Il progetto di ricerca si pone come obiettivo lo studio in fase gassosa di specie cariche, allo scopo di fornire modelli sperimentali utili alla comprensione dei risultai di studi in soluzione.
Nello specifico, le tematiche di ricerca saranno rivolte all¿indagine di processi implicati nella formazione di composti ad alto valore aggiunto, prodotti su larga scala per soddisfare la domanda dell¿industria chimica globale. In quest'ottica, lo scopo è di investigare processi di decomposizione selettiva di monosaccaridi a molecole piattaforma, quali la 2-furaldeide (2-FA), la 5-idrossimetilfuraldeide (5-HMF) e l¿acido levulinico (LA) utilizzando acidi di Lewis e liquidi ionici. A questo proposito studi in fase gassosa, condotti attraverso l'utilizzo di tecniche spettrometriche di massa avanzate, consentono di accedere al livello strettamente molecolare dei meccanismi di reazione. Processi complessi che coinvolgono un gran numero di intermedi chimici possono, infatti, essere risolti nei singoli stadi elementari impiegando condizioni sperimentali finemente controllate e reattivi semplici, quali clusters di pochi atomi. Un ulteriore aspetto del progetto comprende la quantificazione delle rese in prodotti, denominati Platform, delle decomposizioni dei monosaccaridi mediante gas-cromatografia accoppiata a spettrometria di massa
La necessità di fonti alternative di energia rende sempre più impellente lo sviluppo di processi sintetici che competano efficientemente con quelli utilizzati dall'industria dei derivati dal petrolio. La biomassa vegetale attraverso la fotosintesi clorofilliana, ed altri processi metabolici, sfrutta l'energia solare per convertire la CO2 assorbita dall'atmosfera e l'acqua nelle molecole complesse di cui sono costituiti: carboidrati, lignina, proteine, lipidi e numerosi prodotti secondari organici e inorganici, mentre la CO2 viene restituita durante la combustione. La biomassa costituisce la forma più sofisticata di accumulo dell'energia solare, e con un bilancio di CO2 nullo non contribuisce all'effetto serra.
La proponente del progetto durante lo svolgimento della tesi di Dottorato in Scienze Farmaceutiche si è occupata tra l'altro di studiare in modo approfondito i processi di decomposizione degli zuccheri in molecole Platform in fase gassosa, come dimostrano le pubblicazioni su riviste internazionali di elevato impatto. Ciò costituisce un solido background culturale e metodologico per i successivi sviluppi dell'attività di ricerca decritta nel progetto.
La proponente potrà, inoltre, utilizzare una strumentazione che consiste tra l'altro di due spettrometri di massa a trappola ionica con cui è possibile "separare" una reazione nei suoi stadi fondamentali attraverso una serie di processi di isolamento ionico e successiva frammentazione, anche in funzione dell'energia di collisione.
Ad esempio, l'impiego delle stesse tecniche spettrometriche di massa si è rivelato efficace per isolare e caratterizzare strutturalmente gli intermedi carichi coinvolti nella reazione di disidratazione di pentosi (xilosio, ribosio ed arabinosio) a 2-FA [3a], offrendo un punto di vista sperimentale nell'ambito del florido dibattito esistente sulle vie di disidratazione dei monosaccaridi in ambiente acido. Nel caso degli esosi, la disidratazione acido catalizzata si è dimostrata scarsamente selettiva, portando alla formazione in aggiunta a 5-HMF di una specie isomerica, ancora in fase di caratterizzazione, in proporzioni differenti per fruttosio e glucosio [3 b, c]. Al contrario, una via di conversione del fruttosio altamente selettiva nei confronti della 5-HMF si ha per decomposizione di addotti tra fruttosio e l'acido coniugato di una base all¿azoto. L'effetto discriminante è giocato dalla affinità protonica della base azotata, che formando con lo zucchero un addotto legato per il protone (proton bound dimer), rende possibile le reazioni di disidratazione senza la predita della base, che avviene solo dopo la predita della terza molecola di acqua. In questo modo, a differenza delle disidratazioni acido catalizzate, si ha la formazione selettiva di 5-HMF in assenza di forme isomeriche, che non costituiscono un prodotto di interesse industriale. Questo importante risultato costituisce il punto di partenza per questa nuova indagine sperimentale in cui vengono utilizzati gli stessi catalizzatori o addirittura liquidi ionici che si utilizzano nell'industria. Il progetto prevede anche uno studio in soluzione in cui si replicheranno le condizioni che hanno dato i migliori risultati in fase gassosa (ad esempio scegliendo tra i migliori acidi di Lewis) per valutare l'attività catalitica in un sistema "reale". Il trasferimento dei risultati dal modello in fase gassosa alla soluzione rappresenta un aspetto particolarmente importante del progetto, e la proponente può anche utilizzare una strumentazione analitica GC-MS con cui analizzare e quantificare i prodotti delle reazioni svolte in soluzione.
Inoltre, per quanto riguarda le vie di trasformazione di monosaccaridi catalizzate da acidi di Lewis, un aspetto importante, e di difficile studio in soluzione, riguarda la caratterizzazione di complessi con metalli doppiamente o triplamente carichi, poiché questi addotti possano essere instabili a causa dell'eccesso di carica in ioni di piccole e medie dimensioni. Tuttavia in fase gassosa è possibile la sopravvivenza di ioni multicarichi allo stato isolato che, per l'eventuale presenza di barriere coulombiane, riescono a sopravvivere a processi di perdita o acquisto di elettroni o frammentazione.