Parametrizzazione e validazione di campi di forza polarizzabili per l'acetonitrile

Il perfezionamento dei campi di forza in meccanica molecolare, necessario per migliorare l’accuratezza della modellazione classica di materiali, è un procedimento dispendioso. L’accuratezza dei campi di forza è tuttavia la chiave per la predizione affidabile di proprietà chimico-fisiche dalle simulazioni MD. A questo scopo, risulta importante l’inclusione esplicita della polarizzazione, trascurata nei campi di forze tradizionali. Il modello dell’oscillatore di Drude rappresenta una soluzione computazionalmente conveniente ed è implementato in diversi software di simulazione. In questo modello, la polarizzazione atomica è resa dall’introduzione di una particella carica e di massa ridotta, ancorata all’atomo polarizzabile. In questo lavoro di tesi abbiamo sviluppato una procedura per ottenere un campo di forza polarizzabile per molecole organiche in fase liquida, prendendo in esame un solvente polare molto comune: l’acetonitrile. Il nostro approccio si serve di calcoli quantomeccanici preliminari per la determinazione dei valori di riferimento di alcune proprietà molecolari: le cariche parziali atomiche, il momento di dipolo e la polarizzabilità. A questi calcoli seguono due fasi di parametrizzazione basate su algoritmi di minimizzazione. La prima fase riguarda la parametrizzazione delle polarizzabilità atomiche descritte con il modello di Drude e ha come scopo la riproduzione della polarizzabilità molecolare quantomeccanica. Nella seconda fase, si sono ottimizzati i parametri del potenziale Lennard-Jones in modo da riprodurre la densità sperimentale a temperatura e pressione ambiente, ottenendo diverse parametrizzazioni del campo di forza polarizzabile. Infine, queste parametrizzazioni sono state confrontate sulla base della loro capacità di riprodurre alcune proprietà di bulk, quali entalpia di vaporizzazione, costante dielettrica, coefficiente di diffusione e specifiche funzioni di distribuzione radiale.

Sviluppo di biosensori reagentless basati sull'enzima fosfatasi alcalina

Negli ultimi anni i biosensori enzimatici sono diventati sempre più popolari nel campo delle determinazioni rapide di analiti di interesse industriale ed ambientale. L’utilizzo di tali biosensori consente di evitare, o comunque limitare, l’impiego di metodi analitici basati su tecniche più complesse e dispendiose in termini economici e temporali. Un grande obbiettivo della ricerca negli ultimi anni è quello di costruire biosensori reagentless, ossia dispositivi pronti all’uso da parte degli analisti, indipendentemente dalla loro esperienza. In questo lavoro di tesi sono stati sviluppati dei biosensori amperometrici reagentless che sfruttano l’enzima fosfatasi alcalina (ALP), come elemento di riconoscimento biologico, ed un elettrodo screen-printed (SPE) commerciale, come trasduttore. Per gli elettrodi SPE commerciali sono stati testati modificanti a base di nanomateriali carboniosi e del polimero conduttore PEDOT:ClO4. Sono inoltre stati messi a punto diversi biosensori costruiti utilizzando sia l’enzima ALP immobilizzato che lo stesso enzima in soluzione. I test sono stati eseguiti utilizzando il substrato enzimatico “ascorbil-fosfato di sodio (AAP)” ed alcuni inibitori enzimatici. I dispositivi reagentless sono stati fabbricati mediante stampa 3D e sono stati realizzati appositamente per gli elettrodi SPE commerciali utilizzati. Tali dispositivi sono stati utilizzati per effettuare la determinazione dell’AAP in campo cosmetico e la determinazione dell’enzima ALP in campo alimentare.

Analisi delle prestazioni tecnico-meccaniche di polimeri rigenerati

Il progetto alla base della presente tesi è stato sviluppato all’interno di Raviplast, società cooperativa nata nel 2013 dall’intenzione di un gruppo di lavoratori e tecnici di grande professionalità di dare seguito ad una lunga storia industriale. Raviplast si occupa della produzione di imballaggi flessibili in polietilene a bassa densità (LDPE), in particolare sacchi collati, saldati, a valvola, a tasca, a bocca aperta, tubolari e cappucci monopiega. L’intera gamma di prodotti viene ottenuta attraverso un unico processo industriale cioè la co-estrusione a bolla di film. All’interno di questo elaborato di tesi verrà descritto come le proprietà meccaniche, termiche e chimiche di prodotti formati da polietilene a bassa densità vergine differiscano rispetto a quelle di un prodotto con percentuale di polietilene a bassa densità riciclato crescente. Nel corso dell’esperienza sono state indagate le caratteristiche del granulo di polimero vergine riciclato per verificare l’omogeneità di proprietà come temperatura di fusione, densità e melt flow index (MFI), e poter operare al meglio la produzione. Sul prodotto finito, sia vergine che rigenerato, sono state testate la trazione longitudinale e trasversale al dinamometro, la temperatura di fusione tramite calorimetria differenziale a scansione (DSC) e prove ad impatto tramite caduta di dardo. Le proprietà indagate sono state confrontate per valutare con occhio critico quali accorgimenti adottare nel corso della produzione.

