Chimica

Chimica

di Gian Paolo Chiusoli

L'evoluzione della materia si è svolta e si sta svolgendo in modo estremamente rapido, tanto da provocare un cambiamento radicale nella natura stessa della c. e nella sua posizione rispetto alle altre scienze.

L'avanzamento delle conoscenze

Prendendo a fondamento il sistema periodico degli elementi, la straordinaria costruzione che ordina gli attuali 118 elementi in una tabella in cui la posizione loro assegnata è funzione periodica delle loro proprietà, sorge spontanea la domanda riguardante il modo attraverso il quale gli elementi interagiscono dando luogo ai composti chimici. La risposta sta prima di tutto nella determinazione della natura del legame chimico. Dal momento che i legami tra atomi sono costituiti da elettroni dell'involucro esterno, la conoscenza dei livelli energetici degli orbitali e la valutazione della tendenza a dare o ricevere elettroni rappresentano punti essenziali. Si deve alla combinazione di studi teorici basati sulla meccanica quantistica e di determinazioni sperimentali (comportamento spettroscopico, determinazione dei potenziali di ionizzazione, dati cinetici e termodinamici, strutture ai raggi X ecc.) se la c. è stata posta su solide fondamenta teoriche. Per questo risultato è stato determinante l'enorme sviluppo dei calcolatori elettronici. Così strutture ai raggi X che richiedevano mesi di calcoli possono adesso essere determinate in poche ore e le molecole proteiche, una volta praticamente inaccessibili a causa del loro grande numero di atomi vengono correntemente indagate. Del pari, calcoli teorici che comportano milioni di integrali vengono effettuati in breve tempo.

Questa trattazione, necessariamente concisa, si propone di aggiornare il lettore su temi di ricerca attuali e per quanto riguarda gli anni precedenti deve limitarsi a una cronologia delle principali acquisizioni scientifiche.

La ricerca chimica nella seconda metà del 20° secolo

È opportuno ricordare brevemente che per il trattamento quantitativo del legame chimico, dell'affinità ed elettronegatività degli atomi è stato assegnato il premio Nobel per la c. a L. Pauling (1954) e R.S. Mulliken (1966); per i metodi di determinazione strutturale ai raggi X a D. Crowfoot Hodgkin (1964) e H.D. Hauptmann e J. Karle (1985). Particolarmente importanti sono gli studi sulle strutture ai raggi X di molecole proteiche (per cui M.F. Perutz e J.C. Kendrew hanno conseguito il Nobel nel 1962). La microscopia elettronica ai raggi X e la tecnica della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (sviluppi per i quali sono stati insigniti del Nobel rispettivamente A. Klug nel 1982 e R.R. Ernst nel 1991) hanno svolto un ruolo essenziale nella scoperta di nuove strutture. Rilevante importanza hanno avuto anche la spettrometria di massa e molte altre tecniche. Tutte sono state immensamente favorite dalla risoluzione di spettri attraverso l'analisi matematica di Fourier. Ulteriori apporti allo sviluppo della c. si possono seguire nei risultati scientifici di altri vincitori del premio Nobel per la chimica. L'apporto della c. teorica è stato riconosciuto a K. Fukui e R. Hoffmann (1981) e a V. Kohn e J.A. Pople (1998). L'allargamento della termodinamica chimica ai processi irreversibili ha consentito di render conto dell'autorganizzazione di sistemi chimici complessi e della formazione di organismi (I. Prigogine, 1977). Gli studi cinetici delle reazioni chimiche (C.N. Hinshelwood e N.N. Semenov, 1956), della dinamica dei processi chimici elementari (D.R. Herschbach, Y.T. Lee e J.C. Polanyi, 1986) e degli stati di transizione delle reazioni chimiche estremamente veloci (M. Eigen, R.G.W. Norrish e G. Porter, 1967) fino alla scala dei femtosecondi (10⁻¹⁵s) (A.H. Zewail, 1999) hanno consentito di rivelare la natura e stereochimica degli intermedi anche nel tempo reale in cui avvengono le reazioni chimiche. Oltre agli aspetti teorici, termodinamici e cinetici vanno segnalati i progressi degli studi sulla reattività di specie cationiche (G.A. Olah, 1994), carbanioniche, radicaliche (G. Herzberg, 1971) e carbeniche. Speciale interesse rivestono i complessi organometallici, in cui queste specie labili vengono stabilizzate per coordinazione a metalli. Sono in particolare da segnalare i complessi metallociclopentadienilici e metallocarbonilici (E.O. Fischer e G. Wilkinson, 1973).

