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Phenylpropanoids are secondary metabolites widely distributed in plants. They are believed to protect human cells against oxidative stress and in turn, to prevent various diseases associated with it, such as cancer, cardiovascular, and neurodegenerative disorders as well [2,3]. Recently, many natural phenylpropanoids have emerged as a particularly promising class of small molecules able to inhibit β-amyloid aggregation and disrupt preformed amyloid fibrils that represent important targets in the development of pharmacological treatments of Alzheimer’s disease (AD) [4]. Unfortunately, natural phenylpropanoids often have poor pharmacokinetic properties and low bioavailability. In this frame an interesting approach in the design of new bioactive compounds could be the combination of two or more polyphenolic "fragments". This "natural-fragment-based drug-discovery" approach would allow the assembly, also in a combinatorial manner, of libraries based on complex polyphenols in a few steps. This strategy provides us with the possibility of easily modifying both scaffold and decorations and modulating pharmacodynamic and pharmacokinetic properties [5]. Therefore, we planned to join two "tyrosol-fragments" by a phosphodiester bridge to obtain a new class of phosphate-linked compounds [6], which are potentially more bioactive than the corresponding precursors. We report here the general synthetic strategy to obtain new phosphate-linked tyrosol dimers in good yield and their full characterization. Since oxidative stress, as well as metal ion dyshomeostasis, are known to play important roles in AD pathogenesis, preliminary studies are focused on the evaluation of their antioxidant activity, metal chelating ability and their ability to inhibit β-amyloid aggregation.

Basiricò L1, Morera P1, Dipasquale D1, Bernini R1, Santi L1, Romani A2, Lacetera N1, Bernabucci U1. (-)-Epigallocatechin-3-gallate and hydroxytyrosol improved antioxidative and anti-inflammatory responses in bovine mammary epithelial cells. Animal. 2019 Dec;13(12):2847-2856. doi: 10.1017/S1751731119001356. Epub 2019 Jun 11 1.Dipartimento di Scienze Agrarie e Forestali (DAFNE), Università degli Studi della Tuscia, via San Camillo de Lellis, 01100, Viterbo, Italy. 2.Dipartimento di Statistica, Informatica, Applicazioni (DiSiA) "Giuseppe Parenti", Università degli Studi di Firenze, via Morgagni 59, 50134, Firenze, Italy. Abstract (-)-Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), the major phenolic compound of green tea, and hydroxytyrosol (HTyr), a phenol found in olive oil, have received attention due to their wide-ranging health benefits. To date, there are no studies that report their effect in bovine mammary gland. Therefore, the aim of this study was to evaluate the anti-oxidative and anti-inflammatory effects of EGCG and HTyr in bovine mammary epithelial cell line (BME-UV1) and to compare their antioxidant and anti-inflammatory in vitro efficacy. Sample of EGCG was obtained from a commercially available green tea extract while pure HTyr was synthetized in our laboratories. The mammary oxidative stress and inflammatory responses were assessed by measuring the oxidative stress biomarkers and the gene expression of inflammatory cytokines. To evaluate the cellular antioxidant response, glutathione (GSH/GSSH), γ-glutamylcysteine ligase activity, reactive oxygen species and malondialdehyde (MDA) production were measured after 48-h incubation of 50 µM EGCG or 50 µM of HTyr. Reactive oxygen species production after 3 h of hydrogen peroxide (50 µM H2O2) or lipopolysaccharide (20 µM LPS) exposure was quantified to evaluate and to compare the potential protection of EGCG and HTyr against H2O2-induced oxidative stress and LPS-induced inflammation. The anti-inflammatory activity of EGCG and HTyr was investigated by the evaluation of pro and anti-inflammatory interleukins (tumor necrosis factor (TNF)-α, interleukin (IL)-1β, IL-6 and IL-10) messenger RNA abundance after treatment of cells for 3 h with 20 µM of LPS. Data were analyzed by one-way ANOVA. (-)-Epigallocatechin-3-gallate or HTyr treatments induced higher concentrations of intracellular GSH compared to control cells, matched by an increase of γ-glutamylcysteine ligase activity mainly in cells treated with HTyr. Interestingly, EGCG and HTyr prevented oxidative lipid damage in the BME-UV1 cells by a reduction of intracellular MDA levels. (-)-Epigallocatechin-3-gallate and HTyr were able to enhance cell resistance against H2O2-induced oxidative stress. It was found that EGCG and HTyr elicited a reduction of the three inflammatory cytokines TNF-α, IL-1β, IL-6 and an increase of the anti-inflammatory cytokine IL-10. Hydroxytyrosol has proved to be a strong antioxidant compound, and EGCG has shown mainly an anti-inflammatory profile. These results indicated that EGCG and HTyr may provide dual protection because they were able to attenuate oxidative stress and inflammatory responses, suggesting that these phenolic compounds are potential natural alternatives to be used in dairy cattle as feed supplement for reducing the development of oxidative and inflammatory processes related to parturition or as topical treatments for the control of bovine intramammary inflammation.

An hydroxytyrosol (HTyr) enriched extract (HTE), obtained from olive mill wastewaters (OMWW) through an eco-friendly, patented process was tested on two olive tree pathogens, Pseudomonas savastanoi pv. savastanoi (Pss) and Agrobacterium tumefaciens (At). Pss, in particular, is a feared treat for olive tree cultivation being the etiological agent of the olive knot disease responsible of severe production losses. Chemical characterization allowed to identify and quantify HTyr as the main constituent along with other low molecular weight phenols. HTE has proven potent antioxidant activity and significant antimicrobial activity against Pss and At in vitro, in both cases higher than hydroxytyrosol alone, suggesting an important role also of the minor phenolic components, which act synergistically with HTyr. Alternatives to the molecules currently present on the market are needed, but only the use of standardized extraction technologies would allow to conduct solid field studies and enable this circular approach to find a real application in the olive groves.

A novel hydroxytyrosol-lipoic acid derivative has been synthesized. Key steps are an esterification reaction between tyrosol and -lipoic acid derivatives and a regioselective aromatic hydroxylation of the monohydroxylated ester performed by 2-iodoxybenzoic acid (IBX) followed by an in situ reduction with sodium dithionite (Na2S2O4). The novel ester exhibited an antiproliferative effect on the human colorectal adenocarcinoma HT-29 cell line significantly more potent than its parent compounds

The abnormal deposition of Aβ amyloid deposits in the brain is a hallmark of Alzheimer's disease (AD). Based on this evidence, many current therapeutic approaches focus on the development of small molecules halting Aβ aggregation. However, due to the temporary and elusive structures of amyloid assemblies, the rational design of aggregation inhibitors remains a challenging task. Here we combine ThT assays and MD simulations to study Aβ aggregation in the presence of the natural compounds tyrosol (TY), 3-hydroxytyrosol (HDT), and 3-methoxytyrosol (homovanillyl alcohol - HVA). We show that albeit HDT is a potent inhibitor of amyloid growth, TY and HVA catalyze fibril formation. An inspection of MD simulations trajectories revealed that the different effects of these three molecules on Aβ1-40 aggregation are ascribable to their capacity to arrange H-bonds network between the ligand (position C-3) and the peptide (Glu22). We believe that our results may contribute to the design of more effective and safe small molecules able to contrast pathogenic amyloid aggregation.

Polyphenols are natural compounds showing a variety of health-promoting effects. Unfortunately, due to low lipid solubility, their applications in the pharmaceutical, food, and cosmetic industries are limited. With the aim of obtaining novel lipophilic derivatives, the present study reports the synthesis of a series of phenethyl trifluoroacetate esters containing up to two hydroxyl groups in the aromatic ring. Experimental logP values confirmed a greater lipophilicity of the novel compounds compared to the parent compounds. The radical scavenging capacity of all phenethyl trifluoroacetate esters was evaluated by in vitro assays (ABTS, DPPH) and in cultured cells (L6 myoblasts and THP-1 leukemic monocytes) using 2′,7′-dichlorodihydrofluorescein diacetate. These data revealed that the esters showed a good antioxidant effect that was strictly dependent on the grade of hydroxylation of the phenyl ring. The lack of toxicity, evaluated by the MTT assay and proliferation curves, makes these trifluoroacetates attractive derivatives for pharmaceutical, food, and cosmetic applications.

