Luminophores and Carbon nanostructures: towards new functional materials

In the scenario of depleting fossil fuels, finding new energy technologies and conserving conventional energy resources have become essential to sustain modern civilization. While renewable energies are on the rise, considerable interest has been turned also to reduce energy consumption of conventional devices and appliances, which are often not yet optimized for this purpose. Modern nanotechnology provides a platform to build such devices by using nanomaterials showing exceptional physico-chemical properties. In particular, carbon materials (fullerenes, carbon nanotubes, graphene etc.), which show high thermal and electrical conductivity, aspect ratio, shear strength and chemical/mechanical resistance, are quite promising for a wide range of applications. However, the problem of solubility often hampers their handling and industrial utilization. These limitations can be mitigated by functionalizing carbon nanostructures, either covalently or non covalently, with organic or inorganic compounds. The exo- and endohedral functionalization of carbon nanotubes (CNTs) with organic/inorganic moieties to produce luminescent materials with desired properties are the main focus of this doctoral work. These hybrids have been thoroughly designed and characterized with chemical, microscopic and photophysical analyses. All the materials based on carbon nanostructures described in this thesis are innovative examples of photoactive and luminescent hybrids, and their morphological and photophysical properties help understanding the nature of interactions between the active units. This may prompt the design and fabrication of new functional materials for applications in the fields of optoelectronics and photovoltaics.

Electrosynthesis and characterization of structured catalysts

In this research work the optimization of the electrochemical system of LDHs as catalytic precursors on FeCrAlY foams was carried out. Preliminary sintheses were performed on flat surfaces in order to easily characterize the deposited material. From the study of pH evolution vs time at different cathodic potentials applied to a Pt electrode, the theoretical best working conditions for the synthesis of single hydroxides and LDH compounds was achieved. In order to define the optimal potential for the synthesis of a particular LDH compound, the collected data were compared with the interval of precipitation determined by titration with NaOH. However, the characterization of the deposited material on Pt surfaces did not confirm the deposition of a pure and homogeneous LDH phase during the synthesis. Instead a sequential deposition linked to the pH of precipitation of the involved elements is observed. The same behavior was observed during the synthesis of the RhMgAl LDH on FeCrAlY foam as catalytic precursor. Several parameters were considered in order to optimize the synthesis.. The development of electrochemical cells with different feature, such as the counter electrode dimensions or the contact between the foam and the potentiostat, had been carried out in order to obtain a better coating of the foam. The influence of the initial pH of the electrolyte solution, of the applied potential, of the composition of the electrolytic solution were investigated in order to improve a better coating of the catalyst support. Catalytic tests were performed after the calcination of the deposited foam for the CPO and SR reactions, showing an improve of performances along with optimization of the precursors synthesis conditions.

Synthesis of Modified Amino Acids and Insertion in Peptides and Mimetics. Structural Aspects and Impact on Biological Activity.

I studied the effects exerted by the modifications on structures and biological activities of the compounds so obtained. I prepared peptide analogues containing unusual amino acids such as halogenated, alkylated (S)- or (R)-tryptophans, useful for the synthesis of mimetics of the endogenous opioid peptide endomorphin-1, or 2-oxo-1,3-oxazolidine-4-carboxylic acids, utilized as pseudo-prolines having a clear all-trans configuration of the preceding peptide bond. The latter gave access to a series of constrained peptidomimetics with potential interest in medicinal chemistry and in the field of the foldamers. In particular, I have dedicated much efforts to the preparation of cyclopentapeptides containing D-configured, alfa-, or beta-aminoacids, and also of cyclotetrapeptides including the retro-inverso modification. The conformational analyses confirmed that these cyclic compounds can be utilized as rigid scaffolds mimicking gamma- or beta-turns, allowing to generate new molecular and 3D diversity. Much work has been dedicated to the structural analysis in solution and in the receptor-bound state, fundamental for giving a rationale to the experimentally determined bioactivity, as well as for predicting the activity of virtual compounds (in silico pre-screen). The conformational analyses in solution has been done mostly by NMR (2D gCosy, Roesy, VT, molecular dynamics, etc.). A special section is dedicated to the prediction of plausible poses of the ligands when bound to the receptors by Molecular Docking. This computational method proved to be a powerful tool for the investigation of ligand-receptor interactions, and for the design of selective agonists and antagonists. Another practical use of cyclic peptidomimetics was the synthesis and biological evaluation of cyclic analogues of endomorphin-1 lacking in a protonable amino group. The studies revealed that a inverse type II beta-turn on D-Trp-Phe constituted the bioactive conformation.

