Chimica verde

Il termine chimica verde o chimica sostenibile indica un approccio che incoraggia lo sviluppo di processi chimici sostenibili, quindi processi che rendano minimi l’uso e la produzione di sostanze con impatto negativo sull’ambiente, o processi che utilizzino scarti per la produzione di sostanze ad alto valore aggiunto.
Tale visione è complementare agli approcci “di fine ciclo”, quali l’abbattimento di emissioni da parte di processi di per sé inquinanti o la bonifica di situazioni ambientali già compromesse.
L’attività di ricerca dell’IMC nell’ambito della chimica verde ha la finalità di individuare ed ottenere, con metodi bio-sostenibili, specie utili ad ulteriori processi chimici, quali quelli relativi al biorimedio e alla sintesi chimica.

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Sistemi sostenibili enzima-mediatore
Persone di contatto: Enrica Donati, Francesca D’Acunzo

Questa linea di ricerca mira ad ottenere da materiali agricoli di scarto, quali foglie di olivo e di carciofo, molecole che, coadiuvando l’azione dell’enzima laccasi, portino alla degradazione ossidativa di sostanze organiche non direttamente accessibili a tale enzima.

L’impiego della laccasi nell’industria cartaria, tessile e alimentare è già da tempo consolidato. Ulteriori applicazioni sono, tuttavia, in fase di studio, grazie alla capacità di questo enzima di ossidare specie organiche di vario tipo in presenza di alcune molecole dette mediatori. Allo stato attuale i mediatori più efficienti sono molecole di sintesi il cui impiego è poco sostenibile in termini economici ed ambientali. Altre molecole di origine naturale possono fungere da “trasportatori” dell’attività della laccasi verso substrati non direttamente ossidabili da questo enzima. Tuttavia, la loro efficienza è risultata finora troppo bassa per sollecitare un vero e proprio interesse industriale.

In questo contesto, l’attività dell’IMC si articola come segue:

  • Individuazione di potenziali mediatori per la laccasi in materiali agricoli di scarto reperibili sul territorio e ottimizzazione di tecniche estrattive sostenibili per il recupero delle molecole di interesse
  • Individuazione delle caratteristiche strutturali che determinano una maggiore efficienza dei potenziali mediatori allo scopo di orientare l’attività di recupero verso gli scarti vegetali più promettenti
  • Determinazione delle condizioni di reazione atte a migliorare l’efficienza dei mediatori naturali e a preservare l’attività della laccasi

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Sviluppo di processi chimici sostenibili catalizzati da sali di ferro
Persone di contatto:
Mauro Bassetti, Stefano Di Stefano (associato)

L’attività di ricerca è rivolta allo sviluppo di processi chimici sostenibili e alla loro comprensione a livello molecolare, mediante progettazione e studi di reattività di sistemi catalitici innovativi. Essi riguardano processi di attivazione del legame C-H di substrati organici saturi o insaturi, con enfasi nell’utilizzo di complessi di ferro, di grande interesse in catalisi e sintesi organica.
L’ossidazione di legami C-H idrocarburici, con introduzione di atomi di ossigeno, viene realizzata mediante ossidanti e catalizzatori sostenibili, H2O2 e Fe(II) rispettivamente, generando complessi imminici non-eme di ferro(II) per autoassemblaggio in situ di reagenti a basso costo. Il triplo legame C-C può essere attivato verso l’addizione di acqua con formazione di composti carbonilici in presenza di sali di ferro e in ambiente misto solvente protico/acqua.

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Matrici Vegetali non Edibili: Valorizzazione dei prodotti di a estrazione primari e dei residui di lavorazione
Persona di contatto:
Ornella Ursini

La ricerca di fonti rinnovabili di energia nasce dalla necessità di ridurre la dipendenza delle attività umane dal petrolio. Nella letteratura scientifica sono presenti alcuni lavori recenti che  riguardano lo studio della reazione di trans-esterificazione dell’olio di jojoba per la produzione di biodiesel. La possibilità di utilizzare direttamente l’olio di jojoba puro come bio-carburante, senza sottoporlo alla reazione di trans-esterificazione è stata debolmente esplorata poiché l’utilizzo sembra essere limitato da parametri come l’alto valore di viscosità, il pour point, la temperatura di flash point.
L’attività di ricerca mira a i) sviluppare processi di trasformazione dell’olio di jojoba per l’ottenimento di prodotti da utilizzare come bio-carburante e ii) valorizzare i residui di estrazione.

