Studio della reattività del glicerol carbonato nella sintesi di derivati fenolici

Supported by the increasing sustainable awareness, glycerol carbonate has gained much interest over the last 20 years because of its versatile reactivity and as a way to valorize waste glycerol. Numerous synthesis pathways for this molecule were identified, some of them very promising and on the verge of being applied at an industrial scale. Here, we report a study aimed at valorizing glycerol carbonate as chemical intermediate, in order to synthesize 2-hydroxymethyl-1,4-benzodioxane (HMB). This molecule finds important applications as key intermediate for the synthesis of a broad class of pharmaceuticals and therapeutic agents. Concerning the presence of a stereogenic center on the hydroxymethyl group, due to the pharmaceutical importance to obtain and isolate one single enantiomer, , nowadays HMB is obtained through batch scale process, using a multi-reaction approach and starting from reagents of the chiral pool. We carried out the reaction from a solution of glycerol carbonate and catechol 2:1. In the presence of a simple basic catalyst, at high temperatures, it was possible obtain total reactants conversion and high yield to HMB in few hours reaction time. Also, in the aim of developing a process which might adhere the principles of Green Chemistry, we avoided the use of solvents. Similar results were obtained using a 1:1 feed ratio of reactants, even if selectivity to HMB decrease, due to the presence of side reactions. A complete study of the reaction mechanism is proposed in this thesis.

Organocatalytic tandem reactions of polyfunctional compounds for the synthesis of enantioenriched heterocycles. Reazioni tandem organocatalitiche di composti polifunzionali per la sintesi di eterocicli enantioarricchiti.

In questo lavoro di tesi sono state sviluppate reazioni domino, tandem e procedure one-pot per ottenere eterocicli enatioarricchiti. Lo sviluppo di queste metodologie sintetiche è molto importante perché permettono di ottenere molecole complesse partendo da prodotti semplici, senza effettuare ripetuti passaggi di purificazione (stop-and-go or step-by-step synthesis). Lo scopo di questo lavoro è di ottenere derivati tetraidrofuranici modificati e derivati ossoazzolinici enantioarrichiti tramite reazioni SN2-Michael o tramite reazioni aldolica-ciclizzazione-Michael usando la catalisi asimmetrica a trasferimento di fase (PTC). Come catalizzatori PTC per imprimere enantioselezione sono stati utilizzati sali di ammonio quaternario derivati dagli alcaloidi della Cinchona. Sono state ottimizzate le condizioni di reazione (base inorganica, temperatura, solvente, tempo di reazione) per i diversi substrati presi in considerazione. I prodotti target sono stati ottenuti con buone rese, ottime diastereoselezioni ma con bassa enantioselezione. I risultati ottenuti richiedono un’ulteriore ottimizzazione e dovranno essere valutate variazioni strutturali dei nucleofili utilizzati. In this thesis were developed domino, tandem reactions and one-pot procedures to obtained enantioenriched heterocycles. The development of these methodologies is very fundamental because they allow to obtain complex molecules starting from raw materials, without carrying out repeated purification steps (stop-and-go or step-by-step synthesis). The purpose of this work is to obtain enantioenriched tetrahydrofuran and oxazoline derivatives through a SN2-Michael reaction or a aldol- cyclization-Michael reaction using the phase-transfer asymmetric catalysis (PTC). For imprint enantioselection we used Cinchona alkaloids quaternary ammonium salts derivatives. The reaction conditions (inorganic base, temperature, solvent, reaction time) were optimised for the different substrates taken into account. The target products were obtained with good yields, excellent diastereoselections but with low enantioselections. The obtained results require further optimization and structural changes in the nucleophiles used must be evaluated.

