Experimental and computational study of methane and methyl formate pyrolysis and oxidation in a flow reactor

A study of the pyrolysis and oxidation (phi 0.5-1-2) of methane and methyl formate (phi 0.5) in a laboratory flow reactor (Length = 50 cm, inner diameter = 2.5 cm) has been carried out at 1-4 atm and 300-1300 K temperature range. Exhaust gaseous species analysis was realized using a gas chromatographic system, Varian CP-4900 PRO Mirco-GC, with a TCD detector and using helium as carrier for a Molecular Sieve 5Å column and nitrogen for a COX column, whose temperatures and pressures were respectively of 65°C and 150kPa. Model simulations using NTUA [1], Fisher et al. [12], Grana [13] and Dooley [14] kinetic mechanisms have been performed with CHEMKIN. The work provides a basis for further development and optimization of existing detailed chemical kinetic schemes.

Computational study on the asymmetric aminocatalysed Michael addition reaction of cyclohexanone to trans–β–nitrostyrene

Asymmetric organocatalysed reactions are one of the most fascinating synthetic strategies which one can adopt in order to induct a desired chirality into a reaction product. From all the possible practical applications of small organic molecules in catalytic reaction, amine–based catalysis has attracted a lot of attention during the past two decades. The high interest in asymmetric aminocatalytic pathways is to account to the huge variety of carbonyl compounds that can be functionalized by many different reactions of their corresponding chiral–enamine or –iminium ion as activated nucleophile and electrophile, respectively. Starting from the employment of L–Proline, many useful substrates have been proposed in order to further enhance the catalytic performances of these reaction in terms of enantiomeric excess values, yield, conversion of the substrate and turnover number. In particular, in the last decade the use of chiral and quasi–enantiomeric primary amine species has got a lot of attention in the field. Contemporaneously, many studies have been carried out in order to highlight the mechanism through which these kinds of substrates induct chirality into the desired products. In this scenario, computational chemistry has played a crucial role due to the possibility of simulating and studying any kind of reaction and the transition state structures involved. In the present work the transition state geometries of primary amine–catalysed Michael addition reaction of cyclohexanone to trans–β–nitrostyrene with different organic acid cocatalysts has been studied through different computational techniques such as density functional theory based quantum mechanics calculation and force–field directed molecular simulations.

A DFT study on chemodivergent preparation of piperidinic and morpholinic heterocycles

The topic of this thesis is the DFT computational study of the mechanisms for the synthesis of chiral 3,4,5-trisubstituted piperidines and 2,6-disubstituted morpholines. The goal of this synthesis is to use, the same substrate containing two electrophilic sites: an α,β-unsaturated ester and a ketone, which evolve according to the nucleophile used (cyanide, phenyl sulfide) through different addition and cyclization reactions. A quaternary ammonium salt is used as a catalyst for these reactions, which leads to a diastereoisomeric excess both for the reactions of morpholine and piperidine products. Studies in silico of the pathways of these reactions explain the chemoselection and diasteroselection deriving from the two nucleophiles used. In this case of piperidine products, it was also possible to validate the hypothesis of a concerted nucleophilic addition mechanism on the α,β-unsaturated site and cyclization due to an intramolecular Michael addition.

Theoretical and experimental studies of gold catalysts for glucose oxidation

The glucaric acid (GLA) has been identified as a “top value-added chemical from biomass” that can be employed for many uses; for instance, it could be a precursor of adipic acid, a monomer of Nylon-6,6. GLA can be synthetized by the oxidation of glucose (GLU), passing through the intermediate gluconic acid (GLO). In recent years, a new process has been sought to obtain GLA in an economic and environmental sustainable way, in order to replace the current use of HNO3 as a stoichiometric oxidant, or electrocatalysis and biochemical synthesis, which show several disadvantages. Thereby, this work is focused on the study of catalysts based on gold nanoparticles supported on activated carbon for the oxidation reaction of GLU to GLA using O2 as an oxidant agent and NaOH as base. The sol-immobilization method leads us to obtain small and well dispersed nanoparticles, characterized by UV-Vis, XRD and TEM techniques. Repeating the reaction on different batches of catalyst, both the synthesis and the reaction were confirmed to be reproducible. The effect of the reaction time feeding GLO as reagent was studied: the results show that the conversion of GLO increases as the reaction time increases; however, the yields of GLA and others increase up to 1 hour, and then they remain constant. In order to obtain information on the catalytic mechanism at the atomistic level, a computational study based on density functional theory and atomistic modeling of the gold nano-catalyst were performed. Highly symmetric (icosahedral and cubo-octahedral) and distorted Au55 nanoparticles have been optimized along with Au(111) and Au(100) surfaces. Distorted structures were found to be more stable than symmetrical ones due to relativistic effects. On these various models the adsorptions of various species involved in the catalysis have been studied, including OH- species, GLU and GLO. The study carried out aims to provide a method for approaching to the study of nanoparticellary catalytic systems.