La ricerca in ambito chimico è anche progredita nel campo degli elementi transuranici e delle loro trasformazioni (O. Hahn, 1944, E.M. Mc Millan e G.T. Seaborg, 1951). La sintesi ha realizzato enormi progressi attraverso l'impiego di tecniche sempre più raffinate: nuovi gruppi protettivi, nuovi tipi di reagenti (H.C. Brown e G. Wittig, 1979), utilizzazione coordinata di molte reazioni per sintesi mirate (R.B. Woodward, 1965), anche con l'assistenza del computer (E.J. Corey, 1990) e la metodologia di sintesi chimica su matrici solide (R.B. Merrifield, 1984) sono alcuni esempi. Le tecniche di separazione cromatografia (J.P. Martin e R.L.M. Singe, 1952) hanno anch'esse giocato un ruolo essenziale per lo sviluppo della chimica.

Grandi aree interdisciplinari della ricerca chimica moderna

L'insieme delle conoscenze su struttura, meccanismo e sintesi che si sono accumulate durante il corso del secolo scorso e che si accrescono continuamente hanno costituito la base per la nascita di grandi campi di ricerca, che attraversano le discipline tradizionali e si proiettano nel 21° secolo. Ne vengono citati qui alcuni, in quanto rappresentativi dell'attuale fermento della ricerca in c., il cui tumultuoso sviluppo provoca comunque, si potrebbe dire di giorno in giorno, un cambiamento di scenario.

Catalisi: sintesi e polimerizzazione

La capacità dei metalli, in particolare di quelli di transizione, di formare legami con il carbonio di molecole organiche è stata sfruttata per facilitare la reattività di gruppi coordinati. Apposite molecole leganti L, come fosfine terziarie, piridine, immine, ciclopentadienili o carbonili, vengono impiegate per condizionare, attraverso la coordinazione al metallo, la reattività degli altri gruppi coordinati. Per es., il metallo M, condizionato da leganti L, forma un legame iniziale con il gruppo R di un composto organico RX, in cui X è un gruppo uscente, in genere un alogenuro. Se un determinato substrato SH entra nella sfera di coordinazione del metallo, il gruppo R forma una nuova molecola RS espellendo H che insieme a X forma HX. A questo punto il metallo ritorna nelle condizioni iniziali e può ripetere lo stesso ciclo di eventi comportandosi così da catalizzatore.

La sintesi organica si è avvalsa della catalisi organometallica per ottenere sintesi ben più complesse, in cui una grande varietà di molecole e gruppi organici viene fatta reagire sul metallo in sequenze ordinate sia riguardo al tipo di molecola (chemioselettività), sia riguardo al tipo di concatenamento (regioselettività) e alla disposizione spaziale (stereoselettività). La tecnica offre grandi vantaggi rispetto alla classica costruzione di molecole organiche passo dopo passo e ha grandi prospettive di sviluppo. Applicando la tecnica della catalisi è stato possibile per K. Ziegler e G. Natta (premi Nobel per la c. nel 1963) reiterare l'introduzione del substrato SH, per es., propilene CH₃CH=CH₂, fino a introdurre centinaia di migliaia di molecole. Questo processo di polimerizzazione coordinata può essere controllato dal tipo di metallo e di leganti, in modo tale da condurre a polimeri estremamente ordinati, per es., con lo stesso tipo di concatenamento delle molecole di propilene e con tutti i gruppi metilici dalla stessa parte della catena polimerica (polimeri isotattici) o da una parte e dall'altra alternatamente (polimeri sindiotattici). Nei decenni successivi alla scoperta sono state elaborate tecniche estremamente sofisticate con elaborazione di leganti capaci di effettuare molti altri tipi di polimerizzazione selettiva che offrono ampie prospettive per il futuro, come la polimerizzazione via metatesi, che si basa sulla formazione di metallocarbeni, capaci di polimerizzare olefine o alchini attraverso la formazione di intermedi metallaciclici. È da notare come in alcuni casi la catalisi della sintesi e della polimerizzazione abbia già raggiunto e talvolta superato l'efficienza catalitica degli enzimi. Nella spiegazione dei fenomeni che portano alla selezione naturale, catalisi e autocatalisi (quest'ultima si verifica quando il prodotto di reazione catalizza la propria formazione) rappresentano un fondamento essenziale.

