Introduzione
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CAPITOLO 1
Introduzione e scopo della tesi
L’incessante sviluppo industriale degli ultimi decenni ha portato, insieme a numerosi vantaggi derivanti dalle nuove tecnologie, un aumento esponenziale dell’inquinamento, causato da politiche imprenditoriali non lungimiranti sugli effetti a lungo termine dello sfruttamento di tecniche non eco-sostenibili ed eco-compatibili. Fortunatamente la consapevolezza del fatto che l’inquinamento non conosce confini, in particolare quello dell’acqua e dell’aria, ha richiesto sempre più l’adozione di politiche di controllo e prevenzione da parte delle grandi agenzie ambientali governative, la grande industria e il mondo della chimica in generale. In questo contesto si è sviluppato il concetto di Green Chemistry, che fa riferimento ad un nuovo ordine di priorità con cui fare innovazione scientifica e tecnologica sulla base di principi generali rivolti ad eliminare, o quantomeno a diminuire, l’uso di procedure e di sostanze pericolose nei processi industriali[1]. Alcune possibili applicazioni della Green Chemistry si possono riassumere in:
• miglioramento delle condizioni di reazione per vecchie sintesi (sostituzione di solvente organico con acqua o eliminazione del solvente);
• sviluppo di nuove sintesi per materiali già noti (per esempio di sintesi che usino biomasse anziché materiali di origine petrolchimica o usino catalizzatori al posto di reagenti stechiometrici);
• sintesi di nuove sostanze meno tossiche, ma con le stesse proprietà desiderabili delle sostanze già esistenti.
La produzione dell’acido adipico è un esempio emblematico di una sintesi nota alla quale rivolgere particolare attenzione nello sviluppare nuovi metodi per renderla eco-sostenibile. Attualmente, infatti, la produzione di acido adipico è realizzata a livello industriale mediante diversi processi, tra i quali il più importante è il processo che, partendo da benzene, completa la sintesi in 3 stadi attraverso:
• idrogenazione del benzene a cicloesano;
• l’ossidazione, con aria, del cicloesano ad una miscela cicloesanone-cicloesanolo (miscela KA oil);
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• l’ ossidazione della miscela KA oil con acido nitrico ad acido adipico.
L’ultimo stadio di sintesi, sebbene molto selettivo, presenta il notevole svantaggio ambientale dovuto alla formazione di protossido di azoto, N2O, derivante dalla riduzione dell’acido
nitrico, HNO3, il quale deve essere distrutto, attraverso trattamenti termici o catalitici, prima
di poterlo immettere sottoforma di effluente gassoso nell’atmosfera.
Al fine di evitare la problematica connessa con il protossido di azoto, negli ultimi anni sono stati effettuati molti studi volti alla ricerca di processi che non utilizzino l’acido nitrico come ossidante. Tra le alternative più interessanti tra quelle proposte vi è sicuramente il processo descritto dal premio Nobel per la chimica R. Noyori[2], che propone l’ossidazione diretta ad acido adipico, partendo da cicloesene invece che da cicloesano, utilizzando come agente ossidante acqua ossigenata: tale sintesi, anche se molto elegante, necessita l’utilizzo di una quantità di perossido di idrogeno, (dalla stechiometria 4 moli per mole di olefina), che, oltre ai problemi legati all’utilizzo di tale regente, comporta un costo del prodotto finale talmente elevato da renderla inutilizzabile industrialmente.
Nel corso degli ultimi anni anche il gruppo di ricerca dell’ Università di Bologna del Professor Cavani[3] si è interessato allo studio della sintesi dell’ acido adipico utilizzando come materia prima cicloesene, tale processo si svolge in due stadi minimizzando il consumo di acqua ossigenata al primo stadio della reazione dove, con una mole di perossido, si ossida l’olefina a cicloesenossido, il quale viene idrolizzato a 1,2-cicloesandiolo; nel secondo stadio il diolo viene poi ossidato ad acido adipico con aria o ossigeno. Il punto chiave della reazione è il primo stadio, dove è necessario ottimizzare la conversione di cicloesene a cicloesandiolo, con elevata selettività, minimizzando la decomposizione di H2O2 ad acqua e ossigeno
limitandone così il consumo ad una sola mole per cicloesene.
In questa prospettiva si inserisce il mio lavoro di tesi, il quale ha come obiettivo l’ottimizzazione della reazione di idrogenazione selettiva del catecolo, (1,2-diidrossibenzene), a 1,2-cicloesandiolo; tale reazione permetterebbe di evitare le problematiche relative al perossido di idrogeno, utilizzando, come materia prima, un substrato potenzialmente estraibile da biomassa, che rende il processo ancora più interessante nell’ottica di una chimica sostenibile.
Pertanto obiettivi di questo lavoro di tesi sono stati:
• l’ottimizzazione delle condizioni di reazione per l’idrogenazione selettiva del catecolo a 1,2-cicloesandiolo, in maniera da renderle il meno drastiche e impattanti possibile,
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utilizzando acqua come solvente, pressioni di idrogeno e temperature non elevate, con sistemi catalitici di rutenio e rame commerciali;
• lo studio delle condizioni di reazione per la suddetta idrogenazione con gli stessi sistemi catalitici utilizzati per l’ossidazione catalitica dell’1,2-cicloesandiolo al fine di poter proporre un processo a 1\2 stadi bypassando la costosa fase di separazione e purificazione del catalizzatore;
• la sintesi di nuovi sistemi catalitici (nanoparticellari) di rame, a basso costo, utilizzabili nella reazione di idrogenazione del catecolo;
• infine in appendice viene proposto l’utilizzo alternativo di nanoparticelle di rame come agenti battericidi.
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Bibliografia
1. Anastas P. T. and Warner J. C., Green Chemistry Theory and Practice, Oxford University Press, New York (1998).
2. Noyori R., Aoki M., Sato K., Chem. Commun. (2003) 1977.
3. Alini S., Accoranti P., Babini P., Cavani F., Raabova K., Brevetto Italiano MI2009A001842 (2009), assegnato a Radici Chimica.