"Experimental and computational approaches to historical masonry structures: A study in the direction of filling the gap"

The assessment of historical structures is a significant need for the next generations, as historical monuments represent the community’s identity and have an important cultural value to society. Most of historical structures built by using masonry which is one of the oldest and most common construction materials used in the building sector since the ancient time. Also it is considered a complex material, as it is a composition of brick units and mortar, which affects the structural performance of the building by having different mechanical behaviour with respect to different geometry and qualities given by the components.

Tactile perception - Perception of tactile distance changes with body site: a neural network modelling study.

La distorsione della percezione della distanza tra due stimoli puntuali applicati sulla superfice della pelle di diverse regioni corporee è conosciuta come Illusione di Weber. Questa illusione è stata osservata, e verificata, in molti esperimenti in cui ai soggetti era chiesto di giudicare la distanza tra due stimoli applicati sulla superficie della pelle di differenti parti corporee. Da tali esperimenti si è dedotto che una stessa distanza tra gli stimoli è giudicata differentemente per diverse regioni corporee. Il concetto secondo cui la distanza sulla pelle è spesso percepita in maniera alterata è ampiamente condiviso, ma i meccanismi neurali che manovrano questa illusione sono, allo stesso tempo, ancora ampiamente sconosciuti. In particolare, non è ancora chiaro come sia interpretata la distanza tra due stimoli puntuali simultanei, e quali aree celebrali siano coinvolte in questa elaborazione. L’illusione di Weber può essere spiegata, in parte, considerando la differenza in termini di densità meccano-recettoriale delle differenti regioni corporee, e l’immagine distorta del nostro corpo che risiede nella Corteccia Primaria Somato-Sensoriale (homunculus). Tuttavia, questi meccanismi sembrano non sufficienti a spiegare il fenomeno osservato: infatti, secondo i risultati derivanti da 100 anni di sperimentazioni, le distorsioni effettive nel giudizio delle distanze sono molto più piccole rispetto alle distorsioni che la Corteccia Primaria suggerisce. In altre parole, l’illusione osservata negli esperimenti tattili è molto più piccola rispetto all’effetto prodotto dalla differente densità recettoriale che affligge le diverse parti del corpo, o dall’estensione corticale. Ciò, ha portato a ipotizzare che la percezione della distanza tattile richieda la presenza di un’ulteriore area celebrale, e di ulteriori meccanismi che operino allo scopo di ridimensionare – almeno parzialmente – le informazioni derivanti dalla corteccia primaria, in modo da mantenere una certa costanza nella percezione della distanza tattile lungo la superfice corporea. E’ stata così proposta la presenza di una sorta di “processo di ridimensionamento”, chiamato “Rescaling Process” che opera per ridurre questa illusione verso una percezione più verosimile. Il verificarsi di questo processo è sostenuto da molti ricercatori in ambito neuro scientifico; in particolare, dal Dr. Matthew Longo, neuro scienziato del Department of Psychological Sciences (Birkbeck University of London), le cui ricerche sulla percezione della distanza tattile e sulla rappresentazione corporea sembrano confermare questa ipotesi. Tuttavia, i meccanismi neurali, e i circuiti che stanno alla base di questo potenziale “Rescaling Process” sono ancora ampiamente sconosciuti. Lo scopo di questa tesi è stato quello di chiarire la possibile organizzazione della rete, e i meccanismi neurali che scatenano l’illusione di Weber e il “Rescaling Process”, usando un modello di rete neurale. La maggior parte del lavoro è stata svolta nel Dipartimento di Scienze Psicologiche della Birkbeck University of London, sotto la supervisione del Dott. M. Longo, il quale ha contribuito principalmente all’interpretazione dei risultati del modello, dando suggerimenti sull’elaborazione dei risultati in modo da ottenere un’informazione più chiara; inoltre egli ha fornito utili direttive per la validazione dei risultati durante l’implementazione di test statistici. Per replicare l’illusione di Weber ed il “Rescaling Proess”, la rete neurale è stata organizzata con due strati principali di neuroni corrispondenti a due differenti aree funzionali corticali: • Primo strato di neuroni (il quale dà il via ad una prima elaborazione degli stimoli esterni): questo strato può essere pensato come parte della Corteccia Primaria Somato-Sensoriale affetta da Magnificazione Corticale (homunculus). • Secondo strato di neuroni (successiva elaborazione delle informazioni provenienti dal primo strato): questo strato può rappresentare un’Area Corticale più elevata coinvolta nell’implementazione del “Rescaling Process”. Le reti neurali sono state costruite includendo connessioni sinaptiche all’interno di ogni strato (Sinapsi Laterali), e connessioni sinaptiche tra i due strati neurali (Sinapsi Feed-Forward), assumendo inoltre che l’attività di ogni neurone dipenda dal suo input attraverso una relazione sigmoidale statica, cosi come da una dinamica del primo ordine. In particolare, usando la struttura appena descritta, sono state implementate due differenti reti neurali, per due differenti regioni corporee (per esempio, Mano e Braccio), caratterizzate da differente risoluzione tattile e differente Magnificazione Corticale, in modo da replicare l’Illusione di Weber ed il “Rescaling Process”. Questi modelli possono aiutare a comprendere il meccanismo dell’illusione di Weber e dare così una possibile spiegazione al “Rescaling Process”. Inoltre, le reti neurali implementate forniscono un valido contributo per la comprensione della strategia adottata dal cervello nell’interpretazione della distanza sulla superficie della pelle. Oltre allo scopo di comprensione, tali modelli potrebbero essere impiegati altresì per formulare predizioni che potranno poi essere verificate in seguito, in vivo, su soggetti reali attraverso esperimenti di percezione tattile. E’ importante sottolineare che i modelli implementati sono da considerarsi prettamente come modelli funzionali e non intendono replicare dettagli fisiologici ed anatomici. I principali risultati ottenuti tramite questi modelli sono la riproduzione del fenomeno della “Weber’s Illusion” per due differenti regioni corporee, Mano e Braccio, come riportato nei tanti articoli riguardanti le illusioni tattili (per esempio “The perception of distance and location for dual tactile pressures” di Barry G. Green). L’illusione di Weber è stata registrata attraverso l’output delle reti neurali, e poi rappresentata graficamente, cercando di spiegare le ragioni di tali risultati.