L’attività sperimentale condotta durante il triennio di dottorato è inserita in un progetto di ricerca a carattere interdisciplinare dal titolo “Studio della diffusione di inquinanti organici persistenti in ambiente rurale e stima dei rischi da esposizione per gli operatori del settore agricolo-zootecnico mediante modelli cellulari” finanziato dall’Istituto Nazionale per l’Assicurazione contro gli Infortuni sul Lavoro (INAIL). Obiettivo principale del progetto è analizzare i rischi da esposizione per gli operatori del settore agricolo-zootecnico che svolgono la loro attività nella Valle del fiume Sacco, un contesto agro-ambientale fortemente compromesso sotto il profilo della qualità e dello stato dell’ambiente, a seguito degli avvenimenti a carattere emergenziale connessi con la diffusione degli isomeri dell’esaclorocicloesano (HCH) potenti pesticidi appartenenti alla famiglia dei composti organoclorurati. Sulla base di quanto premesso, il lavoro oggetto della presente tesi è stato focalizzato su due obiettivi di ricerca. Inizialmente è stata valutata la qualità ambientale della Valle del fiume Sacco mediante opportuni campionamenti di varie matrici di rilevanza agro-ambientale effettuati nelle 9 aziende agrarie locali partecipanti al progetto. In particolare, è stata effettuata la verifica dei livelli di contaminazione da esaclorocicloesano (HCH) nel suolo e nel soprassuolo; nell’acqua per l’abbeveraggio degli animali in produzione; in alimenti d’origine animale destinati al consumo umano (latte, carne, miele, uova, ortaggi); in alimenti impiegati nell’allevamento dei bovini da latte. Pertanto, sono stati condotti una serie di campionamenti in varie zone all’interno dell’area di studio per garantire la rappresentatività delle varie matrici. Dopo una fase di pre-trattamento specifica per ogni matrice, ci si è avvalsi di metodi di estrazione accreditati a livello internazionale per l’estrazione degli HCH. Su tali campioni sono state eseguite le analisi gas-cromatografiche (GC-ECD). I risultati analitici ottenuti sono stati confrontati con i valori massimi consentiti dalla normativa vigente nazionale ed europea; inoltre, sono stati oggetto di una serie di elaborazioni statistiche per correlarli, per ciascuna azienda a diversi fattori (collocazione geografica, periodo di campionamento, profondità del suolo …). Tali risultati hanno evidenziato un livello di contaminazione ambientale persistente nella Valle del fiume Sacco che richiede a tutt’oggi un continuo monitoraggio ed efficaci interventi di bonifica per il recupero ed il risanamento del territorio. Un secondo obiettivo di ricerca ha riguardato la determinazione analitica degli HCH in campioni di pioppo, una pianta arborea utilizzata per il fitorimedio nella Valle del Sacco, per verificarne l’effettiva capacità di assorbimento degli inquinanti. A tale scopo è stato messo a punto un innovativo approccio di tipo dendrochimico tramite una procedura analitica che si è avvalsa, in via preliminare, della spettroscopia IR. Questa parte della ricerca ha richiesto carotaggi di pioppi collocati a diverse distanze dal fiume Sacco, l’analisi degli standard e dei campioni tal quali tramite spettroscopia IR e la successiva validazione dei dati acquisiti tramite gas-cromatografia. The research carried out during the PhD course is part of an interdisciplinary project funded by INAIL (Istituto Nazionale per l’Assicurazione contro gli Infortuni sul Lavoro) named ”Study of the contamination by hexachlorocyclohexane isomers in the Sacco’s River Valley and evaluation of the risks for the workers of this area”. The Sacco’s River Valley is a wide territory located between Rome and Frosinone in the central Italy crossed by Sacco River. Since 1900, this area had an important industrial development, mainly thanks to Bomprini Parodi Delfino (B.p.d), a company which over time has created a city around the industrial agglomerate. During the two World Wars, the B.d.p company produced mostly military explosives such as nitric acid, glycerine and dynamite. After the Wars , it expanded its range of manufacturing to the chemical industry. In particular, it specialized in synthesizing pesticides, insecticides, fungicides and herbicides and different types of fertilizers. Nevertheless, the intense industrial activity, the absence of laws in waste management and the uncontrolled use of the river water has led to a remarkable pollution of the river, groundwater and soil causing serious problems to the whole agro-food chain. The focus on this emergency has occurred in 2005, after the detection of high levels of toxic substances to human into several sample of milk produced from local farms (up to 20 times higher than the legal limit). The contamination was referred to b- hexachlorocyclohexane (b-HCH), a pesticide belonging to family of organochlorine pesticides produced from B.d.p. and widely used in agriculture. This substance is an halogenated compound belonging to a family of several stereoisomers, named a-, b-, g-, d-, e-, h-, q which differ for the physical-chemical properties and persistence in the environment related to the axial-equatorial substitution pattern of chlorine atoms around the six carbons ring [1]. Among the isomers, the g-HCH, also known as lindane, showed the highest pesticidal activity and it was widely used as an insecticide on fruits and vegetable, rice paddies, animals and seed treatment. Starting of these literature data, the research carried out during the PhD was focused on the investigation of the occurrence and distribution of HCHs isomers in different samples (soil, water, milk, feed and vegetables) collected in nine dairy farms located in the Sacco’s River Valley. The samples were collected in June-September 2013 and January-April 2014. After the appropriate preparation, all samples were analyzed by GC-ECD and GC-MS. At several years from the onset of the agroenvironmental crisis, our analytical data confirmed a high degree of pollution in the investigated area, which deserves continuous environmental monitoring due to the strong impact of persistent organic pesticides on rural environment and human food chain. In addition to the monitoring, the bioremediation of the Valley must be seriously taken in account. Among the possible solutions, phytoremediation is applied in the Sacco’s River Valley. It is based on the ability of certain plants to degrade, assimilate, and metabolize pollutants from soils accumulating them or their metabolites in different tissues and organs. In the final part of the PhD course, a preliminary study focused on the fate of HCHs on poplars. Then, in collaboration with forest researchers, several cores were collected from poplar trees selected according to a gradient of HCHs contamination into the Sacco’s River Valley: one poplar located at a distance of about 500 m from the left bank of the Sacco River; a second poplar located close to the river bank and was thus subject to direct contamination. As a blank, several cores were also extracted from a control poplar growing close to a river in an uncontaminated area near Viterbo. All samples were firstly analyzed by Micro-Fourier Transform Infrared (micro-FTIR) Spectrometry and then by GC-ECD, after an appropriate preparation. This preliminary study evidenced two important aspects: the novelty in the analytical method using Micro-Fourier Transform Infrared (micro-FTIR) Spectrometry, a fast and non-destructive technique for the screening of samples; the ability of poplars to absorb HCHs isomers. This result confirms the role of poplars in bioremediation but opens novel questions about the final uses of them. Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

