Catalizzatori efficienti per reazioni sostenibili: la lezione dei Nobel 2021

  • Obiettivo Primario: 9 - Imprese, innovazione, infrastrutture
  • Obiettivo Secondario: 3 - Benessere e salute
  • Materia: Chimica

Anno nuovo, premi Nobel nuovi. Fra quelli del 2021, assegnati il mese scorso, spicca un contributo per la chimica davvero notevole. Non solo per la difficoltà nel pronunciare correttamente l’oggetto del premio, ma anche e soprattutto per la sua attinenza con il tema dello sviluppo sostenibile.

Il Nobel è stato assegnato ai Prof. Benjamin List, direttore del Max Planck Institute, e David MacMillan, dell'Università di Princeton, per i loro studi pionieristici sullo sviluppo e l’applicazione dell’organocatalisi asimmetrica. Quest’ultima riguarda una branca della chimica che sfrutta la catalisi ad opera di piccole molecole organiche per la sintesi di molecole più complesse in modo efficace, selettivo e soprattutto sostenibile. È quest’ultimo termine a interessarci in modo particolare e cercheremo di capire come questo passo avanti nella tecnologia ci aiuterà ad avvicinarci agli obiettivi di sostenibilità che ci siamo dati per il 2030.

 

La catalisi

Partiamo con una definizione che ci aiuti a capire meglio di cosa stiamo parlando.

I catalizzatori sono sostanze che fungono generalmente da mediatori e promotori, favorendo una reazione chimica senza trasformarsi. Non sono infatti da confondere con i reagenti che, al contrario, contribuiscono alla reazione consumandosi e senza la possibilità, quindi, di partecipare ad altre reazioni successive. 

Non sono prodotti derivati dall’invenzione umana, o almeno non in prima battuta. Li troviamo infatti abbondantemente anche in natura: il nostro corpo ne è letteralmente pieno e, senza il loro prezioso contributo, molte delle reazioni chimiche che ci tengono in vita sarebbero troppo lente o, peggio ancora, non avverrebbero proprio. 

Un meccanismo talmente virtuoso che abbiamo cercato nel tempo di mimare, producendo catalizzatori artificiali in grado di velocizzare e facilitare processi importanti a livello industriale, ambientale, alimentare e farmaceutico, rendendoli anche più efficienti.

Dal punto di vista molecolare, un catalizzatore agisce abbassando il livello di energia, definita di attivazione, necessaria affinché una determinata reazione avvenga. L’esempio più conosciuto nel corpo umano è rappresentato dagli enzimi, proteine che mediano e velocizzano molte delle reazioni chiave tra cui la replicazione e la trascrizione del DNA.

Un altro esempio molto conosciuto, questa volta non di origine naturale, è quello della marmitta catalitica, dove un elemento metallico usato come catalizzatore consente l'abbattimento di alcune emissioni dei gas di scarico di un motore a scoppio, il tutto nel veloce intervallo di tempo in cui i fumi passano nella marmitta stessa.

I catalizzatori metallici sono stati molto utilizzati in tutti i settori industriali negli ultimi decenni, ma nel tempo ci è resi conto che hanno diversi limiti e anche dal punto di vista ambientale non rappresentano la strategia più efficiente e sostenibile. Si tratta infatti perlopiù di metalli pesanti, che oltre a dover essere estratti, vanno gestiti con molta attenzione a causa della loro tossicità e, una volta utilizzati, si pone il problema del loro smaltimento.

Box attività



Nel nostro corpo sono presenti molti tipi di enzimi diversi.
Trovane almeno 10 esempi per le reazioni biochimiche che ritieni più significative e descrivi in massimo 140 caratteri il loro ruolo.

Ricorda:
Alcuni enzimi necessitano di elementi chimici metallici per funzionare correttamente: sapresti dire quali sono?

Organocatalisi e pure asimmetrica: cos’è e a cosa serve

Gli enzimi sono considerati a tutti gli effetti degli organocatalizzatori: sono molecole organiche, in particolare proteine, e possono lavorare instancabilmente per molti cicli di reazione. Il lavoro di ricerca di Benjamin List si è infatti concentrato proprio su di loro e ha permesso di semplificare ulteriormente le cose usando non una proteina intera ma singoli amminoacidi, ovvero i mattoncini che le compongono: sono più piccoli, agili e snelli e soprattutto funzionano meglio. Anche il suo collega di premio, MacMillan, ha iniziato a sperimentare l’utilizzo di piccole molecole organiche, gli ossazolidinoni, per favorire alcune reazioni organiche critiche come la ciclizzazione e la condensazione. Strategie, entrambe, che hanno trovato larga applicazione soprattutto nel settore farmaceutico.





Qual è l’elemento innovativo e quali ricadute ha questa strategia?

La risposta è da cercare nella seconda parte della parola difficile: asimmetrica.