Sintesi asimmetrica

La sintesi asimmetrica mediante catalisi enantioselettiva rappresenta un altro settore di ricerca in rapida espansione. Qui l'obiettivo è la preparazione di uno solo dei due enantiomeri di un composto chirale, cui dà luogo la presenza di asimmetria nei composti chimici. Il mondo naturale è caratterizzato dalla presenza di una sola delle due forme, riconoscibili in base alla loro attività ottica. La sintesi chimica dà normalmente la loro miscela 1:1 (il racemo) e occorrono tecniche di separazione di laboratorio abbastanza laboriose per ottenere la risoluzione chirale attraverso la combinazione con sostanze otticamente attive che danno luogo alla formazione di diastereoisomeri. Questi ultimi, a differenza dagli enantiomeri, sono individui chimici diversi tra loro e possono essere separati, ricavandone poi mediante ulteriori trattamenti gli enantiomeri puri.

Effettuando, invece, una sintesi catalitica in cui una forma enantiomerica di un legante asimmetrico è coordinata a un catalizzatore metallico, che viene fatto reagire con un substrato prochirale (cioè trasformabile in un composto chirale), è possibile indurre la formazione di complessi metallici diastereoisomerici. Questi contengono l'atomo o gli atomi enantiomerici sul legante L^* e un altro o gli altri atomi chirali sul substrato S. Essi reagiscono con vari reagenti (per es., idrogeno, ossigeno ecc.) a velocità diverse ed è così possibile ottenere il prodotto di reazione di uno dei due diastereoisomeri preferenzialmente. Poiché al termine della reazione il substrato trasformato S^* si stacca dal complesso metallico contenente il legante asimmetrico, esso può essere costituito da un solo enantiomero.

In presenza di opportuni leganti è possibile ottenere composti chirali a elevata purezza, definita in termini di eccesso enantiomerico.

La ricerca nel campo dei leganti asimmetrici rappresenta un filone di grande importanza in quanto per ogni tipo di substrato esiste un differente tipo di legante ottimale. Nel 2001 W.S. Knowles, R. Noyori e R.B. Sharpless hanno ricevuto il premio Nobel per la c. per le loro ricerche in questo campo. La problematica della catalisi asimmetrica si è ulteriormente ampliata con la scoperta della possibilità di amplificare la chiralità partendo da eccessi enantiomerici minimi. Tutto ciò ha grande importanza per la spiegazione dell'origine della chiralità nel nostro mondo; un iniziale eccesso enantiomerico potrebbe infatti essersi prodotto in misura minima come risultato di eventi fisici interstellari ed essersi successivamente amplificato attraverso processi catalitici. Un altro interessante filone di ricerca riguarda la possibilità di trasmettere la chiralità attraverso centri che hanno perso la chiralità ma ne conservano la memoria. Si tratta di una memoria chimica che rappresenta un contributo alla comprensione scientifica del meccanismo della memoria.

Riconoscimento molecolare e autoassemblaggio: organizzazione sopramolecolare

Notevoli successi sono stati ottenuti quando si è presa coscienza dell'importanza delle interazioni deboli, sia per l'autoassemblaggio di materiali sia per l'informazione conferita alle molecole sul modo di assemblarsi. Benché le interazioni deboli (per es., ponti d'idrogeno che contribuiscono a tenere unite le macromolecole costituenti delle fibre, cui conferiscono rigidità e durezza) fossero ben note, è stato soltanto dopo la scoperta delle interazioni che tengono insieme la doppia elica del DNA che si è messa in moto una straordinaria attività di ricerca rivolta a utilizzare le interazioni deboli, dai ponti d'idrogeno alla coordinazione a metalli. Si ottengono così strutture dotate di proprietà non contenute negli elementi che le compongono, per es. materiali con nuove funzioni. Si riesce inoltre a includere o sequestrare molecole ospiti (guest) in altre capaci di riconoscerle selettivamente (host), a interpenetrare strutture cicliche con altre acicliche, e così via. L'organizzazione di strutture sopramolecolari in cui gli spin elettronici di molecole paramagnetiche sono tutti orientati nello stesso verso consente di ottenere magneti molecolari. È divenuto anche possibile costruire eliche a partire da componenti diversi da quelli del DNA ma egualmente capaci di dar luogo all'avvolgimento di una seconda elica. Strutture naturali derivate da zuccheri come le ciclodestrine e strutture inorganiche, sia naturali sia sintetiche, derivate da silicati di alluminio come le zeoliti possono facilmente includere selettivamente determinate molecole. Composti di interpenetrazione tipo gli anelli di una collana e il filo che li attraversa, difficilmente accessibili con le procedure tradizionali, sono ora facilmente preparabili. Per il loro contributo all'avanzamento della c. sopramolecolare D.J. Cram, J.M. Lehn e C.J. Pedersen hanno ricevuto il premio Nobel per la c. nel 1987. L'autoassemblaggio è la conseguenza dell'informazione fornita alle molecole attraverso il riconoscimento molecolare. Come suggerito dal comportamento del DNA, l'assemblaggio di strutture complementari (per es., molecole donatrici di ponti d'idrogeno con molecole accettrici) avviene spontaneamente.