Food Safety and Mineral Oil Contaminated Paperboard Packaging: an Analytical Challenge and a Migration Study

Food packaging protects food, but it can sometimes become a source of undesired contaminants. Paper based materials, despite being perceived as “natural” and safe, can contain volatile contaminants (especially if made from recycled paper) able to migrate to food, as mineral oil, phthalates and photoinitiators. Mineral oil is a petroleum product used as printing ink solvent for newspapers, magazines and packaging. From paperboard printing and from recycled fibers (if present), mineral oil migrates into food, even if dry, through the gas phase. Its toxicity is not fully evaluated, but a temporary Acceptable Daily Intake (ADI) of 0.6 mg kg-1 has been established for saturated mineral oil hydrocarbons (MOSH), while aromatic hydrocarbons (MOAH) are more toxic. Extraction and analysis of MOSH and MOAH is difficult due to the thousands of molecules present. Extraction methods for packaging and food have been optimized, then applied for a “shopping trolley survey” on over 100 Italian and Swiss market products. Instrumental analyses were performed with online LC-GC/FID. Average concentration of MOSH in paperboards was 626 mg kg-1. Many had the potential of contaminating foods exceeding temporary ADI tens of times. A long term migration study was then designed to better understand migration kinetics. Egg pasta and müesli were chosen as representative (high surface/weight ratio). They were stored at different temperatures (4, 20, 30, 40 and 60°C) and conditions (free, shelved or boxed packs) for 1 year. MOSH and MOAH kinetic curves show that migration is a fast process, mostly influenced by temperature: in egg pasta (food in direct contact with paperboard), half of MOSH is transferred to food in a week at 40°C and in 8 months at 20°C. The internal plastic bag present in müesli slowed down the startup of migration, creating a “lag time” in the curves.

Advanced spectroscopic techniques and chemometric analysis for atmospheric organic aerosol characterization and source apportionment

Atmospheric aerosol particles directly impact air quality and participate in controlling the climate system. Organic Aerosol (OA) in general accounts for a large fraction (10–90%) of the global submicron (PM1) particulate mass. Chemometric methods for source identification are used in many disciplines, but methods relying on the analysis of NMR datasets are rarely used in atmospheric sciences. This thesis provides an original application of NMR-based chemometric methods to atmospheric OA source apportionment. The method was tested on chemical composition databases obtained from samples collected at different environments in Europe, hence exploring the impact of a great diversity of natural and anthropogenic sources. We focused on sources of water-soluble OA (WSOA), for which NMR analysis provides substantial advantages compared to alternative methods. Different factor analysis techniques are applied independently to NMR datasets from nine field campaigns of the project EUCAARI and allowed the identification of recurrent source contributions to WSOA in European background troposphere: 1) Marine SOA; 2) Aliphatic amines from ground sources (agricultural activities, etc.); 3) Biomass burning POA; 4) Biogenic SOA from terpene oxidation; 5) “Aged” SOAs, including humic-like substances (HULIS); 6) Other factors possibly including contributions from Primary Biological Aerosol Particles, and products of cooking activities. Biomass burning POA accounted for more than 50% of WSOC in winter months. Aged SOA associated with HULIS was predominant (> 75%) during the spring-summer, suggesting that secondary sources and transboundary transport become more important in spring and summer. Complex aerosol measurements carried out, involving several foreign research groups, provided the opportunity to compare source apportionment results obtained by NMR analysis with those provided by more widespread Aerodyne aerosol mass spectrometers (AMS) techniques that now provided categorization schemes of OA which are becoming a standard for atmospheric chemists. Results emerging from this thesis partly confirm AMS classification and partly challenge it.

