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alcune delle molecole che hanno cambiato il mondo… nel suo rapporto con la chimica

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Non è raro che fra chimici ci si ponga talvolta il quesito: quali sono le (poche) molecole che hanno realmente cambiato il mondo?  Sull’argomento sono stati scritti saggi di divulgazione scientifica di successo (es. “I bottoni di Napoleone – come 17 molecole hanno cambiato la storia” – P. Le Conteur, J. Burreson – Longanesi, 2007), una moltitudine di articoli e di post sui blog scientifici e non, nonché un’edizione del Carnevale della Chimica, la tredicesima datata gennaio 2012, della quale questo intervento costituisce parte integrante.
i bottoni di napoleone - come 17 molecole hanno cambiato la storia” - P. Le Conteur, J. Burreson - Longanesi, 2007Gli elenchi delle molecole proposte annoverano per lo più le “invenzioni” (sempre in termini molecolari, naturalmente) che hanno consentito, direttamente o permettendo a loro volta la costruzione di manufatti più complessi, il miglioramento della qualità (nonché della durata) della nostra vita, fino a rendersi a tutti gli effetti indispensabili, sempre che non si accetti collettivamente di ritornare nelle condizioni di esistenza di alcuni secoli or sono.   La prospettiva secondo la quale queste molecole sono selezionate è quindi per lo più di tipo utilitaristico e funzionale alla loro applicazione, incanalandosi in questo modo in quell’importantissimo filone – ma pur sempre di un filone si tratta – della chimica applicata ed industriale, per intenderci quella per mezzo della quale vengono realizzati prodotti su larga scala, quelli che entrano alla fine nelle nostre case e con i quali possiamo avere a che fare tutti i giorni.
Vorrei però provare in questa sede a vedere le cose da un punto di vista un po’ differente rispetto a questa prospettiva.  Vorrei provare a considerare le molecole che hanno costituito dei cardini nell’evoluzione della conoscenza chimica: all’inizio magari semplici curiosità, rivelatesi alla fine insospettabili chiavi di svolta per quei balzi in avanti nella conoscenza dei quali è ricca la storia di ogni disciplina scientifica.  Molecole sì che hanno cambiato il mondo, ma il mondo della stessa chimica, non necessariamente per la loro possibilità di essere inserite o utilizzate in un prodotto finito di utilità materiale, quanto per il ruolo che esse hanno avuto nell’evoluzione della stessa scienza chimica fino ai giorni nostri.
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FERRO

spazio Un’interà “età” nella storia dello sviluppo della civiltà umana (per altro non ancora raggiunta fra tutte le popolazioni del mondo) prende il nome da questo elemento, come del resto anche dal rame.   Il bronzo invece non è un elemento bensì una lega di rame con un altro metallo, tradizionalmente lo stagno.   Ma la tecnologia del ferro costituisce una novità sicuramente maggiore rispetto a quello del rame… una novità di tipo chimico.   Il rame infatti si trova(va) piuttosto facilmente in natura al cosiddetto “stato nativo”, ovvero sotto forma già di metallo, quindi con stato di ossidazione zero, esattamente come l’oro delle pepite.   E’ vero che successivamente questo elemento è stato estratto, come lo stagno e lo stesso ferro, a partire dai suoi minerali dove è invece presente come catione a formare sali, ma in un primo momento sono stati certamente i frammenti di rame nativo, dall’aspetto e dalle proprietà già da subito metalliche (malleabile, duttile, ecc), ad attirare l’attenzione dell’uomo e a finire in utensili da cucina, in monili e, un po’ meno a causa delle sue proprietà meccaniche non proprio ottimali, nelle armi.   Il fatto che il rame fosse già presente in forma di metallo e quindi potesse essere lavorato per semplice battitura con utensili più duri, o al limite tramite fusione, fa sì che la sua tecnologia non si possa definire ropriamente chimica.