In-situ DRIFT/MS study of the conversion of ethanol on mixed Mg/Si oxides

Due to the high price of natural oil and harmful effects of its usage, as the increase in emission of greenhouse gases, the industry focused in searching of sustainable types of the raw materials for production of chemicals. Ethanol, produced by fermentation of sugars, is one of the more interesting renewable materials for chemical manufacturing. There are numerous applications for the conversion of ethanol into commodity chemicals. In particular, the production of 1,3-butadiene whose primary source is ethanol using multifunctional catalysts is attractive. With the 25% of world rubber manufacturers utilizing 1,3-butadiene, there is an exigent need for its sustainable production. In this research, the conversion of ethanol in one-step process to 1,3-butadiene was studied. According to the literature, the mechanisms which were proposed to explain the way ethanol transforms into butadiene require to have both acid and basic sites. But still, there are a lot of debate on this topic. Thus, the aim of this research work is a better understanding of the reaction pathways with all the possible intermediates and products which lead to the formation of butadiene from ethanol. The particular interests represent the catalysts, based on different ratio Mg/Si in comparison to bare magnesia and silica oxides, in order to identify a good combination of acid/basic sites for the adsorption and conversion of ethanol. Usage of spectroscopictechniques are important to extract information that could be helpful for understanding the processes on the molecular level. The diffuse reflectance infrared spectroscopy coupled to mass spectrometry (DRIFT-MS) was used to study the surface composition of the catalysts during the adsorption of ethanol and its transformation during the temperature program. Whereas, mass spectrometry was used to monitor the desorbed products. The set of studied materials include MgO, Mg/Si=0.1, Mg/Si=2, Mg/Si=3, Mg/Si=9 and SiO2 which were also characterized by means of surface area measurements.

Nuovi catalizzatori per la trasformazione diretta di glicerolo ad acido acrilico

Alla luce delle improrogabili necessità ambientali, le prospettive di crescita del mercato dei bio-combustibili e quindi del biodiesel, sono molto ampie; si rende quindi necessario lo sviluppo di nuovi processi chimici in grado di valorizzare il co-prodotto della sintesi del biodiesel, ovvero il glicerolo. Tra le varie opzioni proposte dalla recente letteratura scientifica e brevettuale, la trasformazione one-pot del glicerolo ad acido acrilico può rappresentare una soluzione. All’interno di questa tematica, durante il periodo di tesi ho eseguito uno studio di catalizzatori a base di ossidi misti contenenti tungsteno, molibdeno e/o vanadio. Tali ossidi presentano sia funzionalità acida, necessaria per il primo stadio di disidratazione del glicerolo ad acroleina, sia funzionalità redox, necessaria all’ossidazione dell’acroleina ad acido acrilico. I sistemi tri-componente W-V-Mo si sono rivelati catalizzatori attivi e selettivi per la sintesi diretta di glicerolo ad acido acrilico. La miglior performance catalitica di questa classe di catalizzatori ha consentito di ottenere selettività in acido acrilico del 31%, con selettività totale ad acido acrilico ed acroleina superiore al 38% (valori tra i più elevati rispetto a quelli riportati in letteratura). Infine, si è dimostrato che i catalizzatori a base di W-V-Mo sono sistemi potenzialmente sfruttabili anche in impianti a doppio stadio per la produzione di acido acrilico con alimentazioni miste propilene/glicerolo. Ulteriori studi sono attualmente in corso per approfondire le capacità catalitiche degli ossidi misti studiati.

Nuove vie di sintesi dell'idrossitirosolo

L’idrossitirosolo (3,4-diidrossifeniletanolo) è uno degli antiossidanti naturali più potenti e con molte proprietà benefiche sull'organismo umano ed è per questo molto pregiato. In natura, l’idrossitirosolo è presente nelle olive e in quantità maggiori nelle foglie dell’olivo. L’obiettivo di questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio esplorativo di vie di sintesi alternative per l’idrossitirosolo che partissero da reagenti a basso costo e green, attraverso la catalisi eterogenea e utilizzando acqua come solvente. Sulla base di questi requisiti abbiamo delineato un progetto per la sintesi che, partendo dal catecolo (o dal suo omologo guaiacolo), prevede l’introduzione di una catena C2 sull’anello aromatico (reazione già nota a livello industriale per la sintesi della vanillina)seguita da una riduzione one pot del derivato mandelico a dare il prodotto di interesse, l’idrossitirosolo. L’obiettivo posto è pertanto molto ambizioso e consente di ottenere l’idrossitirosolo in soli due passaggi sintetici in catalisi eterogenea a partire da reagenti green e a basso costo.

