2-coupling: alternative formate coupling

This thesis work contains an overview of potential alternative options to couple formate produced from CO2 with other coupling partners than formate itself. Ultimately, the intent is to produce high value chemicals from CO2 at a high selectivity and conversion, whilst keeping the required utility of electrons in the electrochemical CO2 conversion at a minimum. To select and find new coupling partners, a framework was developed upon which a broad variety of candidates were assessed and ranked. A multi-stage process was used to select first potential classes of molecules. For each class, a variety of commercially available compounds was analysed in depth for its potential suitability in the reaction with the active carbonite intermediate. This analysis has shown that a wide variety of factors come into play and especially the reactivity of the hydride catalyst poses a mayor challenge. The three major potential classes of compounds suitable for the coupling are carbon oxides (CO2 & CO), and aldehydes. As a second step the remaining options were ranked to identify which compound to test first. In this ranking the reactants sustainability, ease of commercial operation and commercial attractiveness of the compound were considered. The highest-ranking compounds that proposed the highest potential are CO2, benzaldehyde and para-formaldehyde. In proof-of-principle experiments CO2 could successfully be incorporated in the form of carbonate, oxalate and potentially formate. The overall incorporation efficiency based on the hydride consumption was shown to be 50%. It is suggested to continue this work with mechanistic studies to understand the reaction in detail as, based on further gained knowledge, the reaction can then be optimized towards optimal CO2 incorporation in the form of oxalate.

Exploring the Higgs-muon coupling at a multi-TeV muon collider

We investigate the potential of a high-energy muon collider in measuring the muon Yukawa coupling (y_μ) in the production of two, three and four heavy bosons via muon-antimuon annihilations. We study the sensitivity of these processes to deviations of y_μ from the Standard Model prediction, parametrized by an effective dimension-6 operator in the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) framework. We also consider the κ framework, in which the deviation is simply parametrized by a strength modification of the μ+μ−h vertex alone. Both frameworks lead to an energy enhancement of the cross sections with one or more vector bosons, although the κ framework yields stronger effects, especially for the production of four bosons. On the contrary, for purely-Higgs final states the cross section is suppressed in the κ framework, while it is extremely sensitive to deviations in the SMEFT. We show that the triple-Higgs production is the most sensitive process to spot new physics effects on y_μ.

Investigating perceptual multisensory impairments in Autism through a neural network: a possible neural implementation for the shift from cross-modal competition to facilitation

Resolution of multisensory deficits has been observed in teenagers with Autism Spectrum Disorders (ASD) for complex, social speech stimuli; this resolution extends to more basic multisensory processing, involving low-level stimuli. In particular, a delayed transition of multisensory integration (MSI) from a default state of competition to one of facilitation has been observed in ASD children. In other terms, the complete maturation of MSI is achieved later in ASD. In the present study a neuro-computational model is used to reproduce some patterns of behavior observed experimentally, modeling a bisensory reaction time task, in which auditory and visual stimuli are presented in random sequence alone (A or V) or together (AV). The model explains how the default competitive state can be implemented via mutual inhibition between primary sensory areas, and how the shift toward the classical multisensory facilitation, observed in adults, is the result of inhibitory cross-modal connections becoming excitatory during the development. Model results are consistent with a stronger cross-modal inhibition in ASD children, compared to normotypical (NT) ones, suggesting that the transition toward a cooperative interaction between sensory modalities takes longer to occur. Interestingly, the model also predicts the difference between unisensory switch trials (in which sensory modality switches) and unisensory repeat trials (in which sensory modality repeats). This is due to an inhibitory mechanism, characterized by a slow dynamics, driven by the preceding stimulus and inhibiting the processing of the incoming one, when of the opposite sensory modality. These findings link the cognitive framework delineated by the empirical results to a plausible neural implementation.

Local and nonlocal integro-differential reaction-diffusion models for protein dynamics in Alzheimer's disease

In this work, integro-differential reaction-diffusion models are presented for the description of the temporal and spatial evolution of the concentrations of Abeta and tau proteins involved in Alzheimer's disease. Initially, a local model is analysed: this is obtained by coupling with an interaction term two heterodimer models, modified by adding diffusion and Holling functional terms of the second type. We then move on to the presentation of three nonlocal models, which differ according to the type of the growth (exponential, logistic or Gompertzian) considered for healthy proteins. In these models integral terms are introduced to consider the interaction between proteins that are located at different spatial points possibly far apart. For each of the models introduced, the determination of equilibrium points with their stability and a study of the clearance inequalities are carried out. In addition, since the integrals introduced imply a spatial nonlocality in the models exhibited, some general features of nonlocal models are presented. Afterwards, with the aim of developing simulations, it is decided to transfer the nonlocal models to a brain graph called connectome. Therefore, after setting out the construction of such a graph, we move on to the description of Laplacian and convolution operations on a graph. Taking advantage of all these elements, we finally move on to the translation of the continuous models described above into discrete models on the connectome. To conclude, the results of some simulations concerning the discrete models just derived are presented.