Synthesis and aplication of linear and macrocyclic nitrogen ligand

Linear and macrocyclic nitrogen ligands have been found wide application during the years. Nitrogen has a much strong association with transition-metal ions because the electron pair is partucularly available for complexing purposes. We started our investigation with the synthesis of new chiral perazamacrocycles containing four pyrrole rings. This ligand was synthesized by the [2+2]condensation of (R,R)-diaminocyclohexane and dipirranedialdehydes and was tested, after a complexation with Cu(OAc)2, in Henry reactions. The best yields (96%) and higher ee’s (96%) were obtained when the meso-substituent on the dipyrrandialdehyde was a methyl group. The positive influence of the pyrrole-containing macrocyclic structure on the efficiency/enantioselectivity of the catalytic system was demonstrated by comparison with the Henry reactions performed using analogous ligands. Henry product was obtain in good yield but only 73% of ee, when the dialdehyde unit was replaced by a triheteroaromatic dialdehye (furan-pyrrol-furan). Another well known macrocyclic ligand is calix[4]pyrrole. We decided to investigate, in collaboration with Neier’s group, the metal-coordinating properties of calix[2]pyrrole[2]pyrrolidine compounds obtained by the reduction of calix[4]pyrrole. We focused our attention on the reduction conditions, and tested different Pd supported (charcoal, grafite) catalysts at different condition. Concerning the synthesis of linear polyamine ligands. We focused our attention to the synthesis of 2-heteroaryl- and 2,5-diheteroarylpyrrolidines. The reductive amination reaction of diarylketones and aryl-substitutedketo-aldehydes with different chiral amines was exploited to prepare a small library of diastereo-enriched substituted pyrrolidines. We have also described a new synthetic route to 1,2-disubstituted 1,2,3,4-tetrahydropyrrole[1,2-a]pyrazines, which involves the diastereoselective addition of Grignard reagents to chiral oxazolidines. The best diastereoselectivity (98:2) was dependent on the nature of both the chiral auxiliary, (S)-1-phenylglycinol, and the nature of the organometallic reagent (MeMgBr).

Design, synthesis and Chemical-physical characterization of photocatalytic inorganic nanocrystals for technological applications

This work was based on the synthesis and characterization of innovative crystals for biomedical and technological applications. Different types of syntheses were developed in order to obtain crystals with high photocatalytic properties. A hydrothermal synthesis was also processed to correlate the chemical-physical characteristics with synthesis parameters obtaining synthesis of nanoparticles of titanium dioxide with different morphology, size and crystalline phase depending on the variation of the synthesis parameters. Also a synthesis in water at 80 °C temperature and low pressure was developed from which anatase containing a small percentage of brookite nanoparticles were obtained, presenting a high photocatalytic activity. These particles have been used to obtain the microcrystals formed by an inorganic core of hydroxyapatite surface covered by TiO2 nanoparticles. Micrometer material with higher photocatalytic has been produced. The same nanoparticles have been functionalized with resorcinol oxidized in order to increase the photocatalytic efficiency. Photodegradation test results have confirmed this increase. Finally, synthetic nanoparticles with a waterless synthesis using formic acid and octanol, through esterification "in situ" were synthesized. Nanoparticles superficially covered by carboxylic residues able to bind a wide range of molecules to obtain further photocatalytic properties were obtained.

