Progettazione e sintesi di nuovi derivati azetidinonici biologicamente attivi

In this PhD-thesis new synthetic approaches towards new azetidinone derivatives are described. In particular, 4-alkyliden-β-lactams were used as starting materials for the preparation of new biologically active compounds. The carbapenem Thienamycin has got a broad spectrum of activity as antibiotic. It has got 3 stereocenters and apart of one epimer, all isomers have been synthesized. Using the 4-alkyliden-β-lactam benzilyc ester as precursor, we developed a synthesis for this missing epimer, which is described in chapter II. Biological tests in order to establish its biological activity are under way. The Hunsdiecker-Borodine reaction was extensively studied for the preparation of the mono halogenated and – surprisingly – the dihalogenated derivative from the 4-alkyliden-azetidinone carboxylic acid. The herein described synthetic procedures allowed the preparation of chloro-, bromo- and iodo derivatives in good to excellent yield. Furthermore, the reaction mechanism was investigated by NMR-experiments and is described in detail in chapter III. In chapter IV, synthetic approaches towards new β-lactam derivatives for inhibition of the histone deacetylase enzymes (HDACs) are reported. In collaboration with the company Sigma-Tau (Rome), 14 new β-lactams were synthesized. The new β-lactams were evaluated for the activity showing a promising activityparticulary, 10 of the β-lactams synthesized were evaluated for the in vitro inhibitory activity against the 11 human HDACs isoforms and they showed a selective inhibition of HDAC6 or HDAC8 in micromolar range. Finally, preliminary studies were conducted for the employment of 4-alkyliden-β-lactams as precursors for the synthesis of chiral β-amino acids by an opening of the β-lactam ring. In chapter V is described the ring opening reaction catalyzed by the enzyme lipase Cal-B. Preliminary results have shown that the enzyme not only catalyzes the ring opening of the β-lactam precursor, moreover, it leads to the formation of a cyclic dimer by the reaction of two molecules of β-amino acid obtained.

Derivati polimerici organometallici ancorati su matrice inorganica per applicazioni in chimica fine

Organotin compounds have found in the last few decades a wide variety of applications. Indeed, they are used successfully as antifouling paints, PVC stabilizers and ion carriers, as well as homogeneous catalysts. In this context, it has been proved that the Lewis acidity of the metal centre allows these compounds to promote the reaction between alcohol and ester. However their use is now limited by their well-known toxicity, moreover they are hardly removable from the reaction mixture. This problem can be overcome by grafting the organotin derivative onto a polymeric cross-linked support. In this way the obtained heterogeneous catalyst can be easily filtered off from the reaction mixture, thus creating the so-called "clean organotin reagents", avoiding the presence of toxic organotin residues in solution and the tin release in the environment. In the last few years several insoluble polystyrene resins containing triorganotin carboxylate moieties have been synthesized with the aim of improving their catalytic activity: in particular we have investigated and opportunely modified their chemical structure in order to optimize the accessibility to the metal centre and its Lewis acidity. Recently, we replaced the polymeric matrix with an inorganic one, in order to dispose of a relatively cheaper and easily available support. For this purpose an ordered mesoporous silica, characterized by 2D-hexagonal pores, named MCM-41, and an amorphous silica have been selected. In the present work two kinds of MCM-41 silica containing the triorganotin carboxylate moiety have been synthesized starting from a commercial Cab-O-Sil M5 silica. These catalysts have two different spacers between the core and the tin-carboxylate moiety, namely a polyaliphatic chain (compound FT29) or a poliethereal one (compound FT6), with the aim to improve the interaction between catalyst and reacting ester. Three catalysts supported onto an amorphous silica have been also synthesized: the structure is the same as silica FT29, i.e. a compound having a polialiphatic chain, and they have different percentage of organotin derivative grafted on the silica surface (10, 30, 50% respectively for silica MB9, SU27 and SU28). The performances of the above silica as heterogeneous catalysts in transesterification reactions have been tested in a model reaction between ethyl acetate and 1-octanol, a primary alcohol sensitive to the reaction conditions. The alcohol conversion was assessed by gas-chromatography, determining the relative amount of transesterified product and starting alcohol after established time intervals.