minerali del ferro

Il ferro nativo, al contrario, è molto sensibile all’ossidazione ed in natura è sì rinvenibile, ma si tratta di una rarità di solito ben protetta all’interno di strutture geologiche ben difficilmente accessibili, difficilmente penetrabili tanto dall’ossigeno quanto da parte dell’uomo, almeno di quello antico, oppure all’interno di meteoriti dei quali costituisce uno degli elementi più abbondanti.   Il ferro si trova solitamente combinato con diversi altri elementi a formare ossidi, ossidi idrati e sali, tutti minerali insolubili dai quali questo elemento si estrae ancora ai giorni nostri.   E proprio a causa di questa disponibilità preponderante in forma combinata, solitamente in forma di ossidi, ossidi idrati e di solfuri, che l’ottenimento del ferro metallico passa attraverso la realizzazione di reazioni chimiche, tra le prime in assoluto realizzate artificialmente nella storia dell’uomo.   Dopo un primo momento in cui si utilizzò il poco ferro nativo rinvenuto sulla superficie terrestre, per lo più di origine meteoritica, ad iniziare dal XII secolo a.C. in India, Vicino Oriente ed Iran, e con un ritardo di ben 6 secoli nell’Europa settentrionale, si

ricostruzione antica fornace per la riduzione del ferro dai suoi minerali

ricostruzione antica fornace per la riduzione del ferro dai suoi minerali

iniziò a ricavare il ferro metallico per riduzione dei minerali costituiti da ossidi (es. ematite, magnetite, limonite, ecc) mediante carbone in fornaci che, con la loro coibentazione, la loro inerzia termica ed in virtù di tempi molto lunghi di esposizione al calore erano capaci di raggiungere temperature molto elevate, fino a 2000°C.   Il vero agente riducente nel processo risulta però essere il monossido di carbonio che si forma dall’ossidazione in carenza di ossigeno del carbone: per reazione con gli ossidi ferrosi e ferrici esso di ossida a biossido di carbonio (anidride carbonica), riducendo il ferro allo stato elementare.   Questo spiega anche la ragione per la quale le fornaci di riduzione dovevano lavorare, oltre che in continuo, anche in carenza di ossigeno.
L’importanza del processo di estrazione dei metalli dai loro minerali che li contengono in forma di composti ha assunto una importanza tale, non solo nell’economia e nella vita concreta, ma anche nell’immaginario degli antichi, che la figura dell’alchimista si è sviluppata, almeno in un primo momento, proprio come l’arte, in buona parte segretamente tramandata, di estrarre e trattare i metalli.
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ACIDO SOLFORICO

spazio L’acido solforico, ottenuto per la prima volta secondo la tradizione dal medico ed alchimista Ibn Zakariya al-Razi per “calcinazione” dei solfati di rame (II) e di ferro (II), noti come vetrioli (da qui il termine di olio o spirito di vetriolo dato inizialmente a questo acido), rappresenta per certi versi una sorta di “pietra filosofale” della chimica antica.

Prodotto sinteticamente dall’uomo a partire da fonti minerali (in natura è presente solo in forma diluita in alcuni stagni presso i quali sono attive solfatare o altri fenomeni vulcanici), estremamente caustico quando concentrato, l’acido solforico è stato per lungo tempo la sostanza ad effetto aggressivo più immediato sia nei confronti della pelle che dei materiali, quali ad esempio moltissimi metalli e rocce calcaree, nonché sulla pelle.
serbatoio di acido solforico per impieghi industrialiLa sua importanza nella chimica antica derivava però soprattutto dal fatto che trattandosi di un acido forte, poco volatile e, quando concentrato, disidratante, permetteva la preparazione di altri acidi, più deboli o semplicemente più volatili, a partire dai rispettivi sali, reperibili in natura (da fonte minerale, vegetale o animale) o prodotti a loro volta sinteticamente.   Nel corso dei secoli è stato così preparato l’acido cloridrico, l’acido nitrico, l’acido fosforico, ed a seguire molti acidi organici conosciuti fin dall’antichità, che hanno costituito la base per nuove preparazioni chimiche, nonché per l’impiego diretto in svariati settori della vita umana.
Per così dire l’acido solforico è stato uno degli intermedi fondamentali che ha consentito alla chimica di allargare le sue potenzialità preparative, tanto che ancora negli anni ’70 uno degli stimatori del livello di sviluppo industriale di una nazione era proprio il consumo annuo di acido solforico.
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OSSIGENO