Photoactive Carbon Nanostructures: From Multicomponent Arrays To Nanomaterials

Carbon has a unique ability to shape networks of differently hybridized atoms that can generate various allotropes and may also exist as nanoscale materials. The emergence of carbon nanostructures initially occured through the serendipitous discovery of fullerenes and then through experimental advances which led to carbon nanotubes, nanohorns and graphene. The structural diversity of carbon nanoscopic allotropes and their unique and unprecedentend properties, give rise to countless applications and have been intensively exploited in nanotechnology, since they may address the need to create smarter optoelectronic devices, smaller in size and with better performance. The versatile properties of carbon nanomaterials are reflected in the multidisciplinary character of my doctoral research where, in particular, I take advantage of the opportunities offered by fullerenes and carbon nanotubes in constructing novel functional materials. In this work, carbon nanostructures are incorporated in novel photoactive functional systems constructed through different types of interactions – covalent bonds, ion-pairing or self-assembly. The variety of properties exhibited by carbon nanostructures is successfully explored by assigning them a different role in a specific array: fullerenes are employed as electron or energy acceptors, whereas carbon nanotubes behave like optically inert scaffolds for luminescent materials or nanoscale substrates in sonication-induced self-assembly. All the presented systems serve as a testbed for exploring the properties of carbon nanostructures in multicomponent arrays, which may be advantageous for the production of new photovoltaic or optoelectronic devices, as well as in the design and control of self-assembly processes.

Complessi dinucleari di ferro con leganti a ponte per la produzione elettrocatalitica di idrogeno

Il forte incremento della popolazione mondiale, la continua crescita del tenore di vita e del livello di consumi hanno portato negli ultimi decenni ad un enorme aumento della richiesta mondiale di energia. Diviene pertanto fondamentale ricercare nuovi metodi altamente efficienti di produzione, trasporto ed utilizzo di energia, che migliorino la qualità della vita dell’uomo e nello stesso tempo salvaguardino il clima e l’ambiente. Proprio a questo proposito, in questi ultimi anni, vi è un crescente interesse nei riguardi della molecola di idrogeno, H2. Ad oggi è impossibile sostituire i combustibili fossili con l’idrogeno, per motivi prettamente tecnologici (difficoltà nello stoccaggio e nel trasporto) e per motivi legati alla sua produzione. Infatti, l’idrogeno è sì uno degli elementi più presenti in natura, ma non come sostanza gassosa pura bensì in forma combinata, generalmente acqua, quindi per produrlo è necessario rompere il legame con l’elemento con cui è combinato, consumando energia; questo spiega il motivo per cui l’idrogeno viene considerato un vettore di energia e non una fonte di energia. La produzione di idrogeno, o meglio del suo equivalente costituito da un flusso di elettroni e protoni, dall’acqua è un processo che avviene in natura, precisamente nelle cellule vegetali durante la prima fase della fotosintesi clorofilliana. Tale processo mostra l’importanza dei complessi bio-inorganici che vi partecipano, ai quali si ispira la ricerca di nuovi efficienti catalizzatori per la produzione di idrogeno mediante scissione catalitica dell’acqua (water splitting). Una classe di enzimi particolarmente studiata, in quest’ambito, è costituita dalle idrogenasi; la maggior parte di questi enzimi contengono un frame dinucleare Ni-Fe o Fe-Fe. Numerosi gruppi di ricerca sono fortemente impegnati nell’obiettivo di sintetizzare complessi simili a questi enzimi (enzyme mimics), e con prestazioni paragonabili, in modo da produrre idrogeno in modo efficiente e rispettando i principi di sostenibilità ambientale ed economica. Il gruppo di ricerca presso il quale è stato svolto il tirocinio oggetto del presente elaborato si occupa dello studio di complessi metallorganici caratterizzati dalla presenza di un “core” metallico costituito da due atomi di Ferro adiacenti coordinati tra loro mediante leganti a ponte diversamente funzionalizzati. Obiettivo del tirocinio è stato quello di verificare l’efficienza catalitica di alcuni di questi complessi nel promuovere il processo di interconversione H+/H2; per fare ciò, si è fatto ricorso ad un approccio elettrochimico, sfruttando la tecnica della voltammetria ciclica.