Tactile Perception - Perception of tactile distance on a single skin surface changes with stimulus orientation: a neuronal network modelling study

L’interazione che abbiamo con l’ambiente che ci circonda dipende sia da diverse tipologie di stimoli esterni che percepiamo (tattili, visivi, acustici, ecc.) sia dalla loro elaborazione per opera del nostro sistema nervoso. A volte però, l’integrazione e l’elaborazione di tali input possono causare effetti d’illusione. Ciò si presenta, ad esempio, nella percezione tattile. Infatti, la percezione di distanze tattili varia al variare della regione corporea considerata. Il concetto che distanze sulla cute siano frequentemente erroneamente percepite, è stato scoperto circa un secolo fa da Weber. In particolare, una determinata distanza fisica, è percepita maggiore su parti del corpo che presentano una più alta densità di meccanocettori rispetto a distanze applicate su parti del corpo con inferiore densità. Oltre a questa illusione, un importante fenomeno osservato in vivo è rappresentato dal fatto che la percezione della distanza tattile dipende dall’orientazione degli stimoli applicati sulla cute. In sostanza, la distanza percepita su una regione cutanea varia al variare dell’orientazione degli stimoli applicati. Recentemente, Longo e Haggard (Longo & Haggard, J.Exp.Psychol. Hum Percept Perform 37: 720-726, 2011), allo scopo di investigare come sia rappresentato il nostro corpo all’interno del nostro cervello, hanno messo a confronto distanze tattili a diverse orientazioni sulla mano deducendo che la distanza fra due stimoli puntuali è percepita maggiore se applicata trasversalmente sulla mano anziché longitudinalmente. Tale illusione è nota con il nome di Illusione Tattile Orientazione-Dipendente e diversi risultati riportati in letteratura dimostrano che tale illusione dipende dalla distanza che intercorre fra i due stimoli puntuali sulla cute. Infatti, Green riporta in un suo articolo (Green, Percpept Pshycophys 31, 315-323, 1982) il fatto che maggiore sia la distanza applicata e maggiore risulterà l’effetto illusivo che si presenta. L’illusione di Weber e l’illusione tattile orientazione-dipendente sono spiegate in letteratura considerando differenze riguardanti la densità di recettori, gli effetti di magnificazione corticale a livello della corteccia primaria somatosensoriale (regioni della corteccia somatosensoriale, di dimensioni differenti, sono adibite a diverse regioni corporee) e differenze nella dimensione e forma dei campi recettivi. Tuttavia tali effetti di illusione risultano molto meno rilevanti rispetto a quelli che ci si aspetta semplicemente considerando i meccanismi fisiologici, elencati in precedenza, che li causano. Ciò suggerisce che l’informazione tattile elaborata a livello della corteccia primaria somatosensoriale, riceva successivi step di elaborazione in aree corticali di più alto livello. Esse agiscono allo scopo di ridurre il divario fra distanza percepita trasversalmente e distanza percepita longitudinalmente, rendendole più simili tra loro. Tale processo assume il nome di “Rescaling Process”. I meccanismi neurali che operano nel cervello allo scopo di garantire Rescaling Process restano ancora largamente sconosciuti. Perciò, lo scopo del mio progetto di tesi è stato quello di realizzare un modello di rete neurale che simulasse gli aspetti riguardanti la percezione tattile, l’illusione orientazione-dipendente e il processo di rescaling avanzando possibili ipotesi circa i meccanismi neurali che concorrono alla loro realizzazione. Il modello computazionale si compone di due diversi layers neurali che processano l’informazione tattile. Uno di questi rappresenta un’area corticale di più basso livello (chiamata Area1) nella quale una prima e distorta rappresentazione tattile è realizzata. Per questo, tale layer potrebbe rappresentare un’area della corteccia primaria somatosensoriale, dove la rappresentazione della distanza tattile è significativamente distorta a causa dell’anisotropia dei campi recettivi e della magnificazione corticale. Il secondo layer (chiamato Area2) rappresenta