Idrossiapatite biologica e di sintesi: analisi attraverso spettroscopia Raman

Le tradizionali tecniche usate per l’analisi della struttura e della composizione comprendono, tra le altre, microscopia ottica, microscopia elettronica, diffrazione a raggi X e analisi chimica. In generale però, la maggior parte di questi metodi richiede una procedura di preparazione che può modificare la struttura o la composizione del campione. È necessario infatti che il campione non subisca alterazioni particolari durante la fase di preparazioni in modo tale che le condizioni fisiologiche rimangano il più possibile simili a quelle che si hanno in situ. Una tecnica che ultimamente sta diventando sempre più significativa in ambito biomedico è la spettroscopia Raman. Innanzitutto con l’analisi Raman la quantità di materiale da studiare per ottenere buoni risultati è minima, visto che possono essere studiati campioni che vanno dai micro ai nanogrammi; inoltre, possono essere analizzati campioni umidi e a pressione atmosferica, condizioni che rispecchiano verosimilmente quelle fisiologiche. Questo tipo di analisi è inoltre vantaggiosa dato che riesce a identificare diversi composti chimici, ha un’elevata risoluzione spaziale (0.6-1µm), riuscendo quindi ad analizzare campioni molto piccoli, ha tempi di misura brevi e può essere utilizzato più volte sullo stesso campione senza che quest’ultimo venga danneggiato. Nel seguente elaborato si sono riportati i risultati di diversi studi condotti sull’idrossiapatite naturale/biologica e sintetica ottenuti mediante questa tecnica spettroscopica. In particolare, ci si è soffermati sulla diversa concentrazione di OH- presente nell’apatite stechiometrica rispetto a quella biologica e di come tale concentrazione sia influenzata dalla presenza o meno dello ione carbonato. Si riportano inoltre le analisi condotte su campioni sintetici e biologici per comprendere se le molecole di acqua si trovino all’interno della struttura del minerale (acqua di bulk) o se siano solamente assorbite in superficie.

Sintesi di monomeri derivati da acidi carbossilici omega insaturi e successiva sintesi di poliesteri

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto basato sulla ricerca di monomeri e polimeri derivati da fonte bio, in un’ottica di transizione verso una chimica green legata alla realizzazione di prodotti ottenuti da risorse rinnovabili e con processi a basso impatto ambientale. I polimeri bio, in particolare, sono prodotti parzialmente o interamente ottenibili da risorse rinnovabili, quali oli vegetali, zuccheri, grassi, resine, proteine, amminoacidi, frazioni lignocellulosiche, etc, e non da petrolio. Tra questi, gli oli vegetali sono interessanti come reagenti di partenza perché permettono di minimizzare l’uso di derivati petrolchimici e sono disponibili in quantità maggiore rispetto al petrolio. Una possibilità di sintesi di polimeri da oli consiste nel trasformare gli acidi grassi, ottenendo composti bifunzionali che possono agire da precursori nella polimerizzazione: in questo modo si possono ottenere molti polimeri lineari, tra cui poliuretani, polieteri, poliesteri, poliammidi, etc. Questo è stato l’approccio seguito per la sintesi dei poliesteri alla base del progetto di tesi. In particolare, il lavoro si è articolato nella sintesi di monomeri e polimeri utilizzando derivati di acidi carbossilici omega insaturi. Inizialmente, trattandosi di prove esplorative sulla fattibilità delle reazioni, è stato utilizzato un precursore commerciale: visti i buoni risultati ottenuti, lo studio è poi proseguito con la sintesi di poliesteri a partire da prodotti di origine naturale. Tutte le polimerizzazioni sono state effettuate in massa. Per ogni reagente, monomero e polimero sono state effettuate analisi NMR (1H-NMR, 13C-NMR, HSQC, HMBC); su alcuni reagenti e monomeri è stata invece effettuata analisi GC-MS. Infine, su tutti i polimeri ottenuti sono state effettuate analisi ATR, GPC, DSC e TGA.

Caratterizzazione meccanica di lastre multistrato in materiale plastico con migliorata reazione al fuoco

Si caratterizza dal punto di vista del carico di rottura la lastra ondulata leggera multistrato in materiale plastico dell'azienda Edil Plast Srl. Si valuta la reazione al fuoco della grecata e si introducono i concetti fondamentali dell'incendio, della combustione e dei ritardanti di fiamma. Si presenta una panoramica delle normative vigenti in Italia e in Europa. Si cerca di inserire appositi antifiamma nella mescola della lastra grecata in modo da ottenere una migliorata reazione al fuoco.