spazio L’ossigeno ha inciso in modo determinante nella nostra storia in almeno due momenti ed in due contesti del tutto diversi: uno agli albori della vita quando, da minaccia terribile per le prime forme di vita anaerobi obbligati (non si dimentichi infatti che esso è pur sempre un ossidante di straordinaria potenza, reso ancora più minaccioso dal fatto di essere un gas, facilmente diffondibile e per di più solubile in acqua), diventò non soltanto controllabile tramite la biosintesi di enzimi in seguito divenuti ubiquitari quali le perossido- e la superossidodismutasi, ma divenne con il tempo una vera e propria necessità per tutti gli organismi aerobi, dai batteri ai funghi fino all’uomo, che hanno bisogno di esso per “scaricare” (tramite la sua riduzione ad acqua) gli elettroni ed i protoni al termine dell’ultima fase della respirazione cellulare, la cosiddetta fosforilazione ossidativa.

tavola con le attrezzature utilizzate da Lavoisier per gli studi sui gas

tavola con le attrezzature utilizzate da Lavoisier per gli studi sui gas

L’ossigeno però ha giocato un ruolo importante nella comprensione della natura della materia e delle sue trasformazioni, tanto che la sua scoperta “in quanto elemento chimico” (K. W. Scheele nel 1771 e successivamente J. Priestley 1774), ma ancor più il riconoscimento del suo ruolo nei processi di combustione e calcinazione (ad opera di Antoine Laurent Lavoisier) è probabilmente uno degli avvenimenti che ha segnato maggiormente il
passaggio dall’alchimia alla chimica.  Precedentemente l’esistenza dell’ossigeno pure contenuto in moltissimi composti, dagli ossidi dei metalli (le cosiddette “calci”) ai materiali organici come il legno, fino all’anidride  carbonica prodotta dalla combustione, era sostanzialmente ignorata in quanto questo elemento forma notoriamente diverse molecole gassose, che quindi rischiano di sfuggire all’osservatore, ad iniziare dalla sua forma nativa, la molecola biatomica dell’ossigeno molecolare, fino all’anidride carbonica.   Quando si trova in forma combinata con altri elementi, ad esempio con i metalli a formare gli ossidi, contribuisce invece ad incrementare il loro peso.
E’ stato proprio il tentativo di trovare spiegazione ai processi di combustione da un lato, e a quelli di calcinazione (dove un metallo arroventato perde la sua lucentezza ed acquista peso – diremo oggi “si ossida”) che hanno portato nei secoli alla proposizione delle teorie più variegate, tra le quali spicca probabilmente l’ultima, quella nota come “teoria del flogisto” sviluppata dal tedesco Georg Ernst Stahl nel 1697 all’interno di un trattato sulla teoria generale della fermentazione, riprendendo le precedenti considerazioni in materia di J. J. Becher.    Questa teoria introduceva l’esistenza di un principio di infiammabilità, chiamato appunto “flogisto” (derivato dal greco “fiamma”) che veniva liberato tanto dai materiali combustibili quanto dai metalli Lavoisier - trattato elementare di chimicaarroventati.   Questo flogisto non soltanto non si identificava con l’ossigeno, ma era per certi versi un contro-ossigeno: infatti si riteneva che tutti i combustibili ne fossero ricchi e che lo cedessero durante la combustione.   Togliere flogisto potrebbe essere tradotto attualmente nell’aggiungere ossigeno, e viceversa.   Questa teoria era in grado di spiegare ad esempio la possibilità di ottenere metalli a partire dalle loro calci (leggi: ossidi) per reazione con il carbone: il flogisto passava dal carbone alla calce trasformandola in metallo. La funzione dell’aria, pure verificata da secoli, era considerata di tipo indiretto, ovvero come media per il trasporto del flogisto dalla legna alla calce.

