Funzionalizzazione dell'Acido Poli-γ-Glutammico tramite reazioni di click thiol-ene

The last 50 years have seen an exponential growth in the use of plastics from fossil sources, signing a radical turning point in the lifestyle of human society. It massive use in industry, combined with an inefficient recycling chain and the substantial incivility of the people who contribute to its uncontrolled release into the environment, results a serious problem for such chemical-physical and biological processes that characterize our planet. To this, significant efforts of the global scientific community have focused to find new materials able to replace plastics coming from fossil sources. In the plethora of proposed solutions, the use of biopolymers could result a sustainable way to substitute the conventional plastics. In fact, polymers produced from living organisms have the intrinsic features to be non-toxic and biodegradable. Furthermore, microorganisms are the best preferred choice for industrial productions due to their ease of handling, high throughput yields and low costs. Poly(γ-glutamic acid), γ-PGA, is a homopolymer of the naturally-occurring α-amino acid glutamic acid, and one of the only three polyaminoacids present in nature. Since the amide linkages in the repeating unit are formed between the α-amino and γ-carboxylate groups, it is formally a nylon 4 derivative. Its chemical synthesis has been approached by polycondensation with limited success, but it is especially problematic using controlled ring opening polymerizations of the corresponding N-carboxy anhydrides. It is therefore industrially obtained by fermentation from a series of bacteria strains (genus Bacillus). Its “green birth” (fermentation) and “green death” (biodegradability) characteristics make it an ideal macromolecular backbone for the development of innovative biomaterials. In the group of Prof. Pasini at department of chemistry γ-PGA is used as biopolymer scaffold for the synthesis of novel biodegradable materials through chemical functionalization techniques. During my thesis work, we focus our attention on the use of chick thiol-ene reactions as functionalization technique. Firstly, we have explored the better reaction conditions on allyl acetate and palmitic acid model substrates. We selected two protocols: a protocol performed with AIBN at 80 °C (thermal conditions) and another carry out with DMPA and room temperature under exposure with LED@450nm (photochemical conditions). The selected protocols were tested on a propargylated PGA, synthesized with a procedure developed in Pasini’s lab, to demonstrate the versability of thiol-ene reactions into PGA functionalization. Both thermal and photochemical thiol-ene reactions were conducted using commercially available thiols, thiols synthesized by us and polymers having thiol moiety as stop chains.

Gli ultimi 50 anni hanno visto una crescita esponenziale dell'utilizzo di materie plastiche provenienti da fonti fossili, segnando una svolta radicale nello stile di vita della società umana. Il suo uso massiccio nell'industria, unito a una catena di riciclaggio inefficiente e alla sostanziale inciviltà delle persone che contribuiscono al suo rilascio incontrollato nell'ambiente, risulta un serio problema per i processi chimico-fisici e biologici che caratterizzano il nostro pianeta. A tal fine, significativi sforzi della comunità scientifica mondiale si sono concentrati sulla ricerca di nuovi materiali in grado di sostituire le plastiche provenienti da fonti fossili. Nella pletora di soluzioni proposte, l'uso di biopolimeri potrebbe risultare un modo sostenibile per sostituire le plastiche convenzionali. Infatti, i polimeri prodotti da organismi viventi hanno le caratteristiche intrinseche di essere non tossici e biodegradabili. Inoltre, i microrganismi sono la scelta migliore per le produzioni industriali grazie alla loro facilità di manipolazione, agli alti rendimenti e ai bassi costi. Il poli(acido γ-glutammico), γ-PGA, è un omopolimero dell'α-amminoacido glutammico, uno degli unici tre poliamminoacidi presenti in natura. Poiché i legami ammidici nell'unità ripetitiva si formano tra i gruppi α-ammino e γ-carbossilato, si tratta formalmente di un derivato del nylon 4. La sua sintesi chimica è stata affrontata con l'ausilio di un sistema di controllo della qualità. La sua sintesi chimica è stata affrontata per policondensazione con scarso successo, ma risulta particolarmente problematica utilizzando polimerizzazioni con apertura dell’anello delle corrispondenti anidridi N-carbossiliche. È quindi ottenuto industrialmente per fermentazione da una serie di ceppi batterici (genere Bacillus). Le sue caratteristiche di "nascita verde" (fermentazione) e "morte verde" (biodegradabilità) lo rendono una spina dorsale macromolecolare ideale per lo sviluppo di biomateriali innovativi. Nel gruppo del Prof. Pasini presso il Dipartimento di Chimica il γ-PGA viene utilizzato come scaffold biopolimerico per la sintesi di nuovi materiali biodegradabili attraverso tecniche di funzionalizzazione chimica. Durante il mio lavoro di tesi, abbiamo focalizzato la nostra attenzione sull'uso delle reazioni thiol-ene come tecnica di funzionalizzazione. In primo luogo, abbiamo esplorato le migliori condizioni di reazione sull'acido palmitico con funzioni alliliche e propargiliche e sull’acetato di allile come substrati modello. Abbiamo selezionato due protocolli: uno eseguito con AIBN a 80 °C (condizioni termiche) e un altro eseguito con DMPA a temperatura ambiente sotto esposizione con LED@450nm (condizioni fotochimiche). I protocolli selezionati sono stati testati su un PGA propargilato, sintetizzato con una procedura sviluppata nel laboratorio di Pasini, per dimostrare la versatilità delle reazioni thiol-ene nella funzionalizzazione del PGA. Le reazioni thiol-ene, sia termiche che fotochimiche, sono state condotte utilizzando tioli disponibili in commercio, tioli sintetizzati da noi e polimeri con gruppi tiolici come terminatori di catene.