Catalytic liquid- and gas-phase oxidations for the synthesis of intermediates and specialty chemicals: some examples of industrial relevance

Nowadays, it is clear that the target of creating a sustainable future for the next generations requires to re-think the industrial application of chemistry. It is also evident that more sustainable chemical processes may be economically convenient, in comparison with the conventional ones, because fewer by-products means lower costs for raw materials, for separation and for disposal treatments; but also it implies an increase of productivity and, as a consequence, smaller reactors can be used. In addition, an indirect gain could derive from the better public image of the company, marketing sustainable products or processes. In this context, oxidation reactions play a major role, being the tool for the production of huge quantities of chemical intermediates and specialties. Potentially, the impact of these productions on the environment could have been much worse than it is, if a continuous efforts hadn’t been spent to improve the technologies employed. Substantial technological innovations have driven the development of new catalytic systems, the improvement of reactions and process technologies, contributing to move the chemical industry in the direction of a more sustainable and ecological approach. The roadmap for the application of these concepts includes new synthetic strategies, alternative reactants, catalysts heterogenisation and innovative reactor configurations and process design. Actually, in order to implement all these ideas into real projects, the development of more efficient reactions is one primary target. Yield, selectivity and space-time yield are the right metrics for evaluating the reaction efficiency. In the case of catalytic selective oxidation, the control of selectivity has always been the principal issue, because the formation of total oxidation products (carbon oxides) is thermodynamically more favoured than the formation of the desired, partially oxidized compound. As a matter of fact, only in few oxidation reactions a total, or close to total, conversion is achieved, and usually the selectivity is limited by the formation of by-products or co-products, that often implies unfavourable process economics; moreover, sometimes the cost of the oxidant further penalizes the process. During my PhD work, I have investigated four reactions that are emblematic of the new approaches used in the chemical industry. In the Part A of my thesis, a new process aimed at a more sustainable production of menadione (vitamin K3) is described. The “greener” approach includes the use of hydrogen peroxide in place of chromate (from a stoichiometric oxidation to a catalytic oxidation), also avoiding the production of dangerous waste. Moreover, I have studied the possibility of using an heterogeneous catalytic system, able to efficiently activate hydrogen peroxide. Indeed, the overall process would be carried out in two different steps: the first is the methylation of 1-naphthol with methanol to yield 2-methyl-1-naphthol, the second one is the oxidation of the latter compound to menadione. The catalyst for this latter step, the reaction object of my investigation, consists of Nb2O5-SiO2 prepared with the sol-gel technique. The catalytic tests were first carried out under conditions that simulate the in-situ generation of hydrogen peroxide, that means using a low concentration of the oxidant. Then, experiments were carried out using higher hydrogen peroxide concentration. The study of the reaction mechanism was fundamental to get indications about the best operative conditions, and improve the selectivity to menadione. In the Part B, I explored the direct oxidation of benzene to phenol with