Ossidazione catalitica del 5-idrossimetilfurfurale con sistemi Pd/Au supportati su TiO2

Al giorno d’oggi, la produzione di energia e di molecole di base per l’industria chimica è completamente dipendente da risorse non rinnovabili come petrolio, carbone e gas naturale ; con tali risorse in via di esaurimento e la sempre crescente domanda di energia e materiali da parte di tutte le economie, risulta obbligatorio sviluppare tecniche per la loro produzione da risorse rinnovabili. Le biomasse, oltre ad essere una fonte rinnovabile, generano minori emissioni di gas serra rispetto ai combustibili fossili, perché la CO2 rilasciata nei processi di utilizzo viene bilanciata da quella consumata nel processo di crescita delle biomasse stesse. Tuttavia, ad oggi, lo sfruttamento di queste fonti risulta ancora sfavorito economicamente a causa di processi industriali non ancora ottimizzati, i cui costi si ripercuotono sul prodotto finale. Le molecole derivanti dagli scarti lignocellulosici possono essere usate come molecole di partenza per industrie chimiche di qualsiasi tipo, da quelle farmaceutiche a quelle plastiche. Queste molecole sono già parzialmente funzionalizzate; ciò significa che la sintesi di prodotti chimici specifici richiede un minor numero di stadi rispetto ai building blocks petroliferi, con conseguente diminuzione di prodotti di scarto e sottoprodotti . Una delle molecole “piattaforma” identificate tra le più importanti per la produzione di diversi prodotti chimici, risulta essere il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) , derivante dalla disidratazione di polisaccaridi esosi, da cui si può ottenere tramite ossidazione selettiva, l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), potenziale sostituto dell’acido tereftalico nella produzione del PET e molti altri prodotti. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio della reattività di catalizzatori a base di Pd e Au/Pd utilizzati nella reazione di ossidazione dell’HMF a FDCA. Il lavoro svolto ha avuto come obiettivi principali: • L’ottimizzazione della sintesi di nanoparticelle di Pd e Au/Pd a diverso rapporto molare, e la caratterizzazione delle sospensioni ottenute mediante analisi DLS, XRD e TEM. • La preparazione di catalizzatori supportati su TiO2 e la caratterizzazione dei catalizzatori ottenuti tramite analisi BET, TEM e analisi termiche TGA/DSC. • Lo studio dell’attività catalitica dei catalizzatori preparati nell’ossidazione selettiva in fase liquida del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) ad acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA) e del meccanismo di reazione.

Valorizzazione di molecole da materie prime rinnovabili: la trasformazione del 2,5-diidrossimetilfurano con catalisi acida

The present work is part of a larger project aimed at obtaining compounds of industrial interest from renewable sources. The work is particularly aimed to investigate the reactivity of 2,5-bis-hydroxymethylfuran (BHMF), an important building block of organic nature easily obtainable from biomass, with acid catalysis. Through the study of the reactivity of BHMF in water, in the presence of an heterogeneous acid catalyst (Amberlyst 15), has been developed a new synthetic method for the preparation of α-6-hydroxy-6-methyl-4-enyl-2H-pyran-3-one a derivative whose molecular skeleton is similar to that of natural products which are used in pharmaceutical chemistry. The product is obtained in milder conditions and with better selectivity with respect to the strongly oxidizing conditions with which it is prepared in the literature starting from different precursors containing furan ring.

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.