Sulla base di questi concetti sono stati fatti i primi esperimenti di autoreplicazione di piccoli frammenti di DNA (oligonucleotidi), cui sono stati aggiunti frammenti complementari ancora più piccoli, per es., un frammento di 6 nucleotidi è capace di replicare sé stesso partendo da due frammenti di 3 nucleotidi complementari. Il concetto di autoreplicazione è fondamentale per spiegare l'origine della vita e l'evoluzione selettiva verso determinate forme a preferenza di altre. L'autocatalisi è un fondamento essenziale della selezione naturale: certi organismi riescono così ad autoreplicarsi mentre altri che non utilizzano questo strumento non si riproducono o lo fanno troppo lentamente. Il tema dell'autoreplicazione è ancora ai suoi albori, ma senza dubbio rappresenta una delle direttrici di ricerca più importanti.

Segnaletica molecolare e motori molecolari

I processi di autoassemblaggio e autoreplicazione dipendono dall'informazione, vale a dire dalla ricezione di opportuni segnali da parte della materia. La c., che è tradizionalmente classificabile come scienza della trasformazione della materia, diventa sempre di più, per usare un'espressione di J.M. Lehn, la scienza della materia informata. Il problema dell'informazione emerge chiaramente dall'investigazione del DNA, che può dar luogo all'espressione di determinati tipi di proteine soltanto quando i siti a questo deputati ricevono un segnale di partenza attraverso l'interazione con un'opportuna molecola. Analoghe considerazioni possono essere fatte per quel che riguarda la terminazione del processo, che anch'essa dipende dal ricevimento di un segnale adatto. La c. usa segnali chimici e fisici di inizio e di terminazione di determinati processi e l'ispirazione ai processi biologici rappresenta un potente aiuto alla ricerca.

Il riconoscimento molecolare offre la possibilità di utilizzare segnali che mettono in moto motori molecolari, cioè congegni capaci di lavoro meccanico a livello molecolare. Lo spostamento di una molecola da un punto a un altro di un sistema molecolare può essere, per es., realizzato attraverso il movimento da un sito di coordinazione a un altro, ambedue capaci di legarsi a un metallo, ma con diversa preferenza secondo lo stato di ossidazione del metallo stesso. Il segnale di partenza può essere dato dall'aumento dello stato di ossidazione del metallo effettuato mediante un'ossidazione chimica o un'irradiazione di opportuna frequenza. Il legame di coordinazione stabile nello stato di ossidazione più basso del metallo si allenta e viene sostituito dal legame più stabile, formato dall'altro sito di coordinazione con lo stato di ossidazione alto del metallo. Ciò comporta lo spostamento dell'intera catena molecolare verso il nuovo sito di coordinazione. Se il segnale viene invertito la catena molecolare si sposta nell'altro senso.

Quella sopra descritta è una rappresentazione molto semplificata del concetto di motore molecolare, ma la ricerca ha già raggiunto livelli molto più avanzati e tende a obiettivi assai più ambiziosi. L'ispirazione proviene anche in questo caso dai processi biologici come, per es., la sintesi dell'adenosintrifosfato ATP che ha luogo su un rotore molecolare. L'elucidazione del funzionamento di questo motore biologico ha fruttato, nel 1997, il premio Nobel per la c. a P.D. Boyer J.D. Wacker e J.C. Skou.