hydrogen peroxide. The industrial process for phenol is the oxidation of cumene with oxygen, that also co-produces acetone. This can be considered a case of how economics could drive the sustainability issue; in fact, the new process allowing to obtain directly phenol, besides avoiding the co-production of acetone (a burden for phenol, because the market requirements for the two products are quite different), might be economically convenient with respect to the conventional process, if a high selectivity to phenol were obtained. Titanium silicalite-1 (TS-1) is the catalyst chosen for this reaction. Comparing the reactivity results obtained with some TS-1 samples having different chemical-physical properties, and analyzing in detail the effect of the more important reaction parameters, we could formulate some hypothesis concerning the reaction network and mechanism. Part C of my thesis deals with the hydroxylation of phenol to hydroquinone and catechol. This reaction is already industrially applied but, for economical reason, an improvement of the selectivity to the para di-hydroxilated compound and a decrease of the selectivity to the ortho isomer would be desirable. Also in this case, the catalyst used was the TS-1. The aim of my research was to find out a method to control the selectivity ratio between the two isomers, and finally to make the industrial process more flexible, in order to adapt the process performance in function of fluctuations of the market requirements. The reaction was carried out in both a batch stirred reactor and in a re-circulating fixed-bed reactor. In the first system, the effect of various reaction parameters on catalytic behaviour was investigated: type of solvent or co-solvent, and particle size. With the second reactor type, I investigated the possibility to use a continuous system, and the catalyst shaped in extrudates (instead of powder), in order to avoid the catalyst filtration step. Finally, part D deals with the study of a new process for the valorisation of glycerol, by means of transformation into valuable chemicals. This molecule is nowadays produced in big amount, being a co-product in biodiesel synthesis; therefore, it is considered a raw material from renewable resources (a bio-platform molecule). Initially, we tested the oxidation of glycerol in the liquid-phase, with hydrogen peroxide and TS-1. However, results achieved were not satisfactory. Then we investigated the gas-phase transformation of glycerol into acrylic acid, with the intermediate formation of acrolein; the latter can be obtained by dehydration of glycerol, and then can be oxidized into acrylic acid. Actually, the oxidation step from acrolein to acrylic acid is already optimized at an industrial level; therefore, we decided to investigate in depth the first step of the process. I studied the reactivity of heterogeneous acid catalysts based on sulphated zirconia. Tests were carried out both in aerobic and anaerobic conditions, in order to investigate the effect of oxygen on the catalyst deactivation rate (one main problem usually met in glycerol dehydration). Finally, I studied the reactivity of bifunctional systems, made of Keggin-type polyoxometalates, either alone or supported over sulphated zirconia, in this way combining the acid functionality (necessary for the dehydrative step) with the redox one (necessary for the oxidative step). In conclusion, during my PhD work I investigated reactions that apply the “green chemistry” rules and strategies; in particular, I studied new greener approaches for the synthesis of chemicals (Part A and Part B), the optimisation of reaction parameters to make the oxidation process more flexible (Part C), and the use of a bioplatform molecule for the synthesis of a chemical intermediate (Part D).