Over the last few years, industry focused its efforts on the development of new technologies for pollution prevention. This approach is the way of modern business. It uses less energy, requires minimal product separations, generally involves less capital investment and there is no impact on the environment. In the last years, green chemistry has been recognized as a new approach to scientifically based environmental protection. Green chemistry “is the design of chemical products and processes which reduce or eliminate the use and the generation of hazardous substances in the design, manufacture and application of chemical products”. It utilizes a set of twelve principles and in this context catalysis plays a fundamental role. In the last decades, palladium-catalyzed reactions have become an important and extremely flexible tool for practicing organic chemists. As palladium chemistry is generally tolerant of a wide range of functionalities, it is applicable to complex molecules. Thus, a large number of fine chemicals and biologically active ingredients have been prepared in fewer steps and with less wastes than classical methods. Even the design of heterocyclic synthesis has been deeply influenced and modified by the growing utilization of palladium catalysis, as testified by the wide amount of studies on the palladium-catalyzed synthesis and functionalization of heterocycles. In this context, the research activity carried out during this PhD course has been devoted to the development of environmentally friendly procedures for the synthesis of new biologically active compounds through palladium-catalyzed assisted processes. At the same time, a new kind of supported gold nanoparticles has been prepared, characterized and tested as new oxidant system. Specifically: 1) a new synthetic strategy for the synthesis of 5-aryl-dopamine and 5-alkynyl- dopamine derivatives starting from protected 4-(2-aminoethy)phenol through the sequence halogenation/palladium catalyzed cross-coupling alkynylation has been optimized. The new derivatives could be used as starting materials for pharmaceutical chemicals; 2) a novel palladium-catalyzed approach to 2-amino ketones has been developed. This procedure is based on the reaction between arylpropargyl carbonates, bearing neutral, electron-rich, and electron-poor aromatic rings, and cyclic secondary amines containing useful functional groups such as cyano, chloro and bromo substituents. This procedure is simple, uses readily available starting materials and represents an useful tool for a new approach to the synthesis of this class of compounds; 3) a new straightforward synthesis to 3-substituded indole derivatives has been developed through a cascade process involving N-arylpropargyl bromide and arylboronic acids; 4) new active gold nanoparticles stabilized by polysaccharides have been prepared and tested in the alcohols oxidation, obtaining good results in term of selectivity, yield and reaction time. Negli ultimi anni, l'industria ha concentrato i propri sforzi sullo sviluppo di nuove tecnologie per la riduzione dell'inquinamento. Questo è l’approccio del business moderno. Esso utilizza meno energia, richiede ridotte separazioni di prodotti, generalmente comporta un minor investimento di capitale e non vi è alcun impatto sull'ambiente. Negli ultimi anni, la green chemistry è stata riconosciuta come un nuovo approccio scientifico basato sulla protezione ambientale. La green chemistry “è la progettazione di prodotti e processi chimici che riducono o eliminano l'uso e la produzione di sostanze pericolose nella progettazione, produzione e applicazione di prodotti chimici”. Essa utilizza un set di dodici principi e in questo contesto la catalisi riveste un ruolo fondamentale. Negli ultimi dieci anni, le reazioni palladio-catalizzate sono diventate uno strumento importante ed estremamente flessibile per i chimici organici. Inoltre, siccome la chimica del palladio è tollerata da una vasta gamma di gruppi funzionali, è applicabile a molecole complesse. In questo modo è stato possibile ottenere un gran numero di prodotti chimici e di sostanze biologicamente attive in un minor numero di passaggi e con meno sprechi rispetto ai metodi classici. Inoltre, anche il design della sintesi eterociclica è stato profondamente influenzato e modificato dal crescente utilizzo della catalisi del palladio, come testimonia la vasta quantità di studi sulla sintesi palladio-catalizzata nella funzionalizzazione di eterocicli. In questo contesto, l’attività di ricerca svolta durante questo corso di Dottorato è stata dedicata allo sviluppo di procedure eco-compatibili per la sintesi di composti biologicamente attivi attraverso processi palladio-catalizzati. Allo stesso tempo, un nuovo tipo di nanoparticelle di oro supportate, sono state preparate, caratterizzate e testate come nuovo sistema ossidante. Nello specifico: 1) è stata ottimizzata una nuova strategia sintetica per la sintesi dei 5-aril e 5-alchinil derivati della dopamina, partendo dal 4-(2-aminoetil)fenolo protetto, attraverso una sequenza di reazioni di alogenazione e alchinilazione palladio catalizzate. I nuovi derivati potrebbero essere usati come materiale di partenza per ottenere prodotti chimico farmaceutici; 2) è stato sviluppato un nuovo approccio palladio catalizzato per i 2-aminochetoni. Questa procedura è basata sulla reazione tra gli arilpropargil carbonati, con anelli aromatici neutri, elettron ricchi ed elettron poveri e ammine secondarie cicliche contenenti come sostituenti gruppi funzionali come ciano, cloro e bromo. Questa procedura è semplice, utilizza materiali di partenza facilmente disponibili e rappresenta un utile strumento per un nuovo approccio alla sintesi di questa classe di composti; 3) una nuova sintesi diretta di derivati indolici 3-sostituiti è stata sviluppata attraverso una reazione a catena che coinvolge N-arilpropargil bromuri e acidi aril boronici; 4) nuove nanoparticelle di oro stabilizzate con polisaccaridi sono state preparate e testate nella ossidazione degli alcoli, ottenendo ottimi risultati in termini di selettività, resa e tempi di reazione. Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

REBIOFOAM European co financed project (see www.rebiofoam.eu) aimed to develop a prototype expanded pck (port-hole spacer) based on renewable raw materials like starch and compostable. The innovative pck system has been assessed on one side, by focusing attention on potential changes in disposal scenarios since being compostable it is suitable to be disposed of along with bio-waste fraction and, on the other side, by estimating its environmental profile applying Life Cycle Assessment (LCA) methodology. The analysis outcomes have shown that the prototype may increase diversion from landfill and simultaneously increases material recycling compared to its benchmark represented by the same pck system but made of expanded polystyrene (EPS). Landfill would pass from about 52% (current scenario with EPS pck system) to 37% (alternative scenario with a compostable pck. system), whereas recycling would pass from 0,5% (EPS) to 40% (compostable prototype), without modifying the waste collection schemes currently running. LCA results have shown that the prototype is characterized by a lower non renewable energy resources consumption (-50%) along with a significant reduction in greenhouse gas emissions (-60%) compared to the benchmark. This was mainly due to the use of a renewable feedstock represented by starch, however, the way the renewable feedstocks are obtained is a valuable aspect (e.g. no virgin lands have to be used, low input agriculture, etc.). Also photochemical ozone production potential resulted significantly lower (-90%) but, in that case, it was due to the absence of the expanding agent (i.e. pentane) used instead in EPS expansion process. The robustness of LCA results was verified by performing a Monte Carlo simulation whose outcomes confirmed the reliability of LCA results. In reference to the other impact categories like eutrophication, acidification and ozone depleting the prototype scored respectively +40%, +6% and -8% compared to benchmark (i.e. EPS), nevertheless, the Monte Carlo simulation suggested for all three impact categories that such differences were not very significant (for eutrophication) or not significant at all (for acidification and ozone depleting). Also sensitivity analysis like the use of different types of starch, the adoption of different types of allocation, different disposal scenarios etc. have been performed. The corresponding LCA results for the prototype showed an increase of potential impacts, nevertheless, the overall environmental profile of the prototype scores still better compared to the benchmark. Many rooms of improvement exist for the prototype such as the reduction of the