Sintesi e proprietà fotovoltaiche di polimeri contenenti gruppi elettron donatori e accettori in catena principale

Negli ultimi anni è notevolmente aumentato l’interesse nei confronti dei materiali organici semiconduttori da utilizzare in diversi dispositivi, come, ad esempio, celle fotovoltaiche organiche (OPV). In questo campo si inseriscono i polimeri coniugati ed in particolar modo i polialchiltiofeni (PATs). In questa tesi di laurea magistrale vengono descritte sintesi di monomeri e polimeri tiofenici 3-alchil-sostituiti contenenti un'unità elettron accettrice di benzotiadiazolo. In particolar modo sono stati sintetizzati poli-4,7-bis-(3-esiltiofen-2-il)benzo [1,2,5]tiadiazolo e poli- 4,7 -bis-(3-metossiesiltiofene-2-il)benzo[1,2,5]tiadiazolo, studiando l’effetto dell’ossigeno presente in catena laterale sulle proprietà del materiale. È stata effettuata la caratterizzazione chimico fisica dei polimeri tramite analisi termiche DSC e TGA, cromatografia a permeazione su gel (GPC) e analisi UV-Vis e PL. Sono state inoltre effettuate prove di conducibilità testando i polimeri come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche SMOCs e BHJ, per valutare l’effetto dell’unità di benzotiadiazolo sul trasporto delle cariche.

Analisi del tempo di reazione dei conducenti dei veicoli con metodologie innovative: l'influenza del sistema Adaptive Cruise Control

La presente tesi si pone l’obiettivo di studiare e comprendere l’influenza che i sistemi di assistenza alla guida (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems), installati negli autoveicoli di nuova generazione, hanno sulla condotta di guida degli automobilisti, con particolare attenzione alla distrazione ed al workload che essi provocano. Punto centrale dell’analisi è il sistema Adaptive Cruise Control (ACC) che permette al guidatore del veicolo sia di mantenere una velocità di marcia costante sia di rilevare, tramite sensoristica, i veicoli che lo precedono, intervenendo sul sistema frenante e sulla centralina di controllo del motore, così da garantire il mantenimento della distanza di sicurezza selezionata. Lo studio, attraverso l’utilizzo di tecniche innovative, si sofferma, in particolare, sull’analisi del comportamento di guida dei conducenti a bordo di un veicolo dotato di Adaptive Cruise Control. Il fine della ricerca è quello di determinare se e quanto il sistema ACC influisca sul conducente in termini di carico di lavoro cognitivo e fisico e di livelli d’attenzione, concentrandosi sulla valutazione del tempo di reazione con sistema acceso o spento.

Il glicerol carbonato come reagente innovativo per la derivatizzazione di composti fenolici

Supportato da una crescente consapevolezza ambientale, il glicerolo carbonato ha guadagnato molto interesse negli ultimi 20 anni grazie alla sua versatile reattività e alla possibilità di valorizzare il glicerolo co-prodotto nella sintesi di biodiesel. Sono stati identificati numerosi percorsi di sintesi per questa molecola, alcuni dei quali molto promettenti e sul punto di essere applicati su scala industriale. Qui, riportiamo uno studio volto a valorizzare il glicerol carbonato come intermedio chimico, in particolare come agente alchilante innovativo del fenolo al fine di sintetizzare aril gliceril eteri. Queste molecole trovano importanti applicazioni come intermedi chiave per la sintesi di un'ampia classe di farmaci e agenti terapeutici. Abbiamo effettuato la reazione in massa senza l’impiego di solventi, con una miscela di glicerolo carbonato e fenolo, in presenza di un catalizzatore basico (omogeneo o eterogeneo). È interessante notare come, nelle condizioni ottimizzate, sia stato possibile ottenere un'alta conversione dei reagenti, unita ad una elevata resa e selettività negli aril gliceril eteri voluti, già dopo poche ore di reazione. Inoltre, è stato proposto un approccio multi-step per la sintesi selettiva di difenil gliceril eteri.

Elettroriduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale: studio dei parametri di reazione

I processi di riduzione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) sono generalmente condotti mediante processi che utilizzano calore e alte pressioni di H2. Una via alternativa prevede l’applicazione di processi elettrochimici, i quali richiedono condizioni più blande e non necessitano di H2. Il lavoro di tesi qui presentato si concentra sullo studio della elettoriduzione del 5-idrossimetilfurfurale a 2,5-bis(idrossimetil)furano, tramite l’utilizzo di catalizzatori basati su schiume 3D a cella aperta di Cu, sopra le quali viene depositato Ag tramite elettrodeposizione. La caratterizzazione elettrochimica è stata condotta tramite voltammetrie a scansione lineare fatte in tampone borato 0,5M e in HMF, seguite da cronoamperometrie (CA) e cronopotenziometrie (CP); inoltre sono stati valutati l’effetto dei parametri di reazione, quali concentrazione iniziale di reagente, potenziale applicato e densità di corrente applicata sulla conversione, selettività ed efficienza faradica. Le prove effettuate a due diverse concentrazioni di HMF (0,02M e 0,05M), con potenziale di -1,3V vs SCE, mostrano che all’aumentare della concentrazione di reagente si ha un calo della selettività in BHMF. Mantenendo la concentrazione a 0,05M e variando il potenziale applicato, si è osservato un aumento importante della selettività in BHMF a potenziali meno catodici e un calo della conversione a potenziali più catodici; la prova a -1,25V vs SCE fornisce i migliori risultati, tuttavia il tempo di reazione a questo potenziale è molto elevato, portando ad un netto calo della produttività. All’aumentare della densità di corrente si osserva un aumento della selettività in BHMF e una riduzione della conversione, mentre la FE è stabile.

Studio mediante spettroscopia vibrazionale di foto-dimerizzazioni [2+2] in cristalli molecolari

Lo scopo della tesi è lo studio di fotoreazioni di cicloaddizione [2 + 2] in stato solido mediante l’utilizzo di tecniche di spettroscopia vibrazionale Raman e IR. La nostra attenzione si è focalizzata su processi di sistemi organici del tipo “crystal to crystal” (CC) o “single crystal to single crystal” (SCSC), che avvengono con la trasformazione del cristallo del reagente in quello del prodotto. Argomento principale del lavoro di tesi sono i cristalli dei sali di bromuro e cloruro dell’acido 4-ammino-trans-cinnamico, che dimerizzano sotto irraggiamento UV. Il lavoro fa parte di un progetto di ampio respiro svolto in collaborazione con ricercatori del Dipartimento di Chimica “G. Ciamician”, che coinvolge anche cristalli misti dei due sali. Lo studio condotto da loro mediante misure di diffrazione ai raggi X ha stabilito che il processo in esame è del tipo SCSC. L’indagine in microscopia Raman su cristallo singolo si è prefissa di analizzare, in funzione del tempo di irraggiamento, l’evoluzione dello spettro delle vibrazioni sia intramolecolari che reticolari, ottenendo in una stessa misura informazioni sulla trasformazione chimica e su quella di reticolo. A differenza di quanto avviene in processi di dimerizzazione CC con ricostruzione di fase, si è constatato che reazione chimica e cambio di reticolo avvengono in modo parallelo e simultaneo. Inoltre si è osservato che lo spettro delle vibrazioni reticolari evolve senza soluzione di continuità da quello della fase reagente a quello della fase prodotto. Questo è un risultato interessante, di un fenomeno mai osservato prima nello studio Raman di reazioni in stato solido. L’analoga indagine IR su polveri, che si limita alla vibrazione intermolecolare, ha permesso di ricavare la legge cinetica della reazione. Lo stesso metodo di indagine spettroscopica è stato applicato anche alla fotodimerizzazone con meccanismo [2 + 2] dell’acido trans-3-(2-furil)acrilico, processo interessante dal punto di vista industriale.

Sintesi di nuovi derivati pirimidinici e valutazione della loro attività biologica come antitumorali

L'inibizione dell'attività della proteina CDC20, importante nel processo di regolazione del ciclo cellulare, è attualmente considerata un target sul quale indirizzare la ricerca di farmaci per il trattamento della leucemia mieloide acuta (LAM). Recenti studi hanno evidenziato che il nucleo 2-amminopirimidinico e il gruppo tricloroetilenico si sono dimostrati essenziali per l’inibizione del processo di attivazione di CDC20. In questo lavoro di tesi è spiegata la sintesi di derivati indolici, benzotiazolici e benzofurazanici aventi in comune i gruppi 2-amminopirimidinico e tricloroetilenico; sono inoltre riportati i risultati dei saggi di attività biologica effettuati su linee cellulari di LAM e altri carcinomi umani.