un’area di più alto livello che riceve le informazioni tattili dal primo e ne riduce la loro distorsione mediante Rescaling Process. Questo layer potrebbe rappresentare aree corticali superiori (ad esempio la corteccia parietale o quella temporale) adibite anch’esse alla percezione di distanze tattili ed implicate nel Rescaling Process. Nel modello, i neuroni in Area1 ricevono informazioni dagli stimoli esterni (applicati sulla cute) inviando quindi informazioni ai neuroni in Area2 mediante sinapsi Feed-forward eccitatorie. Di fatto, neuroni appartenenti ad uno stesso layer comunicano fra loro attraverso sinapsi laterali aventi una forma a cappello Messicano. E’ importante affermare che la rete neurale implementata è principalmente un modello concettuale che non si preme di fornire un’accurata riproduzione delle strutture fisiologiche ed anatomiche. Per questo occorre considerare un livello astratto di implementazione senza specificare un’esatta corrispondenza tra layers nel modello e regioni anatomiche presenti nel cervello. Tuttavia, i meccanismi inclusi nel modello sono biologicamente plausibili. Dunque la rete neurale può essere utile per una migliore comprensione dei molteplici meccanismi agenti nel nostro cervello, allo scopo di elaborare diversi input tattili. Infatti, il modello è in grado di riprodurre diversi risultati riportati negli articoli di Green e Longo & Haggard.

Oxidation and pyrolysis of methane and methyl formate in a plug flow reactor: computational and experimenal studies

Biodiesel represents a possible substitute to the fossil fuels; for this reason a good comprehension of the kinetics involved is important. Due to the complexity of the biodiesel mixture a common practice is the use of surrogate molecules to study its reactivity. In this work are presented the experimental and computational results obtained for the oxidation and pyrolysis of methane and methyl formate conducted in a plug flow reactor. The work was divided into two parts: the first one was the setup assembly whilst, in the second one, was realized a comparison between the experimental and model results; these last was obtained using models available in literature. It was started studying the methane since, a validate model was available, in this way was possible to verify the reliability of the experimental results. After this first study the attention was focused on the methyl formate investigation. All the analysis were conducted at different temperatures, pressures and, for the oxidation, at different equivalence ratios. The results shown that, a good comprehension of the kinetics is reach but efforts are necessary to better evaluate kinetics parameters such as activation energy. The results even point out that the realized setup is adapt to study the oxidation and pyrolysis and, for this reason, it will be employed to study a longer chain esters with the aim to better understand the kinetic of the molecules that are part of the biodiesel mixture.

A 2-dimensional computational model to analyze the effects of cellular heterogeinity on cardiac pacemaking

The mechanical action of the heart is made possible in response to electrical events that involve the cardiac cells, a property that classifies the heart tissue between the excitable tissues. At the cellular level, the electrical event is the signal that triggers the mechanical contraction, inducing a transient increase in intracellular calcium which, in turn, carries the message of contraction to the contractile proteins of the cell. The primary goal of my project was to implement in CUDA (Compute Unified Device Architecture, an hardware architecture for parallel processing created by NVIDIA) a tissue model of the rabbit sinoatrial node to evaluate the heterogeneity of its structure and how that variability influences the behavior of the cells. In particular, each cell has an intrinsic discharge frequency, thus different from that of every other cell of the tissue and it is interesting to study the process of synchronization of the cells and look at the value of the last discharge frequency if they synchronized.