Studio della reattività di etanolo in fase gas su catalizzatori a base di MgO e Mg/Si/O

A causa delle questioni economiche ed ambientali legate alla sostenibilità dei processi petrolchimici, recentemente l'industria chimica ha focalizzato il proprio interesse nello sviluppo di processi per la produzione di chemicals, che utilizzino materiali di partenza rinnovabili. L'etanolo, prodotto per via fermentativa, sembra essere uno dei bio-building block più promettenti e versatili e può essere utilizzato per numerose applicazioni. È noto da tempo che l’etanolo può reagire su catalizzatori costituiti da ossidi misti con caratteristiche acido-base a dare numerosi composti chimici tra cui acetaldeide, 1,3-butadiene, 1-butanolo e 2-butenale. Nonostante il lungo impiego dell’etanolo nell’industria chimica, il meccanismo di formazione di composti C4 a partire da etanolo è ancora però materia di dibattito. Il meccanismo generalmente accettato si basa sulle seguenti reazioni chiave: deidrogenazione di etanolo ad acetaldeide e condensazione aldolica di due molecole di acetaldeide. Tuttavia in letteratura sono riportate anche altre proposte alternative. In questo lavoro è stato studiato il processo di trasformazione di etanolo su catalizzatori a base di MgO e sistemi misti Mg/SiO, attraverso esperimenti di reattività condotti in un micro-impianto da laboratorio, al fine di fare chiarezza sul meccanismo di formazione di composti C4 a partire da etanolo. In particolare è stato condotto uno studio meccanicistico utilizzando MgO come catalizzatore modello, materiale che possiede esclusivamente proprietà basiche, ritenute essenziali per catalizzare la condensazione di molecole C2. Inoltre, è stata investigata l’influenza delle caratteristiche acido-base del catalizzatore sulla selettività del processo di conversione di etanolo, studiandone la reattività su materiali costituiti da ossidi misti Mg/Si/O, con diverso rapporto atomico tra i due cationi.

Ingegnerizzazione di nanocosmetici

This study led to the development of new synthesis process to obtain "nano delivery" system like aquasome, suitable to enhance the affinity between dyes and human hair for cosmetic formulation. These systems has been based on silver nanoparticles stabilized by different kind of polymers as PVP or celluloses. The research has been conducted in two steps: the first involved the study and optimization of the nano delivery system synthesis conditions as concentrations, pH and temperature. The second concerned the preparation of a stable, low hazard and with antibacterial and antifungal properties formulation containing the aquasome and a colorant already used in cosmetics (i.e. Basic Red 51) for hair dyeing application.

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

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

Novel Synthetic Procedures in Organocatalysis

The main aim of my PhD project was the design and the synthesis of new pyrrolidine organocatalysts. New effective ferrocenyl pyrrolidine catalysts, active in benchmark organocatalytic reactions, has been developed. The ferrocenyl moiety, in combination with simple ethyl chains, is capable of fixing the enamine conformation addressing the approach trajectory of the nucleophile in the reaction. The results obtained represent an interesting proof-of-concept, showing for the first time the remarkable effectiveness of the ferrocenyl moiety in providing enantioselectivity through conformational selection. This approach could be viably employed in the rational design of ligands for metal or organocatalysts. Other hindered secondary amines has been prepared from alkylation of acyclic chiral nitroderivatives with alcohols in a highly diastereoselective fashion, giving access to functionalized, useful organocatalytic chiral pyrrolidines. A family of new pyrrolidines bearing sterogenic centers and functional groups can be readily accessible by this methodology. The second purpose of the project was to study in deep the reactivity of stabilized carbocations in new metal-free and organocatalytic reactions. By taking advantage of the results from the kinetic studies described by Mayr, a simple and effective procedure for the direct formylation of aryltetrafluoroborate salts, has been development. The coupling of a range of aryl- and heteroaryl- trifluoroborate salts with 1,3-benzodithiolylium tetrafluoroborate, has been attempted in moderate to good yields. Finally, a simple and general methodology for the enamine-mediated enantioselective α-alkylation of α-substituted aldehydes with 1,3-benzodithiolylium tetrafluoroborate has been reported. The introduction of the benzodithiole moiety permit the installation of different functional groups due to its chameleonic behaviour.

