Ateneo - UPO

Definizione generale di Green Chemistry
Descrizione dei principali indicatori (green metrics: atom economy, e-factor, mass index, reaction mass efficiency, stoichiometric factor, mass recovery parameter) di efficacia e prestazioni ambientali di una sintesi organica.
Ruolo della catalisi. Catalisi delle reazioni di riduzione, ossidazione e formazione di legami carbonio-carbonio. Catalisi enzimatica. Enzimi in solvente organico. Reazioni di idrolisi
Processi di carbossialchilazione ed alchilazione a ridotto impatto ambientale.
Fosgene e reagenti green come sostituti.
Mezzi di reazione alternativi e sistemi bifasici
Prodotti da fonti naturali rinnovabili. Bioeconomia circolare.
Integrazione di processo e reazioni catalizzate a cascata.
Laboratorio
Introduzione alle esperienze. Utilizzo degli indicatori della green chemistry per la valutazione di un processo sintetico e loro applicazione alle esperienze di laboratorio.

Green Chemistry and Catalysis. I. Arends, R. Sheldon, U. Hanefeld, 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 978-3-527-30715-9

L’insegnamento ricade tra le attività formative caratterizzanti del corso di laurea Triennale in Chimica Verde, che sono dedicate all’approfondimento delle problematiche connesse al concetto di chimica eco-sostenibile.
L'obiettivo formativo specifico del corso è quello di fornire conoscenze, almeno di base, che consentano allo studente di affrontare un problema chimico complesso come lo studio e l’analisi di procedure di sintesi organica a basso impatto sull'ambiente, attraverso strumenti metodologici moderni che con l’impiego di indicatori quali atom economy, e-factor, mass index, ecc., permettano di quantificare l'efficienza o le prestazioni ambientali di un processo chimico in relazione ai principi della Green Chemistry.
Mediante l’esame dello sviluppo di trasformazioni fondamentali della chimica organica, anche con attenzione alle applicazioni industriali, l’insegnamento si prefigge di offrire agli studenti sia i concetti generali per l’implementazione di sintesi eco-compatibili, sia di sviluppare una certa capacità critica nell'applicazione di queste nozioni all’impiego di reagenti, solventi e catalizzatori green, e alla scelta delle relative condizioni di reazione. Questi aspetti sono integrati nella sezione di laboratorio del corso che sia articola mediante la realizzazione di alcune trasformazioni organiche a basso impatto ambientale e la relativa analisi con gli indicatori già menzionati.

Prerequisiti
È necessario che lo studente possieda solide conoscenze di struttura, proprietà e reattività dei composti organici. È quindi largamente consigliato che lo studente abbia raggiunto gli obiettivi formativi del corso di Fondamenti di chimica organica e laboratorio.

La parte teorica è organizzata in lezioni frontali sugli argomenti indicati nella sezione contenuti. La parte di laboratorio prevede sia una breve introduzione da parte del docente a ciascuna esperienza di laboratorio sia un confronto docente/studente durante l’esecuzione materiale degli esperimenti, per approfondire il contenuto delle procedure sperimentali, le tecniche di laboratorio adottate, ed i risultati/modalità di analisi dei prodotti. Nella piattaforma “moodle” di Ateneo è presente e scaricabile il materiale didattico proiettato in aula durante le lezioni e l’introduzione al laboratorio.

Colloquio orale consistente in una serie di domande aperte mirate ad accertare le conoscenze acquisite dallo studente sull’intero programma svolto, compresa la parte di laboratorio, a partire dall'analisi critica di un articolo di letteratura attinente al programma, che possibilmente includa l’applicazione degli indicatori di processo (green metrics) e una relazione scritta per la parte di laboratorio.

Definizione generale di Green Chemistry.
Descrizione dei principali indicatori (green metrics: atom economy, e-factor, mass index, reaction mass efficiency, stoichiometric factor, mass recovery parameter) di efficacia e prestazioni ambientali di una sintesi organica.
Ruolo della catalisi. Catalisi acida e basica: argille acide, zeoliti, gruppi SO3H supportati su solidi, eteropoliacidi; reazioni di sostituzione elettrofila aromatica, addizione ed eliminazione, riarrangiamenti, Ciclizzazioni. Argille e zeoliti basiche, basi organiche supportate su silice.
Catalisi delle reazioni di riduzione: catalisi eterogenea e omogenea, catalisi per trasferimento di idrogeno, catalizzatori chirali eterogenei e omogenei e loro applicazioni. Riduzioni biocatalitiche: enzimi e cellule intere.