Elettrofilatura di membrane polimeriche per il Self-Healing di compositi laminati: ottimizzazione delle soluzioni e dei parametri di processo

I CFRP laminati sono materiali dalle eccellenti proprietà meccaniche specifiche che hanno, però, il grande svantaggio di essere soggetti a delaminazione. Essa è una problematica che può seriamente comprometterne l’affidabilità in vita d’uso e va, perciò, contrastata cercando di prevenirla o cercando di ridurne gli effetti negativi. Lo scopo del presente elaborato di tesi è stato quello di produrre, mediante elettrofilatura, membrane polimeriche che, integrate in laminati compositi, abbiano funzione di rendere il composito delaminato in grado di “autoripararsi” tramite meccanismo di self-healing. È stato condotto uno studio di ottimizzazione di tutti i parametri riguardanti la soluzione ed il processo di elettrofilatura che conducesse all’ottenimento di membrane con una morfologia fibrosa esente da difetti e, contemporaneamente, ad una buona maneggiabilità delle stesse. Le membrane sono state caratterizzate morfologicamente tramite analisi SEM e analisi DSC.

Miscele del poli(ottilene 2,5-furanoato) e poli(trietilene 2,5-furanoato) per imballaggi alimentari flessibili, ad alta barriera e compostabili

Nel presente progetto di tesi sono state preparate e studiate delle miscele polimeriche di poli(ottilene 2,5-furanoato) (POF) e il poli(trietilene 2,5-furanoato) (PTEF) a diversa composizione allo scopo di ottenere materiali adatti al packaging alimentare flessibile e sostenibile. I due omopolimeri sono stati sintetizzati mediante policondensazione in massa, ed in seguito sono state preparate le miscele fisiche per solvent casting, processate in forma di film per pressofusione. Dopo una completa caratterizzazione molecolare, i materiali realizzati sono stati caratterizzati morfologicamente (SEM), termicamente (TGA e DSC), strutturalmente (WAXS), meccanicamente (prove a trazione), e ne sono studiate le proprietà barriera. Le miscele sono risultate immiscibili ma comunque caratterizzate da buona compatibilità e stabilità termica. Considerando che il POF è un materiale gommoso e semicristallino mentre il PTEF è gommoso ma amorfo, le miscele presentano caratteristiche meccaniche coerenti con la loro composizione: in particolare, al diminuire della porzione cristallizabile POF e all’aumentare della porzione gommosa PTEF, si registra un progressivo aumento degli allungamenti a rottura e una diminuzione del modulo elastico. Inoltre, nelle blend contenenti il 50 e il 60% di PTEF, le performance barriera risultano migliori di quasi due ordini di grandezza rispetto a quelle dell’omopolimero POF. Per quanto riguarda le prove di compostaggio, le miscele con una quantità di POF superiore al 50% non subiscono degradazione, mentre si registra una totale compostabilità per le due miscele più ricche in PTEF.

Polymerization of isatin towards polymers for anion exchange membranes and gas separation applications

In a world where the problem of energy resources, pollution and all aspects related to these issues become more and more dominant, a greater commitment is needed in the search for solutions. The goal of this project is to make a contribution to the research and development of new materials to reduce the environmental impact in some fields. First of all, we tried to synthesize and prepare an isatin-based membrane which has the potential for use in separating industrial gases. Furthermore, ion exchange membranes, specifically hydroxide exchange membranes (HEMs) derived from the same product can be developed for fuel cells (HEMFC) applications. These materials are essential for energy conversion and storage. The most difficult challenge is to guarantee their thermal stability and stability in corrosive environments such as alkali without losing efficiency. In recent years the poly- hydroxyalkylation catalysed with superacids, e.g. TFSA, has become increasingly studied. This reaction is exploited for the synthesis of the compounds of this thesis. After a preliminary optimization of the reaction conditions it was concluded that due to the rigidity and excessive reactivity of the system, it was not possible to obtain the isatin-based membrane to evaluate the gas separation properties. The synthesis of precursor materials for HEMs was successful by using 1-(4-bromobutyl)indoline-2,3-dione (BID) instead of isatin. A characterization of the obtained polymers was carried out using NMR, TGA and DSC analyses, and subsequently the membranes were functionalized with different ammonium-based cations. Unfortunately, this last step was not successful due to the appearance of side reactions. Future studies on the mechanism and kinetics of the reaction solve this obstacle.