From 3,3,4,4-Tetraethoxybut-1-yne to furan derivatives

The starting material for this project was the highly functionalized compound 3,3,4,4- tetraethoxybut-1-yne (TEB) and it can be prepared from ethyl vinyl ether by a 4-steps synthesis. The third and the fourth step in TEB synthesis were sensitive to reaction conditions, so it was developed a strategy to try to optimize the third step and obtain TEB with higher yields. An approach, which tries to optimize also the fourth step, will be developed in further works. Several γ-hydroxy-α,β-unsaturated acetylenic ketones can be prepared from 3,3,4,4- tetraethoxybut-1-yne. TEB and γ-hydroxy-α,β-unsaturated acetylenic ketones have been previously synthesized in good yields using various reaction routes. In this work will be shown the synthesis of 1,1-diethoxy-5-hydroxyhex-3-yn-2-one, 1,1-diethoxy-5-hydroxyundec-3-yn-2-one and 1,1-diethoxy-5-hydroxydodec-3-yn-2-one, which will react with ethyl acetoacetate to give, respectively, ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)-2,5-dimethylfuran-3-carboxylate, ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)-5-hexyl-2-methylfuran-3-carboxylate and ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)- 5-heptyl-2-methylfuran-3-carboxylate furan derivatives. This thesis project was carried out during the year 2011, at the Department of Chemistry of the University of Bergen.

Sistemi liquido cristallini complessi: simulazioni al calcolatore e studi ESR

The aim of this PhD thesis was to study at a microscopic level different liquid crystal (LC) systems, in order to determine their physical properties, resorting to two distinct methodologies, one involving computer simulations, and the other spectroscopic techniques, in particular electron spin resonance (ESR) spectroscopy. By means of the computer simulation approach we tried to demonstrate this tool effectiveness for calculating anisotropic static properties of a LC material, as well as for predicting its behaviour and features. This required the development and adoption of suitable molecular models based on a convenient intermolecular potentials reflecting the essential molecular features of the investigated system. In particular, concerning the simulation approach, we have set up models for discotic liquid crystal dimers and we have studied, by means of Monte Carlo simulations, their phase behaviour and self­-assembling properties, with respect to the simple monomer case. Each discotic dimer is described by two oblate Gay­Berne ellipsoids connected by a flexible spacer, modelled by a harmonic "spring" of three different lengths. In particular we investigated the effects of dimerization on the transition temperatures, as well as on the characteristics of molecular aggregation displayed and the relative orientational order. Moving to the experimental results, among the many experimental techniques that are typically employed to evaluate LC system distinctive features, ESR has proved to be a powerful tool in microscopic scale investigation of the properties, structure, order and dynamics of these materials. We have taken advantage of the high sensitivity of the ESR spin probe technique to investigate increasingly complex LC systems ranging from devices constituted by a polymer matrix in which LC molecules are confined in shape of nano- droplets, as well as biaxial liquid crystalline elastomers, and dimers whose monomeric units or lateral groups are constituted by rod-like mesogens (11BCB). Reflection-mode holographic-polymer dispersed liquid crystals (H-PDLCs) are devices in which LCs are confined into nanosized (50­-300 nm) droplets, arranged in layers which alternate with polymer layers, forming a diffraction grating. We have determined the configuration of the LC local director and we have derived a model of the nanodroplet organization inside the layers. Resorting also to additional information on the nanodroplet size and shape distribution provided by SEM images of the H-PDLC cross-section, the observed director configuration has been modeled as a bidimensional distribution of elongated nanodroplets whose long axis is, on the average, parallel to the layers and whose internal director configuration is a uniaxial quasi- monodomain aligned along the nanodroplet long axis. The results suggest that the molecular organization is dictated mainly by the confinement, explaining, at least in part, the need for switching voltages significantly higher and the observed faster turn-off times in H-PDLCs compared to standard PDLC devices. Liquid crystal elastomers consist in cross-linked polymers, in which mesogens represent the monomers constituting the main chain or the laterally attached side groups. They bring together three important aspects: orientational order in amorphous soft materials, responsive molecular shape and quenched topological constraints. In biaxial nematic liquid crystalline elastomers (BLCEs), two orthogonal directions, rather than the one of normal uniaxial nematic, can be controlled, greatly enhancing their potential value for applications as novel actuators. Two versions of a side-chain BLCEs were characterized: side­-on and end­-on. Many tests have been carried out on both types of LCE, the main features detected being the lack of a significant dynamical behaviour, together with a strong permanent alignment along the principal director, and the confirmation of the transition temperatures already determined by DSC measurements. The end­-on sample demonstrates a less hindered rotation of the side group mesogenic units and a greater freedom of alignment to the magnetic field, as already shown by previous NMR studies. Biaxial nematic ESR static spectra were also obtained on the basis of Molecular Dynamics generated biaxial configurations, to be compared to the experimentally determined ones, as a mean to establish a possible relation between biaxiality and the spectral features. This provides a concrete example of the advantages of combining the computer simulation and spectroscopic approaches. Finally, the dimer α,ω-bis(4'-cyanobiphenyl-4-yl)undecane (11BCB), synthesized in the "quest" for the biaxial nematic phase has been analysed. Its importance lies in the dimer significance as building blocks in the development of new materials to be employed in innovative technological applications, such as faster switching displays, resorting to the easier aligning ability of the secondary director in biaxial phases. A preliminary series of tests were performed revealing the population of mesogenic molecules as divided into two groups: one of elongated straightened conformers sharing a common director, and one of bent molecules, which display no order, being equally distributed in the three dimensions. Employing this model, the calculated values show a consistent trend, confirming at the same time the transition temperatures indicated by the DSC measurements, together with rotational diffusion tensor values that follow closely those of the constituting monomer 5CB.