material density or the use of renewable electricity for carrying out the expansion process. These would allow to further improve the environmental performance of the prototype, especially for those impact categories (i.e. eutrophication and to a less extent acidification) for which bio-based products (e.g. prototype) are generally less competitive. The use of renewable raw materials coming from agricultural sector and used for producing bio-based products should not cause competition with food sector even hypothesizing an increase of the market of bio-plastics. LCA methodology is a useful analysis tool but it is characterized by several hotspots like consistency of models, the availability of inventory data, the presence of subjective choices, the compression of time and space regarding impact categories etc. All these aspects need to be handle with care if one want to get useful and reliable analysis outcomes. This, anyhow, may require many efforts and time especially for “classical” LCA which results a not quick-response tool for Eco-design purposes. Il progetto cofinanziato dalla Comunità Europea REBIOFOAM (www.rebiofoam.eu) ha visto lo sviluppo di un prototipo di imballaggio espanso (ferma oblò per lavatrice) compostabile e basato su materie prime rinnovabili come l’amido. Il prototipo è stato analizzato da un lato, focalizzando l’attenzione sui potenziali cambiamenti nella gestione del fine vita poiché, essendo l’imballaggio compostabile, è idoneo a essere smaltito insieme alla frazione organica domestica e, dall’altro lato, misurando il suo profilo ambientale tramite la metodologia di Life Cycle Assessment (LCA). I risultati dell’analisi hanno mostrato che il prototipo può incrementare la diversione dalla discarica e contestualmente incrementare il recupero di materiale rispetto al benchmark rappresentato dal medesimo imballaggio fatto in polistirene espanso (EPS). La discarica passerebbe dal 52% (scenario attuale con imballaggio in EPS) al 37% (scenario alternativo con l’imballaggio compostabile) mentre il riciclo dallo 0,5% (EPS) al 40% (prototipo), senza modificare gli attuali sistemi di raccolta. I risultati di LCA hanno evidenziato che il prototipo ha un minor consumo (-50%) di risorse energetiche non rinnovabili (es. petrolio, gas naturale) insieme a una rilevante riduzione delle emissioni di gas serra (-60%) rispetto al benchmark. Ciò è dovuto sostanzialmente all’utilizzo di materie prime rinnovabili come l’amido, tuttavia, il modo in cui tali materie prime sono prodotte è un aspetto importante (es. no utilizzo di terre vergini, agricoltura con bassi input ecc.) ai fini della performance ambientale. Anche il potenziale di formazione di smog fotochimico del prototipo, è significativamente inferiore (-90%) ma, in questo caso, è dovuto al non utilizzo dell’agente espandente (pentano) che, invece, è utilizzato nell’espansione del polistirene. La robustezza dei risultati di LCA, è stata verificata attraverso l’analisi di Monte Carlo che ha confermato l’affidabilità degli stessi. Con riferimento alle altre categorie d’impatto come eutrofizzazione, acidificazione e assottigliamento dello strato d’ozono, il prototipo si colloca rispettivamente a +40%, +6% e -8% rispetto al benchmark, tuttavia, la simulazione di Monte Carlo suggerisce che tali differenze sono poco (per eutrofizzazione) o per nulla (per acidificazione e assottigliamento dello strato d’ozono) significative. Oltre a questo sono state condotte anche una serie di analisi di sensibilità come per esempio l’utilizzo di differenti tipologie di amido e l’impiego di differenti tipi di allocazione, differenti scenari di fine vita ecc. I corrispondenti risultati di LCA ottenuti per il prototipo hanno evidenziato un incremento dei potenziali impatti ambientali, tuttavia, il profilo complessivo dello stesso rimane comunque migliorativo rispetto al benchmark. Diversi sono gli ambiti di miglioramento del prototipo come la riduzione della densità del materiale o l’utilizzo di energia elettrica da fonte rinnovabile per condurre il processo di espansione. Questi permetterebbero di migliorare ulteriormente la performance ambientale del prototipo, specialmente per quelle categorie d’impatto come eutrofizzazione e acidificazione per le quali i materiali bio-based sono, generalmente, meno competitivi rispetto alle plastiche tradizionali. L’utilizzo di materie prime rinnovabili provenienti dal settore agricolo e utilizzate per produrre bioplastiche non dovrebbe causare delle competizioni con il comparto alimentare anche immaginando un incremento del mercato delle bioplastiche. La metodologia di LCA è un utile strumento di analisi ma è caratterizzata da una serie di criticità come la consistenza dei modelli, la disponibilità di dati d’inventario, la presenza di scelte soggettive, la compressione del tempo dello spazio relativamente agli impatti ambientali ecc. Tutti questi aspetti necessitano di essere opportunamente gestiti se si vogliono ottenere dei risultati utili e affidabili. Questo, tuttavia, può richiedere molti sforzi e tempo, specialmente per l’LCA “classica” che risulta, pertanto, uno strumento di non immediata risposta per l’Eco-design di un prodotto. Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

The aim of this PhD has been the optimization of synthetic processes using green chemistry, a chemistry based on the respect of the human health and environment, widely applied in our research group since many years. In particular, ecofriendly chemicals and renewable materials have been used as starting materials in order to produce biologically active compounds and fine chemicals. On the basis of these principles, four main topics have been developed. The first has been the synthesis of new complexes between methyltrioxorhenium (MTO) and bis(fluorous-ponytailed) 2,2’-bipyridines characterized by different values of fluorophilicity. These catalysts have been characterized and utilized in the epoxidation of olefins with hydrogen peroxide (H2O2), an ecofriendly oxidant. A second topic has been the utilization of dimethyl carbonate (DMC), an ecofriendly chemical, in several applications. Firstly, it has been used in the methylation reaction of a class of natural organic compounds (flavonoids) in the presence of 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU). This system has been efficient and alternative to the utilization of hazardous and carcinogen chemicals. Secondly, it has been utilized to protect amino and acid group of a large panel of α-amino acids. Also the removal of the protecting group has been optimized. A rare amino acid (3,4-dihydroxyphenylalanine, DOPA) has been prepared by oxidation of tyrosine using 2-iodoxybenzoic acid (IBX), a selective and efficient oxidant alternative to toxic oxidizing heavy metals. On the basis of these experimental results, the procedure has been extended to a panel of selected Tyr-containing dipeptides and tripeptides. In order to enhance the ecofriendly aspects of the oxidations, the reactions have been performed under heterogeneous conditions using polymer supported IBX. The oxidant has been recovered and reused for more runs without loss of efficiency and selectivity. Finally, new applications of glycerol carbonate have been optimized. Glicerol carbonate has been prepared from glycerol, a by-product of the production of biofuels, and DMC. High added-value products showing potential antioxidant activity were prepared from tosylated glycerol carbonate and a series of phenolic compounds. Durante il triennio di dottorato di ricerca sono stati ottimizzate nuove metodologie sintetiche basate sull’applicazione della green chemistry, una chimica rispettosa dell’uomo e dell’ambiente, ampiamente applicata da alcuni anni dal nostro gruppo di ricerca. In particolare, gli obiettivi sono stati l’utilizzazione di prodotti chimici a basso impatto ambientale e di materiali rinnovabili come materie prime per la produzione di composti biologicamente attivi e/o di interesse industriale. Sulla base di questi principi, sono stati sviluppati quattro argomenti principali. Il primo ha riguardato la sintesi di nuovi complessi tra il metiltriossorenio (MTO) e una serie di 2,2’-bipiridine aventi catene alchiliche fluorurate (MTO/bpy-Fn). Tali catalizzatori, caratterizzati