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.

Design, preparazione e caratterizzazione di nanostrutture di DNA come candidati farmaci per terapia a RNA

Le terapie a RNA stanno attraendo interesse crescente vista la loro capacità di colpire target che venivano dapprima considerati undruggable. Uno degli ambiti di applicazione suggeriti della terapia a RNA è la neuroinfiammazione, una condizione patologica che accompagna e agisce da concausa nelle malattie neurodegenerative. In particolare, si è verificato che nei processi neuroinfiammatori, alcuni microRNA risultano sovra-regolati e tra questi miR-34a. Si è quindi proposto di sviluppare metodi atti a ridurre il contenuto cellulare di miR-34a soprattutto nelle cellule la cui attivazione causa maggiormente la neuroinfiammazione: la microglia. L’obiettivo del lavoro di tesi è stato di sviluppare una nanostruttura di DNA in grado di veicolare una sequenza catalitica (DNAzima) che porti al taglio del miR-34a, una volta internalizzata nelle cellule. Durante il lavoro di tesi si sono sviluppati 2 diversi dendrimeri di DNA pensati per ridurre il contenuto di miR-34a. I sistemi sono stati progettati con l’ausilio di strumenti bioinformatici e poi realizzati in laboratorio e caratterizzati con tecniche biochimiche. Il sistema più promettente è stato caratterizzato per quanto riguarda la sua attività enzimatica di taglio di miR-34a e l’efficienza di internalizzazione da parte di cellule vive di microglia. I risultati ottenuti confermano la solidità del metodo utilizzato per il design del sistema progettato. Le prove condotte sul dendrimero finale, contenente la sequenza attiva, dimostrano il mantenimento dell’attività catalitica del DNAzima e l’internalizzazione della nanostruttura nelle cellule bersaglio.

Design, preparazione e studio applicativo di nuovi metallopolimeri luminescenti a base di complessi ciclometallati di Ir(III)

The research project of my experimental thesis deals with the design, synthesis and characterization of a new series of luminescent metallapolymers to be exploited for their peculiar photophysical and opto-electronic properties. To this end, our design strategy consisted in the incorporation of brightly luminescent and colour tuneable Ir(III) cyclometalated complexes with general formula [Ir(C^N)2(N^N)]+, where C^N represents various phenyl piridine based cyclometalating ligands and N^N is an aromatic chelating N-heterocyle, into methyl methacrylate (MMA) based copolymers. Whereas the choice of the cyclometalating ligands was driven by the possibility to obtain different emission colours, the design of the N^N ligands was aimed to obtain a molecule capable of providing the chelate coordination to the metal centre and, at the same time, of being susceptible to polymerisation reactions. To fulfil these requirements, a new molecule (abbreviated as L) consisting in an alkylated 2-pyrydyl tetrazole structure equipped with a styryl unit was designed and successfully prepared. The preparation of the target cationic metallapolymers was accomplished by the complexation of the preformed MMA-L copolymers with different amounts of an appropriate Ir(III) dimeric precursor [(Ir(C^N)2Cl)2]. The investigation of the photophysical features of the new hybrid compounds in the solid state at r.t. suggested how these metallapolymers displayed brightly intense phosphorescent emissions, whose colour was found to span from blue to yellow according to the nature of the cyclometalating ligands. In all cases, the emissive performances were superior to those displayed by the corresponding mononuclear “model” complexes. These promising results pave the way for the application of this new class of metallapolymers as Luminescent Solar Concentrators for the photovoltaic technology and/or to solid state lighting.