Synthesis and dynamic study of atropisomeric compounds containing boron-carbon bond

In this thesis we studied the stereodynamic behavior of 1,2-azaborines variously substituted on boron (7a, 7b, 13). Depending on the hindrance of the asymmetric aryl substituent the resulting conformations could be stereolabile or configurationally stable. Through dynamic NMR and lineshape simulation, the energy rotational barriers of the different conformers are obtained. When the barrier is higher than 22-23 kcal/mol stable atropisomers that are fisically separable could be obtained (case of compound 13) and the free activation energy barrier is determinable by kinetic analysis. Absolute configuration of two atropisomers were assigned by comparison between computational calculations and experimental ECD. Isosteric compound 21 is then synthesized in order to compare the rotational barrier around B-Caryl with the one around Cnaphth-Caryl bond.

Computational design of a new type of sandwich cross-section for a defined solution of a tree-like column produced by wire-and-arc additive manufacturing

When it comes to designing a structure, architects and engineers want to join forces in order to create and build the most beautiful and efficient building. From finding new shapes and forms to optimizing the stability and the resistance, there is a constant link to be made between both professions. In architecture, there has always been a particular interest in creating new shapes and types of a structure inspired by many different fields, one of them being nature itself. In engineering, the selection of optimum has always dictated the way of thinking and designing structures. This mindset led through studies to the current best practices in construction. However, both disciplines were limited by the traditional manufacturing constraints at a certain point. Over the last decades, much progress was made from a technological point of view, allowing to go beyond today's manufacturing constraints. With the emergence of Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM) combined with Algorithmic-Aided Design (AAD), architects and engineers are offered new opportunities to merge architectural beauty and structural efficiency. Both technologies allow for exploring and building unusual and complex structural shapes in addition to a reduction of costs and environmental impacts. Through this study, the author wants to make use of previously mentioned technologies and assess their potential, first to design an aesthetically appreciated tree-like column with the idea of secondly proposing a new type of standardized and optimized sandwich cross-section to the construction industry. Parametric algorithms to model the dendriform column and the new sandwich cross-section are developed and presented in detail. A catalog draft of the latter and methods to establish it are then proposed and discussed. Finally, the buckling behavior of this latter is assessed considering standard steel and WAAM material properties.

Computational investigation of a stereoselective synthesis of atropisomeric hydrazides possessing an N–N stereogenic axis

Axially chiral substrates are an interesting and widely studied class of compounds as they can be found in bioactive natural products and are employed as functional materials or as ligands in asymmetric catalytic processes. One branch of this family is the well-known world of the atropisomers. Among them, atropisomeric compounds possessing an N–N stereogenic axis are one truthfully fascinating system but not completely understood yet. In this thesis, we computationally investigated the mechanism of the diastereoselective formation of the N – N chiral axis of a hydrazide under asymmetric phase transfer catalytic conditions. Moreover, during this study, torsional barriers have been calculated for both the reagent and the product at the density functional theory (DFT). These values turned out to suitably match the experimental values and observations. Finally, Electronic Circular Dichroism (ECD) spectra have been simulated in order to assign the chiral absolute configuration to the products.

Theoretical and experimental study on the role of benzoquinone in the Guerbet reaction catalyzed by a ruthenium complex

The benzoquinone was found as an effective co-catalyst in the ruthenium/NaOEt-catalyzed Guerbet reaction. The co-catalyst behavior has therefore been investigated through experimental and computational methods. The reaction products distribution shows that the reaction speed is improved by the benzoquinone supplement since the beginning of the process, having a minimal effect on the selectivity toward alcoholic species. DFT calculations were performed to investigate two hypotheses for the kinetic effects: i) a hydrogen storage mechanism or ii) a basic co-catalysis of 4-hydroxiphenolate. The most promising results were found for the latter hypothesis, where a new mixed mechanism for the aldol condensation step of the Guerbet process involves the hydroquinone (i.e. the reduced form of benzoquinone) as proton source instead of ethanol. This mechanism was found to be energetically more favorable than an aldol condensation in absence of additive, suggesting that the hydroquinone derived from benzoquinone could be the key species affecting the kinetics of the overall process. To verify this theoretical hypothesis, new phenol derivatives were tested as additives in the Guerbet reaction. The outcomes confirmed that an aromatic acid (stronger than ethanol) could improve the reaction kinetics. Lastly, theoretical products distributions were simulated and compared to the experimental one, using the DFT computations to build the kinetic models.