per via spettroscopica e classificati in base ai differenti valori di fluorofilicità, sono stati utilizzati in reazioni di epossidazione di olefine con il perossido d’idrogeno (H2O2), un ossidante ecocompatibile. Un secondo argomento ha riguardato l’utilizzazione del dimetil carbonato, un reagente chimico ecocompatibile in varie applicazioni. Una di queste sono state le reazioni di metilazione di una classe di sostanze organiche naturali (i flavonoidi) in presenza di 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU). Il sistema si è dimostrato efficiente ed alternativo all’uso di reagenti tossici e cancerogeni tradizionalmente utilizzati come reagenti metilanti. Una seconda applicazione è stata l’ottimizzazione di una procedura a basso impatto ambientale per la protezione (e successiva rimozione) dei gruppi amino e acido di α-aminoacidi naturali usando il sistema DMC/DBU. Un terzo obiettivo ha riguardato la conversione ossidativa della tirosina e suoi derivati peptidici nei corrispondenti derivati catecolici (DOPA), amminoacidi e peptidi non naturali noti per le loro attività farmacologiche. La metodologia messa a punto è basata sull’utilizzazione dell’acido 2-iodossibenzoico (IBX) come ossidante selettivo ed efficiente alternativo ad ossidanti tossici, quali, ad esempio, i metalli pesanti. Con l’obiettivo di ottenere ulteriori vantaggi ambientali, sono state condotte le reazione in condizioni eterogenee utilizzando IBX supportato che è stato recuperato e riutilizzato in più cicli di ossidazione. L’ultimo argomento della tesi ha riguardato nuove utilizzazioni dal glicerol carbonato preparato utilizzando il glicerolo, un sottoprodotto derivante dalla produzione dei biocarburanti, ed il sistema DMC/DBU. In particolare, è stata investigata la reattività del glicerol carbonato tosilato con una serie di composti fenolici naturali con l’obiettivo di per preparare nuovi composti con potenziali attività antiossidante. Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

The aim of this research is to develop novel synthetic strategies and procedures using, as starting materials, some chemicals present in agricultural waste waters. In details, we focused our attention on carboxylic acid derivatives that can be found in olive oil mill waste waters1. Our purpose is the utilization of such benzoic and cinnamic acid and their derivatives as starting materials for the synthesis of biologically and pharmaceutically interest compounds. In particular we developed new synthetic approaches to molecules containing heterocyclic core such as indoles, quinolines, quinolones, and phenantridinones (Scheme 1). All these compounds and all the starting materials have been usually obtained taking advantage of catalytic processes. Scheme 1 In particular we focused our attention on one-pot chemistry that can be defined as follows: A one-pot synthesis is a strategy to improve the efficiency of a chemical reaction whereby a reactant is subjected to successive chemical reactions in just one reactor. This is much desired by chemists because avoiding lengthy separation processes and purification of reaction intermediates would save time and resources while increasing the yield. Furthermore, we explored in some cases the utilization of domino reactions. A domino reaction is a process involving two or more bond-forming transformations (usually C-C bonds, but C-N and in general C-heteroatom) which take place under the same reaction conditions without adding additional reagents and catalysts, and in which the subsequent reaction results as a consequence of the functionality formed in the previous step2. Publications: “4-Aryl-2-quinolones via a domino Heck reaction/cyclization process”. R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza Heterocycles 2006, 69, 99-105. “A Simple General Approach to Phenanthridinones via Palladium-Catalyzed Intramolecular Direct Arene Arylation”. R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza Synthesis 2008, 729-738. “1,2-Disubstituted 4-Quinolones via Copper-Catalyzed Cyclization of 1-(2-Halophenyl)-3-enaminones” R. Bernini, G. Fabrizi, A. Sferrazza, S. Cacchi Adv. Synth. Catal. inviato per la pubblicazione “Copper-Catalyzed C-C Bond Formation via C-H Functionalization: Synthesis of Multisubstituted Indoles from Enaminones” R. Bernini, G. Fabrizi, A. Sferrazza, S. Cacchi in preparazione “Copper-Catalyzed Synthesis of Functionalized Indoles from Enaminones R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza, E. Filisti in preparazione “Quinolines through a One-Pot Process from Anilines and ,-Ynones R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza, E. Filisti in preparazione Congresses and Schools: SISOC 7, 7th Spanish-Italian Symposium On Organic Chemistry. Oviedo 7-10 September 2008. Sessione Poster: “1,2-Disubstituted 4-Quinolones via Copper-Catalyzed Cyclization of 1-(o-Halophenyl)-3-enaminones”. First IRBM Workshop on Medicinal And Organic Chemistry, Pomezia (Rome), 26 September 2008, Italy IX CONGRESSO ANNUALE CONSORZIO INCA. Pisa, 1-2 March 2007. Sessione Poster: “Valorizzazione di composti presenti nei reflui agroindustriali. Sintesi Fenantridinoni e Benzossazoli”. Comunicazione Orale: “Valorizzazione di composti presenti nei reflui agroindustriali. Sintesi Fenantridinoni, Benzossazoli, Indoli e Carbazoli”. INTERNATIONAL SCHOOL OF ORGANOMETALLIC CHEMISTRY. Camerino, Italy, 8-12 September 2007. Sessione Poster: “A general approach to phenanthridinones through palladium-catalyzed intramolecular direct arene arylation”. XXXI Corso Estivo “A. Corbella”, Seminari di Chimica Organica, 19-23 June 2006, Gargnano del Garda, Italy. COST Meeting 2006, 6-8 October 2006, Rome, Italy. Comunicazione Orale: “4-Aryl-2-quinolones via a domino Heck reaction/cyclization process”. L’impiego di metodologie basate sull'uso di sistemi catalitici ha contribuito notevolmente allo sviluppo di procedure sintetiche più efficienti e convenienti di quelle “classiche”, rendendo possibile l’abbattimento dei costi di produzione di numerosi fine chemicals. Inoltre, dall’uso di processi catalitici, sono spesso derivati vantaggi anche a livello ambientale in quanto tali processi sono caratterizzati da una ecocompatibilità intrinsecamente maggiore di quelli che prevedono l’utilizzazione di reattivi stechiometrici. Tra i processi catalitici, quelli che coinvolgono l’impiego del palladio e del rame ricoprono senz'altro una posizione di assoluto rilievo. Una tale posizione é il risultato della notevole versatilità e maneggevolezza di questi metalli che, unite alla possibilità di controllarne la reattività variando una serie di parametri quali la temperatura, il tempo di reazione, la natura dei solventi, la presenza o meno di ligandi, la natura delle basi o dei sali aggiunti (a volte anche i rapporti tra essi), li rendono praticamente unici. Scopo di questo progetto di ricerca è sviluppare nuove procedure sintetiche che permettano di utilizzare, quali materiali di partenza, alcuni composti presenti in reflui agroindustriali, valorizzando quindi materiali che altrimenti verrebbero scartati. In questo lavoro, l’attenzione è stata rivolta agli acidi carbossilici. Diversi acidi carbossilici, infatti (ad esempio acidi cinnamici, derivati ossidrilati di acidi benzoici, acidi arilacetici), sono presenti nelle acque di vegetazione dei frantoi oleari che sono stati, pertanto, utilizzati come precursori di composti utili per fine chemicals o drug-like products attraverso reazioni catalizzate. Una particolare attenzione è stata dedicata alla realizzazione di reazioni domino di addizione coniugata/ciclizzazione e a reazioni one-pot che presentano vantaggi dal punto di vista sperimentale, economico ed ambientale sia per la riduzione del numero delle fasi intermedie di lavorazione che della produzione di scarti. A seconda dei substrati utilizzati, sono state ottenute molecole di interesse farmacologico e biologico come chinoloni, fenantridinoni, indoli, chinoline, ecc.. Il presente studio ha mirato alla messa a punto delle condizioni ottimali di reazione a livello di ricerca accademica. Successivamente, delle metodologie utilizzate saranno opportunamente valutate la loro applicabilità ed estensione in un contesto tecnologico. Tali reazioni, oltre che ad avere un