Valorisation of glycerol from bio-diesel waste to high value chemicals

Thesis title “Valorization of glycerol from biodiesel waste to high value chemicals” Suresh Udhavrao Shisodia, Tutor: Prof. Attilio Citterio. The present thesis will focus on the use and potentiality of glycerol (even crude) and ethyl lactate as C-3 chemical platforms obtained from biomass, to generate new green products, polymers, and bioactive compounds, under as much as possible green conditions. In the 21st century major issues are the generation of energy, sustainable chemicals & materials for industry, by less consumption of energy & reduce pollution by using biomass instead of fossil fuels. Glycerol has emerged as relevant renewable resource, spurred by the growing of the biodiesel production. It has more than 3000 different actual industrial uses but still surplus of glycerol needs to be valorized. Ethyl lactate emerged as important chemical commodity as environmentally benign solvent and reagent, which is obtained by esterification of lactic acid with ethanol, lactic acid is obtained from both bacteria and animal cells in an anaerobic respiration method. In this thesis work ethyl lactate was investigated mainly as green solvent for oxidations with hydrogen peroxide of organic compounds, identifying the eco-friendly peracids-like nature of this system. On the contrary, glycerol studies were addressed to control the chemo- and regio-selectivity of O and N nucleophilic substitutions to C-O bonds through activation of carbonate substituents, or electrophilic substitution to O-H bonds. In particular, the aim was to investigate the factors affecting the unexplored area of regio-selective poly-condensation of glycerol derivatives by using cascade and solvent free reactions by green methods, to produce stereo-ordered oligomers, polyglycerol ethers or urethanes and other functional products. In this area a further target was to synthesize simple derivatives by incorporate ferrocenyl or indolyl units to test the antifungal activity of the resulting products and identify the role of homo- & hetero- geneous catalysis in electrophilic substitution or alkylation reaction by stabilized cations (i.e. ferrocenylmethyl and hydroxyalkyl). The specific topics investigated can be summarized as follows (based on the thesis chapters): Chapter-1. Synthesis, purification, reactivity of diglycerol dicarbonate (DGDC) and conversion to stereoselective oligomers and polymers. In this context the following aspects were studied and explored: a) Green synthesis of DGDC from impure diglycerol using carbonatation reaction by thermal or by microwave irradiation; b) Purification of d,l- and meso-DGDC by crystallization; c) Hydrolysis of pure d,l- and meso- DGDC to stereoordered α-diglycerols; d) Selective nucleophilic substitution reactions at terminal C-O bond of pure d,l- and meso- DGDC by N and O centred nucleophiles, e) Selective synthesis of stereo-ordered monomer and polymers from pure d,l- and meso-DGDC diastereoisomers. In all cases progress of reactions were controlled by using TLC, HPLC, GC-mass or capillary electrophoresis and the purified products were obtained by silica gel column chromatography and crystallization, and then characterized via 1H-/13C-NMR, IR, and LCMS. X-ray crystallographic study and SEM analysis were made where ever necessary. For the characterization of polymers, DSC & TGA analysis were applied. The same analytical techniques were applied also in the following explored areas. Chapter-2. Cascade synthesis of α-glycerolcarbamates. Polyhydroxyurethanes are compounds of great interest having a wide range of applications in pharmacology, agriculture, and chemical industry, their conventional synthesis is based on the use of toxic reagents like isocyanates, phosgene, nitro derivatives, etc. It is important to substitute these reagents with green reagents like CO2 or organic carbonates, but the drastic conditions generally used with these reagents prevented any selective transformations on poly-substituted derivatives. In order to solve the problem we have developed a new efficient synthetic route for the preparation of difunctional and polyfunctional molecules from C-3 inherent natural polyol monomer glycerol and green alkyl carbonate. α-glycerolcarbamates were selectively synthesized by single-step three components system (glycerol, dialkyl carbonates, and aliphatic amines or polyamines). Factors affecting the selectivity at terminal to internal carbamate isomers were investigated and the key role of the intermediate in-situ formed linear carbonate ester of glycerol for selective substitution at the terminal position was ascertained. Inhibition of further substitution by the carbamate product was also observed, facilitating the selective mono-functionalization of substrate. By this approach polyurethanes can be obtained under mild conditions and good productivity by using di- or poly-amines. Chapter-3. Easy Solvent Free Synthesis of Novel 1-Ferrocenylmethylglycerols and its derivatives as antifungal agents. For the synthesis of ferrocenylglycerol derivatives (in principle useful as bioactive compounds) a direct, green method was studied consisting in condensing ferrocenylalkanols with glycerol or its derivatives under mild conditions (20-90°C) without