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Polimeri funzionalizzati simili agli enzimi per catalisi industriale

Ispirati dalla natura, gli scienziati hanno sintetizzato sistemi simili a enzimi dai polimeri funzionalizzati. Le architetture sopramolecolari con siti attivi nascosti nelle cavità idrofobiche repellenti all'acqua supporteranno numerose reazioni rilevanti dal punto di vista industriale in solventi a base di acqua.
Polimeri funzionalizzati simili agli enzimi per catalisi industriale
I catalizzatori sono sostanze che accelerano una reazione diminuendo l'energia necessaria per far sì che si verifichi la reazione. Le reazioni industriali dipendono notevolmente dai catalizzatori. Accelerandone il tasso di reazione, i catalizzatori aumentano la produttività. Per via della loro specificità, possono inoltre produrre componenti desiderati con una purezza molto elevata riducendo il numero di fasi di lavorazione successive. Inoltre, le reazioni catalitiche a cascata simili al modo in cui la natura produce le molecole, hanno assunto un ruolo fondamentale nella chimica organica "verde" per sintetizzare vari prodotti naturali.

La natura spesso offre ispirazione a scienziati e ingegneri e i catalizzatori presenti in natura non fanno eccezione. Gli enzimi sono proteine, lunghe catene di sottounità (aminoacidi) che si ripiegano in modi complessi per creare strutture 3D che impartiscono funzioni. Partendo dalla somiglianza delle proteine ai copolimeri a blocchi, gli scienziati che partecipano al progetto 'Single chain polymer nanoparticles' (SCPNANOPART), finanziato dall'UE, hanno creato nanoparticelle (NP) sintetiche simili a proteine. Per completare l'operazione, I copolimeri (polimeri costituiti da più di una sottounità o monomero) sono stati funzionalizzati con porzioni sopramolecolari che promuovono il ripiegamento quando vengono attivati.

Tra le varie architetture create e studiate al fine di sviluppare la procedura per la sintesi dei copolimeri a blocchi con funzionalizzazione, il team ha sintetizzato NP con siti cataliticamente attivi situati negli interni idrofobici per la catalisi in mezzi acquosi.

Le informazioni acquisite sono state impiegate in studi indirizzati verso due tipi di reazione di importanza industriale. La reazione di condensazione aldolica è fondamentale per la chimica sintetica organica in quanto forma legami carbonio-carbonio. Poiché I derivati dell'acido boronico catalizzano numerose reazioni importanti dal punto di vista industriale, gli scienziati hanno inoltre studiato la funzionalizzazione di polimeri con acido fenilboronico per la catalisi in acqua o solventi organici.

I polimeri funzionalizzati per la reazione aldolica hanno dimostrato una notevole attività in acqua, simile a quella degli enzimi naturali. Un nuovo metodo per controllare il posizionamento dei siti attivi dei catalizzatori ha inoltre agevolato un'impressionante selettività. I polimeri funzionalizzati con acido fenilboronico hanno mostrato un'elevata attività in due reazioni diverse (amidazione diretta in un solvente organico e reazioni di Diels-Alder in acqua).

Nell'ambito del progetto SCPNANOPART sono stati sintetizzati nuovi sistemi catalitici compartimentalizzati con il sito attivo situato nell'interno idrofobico per reazioni in mezzi acquosi. Queste strutture simili agli enzimi altamente attive e NP specifiche dovrebbero produrre un impatto importante sulla chimica sintetica, in particolare per I composti organici, incluse le reazioni a cascata.

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