Il Principio di Conservazione della massa (all’interno di un sistema chiuso, in una reazione chimica la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti, anche se appare in diverse forme) contenuti nel Trattato di Chimica Elementare, probabilmente il primo moderno libro testo di chimica, pubblicato da Lavoisier nel 1789, confutò inequivocabilmente quella che fino ad allora era stata considerata come una delle più importanti teorie scientifiche.   Oggi uno dei fondamenti culturali della chimica, così assodato da non essere spesso neanche più esplicitamente ricordato agli studenti, è che “in una reazione chimica nulla si crea, nulla si distrugge, tutto ciò che c’era prima si trova anche dopo che la reazione è avvenuta”.

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UREA

spazio L’importanza che questa piccola molecola organica azotata riveste, non soltanto nella storia della chimica e della conoscenza scientifica, ma addirittura nella storia del pensiero filosofico umano, risiede non tanto nella costanza in sé stessa o nel suo utilizzo, quanto nella sua sintesi.

escrezione dell'azoto negli organismi urotelici tramite il ciclo dell'urea

escrezione dell'azoto negli organismi urotelici tramite il ciclo dell'urea

Scoperta nel 1773 da Hilaire Rouelle nell’urina umana (costituisce la molecola più comune con la quale i mammiferi in genere eliminano l’eccesso di azoto) l’urea, o carbammide, fu la prima molecola organica prodotta da un essere vivente ad essere sintetizzata artificialmente il laboratorio (Friedrich Wöhler, 1828), utilizzando nella sintesi esclusivamente reagenti inorganici (nel caso specifico cianato di argento e cloruro di ammonio, con produzione di cianato di ammonio che immediatamente si decompone in urea).   Questa fu la prima di una serie, oggi pressoché infinita, di dimostrazioni del fatto che non vi fosse alcuna differenza fondamentale, ovvero di principio, tra la chimica degli esseri viventi e quella della materia inanimata e che fosse invece possibile con semplici reazioni chimiche, magari in sequenza fra loro, passare dalle molecole del primo a quelle del secondo tipo, o viceversa.   La visione fino ad allora prevalente, nota oggi con il termine di “Vitalismo” prevedeva invece una netta distinzione fra i due contesti, quello delle trasformazioni nei viventi (comprese le sostanze “estratte” dai viventi e poi fatte reagire in laboratorio) e quelle che riguardavano le sostanze di origine inanimata come per esempio quelle derivanti dai minerali, proprio come si trattasse di due chimiche separate.

urea in granuli per impiego in agricoltura come concime azotatoConcezioni neo-vitalistiche, prive di un reale fondamento scientifico, persistono tuttavia ancora oggi in talune fasce culturali, quando ci si ostina a ritenere che due molecole con identica struttura molecolare, conformazionale ed isotopica ed allo stesso grado di purezza, possano dirsi fra loro diverse (fino a giustificare l’ipotesi di un’attività differente a livello biologico) se ottenute da una fonte “naturale” (es. da una pianta) o “artificialmente” da una via sintetica non biologica.
Storia a parte, l’uomo deve ancora oggi molto all’urea, oltre che per il fatto che gli consente di allontanare in modo pressoché innocuo l’azoto dal suo organismo (è sicuramente meno caustica e meno problematica da gestire da
parte dell’organismo dell’ammoniaca, prodotta dai pesci, e dell’acido urico, il catabolita azotato preferito di rettili ed uccelli) anche per il fatto che costituisce uno dei concimi azotati più largamente utilizzati in agricoltura grazie al suo alto titolo in azoto, al fatto di non apportare ioni fastidiosi in eccesso (es. sodio, cloruri, solfati, ecc) e di poter essere disponibile su larga scala e a basso costo.
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BENZENE