Trasformazione di etanolo in fase gas su catalizzatori a base di ossido di vanadio

Il lavoro della tesi si basa su prove di reattivtà di etanolo su catalizzatori formati da ossidi misti contenenti vanadio, in particolare un ferro vanadato e un rame vanadato, allo scopo di determinare la possibilità di ottenere chemicals di interesse a partire da una materia rinnovabile in processi one-pot consumando in situ intermendi pericolosi ( es. acetaldeide). Le prove sono state effettuate in un reattore tubolare in vetro, in continuo e a letto fisso. Le analisi della miscela uscente dal reattore sono state eseguite online per gascromatografia. Le varie prove sono state eseguite variando la composizione della miscela reagente, in particolare aggiungendo alternativamente e simultaneamente acqua e ossigeno alla miscela di etanolo e azoto ( sempre presenti nell'alimentazione). Per ogni miscela sono state eseguite prove a varie temperature. I catalizzatori sono stati caratterizzati via spettroscopia Rama, IR, XRD prima e dopo le varie reattvità.

Trasformazione di arabinosio a composti chimici mediante ossidazione catalitica

Nel presente lavoro di tesi si è analizzata l’ossidazione catalitica per la valorizzazione di arabinosio a prodotti chimici. Per questa complessa serie di trasformazioni, si è studiata la reattività di nanoparticelle di oro supportate su niobio fosfato. Quindi, si è ipotizzato che la doppia funzionalità del catalizzatore così sintetizzato potesse favorire i due step alla base dell’intero processo: l’acidità del NbOPO4 è fondamentale per la prima disidratazione del monosaccaride a furfurale, mentre le condizioni ossidanti garantite da un’atmosfera di ossigeno e dalle nanoparticelle di oro hanno il ruolo di permettere una successiva ossidazione. Data l’instabilità del furfurale si propone di condurre una reazione one-pot (150°C, 10 bar di O2), che porti all’ossidazione in situ del furfurale, a sua volta prodotto dalla disidratazione dello zucchero. Purtroppo la bassa selettività del processo, nonostante gli accorgimenti adottati, evidenzia le considerevoli perdite di monosaccaride in reazioni indesiderate. Ulteriori studi saranno necessari al fine di migliorare la selettività del processo, analizzando il meccanismo di reazione ed intervenendo sulle condizioni di lavoro.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi biopoliesteri aromatici a base di resorcinolo

Il lavoro di tesi si inserisce in un contesto di ricerca molto attuale, che studia la preparazione di nuovi materiali polimerici ad elevate prestazioni e derivabili da fonti rinnovabili. Partendo dal resorcinolo, una molecola che può essere ottenuta da biomassa, e dall’etilene carbonato sono state ottimizzate la sintesi e la purificazione di un diolo, l’1,3-bis(2-idrossietossi)benzene (HER), senza l’impiego di solventi e con l’utilizzo di modeste quantità di catalizzatore. L’HER è conosciuto in letteratura ma è poco studiato e non viene attualmente impiegato come monomero. In questo lavoro L’HER è stato polimerizzato in massa con una serie di diacidi (alcuni derivati da biomassa, altri provenienti da fonti fossili) sia di natura alifatica (lineari e ciclici) che di natura aromatica. Sono state analizzate la struttura chimica e le proprietà termiche dei nuovi poliesteri, in modo da definire correlazioni fra struttura e prestazioni finali. E’ stata infine messa a punto una procedura one-pot per la preparazione dei suddetti poliesteri; essa prevede la sintesi diretta dei polimeri senza lo stadio intermedio di purificazione dell’HER.

Nuove procedure sintetiche sostenibili per la preparazione di strutture poliuretaniche

Questo lavoro di tesi si inserisce in un contesto di ricerca molto attuale, il quale, studia nuove procedure sintetiche sostenibili per la preparazione di strutture poliuretaniche. Partendo dall’etilene carbonato e dall’esametilendiammina, due molecole che possono essere ricavate da fonti rinnovabili, sono state ottimizzate la sintesi e la purificazione di un carbammato: bis(2-idrossietil)-esan-1,6-diildicarbammato (BHEDC), senza l’impiego di solventi ed in condizioni blande. Il BHEDC è conosciuto in letteratura, ma è poco studiato e non viene attualmente utilizzato come monomero. In questo lavoro il bis(2-idrossietil)-esan-1,6-diildicarbammato è stato polimerizzato in massa con diverse percentuali di bis(2-idrossietil)-tereftalato (BHET), il quale non è ricavabile da fonti naturali ma è ottenibile dal riciclo chimico del Poli-Etilene Tereftalato (PET). Sono state successivamente analizzate la struttura chimica e le proprietà termiche nonché spettroscopiche dei nuovi composti poliuretanici, così da poterne definire le correlazioni tra la struttura e le prestazioni finali. Infine, è stata messa a punto una procedura di tipo one-pot per la preparazione dei poliuretani sopra citati; questa prevede la sintesi diretta dei polimeri senza la necessità dello stadio di purificazione del bis(2-idrossietil)-esan-1,6-diildicarbammato.