Trasformazioni asimmetriche indotte da cristallizzazione di miscele diastereoisomeriche di aldeidi alpha-epimerizzabili

In the last few years organic chemistry has focused attention on enantiomeric resolution. Among the several techiniques, crystallization-induced diastereoisomeric transformation (CIDT) aroused the interest because of high yields, as well as to meet the criteria of green chemistry. The process is applied in the specific way for a racemic mixtures of α- epimerizable aldehydes, in order to obtain enatiomerically enrichment mixtures. This technique involves the transformation of a racemic mixture of enantiomers into a diasteroisomeric one by a reaction with a enantiopure auxiliary (Betti’s base). Then, to mixture of diastereoisomers is applied the acid-catalyzed enrichment process: in solution, the epimerization of more soluble diastereoisomer occurs, accompanied by precipitation and hence the removal of the less soluble one from the equilibrium. Finally, through the hydrolysis reaction, it was possible to recover the enantiomerically enriched aldehydes.

Analisi del ciclo di vita di processi chimici industriali: applicazione alla sintesi di acrilonitrile mediante reazione di ammonossidazione

La green chemistry può essere definita come “l’utilizzo di una serie di principi che riducono o eliminano l’uso o la formazione di sostanze pericolose nella progettazione, produzione e applicazione di prodotti chimici”. . È in questo contesto che si inserisce la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), come strumento di analisi e di valutazione. Lo scopo del presente lavoro di tesi è l’analisi degli impatti ambientali associati a processi chimici, ambito ancora poco sviluppato nella letteratura degli studi di LCA. Viene studiato e modellato il ciclo di vita (dall’ottenimento delle materie prime fino alla produzione del prodotto) della reazione di ammonossidazione per la produzione di acrilonitrile, valutando e comparando due alternative di processo: quella tradizionale, che utilizza propilene ( processo SOHIO), e le vie sintetiche che utilizzano propano, ad oggi poco sviluppate industrialmente. Sono stati pertanto creati sei scenari: due da propene (SOHIO FCC, con propene prodotto mediante Fluid Catalytic Cracking, e SOHIO Steam), e quattro da propano (ASAHI, MITSUBISHI, BP povero e ricco in propano). Nonostante la produzione dell’alcano abbia un impatto inferiore rispetto all’olefina, dovuto ai minori stadi di processo, dai risultati emerge che l’ammonossidazione di propano ha un impatto maggiore rispetto a quella del propene. Ciò è dovuto ai processi catalitici che utilizzano propano, che differiscono per composizione e prestazioni, rispetto a quelli da propene: essi risultano meno efficienti rispetto ai tradizionali, comportando maggiori consumi di reattivi in input . Dai risultati emerge che gli scenari da propano presentano maggiori impatti globali di quelli da propene per le categorie Cambiamento climatico, Formazione di materiale e Consumo di combustibili fossili. Invece per la categoria Consumo di metalli un impatto maggiore viene attribuito ai processi che utilizzano propene, per la maggior percentuale di metalli impiegata nel sistema catalitico, rispetto al supporto. L’analisi di contributo, eseguita per valutare quali sono le fasi più impattanti, conferma i risultati. Il maggior contributo per la categoria Consumo di combustibili fossili è ascrivibile ai processi di produzione del propano, dell’ammoniaca e del solfato di ammonio ( legato all’ammoniaca non reagita ). Stessi risultati si hanno per la categoria Cambiamento climatico, mentre per la categoria Formazione di materiale particolato, gli impatti maggiori sono dati dai processi di produzione del solfato di ammonio, del propano e dell’acido solforico (necessario per neutralizzare l’ammoniaca non reagita). Per la categoria Consumo di metalli, il contributo maggiore è dato dalla presenza del catalizzatore. È stata infine eseguita un’analisi di incertezza tramite il metodo Monte Carlo, verificando la riproducibilità dei risultati.

Derivati naturali dell'acido difenolico per la sostituzione del bisfenolo A

La produzione di materie plastiche da fonti rinnovabili è oggi uno dei principali obiettivi della chimica dei polimeri. Anche se i materiali termoplastici da fonte “bio” sono stati già ampiamente studiati, non si può affermare lo stesso per i termoidurenti. Le resine epossidiche sono ampiamente usate come rivestimenti, adesivi e materiali strutturali grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche e alla buona resistenza al calore. Nonostante ciò, la ricerca svolta in questo campo su tali materiali è molto limitata e la loro produzione deriva ancora dalla reazione tra epicloridrina, cancerogena, e bisfenolo A, sospettato di avere effetti sul sistema ormonale. Per questo, la possibilità di trovare un sostituto per il bisfenolo A è un punto cruciale della chimica per dare una risposta eco-sostenibile alla domanda dei consumatori. L’acido difenolo è stato identificato come un buon canditato per la sostituzione del bisfenolo A, grazie alla similarità delle loro strutture. Dal momento che esso deriva dalla reazione tra acido levulinico, derivante da biomassa e fenolo, è possibile considerarlo un reagente di origine bio. Lo scopo di questo lavoro è quello di sostituire il fenolo con composti fenolici di origine naturale come m-cresolo, guaiacolo, catecolo e resorcinolo. Le molecole risultanti saranno confrontate con il bisfenolo A per ciò che concerne la possibilità di formare i rispettivi glicidil eteri tramite reazione con epicloridrina. Questo permetterebbe la formazione di un pre-polimero epossidico proveniente da fonte rinnovabile in un prossimo futuro.

Sviluppo dei materiali innovativi e studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici

Nell’ambito della Chimica Sostenibile e dell’applicazione dei suoi principi per la salvaguardia dell’ambiente, il progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di materiali innovativi e lo studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici. In particolare l’attività si è focalizzata sulla sintesi di liquidi ionici ed indagini delle interazioni con membrane cellulari e sull’utilizzo ed isolamento di molecole da fonti rinnovabili. I liquidi ionici sono sali organici liquidi a temperature inferiori ai 100 °C; sono considerati promettenti solventi a ridotta tossicità, ma vanno chiarite a pieno le modalità di interazione con i sistemi biologici ed i meccanismi di tossicità. A questo scopo è stata impiegata una batteria di test bio-chimici, con saggi di fluorescenza e colorimetrici, che hanno permesso di discriminare le diverse tipologie di interazioni con varie strutture di membrana. Le informazioni raccolte sono servite per progettare sostanze meno dannose per le strutture cellulari, al fine di scegliere le funzionalità molecolari che consentano ai liquidi ionici di mantenere la loro attività ma di essere meno dannosi per l’ambiente. Per quanto riguarda l’utilizzo ed isolamento di molecole da fonte rinnovabili, si è utilizzata la tecnica della pirolisi per l’ottenimento di starting materials ed il loro impiego nella sintesi di chemicals in alternativa a composti derivanti da fonti fossili. La pirolisi tradizionale della cellulosa fornisce una molecola interessante, per semplicità denominata LAC, in quantità insufficienti ad un uso applicativo. Nell’ambito delle ricerche svolte è stato scoperto che la pirolisi condotta in presenza di catalizzatori meso-strutturati (MCM-41) drogati con metalli di transizione, fornisce buone quantità di LAC. LAC si è dimostrato promettente sia per la produzione di nuove molecole con possibili applicazioni nella chimica fine e farmaceutica, che come monomero per nuovi polimeri (copolimero ed omopolimero).

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.

Biodiesel ottenuto da olio di babassu e sue miscele: studio di produzione e controllo di qualità

Il contributo all’innalzamento del riscaldamento globale, prodotto dai combustibili fossili è un dei principali problemi ambientali. Le bioenergie potrebbero contribuire enormemente alla riduzione di questo fenomeno, sostituendo in parte i combustibili tradizionali di origine fossile. In questo contesto, può collocarsi il biodiesel prodotto a partire da oli vegetali, rappresentando una valida e strategica alternativa. Il biodiesel è una miscela di metil esteri di acidi grassi, [fatty acids methyl esters (FAME)], normalmente ottenuta tramite reazione di transesterificazione tra oli vegetali e alcol a catena corta in presenza di un catalizzatore acido o basico in catalisi sia omogena che eterogenea. Il biodiesel si colloca tra le materie prime di seconda generazione e può risultare una buona base di partenza per ottenere un biodiesel performante e con un basso costo finale.

Sintesi e caratterizzazione di prepolimeri per resine epossidiche derivanti da fonti rinnovabili e naturali attraverso un processo a basso impatto ambientale

La sostituzione di materie prime provenienti da risorse fossili con biomasse rinnovabili, utilizzando un processo a basso impatto ambientale, è una delle più importanti sfide della "Green Chemistry". Allo stesso tempo, la sintesi di resine epossidiche fornisce la chiave per la realizzazione di materiali ad alto valore aggiunto. Tuttavia, ad oggi, il 90% della produzione di resine epossidiche è basato sull'uso di bisfenolo A, che ha effetti di xenoestrogeno, ed epicloridrina, tossica e cancerogena. Su queste basi, è stata individuata una strategia sintetica per la sintesi di prepolimeri innovativi per resine epossidiche, che utilizza come substrato di reazione diidrossibenzeni di origine naturale ed evita l'uso di epicloridrina e altri reagenti tossici o pericolosi. La suddetta strategia sintetica è basata sulla sequenza: allilazione dei diidrossibenzeni - epossidazione dei doppi legami ottenuti. In questa procedura non vengono utilizzati drastiche condizioni di reazione e il solvente è acqua, con una catalisi di trasferimento di fase o, in aggiunte di acetonitrile, in un sistema bifasico. La resa complessiva dei due “step” dipende dalla posizione dei due ossidrili nei diidrossibenzeni. Il reagente che porta la resa massima è l’idrochinone (1,4 diidrossibenzene), che, come riportato in letteratura, permette la formazione di resine epossidiche con proprietà simili alle resine di epicloridrina e bisfenolo A. The substitution of raw materials from fossil fuels with renewable biomass using a low environmental impact process is one of the greatest challenges of the "Green Chemistry". At the same time, the synthesis of epoxy resins provides the key to the realization of high added value materials. However, 90% of the production of epoxy resins is based on the use of bisphenol A, a xenoestrogen, and epichlorohydrin, that is toxic and carcinogenic. On these bases, a synthetic strategy for the synthesis of innovative prepolymers of epoxy resins, that uses dihydroxybenzenes of natural origin as reaction substrates and avoids the use of epichlorohydrin and other toxic or dangerous reagents has been identified. The above synthetic strategy is based on the sequence: allylation of dihydroxybenzenes - epoxidation of the double bonds obtained. In this procedure, drastic reaction conditions are dismissed and the solvent used is water with a phase transfer catalysis or, in addition, acetonitrile in a biphasic system. The overall yield of the two steps depends on the position of the two hydroxyls of the dihydroxybenzenes. The reagent that leads to the highest yield is hydroquinone (1,4 dihydroxybenzene), which, as reported in literature, allows the formation of epoxy resins with similar properties to the resins from bisphenol A and epichlorohydrin.