Composti nanostrutturati e fullereni

Le nanoparticelle sono aggregati di atomi o molecole che raggiungono le dimensioni dei nanometri. Esse sono caratterizzate da interessanti proprietà che le rendono utilizzabili nel campo dei materiali funzionali, dell'elettronica e della catalisi. La ricerca si muove a tutto campo per esplorare le proprietà delle forme più svariate di aggregati, dai nanotubi di carbonio ai fili e alle catene di nanoparticelle. Secondo l'impiego previsto le nanostrutture possono essere funzionalizzate con gruppi organici oppure modificate in vari modi.

I fullereni sono molecole a forma di gabbia a simmetria eicosaedrica. Il fullerene C-60 è formato da 60 atomi di carbonio e ha la forma di un pallone da calcio. Per tale scoperta R.F. Curl, Jr., H.W. Kroto e R.E. Smalley, nel 1996, hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica. Anche in questo caso la ricerca si sta estendendo a tutta una serie di strutture analoghe e alla loro modifica con l'introduzione di catene o cicli o gruppi funzionali, che impartiscano loro nuove proprietà o le rendano compatibili con i solventi o con i materiali in cui vengono introdotte. Catalizzatori eterogenei possono essere derivati dai fullereni modificandone la superficie mediante l'inserimento di metalli alcalini.

Conversione dell'energia luminosa

L'energia solare viene efficacemente convertita in energia c. in sistemi biologici che la captano e la utilizzano per separare i protoni e gli elettroni dell'acqua e ridurre l'anidride carbonica fino alla formazione di zuccheri. In natura esistono a questo scopo sistemi antenna costituiti da aggregati di nuclei porfirinici che vengono eccitati dall'energia solare e convogliano gli elettroni verso il substrato da ridurre (l'anidride carbonica) prima che si possano ricombinare con i protoni.

Il sistema chimico ha riprodotto, sia pure con rendimenti ancora bassi, il processo di separazione dei protoni dagli elettroni, utilizzando complessi metallici capaci di passare allo stato eccitato per trasferimento di carica dal metallo a un legante appropriato, che, a sua volta, è in grado di mettere in salvo per un certo tempo l'elettrone trasferendolo a un gruppo accettore collegato, mentre un gruppo donatore trasferisce un nuovo elettrone per riempire il buco elettronico formatosi. Al posto di un complesso è anche possibile utilizzare un semiconduttore come TiO₂ e in questo caso un elettrone viene promosso a livello di banda di conduzione dove riduce l'acqua sviluppando idrogeno.

La comprensione del meccanismo del processo di separazione dei protoni dagli elettroni avrà indubbiamente conseguenze importanti sia nel campo chimico sia per l'interpretazione dei fenomeni biologici, a loro volta ispiratori di nuove sintesi chimiche.

Trasferimento elettronico: materiali conduttori

Il problema del modo in cui un elettrone può essere trasferito da un sito all'altro di una molecola o macromolecola o reticolo cristallino è stato affrontato dagli studi cinetici per i quali H. Taube e R.A. Marcus hanno ottenuto il premio Nobel per la c. nel 1983 e nel 1992. Nel 2000 A. Heeger, D.G. Mac Diarmid e H. Shirakawa hanno ricevuto lo stesso riconoscimento per la scoperta di polimeri conduttori. La ricerca si sta sviluppando intensamente sia nel campo dei polimeri organici (poliacetileni, politiofeni e polipirroli) sia in quello degli ossidi inorganici.

La comprensione dettagliata dei meccanismi di conduzione è la condizione essenziale per lo sviluppo di materiali conduttori e superconduttori. Lo studio dei meccanismi di trasmissione biologica utilizzati per far affluire gli elettroni ai centri fotosintetici è estremamente utile a questo proposito.

Potendosi definire la c. anche come l'arte di far affluire elettroni a un centro di reazione o di ritirarli dal medesimo, è chiaro che qualsiasi progresso nello studio del trasferimento elettronico è di importanza fondamentale per tutti i settori della ricerca chimica. La teoria elettronica della catalisi, per es., classifica i catalizzatori come conduttori (metalli), semiconduttori (prevalentemente ossidi) e isolanti come la silice. L'impiego di sostanze droganti sotto forma di ioni metallici destinati a regolare il flusso di elettroni da una massa semiconduttrice a una superficie di reazione è già realtà in vari catalizzatori industriali.