Studio della trasformazione di 1,2-propandiolo ad acido propionico

Il presente lavoro ha riguardato lo studio della trasformazione one-pot in fase gas di 1,2-propandiolo ad acido propionico, impiegando il pirofosfato di vanadile (VPP), (VO)2P2O7, e due differenti sistemi a base di bronzi di tungsteno con struttura esagonale (HTB), gli ossidi misti W1V0,3 e W1Mo0,5V0,1. Il processo richiede un catalizzatore con due differenti funzionalità: una acida, principalmente di tipo Brønsted, fornita nel VPP dai gruppi P-OH presenti sulla sua superficie, e negli HTB dai gruppi W-OH sulla loro superficie e dagli ioni H+ nei canali esagonali dell’ossido; e una ossidante, fornita nel VPP dal V, e negli HTB da V e Mo incorporati nella struttura esagonale. I risultati delle prove di reattività hanno consentito di dedurre gli aspetti principali dello schema della reazione one-pot di disidratazione-ossidazione dell’1,2-propandiolo ad acido propionico. I catalizzatori provati non possiedono la combinazione ottimale di proprietà acide e redox necessarie per ottenere elevate rese in acido propionico. Le scarse proprietà ossidanti portano a un accumulo di propionaldeide, che reagisce con l’1,2-propandiolo a dare diossolani, e inoltre dà luogo alla formazione di altri sottoprodotti. È perciò necessario incrementare le proprietà ossidanti del catalizzatore, in modo da accelerare la trasformazione della propionaldeide ad acido propionico, ed evitare quindi che le proprietà acide del catalizzatore, necessarie per compiere il primo stadio di disidratazione di 1,2-propandiolo, siano causa di reazioni parassite di trasformazione dell’aldeide stessa.

Catalysts study of adipic acid synthesis from 1,6-hexanediol

Sustainable chemicals currently have a very limited market share due to current low production but biomass is expected to become one of the major renewable energy and fine chemicals sources in the coming years. Bearing in mind the compromise of all nations to climatic change remediation, the industries will need to use efficient catalysts and green processes to meet the requirements of emissions and efficiency. This project is expected to develop new catalysts to convert 1,6-hexanediol to adipic acid through a green approach based on the “nano-catalysis” and “green chemistry” concepts. Supported Au and Pd nanoparticles were used to study one-pot reaction of HDO oxidation to AA using O2 as a final oxidant and H2O as a solvent. Catalytic results showed that under low pressure O2 atmosphere and low temperature (< 120°C) AuNPs supported on basic-supports are more active than acid and amphoteric oxides. The effect of basic oxide (MgO) addition to MgF2 was studied. The study showed that doping of MgF2 with MgO increased significantly the activity of the catalyst. The best results were obtained with the Au/0.4MgF2-0.6MgO sample, which gave the selectivity to AA of 33% at HDO conversion of 62%.

Conditional entropy and predictability for non-reversible Markov systems

The purpose of this thesis is to clarify the role of non-equilibrium stationary currents of Markov processes in the context of the predictability of future states of the system. Once the connection between the predictability and the conditional entropy is established, we provide a comprehensive approach to the definition of a multi-particle Markov system. In particular, starting from the well-known theory of random walk on network, we derive the non-linear master equation for an interacting multi-particle system under the one-step process hypothesis, highlighting the limits of its tractability and the prop- erties of its stationary solution. Lastly, in order to study the impact of the NESS on the predictability at short times, we analyze the conditional entropy by modulating the intensity of the stationary currents, both for a single-particle and a multi-particle Markov system. The results obtained analytically are numerically tested on a 5-node cycle network and put in correspondence with the stationary entropy production. Furthermore, because of the low dimensionality of the single-particle system, an analysis of its spectral properties as a function of the modulated stationary currents is performed.