Sintesi, caratterizzazione e nano-strutturazione di politiofeni e loro applicazione in celle solari

Negli ultimi decenni i polimeri coniugati, grazie alla loro peculiarità di essere dei semiconduttori organici, hanno attirato l’attenzione della ricerca scientifica, e tra questi composti rientrano i politiofeni. Versatilità, robustezza chimica strutturale e fluorescenza sono alcune delle proprietà che caratterizzano tali composti e che hanno permesso di esplorare nuovi materiali da un punto di vista scientifico e tecnologico. Recentemente molto interessanti sono risultate essere le nanoparticelle politiofeniche poiché permettono di modulare le proprietà chimico-fisiche dei relativi polimeri, ampliandone le potenzialità a trovare applicazione in molteplici dispositivi elettronici, tra cui le celle solari (CS) organiche. Infatti, molto attivo è l’interesse della comunità scientifica per ottimizzare questi dispositivi ricercando nuovi prodotti che soddisfino diversi requisiti, come riduzione dell’impatto ambientale, la facilità di preparazione e compatibilità con substrati flessibili. In tale contesto, uno degli obiettivi della ricerca attualmente si focalizza sulla preparazione di nuovi accettori da usare in CS organiche alternativi ai derivati fullerenici, i quali presentano diversi svantaggi. Alla luce dei più recenti risultati si è visto che i politiofeni push-pull, caratterizzati dall’alternanza di gruppi accettori (A) e gruppi donatori (D), hanno una notevole potenzialità a rimpiazzare tali materiali e ad essere usati come accettori non-fullerenici. Infatti, questi hanno permesso di ottenere buoni risultati in termini di conversioni ed efficienze delle celle fotovoltaiche. Lo scopo di questo lavoro di tesi è sintetizzare sei nuovi polimeri a base tiofenica (quattro con sequenza A-D e due con sequenza A-A) per studiarne le possibili applicazioni come materiali accettori non-fullerenici e la loro organizzazione in strutture ordinate di nanoparticelle.

Studio e sintesi di politiofeni water-soluble contenenti gruppi elettron donatori e accettori in catena principale

Il progressivo esaurimento delle risorse fossili e l’incremento delle problematiche ambientali legate al rilascio di gas serra contribuiscono alla ricerca e all’utilizzo di fonti energetiche alternative. In questo scenario, i dispositivi fotovoltaici organici (OPVs) rappresentano uno dei modi più affascinanti e promettenti per trasformare l’energia solare, una riserva energetica potenzialmente inesauribile, a costo nullo e non inquinante, in energia elettrica. Materiali organici utilizzabili in questi dispositivi sono i polimeri π-coniugati. In quest’ottica, il lavoro è stato focalizzato sulla preparazione di due nuovi polimeri: il primo, contenente unità elettron-donatrici e accettrici in catena principale, ottenuto via polimerizzazione ossidativa in presenza di FeCl3 e successivamente post-funzionalizzato con tributilfosfina per renderlo ionico e idrosolubile; il secondo, a base di politiofene non ionico ma polare, avente funzionalità eteree nelle catene laterali, preparato sfruttando il metodo GRIM. Questi materiali sono stati caratterizzati mediante analisi spettroscopiche e verranno successivamente testati all’interno di celle solari fotovoltaiche organiche aventi configurazione SMOSCs (il primo) e BHJ (il secondo).

Studio della reattività di cluster carbonilici di Rh con sali di Au(I)

Il progetto di tesi si è focalizzato sullo studio della reattività del cluster carbonilico [Rh7(CO)16]3- in presenza del sale Au(Et2S)Cl. Ogni reazione investigata è stata svolta in atmosfera controllata di CO, modificando i rapporti stechiometrici tra il precursore e il sale di Au(I) in diversi solventi. Inizialmente si è tentato di riprodurre la sintesi del cluster bimetallico [Rh20Au7(CO)45]5- già noto, utilizzando Au(Et2S)Cl. Si è poi amplificato lo studio con l’obiettivo principale di sintetizzare nuovi cluster bimetallici ad alta nuclearità. È stato ottenuto un composto nuovo analizzato tramite diffrattometria ai raggi X a cristallo singolo: [Rh22Au3(CO)x]n-. Tramite i dati cristallografici è stato possibile definirne la sola struttura metallica, e nonostante i diversi tentativi, il composto non ha prodotto cristalli migliori per una completa caratterizzazione. Viste le quantità significative di sottoprodotti a bassa nuclearità ottenute nelle reazioni studiate, parallelamente sono state condotte prove di recupero del rodio in quanto metallo prezioso. Infine, è stato ottimizzato un metodo per separare due specie già note con carica negativa simile, [Rh10Au(CO)26]3- e [Rh16Au6(CO)36]4-. Tutti i composti sono stati caratterizzati tramite spettroscopia IR, mentre sul nuovo cluster è stata effettuata anche un’analisi alla spettrometria di massa.