Codice genetico e proprietà del DNA e del RNA

Già nel 1990 P. Berg, W. Gilbert e F. Ranger erano stati insigniti del premio Nobel per la c. per l'investigazione della sequenza di basi del DNA. La recente determinazione del genoma umano ha dato ulteriore impulso alle ricerche volte a stabilire le proprietà del DNA in termini di modalità di trascrizione e di espressione, di corrispondenza tra tipo di sequenza e tipo di proteina espressa, di segnali di partenza e di stop nella trascrizione e nell'espressione di proteine. K.B. Mullis, premio Nobel per la c. nel 1993 insieme a M. Smith, è riuscito a realizzare l'aggancio di un oligonucleotide (primer) complementare a una catena del DNA, ottenuta per svolgimento della doppia elica di quest'ultimo mediante denaturazione provocata dalla temperatura. Ciò consente di avviare la polimerizzazione di nucleotidi intorno alla catena e di riprodurre e amplificare a piacimento una sequenza di DNA. Smith ha sviluppato un metodo di mutagenesi, cioè di sostituzione di un tratto specifico di DNA, utilizzando oligonucleotidi. Ciò ha aperto la strada alla determinazione puntuale della funzione di ogni singolo sito.

L'orizzonte della c. è vastissimo: possono, per es., essere creati DNA in cui i vari componenti vengono sostituiti da altre combinazioni chimiche e può esser data vita a un mondo artificiale costituito da amminoacidi diversi da quelli che costituiscono le proteine. Come in tutti i settori in cui la c. incontra la biologia si apre quindi la possibilità di comprendere e migliorare il mondo naturale e contemporaneamente di utilizzare gli strumenti della c. per uno sviluppo indipendente da quello naturale. Le proprietà catalitiche del DNA e del RNA, che è da considerarsi il precursore biologico del primo, sono oggetto di intenso studio. S. Altman e T. Cech hanno ricevuto nel 1989 il premio Nobel per la c. in riconoscimento delle loro scoperte sulle proprietà catalitiche del RNA.

Proteine: proteomica; controllo del folding proteico ed effetto allosterico

Le proteine rappresentano una parte essenziale del mondo vivente e del sistema enzimatico che ne controlla lo sviluppo. È quindi importante comprendere i principi che governano la conformazione, la sintesi e la degradazione delle proteine. A testimoniare l'interesse dell'argomento e gli straordinari progressi realizzati sta l'assegnazione dei più recenti premi Nobel per la c.: a J.B. Fenn, K. Tanaka e K. Wuetrich (2002) per lo sviluppo di metodi di analisi, spettrometria di massa (desorption ionization) e di risonanza magnetica nucleare per la determinazione di strutture proteiche; a P. Agre e R. McKinnon (2003) per la scoperta di canali proteici per il trasporto dell'acqua; e ad A. Ciechanover, A. Hershko e I. Rox (2004) per la scoperta della degradazione delle proteine mediata dall'ubiquitina.

Di fondamentale importanza sono gli studi rivolti a determinare la struttura e la funzione dell'insieme delle proteine espresse da una cellula (proteomica; v. proteoma). Occorre anche stabilire la causa della scelta di determinate conformazioni proteiche. Le proteine infatti sono soggette al folding, ossia al ripiegamento, e questo genera conformazioni complesse, scelte in modo selettivo tra un grande numero di possibilità. Agli inizi del 21° sec. ci si domanda se sia possibile prevedere il tipo di folding in base al tipo e alla sequenza di amminoacidi che costituiscono le proteine. La forma di minima energia viene preferita ma è sempre possibile accedere alle altre forme, particolarmente in presenza di sostanze che si legano a determinati siti proteici e così facendo spostano l'equilibrio del folding (proteine allosteriche). Allo studio di questi complessi fenomeni la c. è chiamata a contribuire sempre di più.

Catalisi enzimatica

Il crescente numero di strutture di complessi enzimatici risolte costituisce la base per la comprensione del funzionamento di questi catalizzatori naturali che, a differenza dei catalizzatori chimici, possiedono centri di reazione inseriti in grandi macromolecole proteiche con pesi molecolari di centinaia di migliaia o di milioni di Dalton. Molto spesso il centro di reazione è rappresentato da metalli che svolgono una funzione semplice ma altamente selettiva, dopodiché il prodotto passa al centro di reazione di un altro enzima che ne continua o termina la trasformazione. Tutto ciò richiede la presenza di appositi canali di accesso ai vari centri di reazione e, quindi, un'adatta conformazione del sistema proteico.