interesse a livello scientifico, potrebbero costituire, infatti, un elemento innovativo in grado di attrarre l’attenzione di partners industriali interessati allo sviluppo di processi convenienti per la valorizzazione dei reflui derivanti dalle lavorazioni agroindustriali. Questo progetto, nella scelta delle condizioni di reazione, tiene permanentemente conto dell’impatto ambientale dei processi, selezionando in modo opportuno solventi, additivi, basi e catalizzatori. Per gli studi effettuati nel corso della presente tesi sono stati utilizzati catalizzatori omogenei, in quanto il loro comportamento può essere studiato e modulato con maggiore facilità. Successivamente, verrà valutata la possibilità di estendere le migliori procedure sviluppate a sistemi catalitici eterogenei, facilmente recuperabili e riciclabili. Risultati ottenuti. Fenatridinoni La sintesi dei fenantridinoni, prevede la ciclizzazione di o-iodoanilidi (facilmente ottenibili attraverso la reazione dei cloruri degli acidi con o-iodoaniline e successiva reazione di N-benzilazione) in accordo allo Schema 1. Schema 1 Questa classe di composti, che presenta interessanti attività da un punto di vista biologico, è stata sintetizzata attraverso la reazione di arilazione diretta intramolecolare di un sistema aromatico catalizzata dal palladio. Dopo la ottimizzazione delle condizioni di reazione, ci si è dedicati alla valutazione della generalizzabilità della procedura. Sono stati ottenuti ottimi risultati poiché la reazione è estendibile a diverse ammidi con rese comprese tra buone e ottime. Chinoloni 4-Aril-2-Chinoloni sono invece stati ottenuti attraverso un processo di ciclizzazione/reazione di Heck secondo uno schema di tipo domino (Schema 2). Schema 2 Dopo uno screening su basi, solventi, temperatura e fonti di palladio si è trovato che le condizioni ottimali per l’ottenimento dei 4-Aril-2-Chinoloni prevedono l’uso di 0.05 eq. di Pd(OAc)2, 2 eq. di KOAc, in DMF a 120 °C. L’estensione di queste condizioni di reazione ad altri arilioduri e acetammidoarilacrilati ha portato all’ottenimento di numerosi chinoloni in buone rese. Enamminoni come precursori di chinoline, indoli e chinoloni Sfruttando la possibilità di preparare derivati ,-inonici attraverso la reazione di cross-coupling di alchini terminali con cloruri degli acidi, sono state sviluppate nuove sintesi di derivati eterociclici. In particolare, i derivati ,-inonici sono stati convertiti nei corrispondenti enamminoni attraverso una reazione di addizione coniugata con ammine variamente funzionalizzate (Schema 3). Schema 3 Successivamente, gli enamminoni così ottenuti sono stati convertiti in derivati eterociclici attraverso reazioni catalizzate da basi, dal palladio e dal rame (Schemi 4, 5 e 6). Chinoline La prima applicazione riguarda la sintesi di chinoline altamente funzionalizzate. Si è trovato che il trattamento con base di 2-ariletinilenamminoni in acetonitrile permette la formazione di chinoline in buone rese. Per rendere questa approccio più ecocompatibile è stata messa a punto una sintesi one-pot di queste molecole partendo direttamente dagli inoni che vengono prima trattati in metanolo in presenza di 2-ariletinilaniline e nello stesso ambiente di reazioni trasformati in chinoline. Schema 4 Indoli La sintesi di 3-acilindoli è stata effettuata a partire da 2-iodoaniline e inoni attraverso una sintesi rame catalizzata che ha fornito questi composti in ottime rese (Schema 5). Schema 5 Derivati indolici sono stati preparati anche dai derivati enamminonici contenenti aniline non alogenate in accordo con lo Schema 6, attraverso una reazione di attivazione del legame C-H catalizzata dal rame. Schema 6 Anche in questo caso la reazione ha portato all’ottenimento di numerosi 3-acilindoli variamente sostituiti in buone rese. Chinoloni Un approccio sintetico analogo a quello descritto nello Schema 5 ha portato alla sintesi di 4-chinoloni (Schema 7). Anche in questo caso la reazione è applicabile a enamminoni diversamente sostituiti, tollerando gruppi elettron-attrattori e elettron-donatori con rese che vanno da buone a ottime. La sintesi può essere condotta con un procedimento one-pot con indubbi vantaggi da un punto di vista economico e ambientale. Schema 7 Conclusioni. Il lavoro svolto nei tre anni di dottorato ha portato alla messa a punto di numerose sintesi rame e palladio catalizzate per l’ottenimento di molecole di interesse farmacologico e biologico con la possibilità di valorizzare molecole presenti nei reflui agroindustriali della lavorazione di prodotti oleari. In tutti i casi in esame è stato usato un approccio catalitico sia per sintetizzare i prodotti di partenza sia per l’ottenimento delle molecole stesse. E’ stato così possibile sintetizzare molecole che, oltre al valore aggiunto dato dalla loro importanza biologica, presentano anche una complessità strutturale molto elevata. Le metodiche utilizzate rappresentano inoltre esempi di sintesi ecocompatibili e che tengono in considerazione l’impatto ambientale dei processi stessi. Pubblicazioni: “4-Aryl-2-quinolones via a domino Heck reaction/cyclization process”. R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza Heterocycles 2006, 69, 99-105. “A Simple General Approach to Phenanthridinones via Palladium-Catalyzed Intramolecular Direct Arene Arylation”. R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza Synthesis 2008, 729-738. “1,2-Disubstituted 4-Quinolones via Copper-Catalyzed Cyclization of 1-(2-Halophenyl)-3-enaminones” R. Bernini, G. Fabrizi, A. Sferrazza, S. Cacchi Synthesis in stampa “Copper-Catalyzed C-C Bond Formation via C-H Functionalization: Synthesis of Multisubstituted Indoles from Enaminones” R. Bernini, G. Fabrizi, A. Sferrazza, S. Cacchi in preparazione “Copper-Catalyzed Synthesis of Functionalized Indoles from Enaminones R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza, E. Filisti in preparazione “Quinolines through a One-Pot Process from Anilines and ,-Ynones R. Bernini, S. Cacchi, G. Fabrizi, A. Sferrazza, E. Filisti in preparazione Partecipazione a Congressi: SISOC 7, 7th Spanish-Italian Symposium On Organic Chemistry. Oviedo 7-10 September 2008. Sessione Poster: “1,2-Disubstituted 4-Quinolones via Copper-Catalyzed Cyclization of 1-(o-Halophenyl)-3-enaminones”. First IRBM Workshop on Medicinal And Organic Chemistry, Pomezia (Rome), 26 September 2008, Italy IX CONGRESSO ANNUALE CONSORZIO INCA. Pisa, 1-2 March 2007. Sessione Poster: “Valorizzazione di composti presenti nei reflui agroindustriali. Sintesi Fenantridinoni e Benzossazoli”. Comunicazione Orale: “Valorizzazione di composti presenti nei reflui agroindustriali. Sintesi Fenantridinoni, Benzossazoli, Indoli e Carbazoli”. INTERNATIONAL SCHOOL OF ORGANOMETALLIC CHEMISTRY. Camerino, Italy, 8-12 September 2007. Sessione Poster: “A general approach to phenanthridinones through palladium-catalyzed intramolecular direct arene arylation”. XXXI Corso Estivo “A. Corbella”, Seminari di Chimica Organica, 19-23 June 2006, Gargnano del Garda, Italy. COST Meeting 2006, 6-8 October 2006, Rome, Italy. Comunicazione Orale: “4-Aryl-2-quinolones via a domino Heck reaction/cyclization pr Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