Studio sull'applicazione di derivati dell'ammina di betti chirali in sistemi catalitici organici

In this thesis, the development of asymmetric α-alkylation of aldehydes using two new organocatalysts is described. Nowadays organocatalized asymmetric synthesis uses preferentially primary or secondary amines. In our case two new Betti bases derivatives have been used as organocatalysts. We tried to find a method based on resolution to obtain both enantiomers with ee major than 90%. At the end we tried them in an organocatalytic processes which involve indole derivatives and aldehydes as substrates. In questa tesi è descritto lo sviluppo del processo di alfa-alchilazione di aldeidi utilizzando due nuovi catalizzatori organici chirali. Al giorno d’oggi la sintesi asimmetrica organo catalitica sfrutta principalmente ammine primarie e secondarie chirali. Come organo catalizzatori, sono stati utilizzati due nuovi derivati della base di Betti. E’ stato ricercato un metodo che permettesse di risolvere entrambi gli enantiomeri e che permettesse di ottenere un eccesso enantiomerico maggiore del 90%. Infine questi catalizzatori sono stati utilizzati e ottimizzati in micro-processi che utilizzano un substrato indolico e di un’aldeide.

Studio di nuovi processi catalitici per la sintesi di acido adipico

L’acido adipico (AA) è un importante intermedio chimico prodotto in quantità pari a circa tre milioni di tonnellate annue, i cui usi riguardano principalmente la produzione di Nylon-6,6. Tutti i processi industriali odierni per la produzione dell’AA hanno in comune lo stadio finale di ossidazione con acido nitrico dell’ultimo intermedio di sintesi, che in genere è una miscela di cicloesanolo e cicloesanone (KA Oil). Esistono diversi problemi riguardanti questo processo, come la pericolosità che deriva dall’uso di acido nitrico concentrato. Dal punto di vista ambientale, il problema principale riguarda la produzione di protossido di azoto e di altri ossidi di azoto durante l’ultima fase di ossidazione con HNO3, per questo motivo, tutte le aziende che producono AA devono essere munite per legge di sistemi di abbattimento quantitativi o di recupero degli ossidi di azoto, che però risultano essere molto incisivi sul costo del processo. A livello industriale, quindi, il problema riguarda principalmente la sostenibilità economica, ma poiché queste procedure hanno un prezzo in termini di materiali ed energia, si ha anche un forte legame con la sostenibilità ambientale. Gli studi riguardanti nuovi processi per la produzione di AA sono numerosi; alcuni hanno portato a vie più “green”, ma solo pochi esempi sono veramente sostenibili dal punto di vista sia ambientale che economico. Il presente lavoro di tesi è diviso in due parti, entrambe riguardanti vie di sintesi alternative per la produzione di AA. La prima parte riguarda lo studio del secondo passaggio di una via di sintesi in due step che parte da cicloesene e che ha come intermedio l’1,2-cicloesandiolo.Sono stati provati catalizzatori eterogenei a base di nanoparticelle di Au supportate su MgO per il cleavage ossidativo in fase liquida del diolo con O2 in ambiente basico. La seconda parte invece riguarda il processo di sintesi dell’AA a partire da cicloesanone mediante l’ossidazione con perossido di idrogeno a e- caprolattone e la successiva ossidazione ad AA. Nello specifico, è stato studiato il meccanismo di reazione del primo passaggio in quanto evidenze sperimentali ottenute nel corso di lavori precedenti avevano dimostrato la presenza di un cammino di reazione differente da quello tipico per un’ossidazione di Baeyer-Villiger. In questa parte, si è studiato l’effetto di alcuni catalizzatori eterogenei a base di acidi di Lewis sui prodotti ottenuti nel primo stadio ossidativo.

Sintesi e caratterizzazione di polimeri anfifilici per il trasporto di materiale genetico

In questo lavoro sono stati sintetizzati dei copolimeri anfifilici random per il trasporto di materiale genetico. Si è partiti dalla sintesi di poli (glicidil metacrilato) mediante tecnica RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer), con il fine di ottenere un polimero con una distribuzione del peso molecolare ben definita. Il trattamento del polimero con un opportuno nucleofilo fornisce un materiale con caratteristiche differenti da quelle di partenza, con l’ottenimento di un polimero solubile in acqua. Altri trattamenti di funzionalizzazione con gruppi lipofili hanno fornito un materiale (copolimero random) anfifilico in grado di autoassemblarsi in acqua con formazione di micelle. Si è dimostrato che le micelle hanno un’interazione con del materiale genetico. I polimeri sono stati infine funzionalizzati con degli agenti fluorescenti.

