Film molecolari pionieristici producono informazioni sulle reazioni chimiche nei liquidi
Nonostante una gran parte della chimica più importante del mondo (sia per l’ambiente vivente che per l’industria) avvenga nei liquidi, la ricerca ha più che altro studiato le reazioni chimiche nella fase gassosa. L’osservazione accurata degli incontri molecolari reattivi durante la sintesi chimica nei liquidi era ostacolata dal moto costante delle molecole del solvente e dalla velocità del processo. I legami si possono spezzare e se ne possono creare di nuovi, a intervalli più veloci di un trilionesimo di secondo. Il progetto CAPRI, finanziato dall’UE, ha usato impulsi laser – più brevi degli intervalli di collisione delle molecole – per catturare istantanee di reazioni chimiche nei liquidi, con dettagli mai ottenuti prima. Mettendo insieme le istantanee e usando simulazioni al computer, il team ha creato visualizzazioni passo per passo. L’importante rivista scientifica “Scientific American”, ha affermato che il metodo usato dal team è “un’idea che cambierà il mondo”. Spiegando le motivazioni di CAPRI, il coordinatore del progetto, il professor Andrew Orr-Ewing ricorda “In parte era curiosità fondamentale sulla questione largamente inesplorata di cosa succede alle molecole reagenti dissolte in un solvente liquido e in parte un riconoscimento che la maggior parte della chimica svolta nei laboratori di ricerca e nell’industria richiede l’uso di solventi liquidi.” Fare le istantanee di un picosecondo Il team del progetto ha studiato le molecole usando la spettroscopia di assorbimento. Usando impulsi laser ultraveloci (nelle regioni infrarossa e ultravioletta) hanno misurato la quantità di luce assorbita a diverse lunghezze d’onda da specie a vita breve, intermedie tra reagenti e prodotti finali. Il professore spiega: “Abbiamo misurato questi spettri transienti a diversi tempi di ritardo per guardare la crescita e il declino degli stadi intermedi della reazione. Gli spettri hanno rivelato i percorsi della reazione e i movimenti delle molecole durante la reazione.” Gli esperimenti sono stati condotti in solventi comuni come acqua, ossido di deuterio (D2O), acetonitrile, cloroformio e diclorometano. CAPRI ha studiato anche perfluorocarburi liquidi che sono inerti dal punto di vista chimico e interagiscono solo debolmente con molecole solventi, ma che permettono misurazioni molto dettagliate del comportamento delle molecole dissolte. Come riassume il professor Orr-Ewing: “Gli esperimenti sono stati rivoluzionari perché hanno dimostrato per la prima volta che studi di reazione in soluzione potrebbero avvicinarsi al livello di dettaglio di quelli svolti su molecole isolate nella fase gassosa.” Continua poi dicendo che, “Un’importante sorpresa degli esperimenti è stata che le reazioni in soluzione non possono essere semplicemente modellate usando statistiche per prevedere dove va a finire l’eccesso di energia delle reazioni. I dati sperimentali reali sono stati veramente importanti.” Verso un futuro di chimica industriale più semplice e più verde CAPRI offre una migliore comprensione dei flussi di energia scatenati dalle reazioni chimiche. Sono stati tracciati nuovi percorsi chimici, compresi modi in cui le molecole dissipano l’eccesso di energia dall’assorbimento di radiazioni ultraviolette per evitare di essere danneggiate. Oltre e al di là dell’obiettivo di ricerca fondamentale di CAPRI, i risultati del progetto portano benefici diretti per la chimica sintetica e industriale. I risultati miglioreranno le simulazioni, contribuendo a vari campi tra cui la progettazione di farmaci. CAPRI offre anche la prospettiva di una migliore lavorazione industriale di prodotti della chimica fine e prodotti farmaceutici, per esempio per mezzo dell’uso di chimica a flusso nei reattori fotochimici, attivata da fonti di luce economiche ed efficienti come i LED (Light Emitting Diodes). C’è poi il contributo alla “chimica verde”. Come spiega il professore, “Stiamo applicando questa strategia per capire le reazioni importanti per la chimica organica sintetica e per la chimica che usa i cicli catalitici attivati dall’assorbimento di luce, evitando catalizzatori tossici o rari a base di metallo.” Il team sta attualmente ampliando il lavoro per studiare sistemi molecolari più complessi oltre a fenomeni specifici, come il modo in cui molecole importanti dal punto di vista biologico interagiscono con la luce ultravioletta e resistono al danno fotochimico.
Parole chiave
CAPRI, reazioni chimiche in liquido, solventi, picosecondo, chimica verde, molecole di solvente, specie intermedie a vita breve, impulsi laser, spettroscopia di assorbimento, medicinali, cicli catalitici, chimica a flusso, radiazione ultravioletta