Analisi del ciclo di vita della produzione industriale di acroleina: confronto tra il processo tradizionale e vie di sintesi alternative.

La green chemistry può essere definita come l’applicazione dei principi fondamentali di sviluppo sostenibile, al fine di ridurre al minimo l’impiego o la formazione di sostanze pericolose nella progettazione, produzione e applicazione di prodotti chimici. È in questo contesto che si inserisce la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), come strumento di analisi e di valutazione. Il presente lavoro di tesi è stato condotto con l’intenzione di offrire una valutazione degli impatti ambientali associati al settore dei processi chimici di interesse industriale in una prospettiva di ciclo di vita. In particolare, è stato studiato il processo di produzione di acroleina ponendo a confronto due vie di sintesi alternative: la via tradizionale che impiega propilene come materia prima, e l’alternativa da glicerolo ottenuto come sottoprodotto rinnovabile di processi industriali. Il lavoro si articola in due livelli di studio: un primo, parziale, in cui si va ad esaminare esclusivamente il processo di produzione di acroleina, non considerando gli stadi a monte per l’ottenimento delle materie prime di partenza; un secondo, più dettagliato, in cui i confini di sistema vengono ampliati all’intero ciclo produttivo. I risultati sono stati confrontati ed interpretati attraverso tre tipologie di analisi: Valutazione del danno, Analisi di contributo ed Analisi di incertezza. Dal confronto tra i due scenari parziali di produzione di acroleina, emerge come il processo da glicerolo abbia impatti globalmente maggiori rispetto al tradizionale. Tale andamento è ascrivibile ai diversi consumi energetici ed in massa del processo per l’ottenimento dell’acroleina. Successivamente, per avere una visione completa di ciascuno scenario, l’analisi è stata estesa includendo le fasi a monte di produzione delle due materie prime. Da tale confronto emerge come lo scenario più impattante risulta essere quello di produzione di acroleina partendo da glicerolo ottenuto dalla trans-esterificazione di olio di colza. Al contrario, lo scenario che impiega glicerolo prodotto come scarto della lavorazione di sego sembra essere il modello con i maggiori vantaggi ambientali. Con l’obiettivo di individuare le fasi di processo maggiormente incidenti sul carico totale e quindi sulle varie categorie d’impatto intermedie, è stata eseguita un’analisi di contributo suddividendo ciascuno scenario nei sotto-processi che lo compongono. È stata infine eseguita un’analisi di incertezza tramite il metodo Monte Carlo, verificando la riproducibilità dei risultati.

Sostituzione dell'epicloridrina con derivati del glicerolo nella preparazione di prepolimeri per resine epossidiche bio-based.

La recente e innovativa filosofia della green chemistry che si sta diffondendo nell’industria chimica e l’incombente esaurimento di risorse fossili, stanno indirizzando la ricerca del settore chimico verso la realizzazione di processi sempre più sostenibili. Tra i processi che necessitano maggiormente di questi cambiamenti, vi è quello della produzione di resine epossidiche che per il 90% è costituito attualmente da resine a base di bisfenolo-A, neuro tossico e pericoloso per la riproduzione umana, ed epicloridrina cancerogena; entrambi ottenuti da risorse fossili. Per tali motivi, in questo elaborato si è cercato di sviluppare un processo di sintesi il più possibile “green”, per l’ottenimento di una molecola derivante da risorse rinnovabili, da sostituire all’epicloridrina nella sintesi di prepolimeri per resine epossidiche bio-based. Lo sviluppo del lavoro è avvenuto tramite lo studio dei reagenti, solventi e parametri operativi, ottenendo il glicidil tosilato a partire da glicerolo e tosil cloruro attraverso una reazione in sistema bifasico, semplice dal punto di vista pratico e senza l’utilizzo di composti tossici. Il glicidil tosilato è meno problematico in quanto meno volatile rispetto all’epicloridrina, ed inoltre le prove di reazione con il bisfenolo-A hanno portato all’ottenimento del prepolimero con rese maggiori rispetto a quelle ottenute nelle stesse condizioni con epicloridrina.