Solid-supported palladium-catalyzed reactions have become valuable tools for facilitating the recovery and reutilization of palladium and reducing the palladium contamination of the isolated products, a significant problem for the pharmaceutical industry. Activated carbon is the most commonly used insoluble support for palladium. Silica has also been used as an inert surface to adsorb palladium. A different approach to supported palladium catalysts involves the coordination of palladium to a ligand covalently bound to a polymer backbone. More recently, micro encapsulation of palladium in polymeric coating has been shown to be an efficient and cost effective technique to legate and retain palladium species and, in the same direction, aerogels, a new class of porous solids obtained via sol-gel processes coupled with supercritical drying of wet gels, have also been shown to exhibit a great potential for the preparation of heterogeneous catalysts. In this thesis, was investigated the synthesis, growth and immobilization of phosphine-free perfluoro-tagged palladium and gold nanoparticles on fluorous silica gel (FSG). In order to establish a “tool box” for the synthesis of these supported catalysts, the study of several parameters such as the property of the support and the choice and the stability of the catalyst are necessary. To establish this set of rules, a limited number of catalytic transformations, were studied. These catalytic reactions are the Heck-Mizoroki, Suzuki-Miyaura and alkynylation Sonogashira-Heck-Cassar coupling and Oxidation reactions. These transformations became fundamental for the synthesis of drugs and materials. In the last part of this thesis was shown the green catalytic properties of an homogeneous bioinorganic catalyst. It was formed by palladium nanoparticles stabilizer by DPS-Te protein. This catalyst was tested on Suzuki cross-coupling reaction in water and in the one-pot synthesis of chiral biaryl alcohols through Suzuki- Miyaura cross-coupling and subsequent enzymatic reduction. In questa tesi viene esaminata la sintesi, la crescita e l’immobilizzazione di nanoparticelle perfluorurate di palladio ed oro, immobilizzate su silice perfluorurata. Al fine di stabilire un ‘tool box’ per la sintesi di questi catalizzatori supportati, è necessario lo studio di alcuni parametri quali le proprietà del supporto e la stabilità del catalizzatore. Per verificare questo set di parametri, si è preso in considerazione un limitato numero di trasformazioni catalitiche. Queste sono le reazioni di Heck-Mizoroki, Suzuki-Miyaura, Sonogashira-Heck-Cassar cross-coupling e reazioni di ossidazione, fondamentali per la sintesi di alcuni farmaci e materiali. Nell’ultima parte di questa tesi sono state riportate le proprietà catalitiche di un nuovo tipo di catalizzatore bio-inorganico, formato da nanoparticelle di palladio stabilizzate dalla proteina DPS-Te. Questo catalizzatore è stato testato sulla reazione di Suzuki-Miyaura seguita da biotrasformazione. Dottorato di ricerca in Scienze ambientali

La ricerca svolta nel triennio di dottorato ha sviluppato metodologie ossidative con reagenti chimici biomimetici ed enzimatici per l’ottenimento di fine chemicals e composti biologicame nte attivi a partire da sostanze presenti negli scarti agroalimentari. Essi, infatti, rappresentano una fonte di molecole di pregio, quali i biofenoli, le cui attività biologiche ne hanno promosso l’utilizzazione in campo nutraceutico, cosmetico e farmaceutico e che possono essere, a loro volta, utilizzati come materiali di partenza per l’ottenimento di nuovi prodotti di interesse industriale. Le metodologie di estrazione ed isolamento di tali fenoli sono già note e ne permettono l’ottenimento per alcuni di essi anche in discrete quantità. La prima parte del lavoro ha previsto la messa a punto di una serie di metodologie di protezione delle molecole in esame. Nello specifico, è stata sviluppata una procedura di metilazione di flavoni impiegando il dimetil carbonato (DMC), un composto ecocompatibile, nel ruolo di solvente/reagente, in sostituzione dei tossici e cancerogeni agenti metilanti di uso comune quali lo ioduro di metile e il dimetilsolfato. Il sistema si è rivelato efficiente, i prodotti metilati, dotati di importanti attività biologiche, sono stati ottenuti con rese quantitative. Successivamente, il DMC è stato impiegato come agente carbossimetilante per la protezione selettiva di funzioni alcoliche presenti nei composti fenolici e come solvente nelle reazioni di acetilazione selettiva degli stessi composti. Sono state messe a punto due metodologie di acetilazione; la prima con anidride acetica in presenza di quantità catalitiche di tricloruro di rutenio e la seconda con cloruro di acetile in assenza di catalizzatore. Quest’ultima procedura è stata estesa per esterificare le funzioni alcoliche di composti fenolici con cloruri di acidi a catena lunga satura e insatura. La maggior parte di queste reazioni è avvenuta con conversioni e rese quantitative e il prodotto target è stato recuperato puro per semplice work-up. Oltre alla metodologia di protezione, sono risultati interessanti anche alcuni dei prodotti ottenuti, in particolare i derivati dell’idrossitirosolo, in quanto molecole antiossidanti dotate di una maggiore lipofilicità e quindi maggiore biodisponibilità rispetto a quelle naturali. L’impiego dei reagenti ossidanti appartenenti alla famiglia dello iodio ipervalente, quali l’IBX e il DMP, ci ha permesso di raggiungere altri importanti obiettivi. Sfruttando la capacità di tali ossidanti di formare la funzione catecolica per inserzione ossidrilica o demetilazione ossidativa, è stato possibile mettere a punto nuove procedure sintetiche dell’idrossitirosolo, una molecola dotata di molteplici attività biologiche, a partire da materiali di partenza presenti negli scarti agroindustriali, quali il tirosolo e l’alcol omovanillico. Tali procedure, per la loro originalità, semplicità, economicità, efficienza e il basso impatto ambientale, sono state oggetto di un brevetto nazionale ed uno internazionale. La sintesi dell’idrossitirosolo è stata presa come metodologia di riferimento per verificare l’efficienza nelle reazioni di inserzione ossidrilica e demetilazione ossidativa dell’IBX supportato su polistirene. Il nuovo reattivo eterogeneo ha mostrato una selettività elevata; è stato recuperato e riutilizzato per dieci volte con un notevole abbattimento dei costi e dell’impatto ambientale del processo ossidativo. Inoltre, sono state sintetizzate altre molecole di pregio quali il piceatannolo e derivati lipofili per sintesi diretta dal trans-resveratrolo, composto presente negli scarti della lavorazione del vino; i flavoni e flavanoni con struttura catecolica, importanti antiossidanti; gli 1-arilisocromani poliossidrilati. Lo studio sulle ossidazioni con IBX è proseguito analizzandone altre potenzialità quali la capacità di deidrogenare in posizione adiacente ad un gruppo carbonilico per sintetizzare flavoni a partire da flavanoni, e la capacità di ossidare la posizione benzilica per indurre l’apertura d’anello di 1-arilisocromani allo scopo di formare importanti fine-chemicals. Gli ultimi e più recenti dati sono relativi all’impiego della catalisi ossidativa enzimatica ricorrendo al sistema O2/laccasi/HBT per ossidare la posizione benzileterea degli 1-arilisocromani e la posizione benzilica delle catechine. I risultati ottenuti sono stati soddisfacenti. In particolare, nell’ossidazione delle catechine, il sistema catalitico ha mostrato una stereoselettività nell’inserzione ossidrilica in posizione C-4 che mima quanto avviene in natura ad opera di batteri endofiti delle piante del tè. The research activity of this PhD course has developed oxidative methodologies by chemical and enzymatic reagents to obtain fine-chemicals and high add-value molecules from natural phenols present in agroindustrial wastes as starting materials. A first aim has been the flavones methylation by using dimethyl carbonate (DMC) as environmentally benign substitute for hazardous and toxic reagents such as methyl halides and methyl sulfate. Reactions proceeded with complete substrate conversion and yield; final products possess many biological and pharmacological activities. Subsequently, DMC has been used as well as reagent for the selective carbomethoxylation of aliphatic alcoholic chain of phenols and solvent for the selective acylation of these compounds. Two methodologies of acylation have been developed; the first, by acetic anhydride in the presence of a catalytic amount of RuCl3 as catalyst and the second, by acetyl chloride in DMC without any catalyst. This simple and cheap last procedure has been extended to the esterification of these compounds by using acyl chlorides with long saturated or unsaturated chains. All corresponding products were obtained in satisfactory conversions and yields. Between the obtained compounds, lipophilic derivatives of hydroxytyrosol are of particular interest. Important results have been obtained by using hypervalent iodine reagents of oxidation as the 2- iodobenzoic acid (IBX) and Dess-Martin Reagent (DMP). First, two convenient synthetic strategies to prepare hydroxytyrosol as well its lipophilic derivatives have been developed from commercially available, cheap natural phenols such as tyrosol and