or in the presence of co-solvent and/or catalyst. Homogeneous Brönsted acid catalysis was mainly investigated but some work was carried out, in collaboration with the Pune University (India), with the heterogeneous Lewis acid catalyst aluminum nitride (AlN/Al). The role of CO2 as promoter was investigated and proved effective, in condensation reactions of ferrocenylalkanols with glycerol or 1,2-diol substrates, but not in general. The novel ferrocenylglycerol derivatives were tested in vitro for their antifungal activity towards 3 different plant fungi, Fusarium spp., Botrytis cinerea, Penicillium spp. The experiments were performed by surface and inclusion treatment of the cultural growth mediums, and shown significant antifungal activity in surface treatment method. The novel AlN/Al catalyst was mainly investigated in the condensation of carbonyl compounds with indoles to afford the corresponding bis(indolyl)methanes, compounds known to be biologically active. The catalyst, characterized by SEM, Raman and particle size analysis, and is recyclable (retains its activity for 10 cycles) Chapter-4. Hydrogen peroxide/Ethyl lactate: A New Eco-Friendly Peracids-like System for the Oxidation of Organic Compounds. Oxidation of organic substrates by using H2O2 is a widely explored area, frequently applied on industrial scale. However H2O2 is relatively unreactive molecule and strong efforts have been devoted for selection and use of catalysts to accelerate or control the processes. Inorganic and metal catalysts were deeply investigated where as the use of organic catalyst was more scantly analyzed and applied (except for formation of alkyl or arylalkyl peroxides and peracids). However, for a “green oxidation” point of view the ideal system is the one which use environmentally-friendly oxidants together with recyclable catalysts in a nontoxic solvent. Thus, the use of organic solvents able to dissolve a wide variety of substrates and to activate H2O2 was explored as oxidant system, focusing on natural esters of α-hydroxy carboxylic acids. We found that ethyl lactate, an easily available, green and safe solvent, has the peculiarity to react rapidly with H2O2 to give an intermediate able to oxidize organic sulfides RSR', reduced organophosphorous substrates of general structure [PRx(OR)3-x with x = 0-2], to the corresponding oxygen addition products sulfoxides, phosphine oxides, phosphates, phosphinates and phosphonates, where as carbonyl compounds were converted to the ester in a Bayer-Villiger oxygen insertion reaction. The oxygenation of aryl methyl sulfides, follows an overall second-order kinetics, first order in H2O2 and sulfide and involve general acid catalysis. In p-substituted phenyl methyl sulfides the negative r value obtained in the correlation analysis of rate constants with s constants indicate that positive charge is generated on sulfur atom and the electrophilic oxygen of "perlactic acid" is responsible for the acceleration by electron withdrawing substituents. The fast decay of the peroxidic intermediate prevents the possibility to apply the system to less reactive substrates, i.e. olefins and electron withdrawing substituted aromatics.

Titolo Tesi "Valorizzazione del glicerolo da scarto del biodiesel a sostanze chimiche ad alto valore aggiunto" Suresh Udhavrao Shisodia, Relatore: Prof. Attilio Citterio. Questa tesi è centrata sullo sviluppo di impieghi alternativi delle principali piattaforme C-3 ottenute da biomasse, cioè glicerolo (anche grezzo) e lattato di etile, allo scopo di generare nuovi prodotti sicuri, polimeri e composti bioattivi, in condizioni il più possibile ecocompatibili. L’obiettivo si inquadra in alcune delle principali problematiche previste per il 21° secolo e specificamente la produzione sostenibile a livello industriale di energia, prodotti chimici e materiali utilizzando biomasse al posto di combustibili fossili. Il glicerolo è un’importante risorsa rinnovabile, il cui interesse è cresciuto parallelamente al crescere della produzione del biodiesel, e pur presentando già ora più di 3000 impieghi industriali diversi, è urgente la sua valorizzazione per coprirne il surplus disponibile sul mercato. Anche il lattato di etile ha assunto un ruolo rilevante come solvente e reagente ecologicamente non tossico. Esso è largamente disponibile a partire dalla piattaforma C-3 più importante l’acido lattico, un metabolita rilevante per la facilità con cui è ottenibile da batteri e cellule vegetali o animali a partire da carboidrati. In questa tesi, il lattato di etile è stato studiato principalmente come solvente “green” per ossidazioni di composti organici con acqua ossigenata, identificando la natura di peracido ecocompatibile di questo sistema in grado di converire solfuri, fosfine e composti carbonilici, rispettivamente a solfossidi, fosfinossidi e esteri. Al contrario, gli studi sul glicerolo sono stati affrontati per controllare la chemo- e regio-selettività delle sostituzioni con nucleofili ossigenati ed azotati al legami C-O, favorite da sostituenti carbonato o da gruppi uscenti OH attivati con elettrofili. Come obiettivo specifico si è indagato l’ambito inesplorato delle policondensazioni regio-selettive di derivati del glicerolo mediante reazioni a cascata e reazioni senza solventi. L’intento