Studio di un impasto acido funzionale ad elevata biodisponibilita di selenio

Dal 2008, sono evidenti che i benefici del selenio nell'organismo dipendono dalla forma in cui è ingerito, stabilendo che quella organica è migliore dell'inorganica. L’introduzione di selenio raccomandato a livello internazionale è di 55-70 μg/giorno e la sua specie chimica efficace dal punto di vista biologico è la seleniometionina. Infatti, si può affermare che il selenio in forma inorganica possieda una bassa bioattività rispetto al selenio legato agli aminoacidi (Se-metionina e Se-cisteina) di maggiore bioattività. Nell’ambito dei prodotti lievitati da forno, uno dei fattori che desta maggior interesse è l’effetto esercitato dal processo tecnologico (che include fermentazione e cottura) sull’aumento della biodisponibilità dei composti antiossidanti e nutrizionali. In particolare, attraverso il processo fermentativo, è possibile aumentare sia l’azione degli enzimi digestivi sul substrato alimentare, che la stabilità del selenio inorganico e organico presente modificandone le caratteristiche chimiche e fisiche (es. organicazione). Nello specifico, i processi fermentativi che caratterizzano gli impasti acidi (basati sulle interazioni metaboliche tra batteri lattici e lieviti) sono stati riconosciuti efficaci per modificare la composizione delle micro e macromolecole responsabili del miglioramento non solo delle caratteristiche qualitative ma anche di quelle nutrizionali, come il selenio. Lo scopo della mia tesi era lo sviluppo di un prodotto funzionale a base di cereali arricchito con selenio bioattivo tramite un processo di natura biotecnologica di tipo fermentativo. L’aggiunta di selenio alla farina attraverso un impasto acido arricchito favorisce la sua organicazione da parte dei batteri lattici presenti che trasformano parte del selenio additivato (SeIV) in forme organiche come SeMet e MeSeCys e in parte in altri frammenti organici non rilevati dall’analisi. D’altra parte la quantità di selenio inorganico rilevato nei digeriti di piadina ottenuta con impasto acido è risultata essere drasticamente ridotta. Dalla mia sperimentazione ho ottenuto molteplici indicazioni che riguardano la possibilità di produrre un alimento fermentato a base di cereali ed a elevato contenuto di selenio bioattivo. Dal punto di vista applicativo questo sperimentazione costituisce una base sia per la comprensione del ruolo dei processi fermentativi nella generazione di alimenti o ingredienti funzionali ma anche per l’individuazione di nuovi microrganismi probiotici con potenziali attività antiossidante ricchi di selenio bioattivo.

Regiocontrolled Synthesis of Pyrazole Derivatives Through 1,3-Dipolar Cycloaddition Reaction And Synthesis of Helicene-Thiourea based and Polymer Supported Soos's Catalyst for Asymmetric Synthesis

In first part we have developed a simple regiocontrolled protocol of 1,3-DC to get ring fused pyrazole derivatives. These pyrazole derivatives were synthesized using 1,3-DC between nitrile imine and various dipolarophiles such as alkynes, cyclic α,β-ketones, lactones, thiocatones and lactums. The reactions were found to be highly regiospecific. In second part we have discussed about helicene, its properties, synthesis and applications as asymmetric catalyst.Due to inherent chirality, herein we have made an attempt to synthesize the helicene-thiourea based catalyst for asymmetric catalysis. The synthesis involved formation of two key intermediates viz, bromo-phenanthrene 5 and a vinyl-naphthalene 10. The coupling of these two intermediates leads to formation of hexahelicene.

Development and characterization of micromachined devices for separation techniques