La c. interviene nel campo della catalisi enzimatica a vari livelli: costruendo sistemi modello atti a fornire un'interpretazione del funzionamento catalitico; modificando il sistema proteico attraverso la sostituzione di amminoacidi, l'aggiunta di nuovi gruppi, l'introduzione di sostanze atte ad alterare la conformazione delle proteine mediante azioni elettrostatiche o coordinative ecc.; utilizzando le informazioni acquisite per costruire sistemi catalitici nuovi, in cui, per es., s'impiegano leganti non proteici ma capaci di effetti sterici ed elettronici simili; utilizzando gli enzimi per effettuare reazioni chimiche. Enzimi e catalizzatori chimici sono strettamente legati e ogni passo avanti realizzato in un settore va a beneficio dell'altro.

Ricadute applicative

Premesso che ricadute applicative provengono continuamente da scoperte imprevedibili, si può osservare come l'industria e la società abbiano tratto abbondante profitto dai risultati delle ricerche chimiche e potranno ulteriormente giovarsi degli spettacolari sviluppi in corso nei campi descritti sopra.

Si considerino in primo luogo i processi industriali: è in corso una rivoluzione della tecnica produttiva intesa a sostituire i processi convenzionali con altri più efficienti, selettivi e meno inquinanti come i processi catalitici in fase omogenea o eterogenea.

Oltre ai prodotti della petrolchimica, che si avvantaggiano in maniera notevole dell'introduzione di nuovi catalizzatori selettivi, spiccano tra i prodotti di largo impiego le materie plastiche, le fibre e gli elastomeri, la cui produzione sta ricevendo un forte impulso dai progressi della catalisi stereospecifica della polimerizzazione di olefine e di dieni. Numerosi altri polimeri organici e inorganici e materiali speciali che risultano adatti ai più svariati impieghi stanno anch'essi diventando accessibili.

La sintesi di prodotti farmaceutici, particolarmente di quelli chirali, trae beneficio dalle nuove tecniche di reazione a molti stadi in sequenza ordinata e da quelle enantioselettive. Con la guida di calcoli di meccanica molecolare si sta già procedendo alla sintesi di farmaci mirati. L'utilizzazione di enzimi, come tali o modificati, per sintesi chimiche selettive rappresenta un ulteriore potente strumento. Analogo discorso può esser fatto per erbicidi, pesticidi e fitofarmaci in genere, che saranno sempre più progettati ad hoc in modo da colpire selettivamente il bersaglio senza nuocere ai siti o alle specie circostanti. Più in generale tutta la c. fine riceverà forte impulso dai nuovi metodi.

La c. sopramolecolare dovrebbe avere una considerevole ricaduta in vari campi applicativi, particolarmente in quello dei sensori e dei cristalli liquidi. Più in prospettiva l'elettronica molecolare potrebbe rivoluzionare le attuali tecniche dell'elettronica. Segnali in questo senso vengono dalla realizzazione di semplici motori molecolari. La fabbricazione di materiali speciali come i magneti molecolari e la deposizione di strati molecolari sui chip usati per l'informatica sono esempi delle ricadute prevedibili degli studi sull'organizzazione sopramolecolare.

I composti nanostrutturati dovrebbero trovare applicazione in una miriade di campi, dai materiali conduttori e speciali in genere ai catalizzatori. Gli studi sulla conversione dell'energia luminosa hanno il loro naturale sbocco nella produzione di idrogeno dall'acqua in vista della sostituzione degli idrocarburi come combustibile, ma anche vari dispositivi ottici potranno essere realizzati. La fabbricazione di materiali conduttori e superconduttori e di altri dispositivi elettrici si gioverà degli studi sul trasporto elettronico. Le tecniche biotecnologiche riceveranno un forte impulso dai progressi nel campo delle conoscenze del DNA, delle proteine e dei sistemi enzimatici.

L'area della medicina non è solamente tributaria della c. per quanto riguarda la preparazione di farmaci, ma si avvale sempre in misura maggiore di materiali biocompatibili e protesi di ogni tipo e in generale potrà contare su tessuti e organi di sostituzione realizzati con materiale sintetico.