Complessi metallici come “probes” luminescenti per avidina: design e sintesi di leganti bifunzionali piridintriazolo-biotina

Studi recenti sull’utilizzo di sonde organometalliche per bioconiugazione sfruttano la possibilità di interazione di queste con una proteina, l’avidina, per la sua capacità di coordinarsi selettivamente ad una particolare molecola organica, la biotina. In questa tesi viene descritta la sintesi di due leganti bi-funzionali contenenti sia un’unità capace di fungere da legante per un opportuno metallo, che un’unità di biotina in grado di legarsi all’avidina. La differenza fra i due leganti risiede nello spaziatore che collega le due unità funzionali della molecola. Una volta ottenuti i leganti progettati, sono stati sintetizzati i corrispondenti complessi di Ir (III) e Re (I). Le proprietà fotofisiche sono state misurate sia in solvente organico che in soluzione acquosa e quindi sono state effettuate titolazioni dell’avidina con soluzioni acquose a titolo noto dei complessi sintetizzati, con il fine di comprendere come le proprietà luminescenti dei complessi vengano influenzate dalla bio-coniugazione tra biotina ed avidina.

Sintesi e caratterizzazione di copolimeri a blocchi derivanti da acido lattico

I copolimeri derivanti da acido lattico, hanno attirato una grande attenzione, negli ultimi decenni, per le loro caratteristiche di biodegradabilità e biocompatibilità e per questo sono stati ampiamente studiati i loro metodi di sintesi e le loro proprietà. Il lavoro presentato parte dalla sintesi dei due monomeri trimetilene carbonato (TMC) e p-diossanone (PDO) da utilizzare poi nella formazione di copolimeri a blocchi con il lattide commerciale racemo e levogiro. Tali copolimeri dovrebbero presentare la proprietà di memoria di forma. Nell’elaborato sono presentate le diverse tecniche di polimerizzazione sperimentate per ognuno dei copolimeri sintetizzati: la prima parte riguarderà i copolimeri TMC-lattide, inizialmente con lattide racemo (DL-lattide) e poi, trovato un metodo di sintesi appropriato, approfondito con esempi di polimerizzazione TMC-L-lattide; la seconda parte esaminerà invece i copolimeri PDO-DL-lattide.

Applicazioni di 1-azadieni in cicloaddizioni di Diels-Alder enantioselettive organocatalizzate

Lo scopo di questo lavoro è stato quello di studiare dettagliatamente la reattività dell’N-benzilossicarbonil-1-aza-butadiene, utilizzando diversi dienofili in reazioni di Diels-Alder catalitiche enantioselettive promosse da organocatalizzatori bifunzionali in grado di dare interazioni deboli come legami a idrogeno. Questo 1-azadiene infatti può dare in linea di principio sia prodotti derivanti da reazioni di Diels-Alder a domanda elettronica diretta in cui funge da diene, sia reazioni a domanda elettronica inversa in cui il doppio legame terminale dell’1-azadiene, maggiormente reattivo in quanto meno ingombrato, funge da olefina elettronricca (reazione di Povarov). Per effettuare questo studio sono stati provati vari dienofili tra cui olefine elettron povere bi- e monosostituite che portavano alla degradazione del diene; derivati della malimmide e del pirazolo che davano cilcloaddotti derivanti dalla classica cicloaddizione [4+2] Diels-Alder con ottime conversioni in modo altamente diastereoselettivo, ma bassi eccessi enantiomerici ed infine si sono provate diverse immine che portavano al cicloaddotto della reazione di Povarov con ottimi risultati in termini di conversione e buoni eccessi enantiomerici. Quest’ultima applicazione che permette la sintesi di interessanti prodotti variamente funzionalizzabili, sarà oggetto di studio in futuro per ottimizzare le condizioni della reazione.