Nowadays microfluidic is becoming an important technology in many chemical and biological processes and analysis applications. The potential to replace large-scale conventional laboratory instrumentation with miniaturized and self-contained systems, (called lab-on-a-chip (LOC) or point-of-care-testing (POCT)), offers a variety of advantages such as low reagent consumption, faster analysis speeds, and the capability of operating in a massively parallel scale in order to achieve high-throughput. Micro-electro-mechanical-systems (MEMS) technologies enable both the fabrication of miniaturized system and the possibility of developing compact and portable systems. The work described in this dissertation is towards the development of micromachined separation devices for both high-speed gas chromatography (HSGC) and gravitational field-flow fractionation (GrFFF) using MEMS technologies. Concerning the HSGC, a complete platform of three MEMS-based GC core components (injector, separation column and detector) is designed, fabricated and characterized. The microinjector consists of a set of pneumatically driven microvalves, based on a polymeric actuating membrane. Experimental results demonstrate that the microinjector is able to guarantee low dead volumes, fast actuation time, a wide operating temperature range and high chemical inertness. The microcolumn consists of an all-silicon microcolumn having a nearly circular cross-section channel. The extensive characterization has produced separation performances very close to the theoretical ideal expectations. A thermal conductivity detector (TCD) is chosen as most proper detector to be miniaturized since the volume reduction of the detector chamber results in increased mass and reduced dead volumes. The microTDC shows a good sensitivity and a very wide dynamic range. Finally a feasibility study for miniaturizing a channel suited for GrFFF is performed. The proposed GrFFF microchannel is at early stage of development, but represents a first step for the realization of a highly portable and potentially low-cost POCT device for biomedical applications.

Chemical, biochemical and microbiological indicators to assess soil quality in temperate agro-ecosystems

Soil is a critically important component of the earth’s biosphere. Developing agricultural production systems able to conserve soil quality is essential to guarantee the current and future capacity of soil to provide goods and services. This study investigates the potential of microbial and biochemical parameters to be used as early and sensitive soil quality indicators. Their ability to differentiate plots under contrasting fertilization regimes is evaluated based also on their sensitivity to seasonal fluctuations of environmental conditions and on their relationship with soil chemical parameters. Further, the study addresses some of the critical methodological aspects of microplate-based fluorimetric enzyme assays, in order to optimize assay conditions and evaluate their suitability to be used as a toll to asses soil quality. The study was based on a long-term field experiment established in 1966 in the Po valley (Italy). The soil was cropped with maize (Z. mays L.) and winter wheat (T. aestivum L.) and received no organic fertilization, crop residue or manure, in combination with increasing levels of mineral N fertilizer. The soil microbiota responded to manure amendment increasing it biomass and activity and changing its community composition. Crop residue effect was much more limited. Mineral N fertilization stimulated crop residue mineralization, shifted microbial community composition and influenced N and P cycling enzyme activities. Seasonal fluctuations of environmental factors affected the soil microbiota. However microbial and biochemical parameters seasonality did not hamper the identification of fertilization-induced effects. Soil microbial community abundance, function and composition appeared to be strongly related to soil organic matter content and composition, confirming the close link existing between these soil quality indicators. Microplate-based fluorimetric enzyme assays showed potential to be used as fast and throughput toll to asses soil quality, but required proper optimization of the assay conditions for a precise estimation of enzymes maximum potential activity.

Studio di fattibilità di un dispositivo medico di emergenza per l'ipotermia cerebrale in pazienti traumatizzati

Le lesioni cerebrali possono generare danni permanenti e richiedono trattamenti immediati e a lungo termine. L’ipotermia cerebrale di 1 o 2°C inibisce il rilascio di aminoacidi neuro eccitatori e interrompe la risposta infiammatoria. L'effetto è maggiore se il raffreddamento viene eseguito immediatamente dopo il trauma. Oggi il raffreddamento viene effettuato in ospedale, raramente sul luogo dell’incidente (con ghiaccio). Tale soluzione è ostacolata dall’applicazione dei collari cervicali ed è condizionata dagli effetti a breve termine del ghiaccio. In questo studio è stata effettuata un’analisi di fattibilità di un dispositivo che, alle tecnologie per l’immobilizzazione cervicale, associ l'induzione terapeutica controllata e prolungata di una lieve ipotermia cerebrale (2-3°C), tramite raffreddamento transcutaneo del sangue nelle arterie carotidee. Il lavoro è suddiviso in due fasi: 1) modellizzazione teorica del fenomeno in esame; 2) verifica dei modelli teorici mediante test in vitro. Mediante i modelli numerici, sono state calcolate le temperature e i tempi per produrre un raffreddamento di 3°C. Considerando lo scambio di calore attraverso il collo, i vasi sanguigni e i tessuti cerebrali è stato calcolato un tempo minimo di circa 50 minuti per produrre il ΔT richiesto, con l’applicazione all’esterno del collo di un dispositivo che mantenga la temperatura a 5°C. Per la verifica è stata utilizzata una carotide sintetica ed una in tessuto biologico: queste sono state immerse in un contenitore isolato contenente acqua e connesse ad un simulatore dell’apparato circolatorio. Mantenendo costante la temperatura dell’acqua circolante mediante un termostato, sono stati misurati gli abbassamenti di temperatura nel vaso in funzione di quella esterna applicata. Il raffreddamento dei tessuti è stato realizzato con una cella di Peltier. La verifica dei modelli ha evidenziato un ΔT di -2°C. Il valore è inferiore a quello ipotizzato ma può ritenersi già efficace in ambito clinico e può essere migliorato ottimizzando il sistema di raffreddamento.

