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Assemblare selettivamente gli elementi costitutivi chimici con l’aiuto di catalizzatori artificiali

Il progetto ENOLCAT, finanziato dall’UE, è riuscito a tenere sotto controllo la sintesi di una serie diversificata di composti su misura, partendo da materiali di base e utilizzando semplici catalizzatori artificiali.

Ricerca di base

Da tempo gli scienziati traggono ispirazione dalla capacità della natura, guidata dall’evoluzione, di costruire strutture biologiche complesse e raffinate da materiali relativamente semplici. I chimici sintetisti osservano la strutturazione e le prestazioni di materiali naturali come il coenzima A, per apprendere come emularne la capacità di generare diversità sintetica (come quella esistente tra polichetidi e alcaloidi). Il progetto ENOLCAT, finanziato dall’UE, si è proposto di ottimizzare tale approccio biomimetico, al fine di sfruttare materiali semplici per renderizzare selettivamente prodotti diversi con gradi elevati di controllo. Il team puntava a sviluppare nuove strategie di catalisi organica che fossero entrambe applicabili in modo specifico, contribuendo anche allo stesso tempo a una comprensione meccanica più completa di tali processi di fondo. I catalizzatori del cambiamento producono chimica in 3D Per il lavoro svolto da ENOLCAT è stato fondamentale sfruttare in modo efficace i catalizzatori e, specificamente, un ramo della chimica in cui la complessità chimica è associata con la cosiddetta “chiralità” molecolare. Si tratta di una proprietà geometrica per cui una molecola è non sovrapponibile alla sua immagine speculare. Poiché il termine “chirale” deriva dalla parola greca che significa “mano”, di solito viene spiegato in riferimento alla non sovrapponibilità di una mano destra sulla sua immagine speculare, ovvero la mano sinistra, come testimonia l’impossibilità di indossare il guanto sinistro sulla mano destra. Il coordinatore di ENOLCAT, il professore Andrew Smith, sottolinea che la chiralità determina conseguenze rilevantissime per la chimica sintetica. Pone la questione così: “In termini di costruzione di molecole, la selettività è fondamentale; è indispensabile controllare come costruirle. Occorre controllare se si costruisce dall’alto o dal basso, o dal lato sinistro o destro di una struttura, esattamente come un mattoncino LEGO, per decidere l’esito finale del posizionamento complessivo di tali elementi.” Questo grado di controllo è indicato con l’espressione “regiocontrollo ed enantiocontrollo”; ENOLCAT ha aumentato il controllo dei processi di reazione in se stessi, per realizzare la disposizione bilanciata voluta (ovvero la stereochimica) degli atomi nei prodotti chimici risultanti. Senza tale controllo, è possibile che i composti chimici (ad es. i farmaci) siano inefficaci. In laboratorio, il team è riuscito a utilizzare catalizzatori artificiali (isothiourea) per ottenere la trasformazione di un semplice elemento costitutivo chimico (un acido carbossilico), in situ in una sequenza di reazione a domino, in una serie diversa di architetture molecolari (equivalenti a specie donatori enoli e acili) con controllo del loro orientamento 3D. Come afferma entusiasticamente il prof. Smith: “Vedere nuovi processi di reazione trasformarsi dal tavolo da disegno alla realizzazione pratica in laboratorio è sempre un passaggio elettrizzante.” Seguire la via della chemiodiversità Nella selezione di bersagli specifici per il lavoro di ENOLCAT, il prof. Smith ricorda che “Abbiamo cercato di scegliere bersagli in base alla necessità. Molti bersagli farmaceutici sono formati da anelli di atomi legati insieme (carbocicli ed eterocicli) e, quindi, ci siamo concentrati sullo sviluppo di metodi alternativi e su misura per prepararli.” Una migliore catalisi consente processi industriali efficienti, riduce al minimo il consumo di energia, i rifiuti e i sottoprodotti nocivi, per fornire prodotti chiave. Il prof. Smith conclude: “ENOLCAT, apportando il proprio contributo a tali sforzi, ha fornito a problemi di rilevanza industriale soluzioni catalitiche su misura, alcune delle quali vengono applicate su larga scala, per generare molecole bersaglio bioattive chiave che potrebbero risultare un vantaggio a lungo termine per la società.”

Parole chiave

ENOLCAT, catalizzatore, atomi, molecolare, chimica sintetica, composti, enzima, chiralità, stereochimica, chemiodiversità

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