homovanillyl alcohol. These syntheses, for their originality, simplicity, economic validity, efficiency and ecofriendly character, have been deposited for a national and an international patent. Hydroxytyrosol synthesis has been employed also to verify the efficiency of polymer-supported IBX through the oxidative insertion of a hydroxyl and the demethylation reactions of phenolic compounds. After the first oxidation, the polymeric reagent was recovered, regenerated and reused for ten oxidation reactions without lack of efficiency to give the final products in excellent yields achieving economic and environmentally benefits. Other important molecules have been synthesized by using the oxidative chemistry of IBX: piceatannol and its lipophilic derivates starting to trans-resveratrol; antioxidant flavones and flavanones with catecholic structure; polyhydroxylated 1-arilisochromans. Again, we have applied IBX for the dehydrogenation of carbonylic groups to synthesize flavones starting to flavanones and for the oxidation of benzylic position of 1-arylisochromans to obtain fine-chemicals. Finally, the chemistry of enzymatic catalytic system O2/laccases/HBT has been optimized to oxidize benzyl ethereal position of 1-arylisochromans and benzylic position of catechins. Results have been satisfactory; the catalytic system has been selective and efficient to insert an oxygen atom in C-4 position miming the natural oxidation performed by bacteria contained in tea plants. Dottorato di ricerca in scienze ambientali

L’attività di ricerca svolta in questo dottorato si è basata sullo sviluppo e sull’applicazione di nuove metodologie sintetiche innovative ed ecocompatibili, nel rispetto di alcuni principi della green chemistry. In particolare, nella prima parte del lavoro, è stata estesa l’applicabilità del sistema catalitico acqua ossigenata (H2O2)/metiltriossorenio (CH3ReO3, MTO) in solventi innovativi a basso impatto ambientale, quali il liquido ionico [bmim(BF4)] e il dimetil carbonato (DMC) per condurre ossidazioni catalitiche di un cospicuo numero di sostanze organiche. I buoni risultati ottenuti hanno evidenziato che tale sistema ossidante ha mantenuto la sua efficienza e versatilità in entrambi i solventi. Tuttavia in generale, l’utilizzo del DMC è risultato più vantaggioso rispetto al liquido ionico per una serie di fattori, quali la bassa tossicità, la maggiore disponibilità commerciale, il minor costo, la maggiore reattività e versatilità del sistema ossidativo; la maggiore facilità di lavorazione. Di particolare interesse sono risultati i chinoni alchilati ottenuti dall’ossidazione catalitica dei corrispondenti fenoli, in quanto hanno mostrato una buona attività antifungina verso un discreto numero di specie contaminanti il suolo ed alimenti, che in alcuni casi è risultata anche superiore a quella di un antifungino commerciale, preso come riferimento. Successivamente, con l’obiettivo di condurre processi a basso impatto ambientale e di recuperare e valorizzare alcuni dei componenti fenolici presenti nei reflui agroindustriali, è stata sviluppata una sintesi di 4-vinil fenoli a partire dagli acidi cinnamici, utilizzando le microonde senza ricorrere all’utilizzo dei solventi organici. Le condizioni sperimentali ottimizzate hanno permesso di ottenere le molecole target in tempi brevi e in buone rese. Tale metodologia è stata estesa anche a campioni di acido ferulico provenienti da estratti naturali di crusca, dimostrando la sua validità anche su matrici vegetali. La ricerca è successivamente proseguita con l’obiettivo di utilizzare acidi cinnamici e tirosolo per la sintesi di molecole ad alto valore aggiunto, quali le 4-aril-3,4-diidrocumarine. Di particolare interesse sono risultati anche i prodotti derivanti dall’apertura idrolitica dell’anello lattonico, in quanto hanno mostrato un’attività antiossidante superiore a quella del tirosolo. Nel corso di queste sintesi si è reso necessario lo sviluppo di nuove metodologie di protezione selettiva di funzioni alcoliche presenti nelle molecole fenoliche utilizzate. In particolare, sono state messe a punto nuove metodologie di: 1. carbossimetilazione, utilizzando il DMC come solvente e reagente; 2. trifluoroacetilazione con acido trifluoroacetico; 3. acetilazione, utilizzando acetonitrile/acido cloridrico oppure cloruro di acetile/DMC; 4. esterificazione con cloruri degli acidi a catena lunga, satura ed insatura. Oltre alla metodologia di protezione, sono risultati interessanti anche i prodotti ottenuti, in quanto molecole antiossidanti dotate di una maggiore lipofilicità e quindi maggiore biodisponibilità rispetto a quelle naturali. Fra i risultati ottenuti in questa tesi di dottorato, di particolare interesse è stato il lavoro svolto per la messa a punto di due nuove procedure sintetiche dell’idrossitirosolo, una molecola dotata di molteplici attività biologiche, a partire da materiali di partenza presenti negli scarti agroindustriali, quali il tirosolo e l’alcol omovanillico e l’utilizzazione di alcuni rettivi dello iodio ipervalente (IBX, DMP). Tali procedure, per la loro originalità, semplicità, economicità, efficienza e il loro basso impatto ambientale, sono state oggetto di due brevetti nazionali depositati e sono promettenti per applicazioni a livello industriale. The research activity of this PhD course has been based on the development of innovative and environmentally friendly synthetic methodologies using natural compounds as starting materials and applying some principles of green chemistry. In particular, a first aim has been the applicability of the hydrogen peroxide (H2O2)/methyltrioxorhenium (CH3ReO3, MTO) catalytic system in ecofriendly solvents such as ionic liquid [bmim(BF4)] and dimethyl carbonate (DMC) to perform the oxidative modifications of a wide number of organic compounds. The obtained results showed that the above-cited oxidant system maintained its efficiency and versatility in both solvents. Nevertheless, the use of DMC resulted more convenient than ionic liquid for the following factors: low toxicity, more availability, low cost, more reactivity and versatility of the oxidant system, more easy manipulation. Between oxidized compounds, some p-benzoquinones deriving from the catalytic oxidation of phenols resulted interesting for their tested antifungal activity against a wide number of fungi widespread in soil and food. In some cases, they resulted more active than a commercial antifungal agent (ketoconazole). Subsequently, in order to perform ecofriendly processes using phenolic components present in agroindustrial wastes, a new decarboxylation-microwave assisted of cinnamic acids to get 4-vinyl phenols have been developed. The experimental conditions have been optimized to obtain the target molecule in satisfactory yield. Such methodology has been also extended to samples of ferulic acid deriving from natural extract of flecks. This experiment demonstrated the applicability of this methodology on vegetal matrix. The research has been continued using cinnamic acids and tyrosol as starting materials for the synthesis of 4-aryl-3,4-dihydrocumarins, high add value-molecules. The corresponding products deriving from the hydrolytic opening of the lactonic ring have been tested as antioxidants and showed an higher activity than tyrosol. To achieve these syntheses, new methodologies of selective protection of alcoholic functions present in phenolic compounds have been optimized: 1. carbomethoxylation, using the DMC as solvent as well as reagent; 2. trifluoroacetylation with trifluoroacetic acid; 3. acetylation, using acetonitrile/chloridric acid or acetyl chloride /DMC; 4. esterification with acyl chlorides having long saturated and unsaturated chains. The obtained products were lipophilic antioxidants more bioavailable than natural antioxidants. Two new synthetic procedures of bioactive hydroxytyrosol have been developed. Tyrosol and homovanillyl alcohol have been used as starting materials and some hypervalent iodine reagents (IBX, DMP) as reagents. Such procedures, for their originality, simplicity, economic validity, efficiency and low environmental impact, have been object of two national patents and are promising for industrial applications. Dottorato di ricerca in Scienze ambientali