Grafene: Proprieta, sintesi e applicazioni

Nel 2004 due Fisici dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, hanno isolato per la prima volta un materiale dallo spessore di un singolo atomo: il grafene. Questo materiale, composto da un reticolo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, possiede interessanti proprietà chimiche e fisiche, tra le quali una elevata resistenza chimica e meccanica, un’eccellente trasporto termico ed elettrico ed una elevata trasparenza. Il crescente fermento attorno al grafene ha suscitato un forte interesse a livello europeo, al punto che il 28 gennaio di quest’anno la Comunità Europea ha approvato i due più grandi progetti di ricerca mai finanziati in Europa. Tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca da 17 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1,000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene. Nel mio elaborato di Tesi ho seguito le ricerche del gruppo grafene dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Bologna, approfondendo il funzionamento del sistema di sintesi di questo materiale chiamato Chemical Vapour Deposition e le tecniche sperimentali che permettono il trasferimento del grafene su substrati come il silicio, ma anche materiali polimerici flessibili come il PET, per la realizzazione di elettrodi conduttivi, trasparenti per applicazioni nell’elettronica flessibile. Questa esperienza e stata molto importante per la mia formazione e mi ha dato modo di lavorare ad un soggetto di ricerca cosi attuale, importante e promettente come il grafene. Nutro personalmente grande passione e aspettativa per questo materiale e sono convinto che nel prossimo futuro la tecnologia del grafene saprà entrare nella vita quotidiana di tutti noi.

Quadri di sintomi. Teoria della immagini, storia dell'arte e scienze umane in medicina

Lo studio analizza il modo in cui la storia dell’arte e la visual culture vengono utilizzate all’interno delle medical humanities, e cerca di suggerire un metodo più utile rispetto a quelli fin qui proposti. Lo scritto è organizzato in due parti. Nella prima parte sono analizzate alcune teorie e pratiche delle scienze umane in medicina. In particolare, ci concentriamo sulla medicina narrativa e sugli approcci con cui la storia dell’arte viene inclusa nella maggioranza dei programmi di medical humanities. Dopodiché, proponiamo di riconsiderare questi metodi e di implementare il ruolo di un pensiero storico e visivo all’interno di tali insegnamenti. Nella seconda parte, alla luce di quanto emerso nella prima, ci dedichiamo a uno studio di caso: la rappresentazione della melanconia amorosa, o mal d’amore, in una serie di dipinti olandesi del Secolo d’Oro. Colleghiamo queste opere a trattati medico-filosofici dell’epoca che permettano di inquadrare il mal d’amore in un contesto storico; in seguito, analizziamo alcune interpretazioni fornite da studiosi e storici dell’arte a noi contemporanei. In particolare, esaminiamo lo studio pionieristico di Henry Meige, pubblicato sulla “Nouvelle iconographie de la Salpêtrière” nel 1899, da cui emerge la possibilità di un confronto critico sia con le posizioni iconodiagnostiche di Charcot e Richer sia con quelle della prima psicoanalisi.