ETD

• acido levulinico
• DESs
• ecotossicità
• green chemistry
• pirrolidoni
• riciclo
• solventi green

Questo lavoro di Tesi si inserisce nell'ambito della Green Chemistry, una disciplina nata negli ultimi trent’anni grazie alla crescente consapevolezza dei limiti delle risorse fossili e all’attenzione verso la sostenibilità. In questo contesto, la ricerca di solventi bio-based rappresenta un aspetto fondamentale, poiché molti dei solventi tradizionali derivano da fonti fossili e presentano problematiche di tossicità e smaltimento. L’identificazione di solventi green rappresenta una sfida strategica per la chimica sostenibile.
In questo progetto di Tesi, è stato investigato l’impiego di un solvente innovativo che ha un ruolo attivo nella sintesi di composti di interesse industriale. Il solvente scelto è un Deep Eutectic Solvent reattivo (reDES), formato da acido levulinico, acido formico e colina cloruro.
I DESs, sono solventi ottenuti dalla miscelazione di uno o più donatori di legami a idrogeno (HBD) e un accettore di legami a idrogeno (HBA). Essi costituiscono una classe emergente di solventi, caratterizzati da una bassa tossicità, scarsa volatilità, biodegradabilità e una buona stabilità chimico-fisica, rappresentando quindi una valida alternativa ai solventi organici tradizionali.

L’acido levulinico, ottenibile dall’idrolisi acida dei carboidrati a 5 o a 6 atomi di carbonio, tra cui glucosio, fruttosio e xilosio, rappresenta un “building block” molto versatile e, grazie alla presenza di due gruppi funzionali (un acido carbossilico e un chetone), un precursore adatto alla sintesi di una vasta gamma di derivati, inclusi i composti contenenti azoto. L’acido formico viene coprodotto assieme all’acido levulinico mediante la medesima reazione sopraindicata. L’impiego di acido levulinico e acido formico in rapporto equimolare permette di valorizzare entrambi i composti creando un mercato per entrambi i prodotti.
Nel presente lavoro di Tesi è stata analizzata la sintesi dei 5-metil-2-pirrolidoni N-alchil-sostituiti, molecole polari e aprotiche che uniscono buone proprietà chimico-fisiche a un’origine bio-based. Per la loro preparazione, il reDES a base di acido levulinico e acido formico è stato impiegato con successo. Per ottimizzare il processo, la sintesi è stata condotta tramite irradiazione a microonde (MW), una tecnica che consente di ridurre significativamente i tempi di reazione, lavorare a temperature più elevate in condizioni controllate e, di conseguenza, migliorare resa e purezza dei prodotti ottenuti. L’elevata affinità dei DES con le microonde rende il processo estremamente efficiente. I composti sintetizzati sono stati successivamente caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche e purificati mediante cromatografia flash. Sono state poi condotte prove di riciclo della fase acquosa contenente il DES, riportando le tre componenti consumate durante la reazione ai valori iniziali.
È stata inoltre condotta una valutazione ecotossicologica dei composti sintetizzati in collaborazione con il Centro Interuniversitario di Biologia Marina (CIBM) di Livorno. Per questo studio sono stati utilizzati organismi modello di ecosistemi marini, come Alivibrio fisheri, Ficopomatus enigmaticus, Phaeodactylum tricornutum. Successivamente sono stati condotti test di biomarker in vitro su triglia, per valutare l’eventuale stimolazione o inibizione enzimatica. Questa analisi è fondamentale per stabilire l’effettiva sostenibilità dei solventi bio-based, che non può prescindere da un basso livello di tossicità per gli organismi viventi e da una buona compatibilità ambientale.
I risultati ottenuti hanno mostrato che i derivati sintetizzati possiedono buone proprietà e una tossicità contenuta, elementi che ne suggeriscono la potenziale applicazione come solventi bio-based alternativi a quelli tradizionali.


This thesis falls within the field of Green Chemistry, a discipline that has emerged over the last thirty years thanks to growing awareness of the limits of fossil resources and a focus on sustainability. In this context, the search for bio-based solvents is a fundamental aspect, as many traditional solvents are derived from fossil sources and present problems of toxicity and disposal. The identification of green solvents is a strategic challenge for sustainable chemistry.
This thesis project investigated the use of an innovative solvent that plays an active role in the synthesis of compounds of industrial interest. The solvent chosen is a reactive Deep Eutectic Solvent (reDES), consisting of levulinic acid, formic acid and choline chloride.
DESs are solvents obtained by mixing one or more hydrogen bond donors (HBDs) and a hydrogen bond acceptor (HBA). They constitute an emerging class of solvents, characterised by low toxicity, low volatility, biodegradability and good chemical-physical stability, thus representing a valid alternative to traditional organic solvents.

Levulinic acid, which can be obtained from the acid hydrolysis of carbohydrates with 5 or 6 carbon atoms, including glucose, fructose and xylose, is a highly versatile building block and, thanks to the presence of two functional groups (a carboxylic acid and a ketone), it is a suitable precursor for the synthesis of a wide range of derivatives, including nitrogen-containing compounds. Formic acid is co-produced with levulinic acid by the same reaction mentioned above. The use of levulinic acid and formic acid in equimolar ratio allows both compounds to be exploited, creating a market for both products.
This thesis analyses the synthesis of N-alkyl-substituted 5-methyl-2-pyrrolidones, polar and aprotic molecules that combine good chemical-physical properties with a bio-based origin. For their preparation, reDES based on levulinic acid and formic acid was successfully employed. To optimise the process, the synthesis was conducted using microwave irradiation (MW), a technique that significantly reduces reaction times, allows working at higher temperatures under controlled conditions and, consequently, improves the yield and purity of the products obtained. The high affinity of DESs with microwaves makes the process extremely efficient. The synthesised compounds were subsequently characterised using spectroscopic techniques and purified by flash chromatography. Recycling tests were then carried out on the aqueous phase containing the DES, returning the three components consumed during the reaction to their initial values.

An ecotoxicological assessment of the synthesised compounds was also conducted in collaboration with the Interuniversity Centre for Marine Biology (CIBM) in Livorno. Model organisms from marine ecosystems, such as Alivibrio fisheri, Ficopomatus enigmaticus and Phaeodactylum tricornutum, were used for this study. Subsequently, in vitro biomarker tests were conducted on mullet to assess possible enzyme stimulation or inhibition. This analysis is essential to establish the actual sustainability of bio-based solvents, which cannot be separated from a low level of toxicity for living organisms and good environmental compatibility. The results obtained showed that the synthesised derivatives have good properties and low toxicity, suggesting their potential application as bio-based solvents alternative to traditional ones.