Towards the kinetic resolution of mechanically planar chiral rotaxanes

In this work, we reported the synthesis and characterization of two [2]rotaxanes endowed with a central ammonium group and two triazolium recognition stations on either side, acting as complexation sites for a dibenzo-24-crown-8 ether macrocycle. These mechanically interlocked architectures were obtained through the interlocking of a functionalized achiral macrocycle with Cs symmetry (where the symmetry element is a mirror plane corresponding to plane of the ring) and a C∞v symmetric axle (where a mirror plane and a C∞ principal axis are aligned along the axle length). We took advantage of the reversible acid/base triggered molecular shuttling of the ring between two lateral triazolium units to switch the rotaxanes between prochiral and mechanically planar chiral forms, which exists as two rapidly-interconverting co-conformers. We exploited the reactivity of the central amino group to attach an optically pure chiral substituent, with the goal of demonstrating the enantiomeric nature of the co-conformers and to obtain a non-zero diastereomeric excess in the resulting diastereomeric products through a dynamic kinetic resolution. To this end, two enantiopure reagents were chosen that could perform clean and fast reaction with amines: a sulfonyl chloride and an acyl chloride. Only the acyl chloride successfully produced an amide in high yield with the deprotonated rotaxane. The group added to the central amine station acted as a stopper against the shuttling of the macrocycle along the axis, thus preventing the fast interconversion of the two mechanically planar enantiomers. We analysed the results through static and dynamic NMR spectroscopic techniques by varying temperature and solvent used. Indeed, the presence of diastereomers was recorded alongside the configurational isomers resulting from the slow rotation of the CN-CO bond of the amide moiety, thus paving the way for a dynamic kinetic resolution.

Film di poli(esametilene 2,5- furanoato) contenenti filler lignocellulosici per imballaggio alimentare attivo e sostenibile

Nel seguente lavoro di tesi sperimentale è stato svolto uno studio su film di poli(esametilen furanoato) additivato con filler antiossidanti estratti da una materia prima lignocellulosica, la corteccia di betulla. Tale studio ha lo scopo di incrementare le proprietà meccaniche e soprattutto conservative dei film di PHF per applicazioni nel campo del packaging alimentare. Il poli(esametilen furanoato) è un poliestere i cui monomeri di sintesi possono essere ottenuti da fonti rinnovabili, tale caratteristica lo rende completamente bio-based e di elevato interesse per l’ottenimento di materiali sostenibili. Nella fase iniziale dello studio è stato sintetizzato il polimero in esame tramite una sintesi di tipo solvent-free, in accordo con le attuali strategie sintetiche che mirano a ridurre l’impatto del solvente. Tale polimero è stato quindi caratterizzato tramite NMR e GPC. Sono state poi preparate quattro miscele di polimero additivato, due differenti composizioni per ciascuno dei due filler disponibili. Le miscele sono state preparate tramite solvent casting e in seguito stampate tramite pressofusione per ottenere dei film. È stata svolta una caratterizzazione dei film ottenuti, di tipo morfologica (SEM), termica (TGA e DSC), meccanica, comportamento barriera e con analisi antiossidanti. I filler hanno mostrato una buona miscibilità con l’omopolimero e non hanno causato interferenze nel comportamento termico. È stato osservato un miglioramento nella flessibilità dei film in tutte le miscele studiate e un aumento dell’allungamento a rottura nelle composizioni con quantità di filler pari al 5%. Le proprietà barriera si sono mantenute in linea con quelle dell’omopolimero e ancora migliori dei poliesteri attualmente in commercio. Infine, l’aggiunta del filler ha reso il film attivo per lo scavenging di radicali, valutato attraverso il test con DPPH, confermando il trasferimento delle proprietà antiossidanti dei filler alle miscele polimeriche.

Studio del comportamento meccanico e tribologico della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser-based Powder Bed Fusion sottoposta ad un ciclo tecnologico ottimizzato

AlSi10Mg alloy is one of the most widely used alloys for producing structural components by Laser-based Powder Fusion (L-PBF) technology due to the high mechanical and technological properties. The present work aims to characterize mechanically and tribologically the L-PBF AlSi10Mg alloy subjected to both heat treatment and surface modification cycles. Specifically, the effects of three heat treatments on the tribological and mechanical properties of the alloy were analyzed: T5 (artificial aging at 160 °C for 4 h), T6 rapid solution heat treatment (solution heat treatment at 510 °C for 1h and aging at 160 °C for 6 h), and T6 benchmark (solution heat treatment at 540 °C for 1h and aging at 160 °C for 4 h), the latter used as a benchmark. The study highlighted how the better balance between strength and ductility properties induced by the introduction of heat treatments leads to lower wear resistance and not significant variations in the friction coefficient of the alloy. The tribological and mechanical behavior of the alloy coated with two different coating structures, consisting of (i) chemical Ni (Ni-P) and (ii) Ni-P + DLC, was also evaluated. The goal was the identification of a deposition cycle such as to guarantee the optimization of the mechanical and tribological behavior of the alloy. The Ni-P coating provided good wear resistance but an increase in the coefficient of friction. In contrast, using the DLC top coating resulted in excellent tribological performance in wear resistance and friction coefficient. The samples characterized by the Ni-P + DLC multilayer coating were subsequently subjected to mechanical characterization. The results obtained highlighted problems of adhesion and incipient breaking of the material due to the different mechanical behavior of the coating, considerably reducing the mechanical performance of the alloy coated with Ni-P+DLC multilayer solution compared to the specimens in the un-coated condition.