Anaerobic oxidation of ethanol over spinel mixed oxides: the first step in the steam-iron process for H2 production

The future hydrogen demand is expected to increase, both in existing industries (including upgrading of fossil fuels or ammonia production) and in new technologies, like fuel cells. Nowadays, hydrogen is obtained predominantly by steam reforming of methane, but it is well known that hydrocarbon based routes result in environmental problems and besides the market is dependent on the availability of this finite resource which is suffering of rapid depletion. Therefore, alternative processes using renewable sources like wind, solar energy and biomass, are now being considered for the production of hydrogen. One of those alternative methods is the so-called “steam-iron process” which consists in the reduction of a metal-oxide by hydrogen-containing feedstock, like ethanol for instance, and then the reduced material is reoxidized with water to produce “clean” hydrogen (water splitting). This kind of thermochemical cycles have been studied before but currently some important facts like the development of more active catalysts, the flexibility of the feedstock (including renewable bio-alcohols) and the fact that the purification of hydrogen could be avoided, have significantly increased the interest for this research topic. With the aim of increasing the understanding of the reactions that govern the steam-iron route to produce hydrogen, it is necessary to go into the molecular level. Spectroscopic methods are an important tool to extract information that could help in the development of more efficient materials and processes. In this research, ethanol was chosen as a reducing fuel and the main goal was to study its interaction with different catalysts having similar structure (spinels), to make a correlation with the composition and the mechanism of the anaerobic oxidation of the ethanol which is the first step of the steam-iron cycle. To accomplish this, diffuse reflectance spectroscopy (DRIFTS) was used to study the surface composition of the catalysts during the adsorption of ethanol and its transformation during the temperature program. Furthermore, mass spectrometry was used to monitor the desorbed products. The set of studied materials include Cu, Co and Ni ferrites which were also characterized by means of X-ray diffraction, surface area measurements, Raman spectroscopy, and temperature programmed reduction.

Organic matter deposition/resuspension in a one-dimensional physical-biogeochemical model. A modelling study

The shallow water configuration of the gulf of Trieste allows the propagation of the stress due to wind and waves along the whole water column down to the bottom. When the stress overcomes a particular threshold it produces resuspension processes of the benthic detritus. The benthic sediments in the North Adriatic are rich of organic matter, transported here by many rivers. This biological active particulate, when remaining in the water, can be transported in all the Adriatic basin by the basin-wide circulation. In this work is presented a first implementation of a resuspension/deposition submodel in the oceanographic coupled physical-biogeochemical 1-dimensional numerical model POM-BFM. At first has been considered the only climatological wind stress forcing, next has been introduced, on the surface, an annual cycle of wave motion and finally have been imposed some exceptional wave event in different periods of the year. The results show a strong relationship between the efficiency of the resuspension process and the stratification of the water column. During summer the strong stratification can contained a great quantity of suspended matter near to the bottom, while during winter even a low concentration of particulate can reach the surface and remains into the water for several months without settling and influencing the biogeochemical system. Looking at the biologic effects, the organic particulate, injected in the water column, allow a sudden growth of the pelagic bacteria which competes with the phytoplankton for nutrients strongly inhibiting its growth. This happen especially during summer when the suspended benthic detritus concentration is greater.

Optimization of a polyhydroxyalkanoates production process using a halotolerant mixed microbial culture

The rate at which petroleum based plastics are being produced, used and thrown away is increasing every year because of an increase in the global population. Polyhydroxyalkanoates can represent a valid alternative to petroleum based plastics. They are biodegradable polymers that can be produced by some microorganisms as intracellular reserves. The actual problem is represented by the production cost of these bioplastics, which is still not competitive if compared to the one of petroleum based plastics. Mixed microbial cultures can be fed with substrates obtained from the acidogenic fermentation of carbon rich wastes, such as cheese whey, municipal effluents and various kinds of food wastes, that have a low or sometimes even inexisting cost and in this way wastes can be valorized instead of being discharged. The process consists of three phases: acidogenic fermentation in which the substrate is obtained, culture selection in which a PHA-storing culture is selected and enriched eliminating organisms that do not show this property and accumulation, in which the culture is fed until reaching the maximum storage capacity. In this work the possibility to make the process cheaper was explored trying to couple the selection and accumulation steps and a halotolerant culture collected from seawater was used and fed with an artificially salted synthetic substrated made of an aqueous solution containing a mixture of volatile fatty acids in order to explore also if its performance can allow to use it to treat substrates derived from saline effluents, as these streams cannot be treated properly by bacterias found in activated sludge plants due to inhibition caused by high salt concentrations. Generating and selling the produced PHAs obtained from these bacterias it could be possible to lower, nullify or even overcome the costs associated to the new section of a treating plant dedicated to saline effluents.