era quello di sviluppare oligomeri stereo-ordinati, quali eteri del poliglicerolo, uretani ed altri materiali funzionali. L’indagine è poi stata estesa alla preparazione di derivati semplici contenenti unità ferroceniche o indoliche per testarne l'attività antifungina. Allo scopo si è approfondito il ruolo della catalisi omo- ed eterogenea nella sostituzione elettrofila da parte di cationi stabilizzati ferrocenilmetile e idrossialchile. Gli argomenti specifici studiati si possono così riassumere (sulla base dei capitoli della tesi): Capitolo-1. Sintesi, purificazione, reattività del diglicerolo dicarbonato (DGDC) e sua conversione ad oligomeri e polimeri stereoselettivi. In questo contesto, i seguenti aspetti sono stati studiati ed esplorati: a) sintesi di DGDC da diglicerolo commerciale grezzo mediante reazione di carbonatazione termica o attivata da microonde; b) purificazione degli isomeri d,l- e meso- del DGDC per cristallizzazione; c) idrolisi degli isomeri d,l- e meso-DGDC puri a alfa-digliceroli stereoordinati, d) reazioni di sostituzione nucleofila selettiva al legame CO terminale degli isomeri d,l- e meso-DGDC puri con nucleofili all’azoto e all’ossigeno, e) sintesi selettiva di monomeri e polimeri stereoordinati dagli isomeri puri d,l- e meso-DGDC. In tutti i casi si sono seguite le reazioni mediante varie tecniche analitiche TLC, HPLC, GC-MS o CE, ed i prodotti purificati sono stati separati e purificati mediante cromatografia e/o cristallizzazione e, quindi, caratterizzati tramite 1H-/13C-NMR, IR e LCMS. Per alcuni derivati si è ricorso alla caratterizzazione mediante raggi X a cristallo singolo e ad analisi SEM. Le matrici polimeriche sono state caratterizzate mediante analisi DSC e TGA. Le stesse tecniche di analisi sono state applicate in tutti gli altri ambiti di questa tesi. Capitolo-2. Sintesi a cascata di α-glicerol N-alchilcarbammati. I polidrossiuretani sono composti interessanti per le ampie applicazioni in farmacologia, agricoltura e nell’industria chimica ma hanno il difetto di essere convenzionalmente preparati mediante l'uso di reagenti tossici come isocianati, fosgene, nitroderivati, ecc. L’attuale attenzione per un maggior rispetto della salute e sicurezza degli individui e dell’ambiente impone la revisione di questi processi tradizionali con tecnologie più mature ed ecocompatibili. Un passaggio importante in questo ambito si è avuto con le proposte di sostituzione di questi reagenti con anidride carbonica o carbonati organici, in parte ridimensionate dalla necessità di uso di condizioni drastiche che ne limitano l’impiego a molecole labili o poli-sostituite. Nell’ottica di proporre una soluzione al problema, si è indagato e sviluppato un nuovo ed efficiente percorso di sintesi per la preparazione di molecole bifunzionali e polifunzionali a partire dal glicerolo, carbonati alchilici e ammine in un unico stadio. Si è dimostrato che per questa via sono sintetizzabili con buona selettività gli α-glicerol N-alchilcarbammati. Sono stati studiati i fattori che influenzano la regioselettività alfa/beta della sostituzione e si è accertato il ruolo chiave del carbonato lineare misto intermedio formato in situ per sostituzione selettiva in corrispondenza della posizione terminale del glicerolo. Sono stati inoltre indagati due fenomeni rilevanti per la mono funzionalizzazione selettiva: a) l’equilibrazione dei regioisomeri a favore di quello terminale (alfa) e b) l’inibizione verso ulteriori sostituzioni. L’approccio è estendibile a di- o poli-ammine ottenendo nuovi monomeri per poliuretani in condizioni blande e buona produttività. Capitolo-3. Facile Sintesi di nuovi 1-Ferrocenilmethilgliceroli e suoi derivati come agenti antifungini in assenza di solventi. Per la sintesi di derivati dei ferrocenilgliceroli (in principio utili come composti bioattivi) è stato studiato un metodo diretto e green consistente nella condensazione di ferrocenilalcanoli con glicerolo o suoi derivati in condizioni blande (20-90°C) con o senza co-solvente e/o catalizzatori. L’indagine ha riguardato la catalisi omogenea con acidi di Brönsted, ma una parte del lavoro è stato effettuata in collaborazione con l'Università di Pune (India), utilizzando come un catalizzatore eterogeneo ad acidità di Lewis il nitruro di alluminio (AIN/Al) nanometrico. Nella condensazione dei ferrocenilalcanoli con glicerolo o substrati 1,2 diolici si è poi studiato il ruolo della CO2 come promotore acido rivelatosi efficace ma non generale. I nuovi eteri ferrocenici preparati sono stati testati in vitro per la loro attività antifungina nei confronti di 3 diversi funghi, Fusarium spp., Botrytis cinerea, Penicillium spp. Gli esperimenti sono stati eseguiti per trattamento superficiale e inclusione delle culture di crescita, e hanno mostrato significativa attività antifungina, notevole per la semplicità dei substrati e la bassa tossicità. Nella direzione degli indolilmetani lo studio ha riguardato principalmente l’attività catalitica della nuova specie AlN/Al nella condensazione di composti carbonilici con indoli per dare i corrispondenti bis(indolil)metani, composti noti per essere biologicamente attivi. Oltre alla completa caratterizzazione di tale catalizzatore si è potuto dimostrare la stabilità e la riciclabilità (con turnover superiore a 100 cicli).