Studio della reazione di hydrogen-transfer di metil levulinato con etanolo in fase vapore: effetto del palladio supportato su catalizzatori contenenti zirconio

La valorizzazione di biomasse lignocellulosiche rappresenta la strada che la chimica può percorrere per svincolarsi dalle fonti fossili e virare verso un futuro incentrato sulla sostenibilità ambientale. In quest’ottica, l’acido levulinico (AL) e i suoi esteri, detti alchil levulinati, ottenibili dalla valorizzazione di biomasse di scarto, rappresentano una classe di composti di grande interesse industriale. Infatti, dalla loro riduzione è possibile ottenere g-valerolattone (GVL), un’importante molecola piattaforma per l’industria chimica, o alchil valerati, composti interessanti per diverse branche dell’industria chimica e per la formulazione di bio-carburanti. Già da tempo è nota la possibilità di effettuare la riduzione di AL in fase liquida in presenza di alcoli come H-Donor secondo un meccanismo detto Catalytic Transfer Hydrogenation che può essere promosso da ossido di zirconio (ZrO2). Recentemente, è stato ottimizzato un processo che impiega i reagenti appena citati in un reattore continuo operante in fase gassosa con ZrO2 come catalizzatore. In questo lavoro, si è dopato tale sistema catalitico con palladio, al fine di promuovere le reazioni di riduzione consecutiva al GVL e si sono ottimizzati i parametri operativi come tempo di contatto, temperatura e rapporto tra substrato e H-Donor.

Studio di ossidi misti Ti/Zr/O per la valorizzazione catalitica di furfurale a GVL in un reattore continuo in fase liquida

Il cambiamento climatico è una delle sfide più ardue che il nostro pianeta abbia mai dovuto affrontare. Negli ultimi anni si sta rendendo sempre più evidente la necessità di un profondo cambiamento ideologico e sociale in ogni campo. La Green Chemistry mira a capeggiare questo cambiamento proponendo dei principi guida in modo da indirizzare la chimica verso tale traguardo. Possibili strumenti attuativi di questa visione sono senza alcun dubbio le bioraffinerie. Raffinerie appunto, nate però per processare materie prime provenienti da fonti rinnovabili, le biomasse. Esistono diversi tipi di biomasse, dalle quali possono essere ricavate differenti molecole piattaforma. La biomassa lignocellulosica, per esempio, viene sfruttata per ottenere perlopiù composti furanici. Tra questi di particolare interesse è la furfurale(FUR), un’aldeide particolarmente reattiva dalla quale possono essere ottenute numerose sostanze chimiche ad alto valore aggiunto. Tra queste si trova il γ-valerolattone(GVL), estere ciclico a cinque atomi di carbonio, promettente prodotto preliminare nella sintesi di combustibili a base biologica e prodotti chimici di base. Il processo che porta dalla FUR al GVL comprende diversi step di reazione, alcuni catalizzati da acidità di Lewis, altri da acidità di Brønsted. Gli step di riduzione possono essere eseguiti mediante una reazione di Catalytic Transfer Hydrogenation (CTH) utilizzando isopropanolo piuttosto che H2 gassoso. La scelta del solvente/riducente assieme all’utilizzo di un sistema catalitico eterogeneo permettono la realizzazione della reazione con un basso impatto ambientale. Per quanto riguarda la scelta del sistema catalitico, particolarmente interessante è la combinazione TiO2-ZrO2. Lo scopo di questa tesi è stato quello di sintetizzare e valutare le performance di sistemi catalitici a base di ossidi misti Ti/Zr/O con diverse composizioni nella conversione della FUR a GVL in un reattore in fase liquida.

Alchilazione enantioselettiva di ossindoli sostituiti mediata da organocatalizzatori

This thesis summarizes an internship project carried out in part at the University of Zaragoza (Spain) and in part at the University of Bologna. The project involved the development of a new enantioselective catalytic methodology based on an alkylation reaction in order to obtain an oxindole derivative bearing a quaternary chiral center at C3. Such kind of oxindole derivatives have great relevance in farmaceutical chemistry. We started from the synthesis of a new oxindole substrate, successfully adapting methods reported for similar compounds. A screening of benzohydrol alkylating agents was then carried out, which led to the identification of Michler's hydrol as a reactive capable of leading to the alkylation product bearing a quaternary chiral center. A screening of reaction conditions and organic catalysts was then carried out in order to optimize yield and enantiomeric excess. These tests, which led to good yield values and modest enantioselections, made it possible to identify two main classes of promising catalysts and reaction conditions, on which the continuation of the project can focus.