Ottimizzazione del processo di distillazione per il recupero del TiCl4 in un impianto di sintesi dei catalizzatori Ziegler-Natta

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di fattibilità e valutazione comparativa di soluzioni impiantistiche e di processo finalizzate all’ottimizzazione dell’attuale sezione di distillazione di un impianto di produzione dei catalizzatori Ziegler-Natta. Il TiCl4 figura tra i principali reagenti impiegati nella sintesi dei catalizzatori, ma la tecnologia attualmente in uso non ne consente il totale recupero. A partire da una panoramica dell’intero processo produttivo dei catalizzatori Ziegler-Natta, si sono analizzate le criticità della sezione di distillazione e si sono valutate possibili soluzioni. Con l’obiettivo di ottenere un significativo recupero del TiCl4 rispetto alla situazione attuale, lo studio di fattibilità si è orientato verso un processo di distillazione con solvente. Al fine di valutare l’efficacia di tale soluzione, si è utilizzato il programma Aspen Plus V12. I principali composti coinvolti nel processo, che verranno implementati nell’ambiente di simulazione, sono: il TiCl4, il TiCl3(OC2H5) e un solvente. Quest’ultimo è il risultato di una ricerca tra sostanze con proprietà idonee al processo di distillazione studiato. Per ognuno dei composti sono richieste le principali proprietà termo-fisiche. Tuttavia, per il TiCl3(OC2H5) non vi sono informazioni disponibili presso le banche dati e la molecola è termicamente instabile. È stato perciò impiegato un particolare approccio ai contributi di gruppo per stimarne le proprietà d’interesse. Il solvente adottato è costituito da una miscela di isomeri: sono state effettuate delle misurazioni al fine di confermare un composto puro per l’ambiente di simulazione. Le simulazioni di processo hanno permesso di condurre con successo lo studio di fattibilità. Ulteriori proposte impiantistiche e per apparecchiature sono state valutate a completamento di tale studio. Il presente lavoro è stato svolto presso il centro Ricerche e Sviluppo “Giulio Natta” nella sede di Ferrara di LyondellBasell Industries.

Studio delle ruote di reazione per il controllo di assetto e progetto di un banco prova per CubeSat

Il seguente elaborato, che riporta il lavoro di tesi svolto presso il Laboratorio di microsatelliti e microsistemi spaziali dell’Università di Bologna, parte dallo studio e dallo sviluppo di un modello relativo all’attuazione di ruote di reazione montate a bordo di un nanosatellite tramite l’utilizzo del software Matlab. Successivamente tali concetti sono stati utilizzati per lo sviluppo di una piattaforma testbed adibita alla valutazione del sottosistema di determinazione e controllo di assetto di un satellite, in questo caso delle dimensioni standard 1U. Si è partiti da un progetto di base già presente in laboratorio con la necessità però di aggiornarlo, introducendo miglioramenti su alcuni aspetti tecnici. Per fare ciò, si sono valutati i requisiti fondamentali di progetto, per poi valutare le molteplici soluzioni riguardanti tutti gli aspetti, dalle guide di scorrimento ai sistemi di fissaggio per il satellite, ognuna di esse considerando pro e contro attentamente analizzati al fine di giungere al miglior compromesso. Molte delle scelte progettuali sono scaturite a seguito di analisi quantitative al fine di garantire il corretto funzionamento della piattaforma ed ottenere, quindi, risultati quanto più affidabili a seguito dei test.

Dalla Sintesi di Leganti Polimerici alla Realizzazione di Adesivi da Parquet

This final report is part of a research project by Kerakoll S.P.A aimed to the realization and optimization of hybrid adhesive for the parquet using hybrid polyurethane silanizated (STPU). Hybrid polymers belong to polyurethane polymers which undergo an hybridization process where the classic isocyanate groups are converted into a alkoxysilylether terminated chain. The aim of this thesis was to realize hybrid polymers with specific proprieties compared to the indexes wanted by the company; another goal of this project was to use this polymers STPU to realize adhesive for the parquet which should be competitive in the adhesive market. All activities were carried out in a chemistry laboratory with specific tools for the synthesis of polymers and characterization of the finals products. The study led to two prototypes; the second was obtained thanks to the use of the experimental design procedure known as DOE (Design Of Experiment), a recently acquired approach by the company, which allows the rationalization of the formulas and the creation of a database that can be extended and implemented indefinitely.