Assessment and optimization of chemical industrial processes from a life cycle perspective

During the PhD program in chemistry, curriculum in environmental chemistry, at the University of Bologna the sustainability of industry was investigated through the application of the LCA methodology. The efforts were focused on the chemical sector in order to investigate reactions dealing with the Green Chemistry and Green Engineering principles, evaluating their sustainability in comparison with traditional pathways by a life cycle perspective. The environmental benefits associated with a reduction in the synthesis steps and the use of renewable feedstock were assessed through a holistic approach selecting two case studies with high relevance from an industrial point of view: the synthesis of acrylonitrile and the production of acrolein. The current approach wants to represent a standardized application of LCA methodology to the chemical sector, which could be extended to several case studies, and also an improvement of the current databases, since the lack of data to fill the inventories of the chemical productions represent a huge limitation, difficult to overcome and that can affects negatively the results of the studies. Results emerged from the analyses confirms that the sustainability in the chemical sector should be evaluated from a cradle-to-gate approach, considering all the stages and flows involved in each pathways in order to avoid shifting the environmental burdens from a steps to another. Moreover, if possible, LCA should be supported by other tools able to investigate the other two dimensions of sustainability represented by the social and economic issues.

Synthesis of new bioactive β-lactam compounds

New biologically active β-lactams were designed and synthesized, developing novel antibiotics and enzymatic inhibitors directed toward specific targets. Within a work directed to the synthesis of mimetics for RGD (Arg-Gly-Asp) sequence able to interact with αvβ3 and α5β1-type integrins, new activators were developed and their Structure-Activity Relationships (SAR) analysis deepened, enhancing their activity range towards the α4β1 isoform. Moreover, to synthesize novel compounds active both against bacterial infections and pulmonary conditions of cystic fibrosis patients, new β-lactam candidates were studied. Among the abundant library of β-lactams prepared, mainly with antioxidant and antibacterial double activities, it was identified a single lead to be pharmacologically tested in vivo. Its synthesis was optimized up to the gram-scale, and pretreatment method and HPLC-MS/MS analytical protocol for sub-nanomolar quantifications were developed. Furthermore, replacement of acetoxy group in 4-acetoxy-azetidinone derivatives was studied with different nucleophiles and in aqueous media. A phosphate group was introduced and the reactivity exploited using different hydroxyapatites, obtaining biomaterials with multiple biological activities. Following the same kind of reactivity, a small series of molecules with a β-lactam and retinoic hybrid structure was synthesized as epigenetic regulators. Interacting with HDACs, two compounds were respectively identified as an inhibitor of cell proliferation and a differentiating agent on steam cells. Additionally, in collaboration with Professor L. De Cola at ISIS, University of Strasbourg, some new photochemically active β-lactam Pt (II) complexes were designed and synthesized to be used as bioprobes or theranostics. Finally, it was set up and optimized the preparation of new chiral proline-derived α-aminonitriles through an enantioselective Strecker reaction, and it was developed a chemo-enzymatic oxidative method for converting alcohols to aldehydes or acid in a selective manner, and amines to relative aldehydes, amides or imines. Moreover, enzymes and other green chemistry methodologies were used to prepare Active Pharmaceutical Ingredients (APIs).