Ossidazioni catalitiche: ossidazioni metallo-catalizzate, ossidazioni enzimatiche e biocatalitiche. Progettazione dei catalizzatori; diidrossilazione, epossidazione, ossidazione e scissione ossidativa di alcheni, ossidazione allilica, ossidazione di alcani, alcoli, fenoli eteri, ammine e solfuri. Scissione ossidativa di dioli. Ossidazione di Baeyer-Villiger. Ossidazioni asimmetriche: epossidazione, diidrossilazione, Baeyer-Villiger, ossidazione asimmetrica di solfuri.
Formazione di legami carbonio-carbonio: uso degli enzimi, ossinitrilasi, cianidrine, aldolasi; carbonilazione e idroformilazione. Reazioni di cross coupling: Suzuki, Sonogashira, Heck. Reazioni di metatesi. Organocatalisi.
Reazioni di idrolisi: idrolasi e loro proprietà, risoluzioni enzimatiche, applicazione a esteri, ammidi e nitrili.
Processi di carbossialchilazione ed alchilazione a ridotto impatto ambientale.
Fosgene e reagenti green come sostituti: dimetil carbonato. Uso del dimetilcarbonato in reazioni di alchilazione e di esterificazione. Policarbonati.
Mezzi di reazione alternativi e sistemi bifasici.
Scelta dei solventi, mezzi di reazione non convenzionali, sistemi di reazione bifasici, sistemi bifasici fluorosi, reazioni di ossidazione, riduzione, carbonilazione in mezzi non convenzionali.
Prodotti da fonti naturali rinnovabili. Bioeconomia circolare.
Carboidrati e loro prodotti di fermentazione, acido lattico, indaco, riboflavina, trasformazioni chimiche e chemoenzimatiche di carboidrati in prodotti di chimica fine e building-blocks, oli e grassi, biodiesel, polimeri biodegradabili da fonti naturali.
Integrazione di processo e reazioni catalizzate a cascata.
Risoluzione cinetica dinamica enzimatica accoppiata a catalisi di metalli, idrogenazione asimmetrica accoppiata a idrolisi enzimatica, immobilizzazione di enzimi.
Cenni all'utilizzo della spettroscopia NMR per la determinazione della struttura di composti organici.
Laboratorio: introduzione sulla sicurezza, indicatori di efficacia e prestazioni ambientali. Introduzione alle esperienze di laboratorio.
1. Reazione tipo Grignard in acqua
2. Sintesi del biodiesel
3. Condensazione aldolica senza solvente
4. Sintesi del glicerolo carbonato
5. Reazione di Friedel-Crafts con grafite
6. Epossidazione con dimetildiossirano preparato in situ
Le reazioni saranno analizzate con i parametri introdotti nelle lezioni teoriche.

1. Conoscenza e comprensione
i) Conoscere i principi della Green Chemistry ed alcune delle più moderne soluzioni sintetiche per l’implementazione di varie tipologie di reazioni organiche con reagenti, solventi e catalizzatori a ridotto impatto ambientale.
ii) Conoscere gli strumenti e gli indicatori che permettono di quantificare l'efficienza o le prestazioni ambientali di un processo chimico in relazione ai principi della Green Chemistry.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Saper impiegare i concetti appresi per esaminare in modo logico le caratteristiche di impatto ambientale di una sintesi organica;
Saper formulare idee e conclusioni originali sulle ricadute di un processo sintetico in termini di benefici, eventuali inconvenienti e aspetti migliorabili dal punto di vista economico/ambientale. La sessione di laboratorio e gli homework descritti negli obiettivi formativi contribuiscono allo sviluppo di questi saperi.
3. Capacità di giudizio
saper valutare comparativamente l’efficacia e le prestazioni ambientali in termini di scelta delle condizioni di reazione, e di proprietà chimico-fisiche e tossicologiche dei composti chimici coinvolti.
4. Abilità comunicative
Discutere e valutare criticamente soluzioni eco-compatibili nel merito di un processo di sintesi sia in un contesto di specialisti del settore sia sensibilizzando interlocutori non esperti ed opinione pubblica. Saper interagire costruttivamente con il docente e con i compagni durante sia le lezioni frontali sia le sessioni di laboratorio.
5. Capacità di apprendimento
Saper arricchire autonomamente la propria formazione acquisendo nuove conoscenze specialistiche dalla letteratura scientifica e tecnica nelle tematiche approfondite durante il corso