L’attività di ricerca è così articolata:

  • sviluppo del processo di sintesi degli Estolidi a partire da acidi grassi puri. Sviluppo dei sistemi di determinazione dei parametri chimico-fisici utili per la valutazione dell’efficienza dei bio-carburanti
  • studio di processi di sintesi di Estolidi come metodo innovativo ed alternativo alle reazioni di transesterificazione per l’utilizzo dell’olio di jojoba come biocarburante
  • indagine per la valorizzazione del jojoba meal ottenuto dopo estrazione dell’olio dal seme di jojoba in termini di proteine, simmondsina e indagine delle proprietà biochimiche del meal e dei suoi componenti.

Finanziamento: La attività di ricerca è finanziata dal Progetto Premiale 2015 “Green Chemistry”.

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Sviluppo di antiossidanti e antiozonanti ecocompatibili
Persona di contatto: Marco Mazzonna

Sono oggetto di studio alternative agli antiossidanti e antiozonanti utilizzati attualmente in ambito industriale per evitare l’invecchiamento delle gomme sintetiche e naturali. Le ammine aromatiche sono tra le sostanze più utilizzate per prevenire il deterioramento dei pneumatici, tali sostanze sono però tossiche ed estremamente inquinanti. Si sta cercando di ottenere le stesse prestazioni antiossidanti e antiozonanti di queste molecole, utilizzando sostanze caratterizzate da un minor impatto ambientale e ottenibili da biomasse o scarti dell’industria alimentare. La ricerca è svolta in collaborazione con BRIDGESTONE.

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CHIMICA SUPRAMOLECOLARE

Gli studi condotti da alcuni ricercatori dell’IMC nel campo della Chimica Supramolecolare, cioè la chimica dei sistemi organizzati da interazioni deboli, sono caratterizzati da un approccio di tipo organico fisico e meccanicistico, con le competenze che derivano dalla scuola del Centro di Studio sui Meccanismi di Reazione, confluito nel 2003 nell’Istituto di Metodologie Chimiche.

Il tema centrale di questa linea di ricerca è il riconoscimento molecolare, con obiettivi che vanno dallo sviluppo di recettori molecolari sintetici, anche in grado di dare riconoscimento chirale, alla messa a punto di catalizzatori supramolecolari altamente efficienti e selettivi. Particolare attenzione è rivolta ai sistemi attivi in mezzi fisiologici o comunque acquosi e a substrati e processi di interesse biochimico.

Riconoscimento molecolare/chirale in ambiente biomimetico
Catalisi supramolecolare

Persona di contatto: Roberta Cacciapaglia

Nel settore dei recettori molecolari sintetici la ricerca è in particolare focalizzata su:

  1. studio di complessi metallici per il riconoscimento di specie neutre, anioniche e di coppie ioniche mediante leganti basati sull’unità metallo-salofen;
  2. sviluppo di sistemi chimici covalenti o noncovalenti dinamici (reversibili) (DCC: Chimica Dinamica Combinatoria) per l’ottenimento di recettori, tipicamente macrociclici, e di nuovi materiali; amplificazione nella produzione del miglior recettore per la specie target, introdotta nel sistema come template (in linea con il criterio dell’atom-economy e con i principi di una chimica sostenibile).

L’attività di ricerca si basa su una consolidata esperienza nello studio degli aspetti teorici e quantitativi delle reazioni di macrociclizzazione, dell’effetto template, e in generale degli effetti di prossimità sulla velocità di reazione e sulla posizione degli equilibri.

Nel campo della catalisi supramolecolare, l’obiettivo è lo sviluppo di catalizzatori con attività di tipo esterasi, peptidasi e nucleasi artificiali attive in scissioni sequenza-selettive. Particolare attenzione viene dedicata alla preorganizzazione di siti di riconoscimento e siti catalitici che si realizza:

  1. su piattaforme molecolari convenzionali, quali l’unità calix[4]arenica;
  2. in sistemi multivalenti nanostrutturati quali nanoparticelle di oro passivate da un monostrato di componenti funzionalizzati o polymer-brushes funzionalizzate, innestate su nanoparticelle di silice.