Studio della metilazione del fenolo in fase gas su catalizzatori a base di ossidi metallici

È stata studiata la reattività di sistemi catalitici a base di ossidi misti di V e Fe per la reazione di metilazione del fenolo in fase gas con metanolo. Questi sistemi promuovono efficacemente la deidrogenazione del metanolo a formaldeide, ciò conferisce loro una grande attività e non è stata osservata alcuna disattivazione nei tempi di reazione tenuti. I principali prodotti ottenuti sono 2,6-xilenolo e o-cresolo. Il catalizzatore, inizialmente costituito da FeVO4 subisce, durante le prime fasi di reazione, una progressiva riduzione, fino all’ottenimento di una fase spinello stabile costituita da coulsonite FeV2O4 e magnetite.

Reazioni di vari reagenti elettrofili con derivati amminotiazolici ad elevato potere nucleofilo

The nucleophile/electrophile combination in the aromatic substitution reaction using aminothiazole derivatives as nucleophiles has been the subject of this study. The reaction between 2,4-dipyrrolidinylthiazole and the neutral carbon electrophile 1,3,5-trinitrobenzene gave a stable Wheland-Meisenheimer (WM) complex. This represents another example, among those already found by the research group in which this work has been carried out, of stable zwitterionic σ-intermediates. When the reaction was carried out with halonitrobenzene derivatives, it produced the substitution product in position 5 of the thiazole ring. 2,4-dipyrrolidinylthiazole and arenediazonium salts gave the coupling product at the C5 of the thiazole ring together with many byproducts and the stable Wheland intermediate formed by attack of the proton on the C5 of the starting thiazole reagent. Arenediazonium salts were coupled also with 2-pyrrolidinylthiazole. In this case quantitative formation of the substitution product deriving from the attack of the electrophile on the carbon nucleophilic position of the thiazole ring was obtained. In conclusion, the results had allowed to expand the knowledge on electrophilic/nucleophilic interactions in the aromatic substitution involving thiazole heteroaromatics and provided a further example of stable Wheland-Meisenheimer intermediates.

Studio della funzionalizzazione di materiali polimerici con complessi di iridio luminescenti

Sono stati sintetizzati materiali polimerici contenenti complessi di iridio luminescenti. In particolare è stato messa a punto una via sintetica per la funzionalizzazione del gruppo terminale di catene metacriliche ottenute mediante ATRP.

Idrolisi diretta di cellulosa e lignocellulosa in catalisi eterogenea

This work deals with a comparison of the catalytic behavior of several heterogeneous acid catalysts in the direct hydrolysis of an untreated softwood dust. Amongst the various catalysts investigated, some were characterized by relatively high yield to monosaccharides, such as a Zirconium phosphate and the reference Amberlyst 15. Conversely, some catalyst types, ie, Sn/W mixed oxide and Zirconia-grafted trifluoromethanesulphonic acid, were selective into glucose, since sugars derived from hemicellulose dissolution and hydrolysis were rapidly degraded. A detailed analysis of the reactivity of Zr/P/O was pursued, in the hydrolysis of both untreated and ball-milled microcrystalline cellulose; at 150°C and 3h reaction time, the catalyst gave high selectivity to glucose, with negligible formation of 5-hydroxymethylfurfural, and moderate cellulose conversion. After ball-milling of the cellulose, a remarkable increase of conversion was achieved, still with a high selectivity to glucose and very low formation of degradation compounds. The catalyst showed high affinity for β-1,4-glucans, as demonstrated by the activity in cellobiose hydrolysis into glucose.