Multifunctional nitrogen based molecules for innovative materials

Nitrogen based chemicals are fundamental building blocks in chemistry and in material science. In the present thesis, innovative functional molecules belonging to the family of nitrogen compounds were prepared: derivatives of beta-amino alcohols, 1,3-ozaxolidines, cyclic carbamates, imines, and pyrroles. The effect of different hybridization of the nitrogen atom was investigated. The nitrogen based molecules were shown to be very versatile. Indeed, they were used as building blocks for the preparation of innovative biosourced polymers and as functional molecules for elastomer composites and for electrically conductive inks. In elastomer composites, the derivatives of beta-amino alcohols and the oxazolidines were secondary accelerators in place of toxic compounds such as guanidine. Imines and the pyrrole derivatives were chain ends of living poly(styrene-co-butadiene) from anionic polymerization, the core elastomer of silica based composites, for further promoting the low dissipation of energy typical of this family of composites, when used in tire treads. Pyrrole derivatives were also comonomers in innovative polyurethanes, used either for preparing innovative elastomer structure, free of fillers, or for promoting the integration in the elastomer composite of a fundamental filler such as carbon black, reducing the hysteretic phenomena and thus the dissipation of energy. Polyurethane oligomers containing a pyrrole ring allowed the preparation of electrically conductive inks, with improved properties. Biosourced polyurethanes were prepared, from the anionic ring-opening polymerization of cyclic carbamates from limonene. The research was in line with the basic principles of green chemistry and the obtained results appear to pave the way for more sustainable materials.

Le sostanze chimiche azotate sono elementi fondamentali nella chimica e nella scienza dei materiali. In questa tesi, sono state preparate molecole funzionali innovative appartenenti alla famiglia dei composti azotati: derivati di beta-amminoalcol, 1,3-ozaxolidine, carbammati ciclici, immine e pirroli. È stato studiato l'effetto della diversa ibridazione dell'atomo di azoto. Le molecole azotate hanno dimostrato di essere molto versatili. Infatti, sono state usate come “building block” per la preparazione di polimeri innovativi di origine biologica e come molecole funzionali per compositi elastomerici e per inchiostri elettricamente conduttivi. Nei compositi elastomerici, i derivati dei beta-amminoalcol e le ossazolidine sono stai usati come acceleranti secondari al posto di composti tossici come la guanidina. Le ammine e i derivati pirrolici sono invece usati come terminali di catena del poli(stirene-co-butadiene) ottenuto da polimerizzazione anionica, l'elastomero più importante dei compositi a base silice, per promuovere ulteriormente la bassa dissipazione di energia tipica di questa famiglia di compositi, quando vengono usati nei battistrada dei pneumatici. Derivati pirrolici sono stati usati anche come comonomeri in poliuretani innovativi, utilizzati sia per la preparazione di strutture elastomeriche innovative, prive di carica, sia per promuovere l'integrazione nel composito elastomerico di un filler fondamentale come il carbon black, riducendo i fenomeni isteretici e quindi la dissipazione di energia. Gli oligomeri di poliuretano contenenti l’anello pirrolico hanno permesso la preparazione di inchiostri elettricamente conduttivi, con proprietà migliorate. Sono stati preparati poliuretani “green”, tramite polimerizzazione anionica di carbammati ciclici derivanti dalla sostanza naturale limonene. La ricerca è in linea con i principi di base della chimica verde e i risultati ottenuti sembrano aprire la strada a materiali più sostenibili.