New and More Sustainable Processes for the Synthesis of Phenolics: 2-phenoxyethanol and hydroxytyrosol

The research work has dealt with the study of new catalytic processes for the synthesis of fine chemicals belonging to the class of phenolics, namely 2-phenoxyethanol and hydroxytyrosol. The two synthetic procedures investigated have the advantages of being much closer to the Green Chemistry principles than those currently used industrially. In both cases, the challenge was that of finding catalysts and methods which led to the production of less waste, and used less hazardous chemicals, safer solvents, and reusable heterogeneous catalysts. In the case of 2-phenoxyethanol, the process investigated involves the use of ethylene carbonate (EC) as the reactant for phenol O-hydroxyethylation, in place of ethylene oxide. Besides being a safer reactant, the major advantage of using EC in the new synthesis is the better selectivity to the desired product achieved. Moreover, the solid catalyst based on Na-mordenite was fully recyclable. The reaction mechanism and the effect of the Si/Al ratio in the mordenite were investigated. In the case of hydroxytyrosol, which is one of the most powerful natural antioxidants, a new synthetic procedure was investigated; in fact, the method currently employed, the hydrolysis of oleuropein, an ester extracted from the waste water processing of the olive, makes use of large amounts of organic solvents (hexane, ethyl acetate), and involves several expensive steps of purification. The synthesis procedure set up involves first the reaction between catechol and 2,2-dimethoxyacetaldehyde, followed by the one-pot reduction of the intermediate to give the desired product. Both steps were optimized, in terms of catalyst used, and of reaction conditions, that allowed to reach ca 70% yield in each step. The reaction mechanism was investigated and elucidated. During a 3-month period spent at the University of Valencia (with Prof. A. Corma’s group), a process for the production of diesel additives (2,5-bis(propoxymethyl)furan) from fructose has been investigated.

Selective photo-oxidation of glucose

Biomass transformation into high-value chemicals has attracted attention according to the “green chemistry” principles. Low price and high availability make biomass one of the most interesting renewable resources as it provides the means to create sustainable alternatives to the oil-derived building blocks of the chemical industry In recent year, the need for alternative environmentally friendly routes to drive chemical reactions has in photocatalytic processes an interesting way to obtain valuable chemicals from various sources using the solar light as energy source. The purpose of this work was to use supported noble metal nanoparticles in the selective photo-oxidation of glucose through using visible light. Glucose was chosen as model molecule because it is the cheapest and the most common monosaccharide. Few studies about glucose photo oxidation have been conducted so far, and reaction mechanism is still not totally explained. The aim of this work was to systematically analyze and assess the impact of several parameters (eg. catalyst/substrate ratio, reaction time, effect of the solvent and light source) on the reaction pathway and to monitor the product distribution in order to draw a general reaction scheme for the photo oxidation of glucose under visible light. This study regards the reaction mechanism and the influence of several parameters, such as solvent, light power and substrate concentration. Furthermore, the work focuses on the influence of gold and silver nanoparticles and on the influence of metal loading. The glucose oxidation was monitored through the mass balance and the products selectivity. Reactions were evaluated in terms of glucose conversion, mass balance and selectivities towards arabinose and gluconic acid. In conclusion, this study is able to demonstrate that the photo oxidation of glucose under visible light is feasible; the full identification of the main products allows, for the first time, a comprehensive reaction mechanism scheme.

Preparazione di una resina epossidica bio-based e studio delle relative proprietà

Epoxy resins are very diffused materials due to their high added value deriving from high mechanical proprieties and thermal resistance; for this reason they are widely used both as metallic coatings in aerospace and in food packaging. However, their preparation uses dangerous reagents like bisphenol A and epichlorohydrin respectively classified as suspected of causing damage to fertility and to be carcinogen. Therefore, to satisfy the ever-growing attention to environmental problems and human safeness, we are considering alternative “green” processes through the use of reagents obtained as by-products from other processes and mild experimental conditions, and also economically sustainable and attractive for industries. Following previous results, we carried out the reaction leading to the formation of diphenolic acid (DPA), its allylation and the following epoxidation of the double bonds, all in aqueous solvent. In a second step the obtained product were cross-linked at high temperature with and without the use of hardeners. Then, on the obtained resin, some tests were performed like release in aqueous solution, scratch test and DSC analysis.