Non sono infine da trascurare i problemi ambientali che una buona c., associata a un'efficace legislazione, potrà risolvere attraverso processi non inquinanti a basso consumo energetico e il controllo di tracce anche minime di sostanze tossiche. È da ricordare che la scoperta delle reazioni che impoveriscono la concentrazione di ozono nella stratosfera e il conseguente ricorso a fluoroderivati alternativi a quelli responsabili delle reazioni nocive sono merito della chimica.

Il carattere pervasivo della chimica

L'effetto delle ricerche chimiche si fa sentire progressivamente non soltanto negli ambiti propriamente chimici o legati alla c. (come coloranti, vernici, detergenti ecc.) ma anche in tutti gli altri tradizionalmente considerati non chimici in quanto le operazioni chimiche avevano carattere secondario. Per es., l'industria meccanica lavora i metalli e le loro leghe, e fino a poco tempo addietro non si preoccupava molto di alternative. Ora però i materiali della c. sostituiscono porzioni sempre maggiori dei materiali tradizionali, cosicché, per es., un'automobile già ne contiene più del 20% in peso, non solo sotto forma di pneumatici, ma di materie plastiche, altri elastomeri e fibre. La carrozzeria in plastica non è più un miraggio e il blocco motore in ceramica è già all'orizzonte. L'introduzione di materiali di grande potenza adesiva sta sostituendo certe saldature come quelle delle lattine per bevande e perfino i bulloni che tengono insieme parti di aerei. Legno e carta troveranno sempre maggiore concorrenza da parte dei materiali plastici polimerici e sono già attuate le superfici di tavoli, porte, armadi, ecc. realizzati con resine. Anche l'industria nautica ha visto la sostituzione degli scafi delle barche e delle vele con resine e fibre.

L'industria tessile e dell'abbigliamento (v.) registra la sostituzione di buona parte dei materiali di base naturali con fibre sintetiche. L'industria dell'agricoltura e quella dell'alimentazione sono state profondamente modificate dalla c. (basti solo pensare agli additivi e ai conservanti che rendono possibile la produzione di cibi precotti). Esse si troveranno a godere degli avanzamenti nel campo delle biotecnologie animali e vegetali dovuti, in parte, alla ricerca chimica. L'industria edilizia sta già utilizzando, o ha in programma, la sperimentazione di componenti in plastica di ogni tipo, dai tubi di scarico alle mattonelle di rivestimento dei tunnel che purificano i gas di scarico delle automobili. L'industria del cemento potrà realizzare notevoli avanzamenti attraverso l'impiego di polimeri inorganici rinforzanti. L'industria dell'energia si giova in tutto il mondo di combustibili idrocarburici ma varie alternative sono allo studio. Quella offerta dalle pile a combustibile dipende molto dalla modifica chimica degli elettrodi, mentre la produzione di idrogeno dall'acqua richiede un'efficienza di gran lunga maggiore. L'alternativa nucleare richiede anch'essa più che mai l'apporto della chimica.

La c. sta entrando anche nell'industria elettronica tradizionale e in quella informatica, dove sono da attendersi profonde trasformazioni prodotte dallo sviluppo di congegni basati sulla c. sopramolecolare. L'industria elettrica già riceve l'apporto della c., per es., in forma di materiali per rivestire cavi. I polimeri organici conduttori si stanno affacciando all'orizzonte, così si può dire anche per i magneti organici. L'industria del vetro si avvale fortemente degli studi chimici e le fibre ottiche sono già una realtà. Materiali polimerici trasparenti sostituiranno in misura sempre maggiore le lenti e molti manufatti in vetro.

Questa breve e pur incompleta carrellata rivela come, nella misura in cui le conoscenze progrediscono, la c. sia in grado di migliorare e sostituire ogni tipo di materiale su cui operano le varie industrie. Ciò sta a significare che industrie tradizionalmente riluttanti a fare ricerca dovranno avviare studi per un rinnovamento continuo che ne possa garantire la presenza sul mercato. La c. si rivela così come una grande forza di cambiamento, che si estende alle nostre abitudini sociali e al nostro rapporto con l'ambiente. Essa è certamente anche uno dei fattori principali del rapidissimo aumento dell'aspettativa di vita che si può riscontrare quotidianamente.

Bibliografia

Chemistry for the 21st century, ed. E. Keinan, I. Schechter, Weinheim 2000; T.L. Brown, H.E. LeMay Jr, B.E. Bursten, Chemistry. The central science, Prentice Hall, New Jersey 2006⁹.