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Personale di ricerca coinvolto:

Mauro Bassetti
Roberta Cacciapaglia
Francesca D’Acunzo
Antonella Dalla Cort (associato)
Stefano Di Stefano (associato)
Enrica Donati
Patrizia Gentili (associato)
Osvaldo Lanzalunga
Giovanna Mancini
Luigi Mandolini (associato)
Paolo Mencarelli (associato)
Chiara Polcaro
Riccardo Salvio (associato)
Ornella Ursini
Fabrizio Carnevaletti
Laura Lilla

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Collaborazioni:

IBAF-CNR (Dr. Emanuela Galli)

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Pubblicazioni rilevanti:

Donati E., Polcaro C. M., Ciccioli P., Galli E., The comparative study of a laccase-natural clinoptilolite-basedcatalyst activity and free laccase activity on model compounds
Journal of Hazardous Materials 2015, 289 , 83–90

Donati E., Polcaro C.M., Tiso N., Galli E. Oxytetracycline and Epi-oxytetracycline degradation by enzymatic crude extract from Lentinula edodes.
Proceedings of the 5th European Bioremediation Conference, July 4-7, 2011, Chania, Crete, Greece, ID050

Galli E., Brancaleoni E., Di Mario F., Donati E., Frattoni M., Polcaro C.M., Rapanà P., Mycelium growth and degradation of creosote-treated wood by basydiomycetes
Chemosphere 2008, 72, 1069-1072

D’Acunzo, F.; Galli, C.; Gentili, P.; Sergi, F., Mechanistic and steric issues in the oxidation of phenolic and non-phenolic compounds by laccase or laccase-mediator systems. the case of bifunctional substrates.
New Journal of Chemistry 2006, 30, 583-591

Salvio R., Volpi S., Cacciapaglia R., Casnati A., Mandolini L., Sansone F. “Ribonuclease activity of an artificial catalyst that combines a ligated CuII ion and a guanidinium group at the upper rim of a cone-calix[4]arene platform”
J. Org. Chem. 2015, 80, 5887-5893

Ciaccia M., Tosi I., Baldini L., Cacciapaglia R., Mandolini L., Di Stefano S., Hunter C. A., “Applications of Dynamic Combinatorial Chemistry for the determination of Effective Molarity”
Chem. Sci. 2015, 6, 144-151

Savelli C., Salvio R. “Guanidine-based polymer brushes grafted onto silica nanoparticles as efficient artificial phosphodiesterases”
Chem. Eur. J. 2015, 21, 5856-5863

Salvio R., Cacciapaglia R., Mandolini L., Sansone F., Casnati A., “Diguanidinocalix[4]arenes as effective and selective catalysts of the cleavage of diribonucleoside monophosphates”
RSC Adv. 2014, 4, 34412-34416

Di Stefano S., Cacciapaglia R., Mandolini L. “Supramolecular control of reactivity and catalysis – effective molarities of recognition-mediated bimolecular reactions”
Eur. J. Org. Chem. 2014, 33, 7304-7315

Giannicchi I., Brissos R., Ramos D., de Lapuente J., Lima J. C., Dalla Cort A., Rodríguez L. “Substituent effects on the biological properties of Zn-salophen complexes”
Inorg. Chem. 2013, 52, 9245-9253

Ciaccia M., Tosi I., Cacciapaglia R., Casnati A., Baldini L., Di Stefano S. “One-shot preparation of an inherently chiral trifunctional calix[4]arene from an easily available cone-triformyl calix[4]arene”
Org. Biomol. Chem. 2013, 11, 3642-3648

Ciaccia M., Tosi I., Cacciapaglia R., Mencarelli P., Mandolini L., Di Stefano S. “Fast transimination in organic solvents in the absence of proton and metal catalysts. A key to imine metathesis catalyzed by primary amines under mild conditions”
Chem. Sci. 2013, 4, 2253-2261

Baldini L., Cacciapaglia R., Casnati A., Mandolini L., Salvio R., Sansone F., Ungaro R. “Upper rim guanidinocalix[4]arenes as artificial phosphodiesterases”
J. Org. Chem. 2012, 77, 3381-338

Galli M., Berrocal J. A., Di Stefano S., Cacciapaglia R., Mandolini L., Baldini L., Casnati A., Ugozzoli F. “Highly efficient intramolecular Cannizzaro reaction between 1,3-distal formyl groups at the upper rim of a cone-calix[4]arene”
Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 5109-5112

Berrocal J. A., Cacciapaglia R., Di Stefano S., Mandolini L. “Target-induced amplification in a dynamic library of macrocycles. A quantitative study”
New J. Chem. 2012, 36, 40-43

Salvio R., Cacciapaglia R., Mandolini L. “General base-guanidinium cooperation in bifunctional artificial Phosphodiesterases”
J. Org. Chem. 2011, 76, 5438-5443

Scaramuzzo F. A., González-Campo A., Wu C.-C., Velders A. H., Subramaniam V., Doddi G., Mencarelli P., Barteri M., Jonkheijm P., Huskens J. “Pyrylium monolayers as amino-reactive platform”
Chem. Commun. 2010, 46, 4193-4195