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

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

Sintesi e caratterizzazione di La0.4Sr0.4TiO3 (LST) come anodo innovativo per celle a combustibile ad ossido solido (SOFC)

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono reattori elettrochimici che convertono l’energia chimica di un gas combustibile direttamente in energia elettrica con un’alta efficienza e con basse emissioni. Il materiale più comunemente usato come anodo, il Ni/YSZ cermet, mostra però numerosi svantaggi nell’applicazione quali la suscettibilità all’avvelenamento da zolfo e la deposizione di coke per cracking degli idrocarburi usati come combustibile. E’ perciò necessario sviluppare materiali alternativi che sopperiscano a questi problemi. Il titanato di stronzio drogato con lantanio con stechiometria La0.4Sr0.4TiO3 (LST) è stato scelto come anodo alternativo per le ottime proprietà possedute. Lo scopo del lavoro di tesi è stato quindi lo studio dell’influenza della natura dei precursori, delle condizioni di sintesi e dell’aggiunta di agenti porizzanti necessari per l’ottenimento della fase perovskitica pura e con porosità controllata. In un primo tempo è stata verificata la possibilità di ottenere la fase La0.4Sr0.4TiO3 pura mediante sintesi allo stato solido, trattando termicamente miscele di precursori diversi. I risultati ottenuti hanno evidenziato che l’utilizzo di nitrati metallici porta a risultati migliori rispetto all’utilizzo di carbonati ed ossidi poiché permette la formazione della fase perovskite a temperature inferiori e con una purezza maggiore. Poiché l’analisi elementare sui materiali preparati in questa prima fase ha evidenziato un problema sulla stechiometria, il metodo di sintesi è stato ottimizzato solubilizzando preventivamente i precursori di lantanio e stronzio e determinandone il titolo mediante ICP. Inoltre, sono state effettuate delle sintesi utilizzando TiO2 a diversa area superficiale, per verificare l’effetto sulle fasi formate di una maggior reattività di questo componente. Per completezza la perovskite è stata sintetizzata anche tramite sintesi sol-gel, utilizzando il metodo Pechini, ottenendo a 700°C la fase pura. L’analisi morfologica ha evidenziato che le polveri con caratteristiche migliori per la formatura sono quelle ottenute tramite sintesi allo stato solido. Le pastiglie prodotte, miscelando tali polveri e agenti porizzanti opportuni, hanno evidenziato la stabilità della fase perovskitica voluta ma anche la necessità di ottimizzare l’aggiunta del porizzante per avere una porosità adeguata all’applicazione del sistema quale anodo SOFC.

Processi di deposizione di blocking layers di TiO2 per Dye - Sensitized Solar Cells (DSSC)

Le Dye – Sensitized Solar Cells (DSSC) sono attualmente considerate tra le alternative più promettenti al fotovoltaico tradizionale. I ridotti costi di produzione e l’elevata versatilità di utilizzo rappresentano i punti di forza di questi dispositivi innovativi. Ad oggi la ricerca è concentrata prevalentemente sull’incremento delle prestazioni delle DSSC, ottenibile solamente attraverso un miglioramento delle funzioni dei singoli componenti e dell’interazione sinergica tra questi. Tra i componenti, ha recentemente assunto particolare interesse il blocking layer (BL), costituito generalmente da un film sottile di TiO2 depositato sulla superficie dell’anodo (FTO) e in grado di ottimizzare i fenomeni all’interfaccia FTO/TiO2/elettrolita. Nel corso di questo lavoro di tesi si è rivolta l’attenzione prevalentemente sulle caratteristiche del BLs (ad esempio proprietà morfologico – strutturali) cercando di mettere in correlazione il processo di deposizione con le caratteristiche finali del film ottenuto. A questo scopo è stato ottimizzato un processo di deposizione dei film via spin coating, a partire da soluzioni acquosa o alcolica di precursore (TiCl4). I film ottenuti sono stati confrontati con quelli depositati tramite un processo di dip coating riportato in letteratura. I BLs sono stati quindi caratterizzati tramite microscopia (SEM – AFM), spettrofotometria (UV.- Vis) e misure elettrochimiche (CV – EIS). I risultati ottenuti hanno messo in evidenza come i rivestimenti ottenuti da soluzione acquosa di precursore, indipendentemente dalla tecnica di deposizione utilizzata (spin coating o dip coating) diano origine a film disomogenei e scarsamente riproducibili, pertanto non idonei per l’applicazione nelle DSSC. Viceversa, i BLs ottenuti via spin coating dalla soluzione alcolica di TiCl4 sono risultati riproducibili, omogenei, e uniformemente distribuiti sulla superficie di FTO. Infine, l’analisi EIS ha in particolare evidenziato un effettivo aumento della resistenza al trasferimento di carica tra elettrodo FTO ed elettrolita in presenza di questi BLs, fenomeno generalmente associato ad un efficace blocking effect.