Molte di queste reazioni vengono utilizzate per produrre molecole, dette enantiomeri, che possono avere due possibili conformazioni. In natura, nel nostro corpo e nell’industria farmaceutica, ma non solo, c’è una grande quantità di molecole definite chirali, ovvero caratterizzate da una conformazione tridimensionale speculare, come lo sono ad esempio le nostre mani (da qui il termine). Dal punto di vista della composizione chimica, del peso molecolare e della formula bruta non c’è alcuna differenza tra le due conformazioni, ma la posizione che queste molecole assumono nello spazio, invece, provoca differenze nella loro attività biologica.

Esempi di questo meccanismo sono le due conformazioni della molecola di limonene: una versione della molecola, che chiameremo S, odora di limone, mentre la sua speculare R odora di arancia. Possibile? Sì, perché l’odore non è intrinseco ma dipende dal modo in cui queste due molecole interagiscono con i recettori nasali. La stessa cosa avviene con la molecola di carvone: un enantiomero odora di menta, mentre il suo speculare di cumino.

 





Di esempi come questo, anche meno felici e profumati, la storia della chimica è piena. In particolare quella della chimica farmaceutica, perchè finchè non si ha la possibilità di testare l’effetto su un sistema biologico è difficile rendersi conto delle differenze che due molecole apparentemente uguali possono avere. Un caso storico che ha fatto riflettere molto e che ha dato una forte spinta allo sviluppo di nuove tecnologie per produrre selettivamente la sola conformazione di una molecola che ci interessa, è quello della talidomide. Si tratta di un farmaco che negli anni ‘60 ha provocato malformazioni nei feti durante i primi mesi di gravidanza, in quanto era venduto come soluzione antinausea e molte donne incinte lo assumevano proprio in quel particolare momento della loro vita. Il farmaco venne venduto come miscela delle due forme speculari, dove una esercitava l’effetto terapeutico, mentre l’altra era responsabile dell’insorgenza di malformazioni. Non era così facile a quel tempo produrre un solo enantiomero: la selettività è complessa da ottenere e non erano ancora così avanzate le conoscenze che invece abbiamo oggi e che sono valse il premio Nobel. Oggi invece, anche grazie all’organocatalisi asimmetrica, possiamo disporre di una modalità definita enantioselettiva.

 

Un occhio all'ambiente

Fino a poco tempo fa separare tra loro due molecole così simili richiedeva processi laboriosi e costosi dal punto di vista dei quantitativi di materiali utilizzati e degli scarti prodotti, al netto di un grado di purezza non così soddisfacente. Grazie all’utilizzo dei catalizzatori, sia quelli metallici ma soprattutto quelli organici, questo problema è stato affrontato con notevoli miglioramenti, anche da quello ambientale.

L'organocatalisi asimmetrica è diventata un'attività consolidata e potente strumento sintetico per la sintesi selettiva di composti organici, e ha già avuto un impatto significativo nella sintesi di prodotti naturali, intermedi per prodotti farmaceutici e altri composti biologicamente attivi strutturalmente complessi. I grandi vantaggi dell'organocatalisi sono ampiamente apprezzati a livello industriale e comprendono, tra molti altri, l'uso di catalizzatori generalmente non tossici, l'introduzione di nuove, potenti, modalità di attivazione generiche e il fatto che le reazioni sono il più delle volte robuste, scalabili e facili da eseguire. 

Dal punto di vista dell’impatto ambientale questo rappresenta un passo avanti molto importante, soprattutto per l’industria del farmaco: in questo comparto la ricerca e la produzione di nuove molecole comporta costi molto elevati sia per i materiali, che per le attrezzature e per la gestione dei materiali di scarto prodotti. Poter disporre di una strategia di sintesi come l’organocatalisi simmetrica significa produrre in maniera diretta, più efficiente, meno problematica per la salute e con meno dispendio di materiali e scarti esattamente la conformazione molecolare che ci serve. organocatalisi asimmetrica avrà un ruolo crescente nella produzione di principi attivi che soddisfino i requisiti di sostenibilità e di costo. 

Una tecnologia che può essere estesa a tanti altri campi e che racconta molto bene come l’avanzamento della ricerca di base nel campo della chimica organica possa avere ricadute positive su tanti ambiti industriali fondamentali per la nostra vita quotidiana.

 

Facciamo un esempio?



Nell’ultimo anno e mezzo abbiamo sentito spesso parlare di farmaci antivirali da utilizzare per combattere il virus che causa Covid-19. Oseltamivir è uno dei principi attivi usato per trattare le infezioni respiratorie che sono stati testati a questo scopo e per ottenerlo viene oggi usata una via sintetica che contempla la organocatalisi asimmetrica. In particolare, un gruppo di ricerca ha usato un metodo che in gergo si definisce “one-pot”, ovvero “in un’unica tazza”, per usare un paragone culinario. Una reazione one-pot è un metodo efficace per condurre diverse trasformazioni in un singolo recipiente, eliminando diverse operazioni di purificazione e riducendo al minimo le sostanze chimiche di scarto, per consentire un tempo di produzione totale più breve.





Questa sintesi si è rivelata molto efficiente in quanto ha permesso di ottenere un prodotto molto complesso con una resa significativa, senza bisogno di evaporare o cambiare solventi, su una scala dell’ordine dei grammi, cosa piuttosto difficile con reazioni del genere.