Biodegradazione di solventi clorurati in acque contaminate tramite cometabolismo aerobico: progettazione ed allestimento di prove in reattori a biomassa adesa

Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un consorzio altamente performante in grado di degradare il tricloroetilene (TCE) e l’1,1,2,2-tetracloroetano (TeCA) attraverso una degradazione aerobica cometabolica in reattori a letto impaccato (PBRs). Per questo obiettivo, sono state campionate da differenti pozzi di monitoraggio cinque acque di falda contaminate dai solventi clorurati sopra descritti e sono stati preparati 20 vial batch da 119 mL per testare differenti substrati di crescita della biomassa: metano, propano, butano, pentano. Substrato ed ossigeno sono stati periodicamenti riaggiunti. I solventi clorurati sono stati aggiunti a concentrazioni crescenti. Sono stati anche allestiti quattro reattori a colonna impaccata per testare il carrier più adatto per la biomassa selezionata. In tali reattori sono state condotte prove fluidodinamiche preliminari.

Produzione e caratterizzazione di schiume inorganiche a base geopolimerica

Scopo di questa tesi di laurea sperimentale (LM) è stata la produzione di geopolimeri a base metacaolinitica con una porosità controllata. Le principali tematiche affrontate sono state: -la produzione di resine geopolimeriche, studiate per individuare le condizioni ottimali ed ottenere successivamente geopolimeri con un’ultra-macro-porosità indotta; -lo studio dell’effetto della quantità dell’acqua di reazione sulla micro- e meso-porosità intrinseche della struttura geopolimerica; -la realizzazione di schiume geopolimeriche, aggiungendo polvere di Si, e lo studio delle condizioni di foaming in situ; -la preparazione di schiume ceramiche a base di allumina, consolidate per via geopolimerica. Le principali proprietà dei campioni così ottenuti (porosità, area superficiale specifica, grado di geopolimerizzazione, comportamento termico, capacità di scambio ionico sia delle resine geopolimeriche che delle schiume, ecc.) sono state caratterizzate approfonditamente. Le principali evidenze sperimentali riscontrate sono: A)Effetto dell’acqua di reazione: la porosità intrinseca del geopolimero aumenta, sia come quantità che come dimensione, all’aumentare del contenuto di acqua. Un’eccessiva diluizione porta ad una minore formazione di nuclei con l’ottenimento di nano-precipitati di maggior dimensioni. Nelle schiume geopolimeriche, l’acqua gioca un ruolo fondamentale nell’espansione: deve essere presente un equilibrio ottimale tra la pressione esercitata dall’H2 e la resistenza opposta dalla parete del poro in formazione. B)Effetto dell’aggiunta di silicio metallico: un elevato contenuto di silicio influenza negativamente la reazione di geopolimerizzazione, in particolare quando associato a più elevate temperature di consolidamento (80°C), determinando una bassa geopolimerizzazione nei campioni. C)Effetto del grado di geopolimerizzazione e della micro- e macro-struttura: un basso grado di geopolimerizzazione diminuisce l’accessibilità della matrice geopolimerica determinata per scambio ionico e la porosità intrinseca determinata per desorbimento di N2. Il grado di geopolimerizzazione influenza anche le proprietà termiche: durante i test dilatometrici, se il campione non è completamente geopolimerizzato, si ha un’espansione che termina con la sinterizzazione e nell’intervallo tra i 400 e i 600 °C è presente un flesso, attribuibile alla transizione vetrosa del silicato di potassio non reagito. Le prove termiche evidenziano come la massima temperatura di utilizzo delle resine geopolimeriche sia di circa 800 °C.

Morphological transitions in molecular and polymeric materials: patterning, fabrication, devices

This thesis individuates and characterizes irreversible transformations occurring in specific organic and oligomeric/polymeric thin films. These transformations are dewetting in discotic liquid crystals thin films and dewetting and smoothing in oligomeric and polyemeric films. Irreversible transformations are extensively characterized by means of optical and atomic force microscopy. In the case of discotic liquid crystals films the morphological characterization is performed sinchronically with electrical measurements of current during dewetting.