spazio L’importanza che il benzene ha rivestito nella storia della chimica risiede in primo luogo nella sua struttura molecolare, che costituì per anni un autentico rompicapo per i chimici organici.    Dal 1861 al 1899 numerose sono state le strutture molecolari (ovvero il modo in cui gli atomi costituenti sono legati fra loro) proposte per questa molecola da nomi illustri della chimica come Claus, Ewwar, Ladenburg, Armstrong, Thiele ed infine Kekulé, al quale è stato ufficialmente riconosciuta l’assegnazione dimostratasi successivamente quella corretta.   Il problema nasceva dal fatto che la formula bruta della molecola, costituita da 6 atomi di carbonio e 6 atomi di idrogeno, lasciava già di per sé perplessi: gli idrocarburi meno idrogenati conosciuti all’epoca erano gli alchini, ma il polialchino corrispondente a questa formula bruta avrebbe avuto una grande reattività sui suoi tripli legami ed invece il benzene mostrava un’inerzia chimica straordinaria.   Anche nel caso di reazione, condotta in condizioni adeguatamente drastiche, si rilevava un meccanismo basato sulla sostituzione di un idrogeno con un altro atomo o gruppo di atomi, piuttosto che l’addizione ad un legame multiplo, tipica invece degli alchini e degli alcheni.

esempi di struttura proposte per il benzene

esempi di struttura proposte per il benzene

La storia dell’intuizione della struttura della molecola da parte del chimico tedesco Friedrich August Kekulé von Stradonitz e si confonde quasi con la leggenda, in quanto lo stesso Kekulé raccontò che l’idea di una struttura ciclica a 6 atomi di carbonio equivalenti, con 3 doppi legami de localizzati, gli sovvenne in sogno tramite la visualizzazione di un serpente che si mordeva la coda (antico simbolo alchemico detto Oroboro).   E’ attualmente accertato che la prima ipotesi di una struttura ad anello del benzene (quello che ancora oggi chiamiamo “l’anello benzenico” fu in realtà di qualche anno precedente in quanto data 1861 ed è opera di J. J. Loschmidt, ma fu immagine simbolica dell'Oroborocomunque Kekulé a formalizzare e ad avvalorare questa ipotesi, legando indissolubilmente il suo nome a quello della molecola e di tutto quel vastissimo settore della chimica organica, ed anche della biochimica, che contempla strutture di questo tipo.

Per quanto di per sé molto pericoloso per via della sua tossicità acuta e per il suo potenziale cancerogeno, la struttura del benzene (detta “aromatica” perché i primi derivati conosciuti del benzene erano caratterizzati da uno spiccato aroma) è presente in una varietà pressoché infinita di molecole organiche, tanto prodotte sinteticamente dall’uomo (materiali plastici, farmaci, antiparassitari, coloranti, detersivi) quanto in molecole prodotte da tutti gli essi viventi ed indispensabili alla loro stessa esistenza (solo per fare un esempio ben 3 aminoacidi che compongono le nostre proteine contengono al loro interno la struttura aromatica del benzene).   Basti dire che una delle classificazioni più comuni fra i composti organici è proprio quella che li distingue in composti aromatici (contenenti quasi sempre l’anello benzenico, anche se il fenomeno della risonanza aromatica è stato riscontrato anche in altre strutture) ed in composti alifatici, che ovviamente risultano privi di un elemento strutturale di questo genere.
Comprendere la struttura molecolare del benzene è stato quindi un passo indispensabile verso la comprensione della struttura molecolare delle molecole prodotte dagli organismi viventi ed una tappa fondamentale in vista della sintesi di un’infinita gamma di molecole oggi impiegate praticamente per ogni applicazione.
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PORPORA

spazio Il caso della porpora rappresenta uno dei tanti, probabilmente il primo della storia, nel quale una molecola prodotta sinteticamente riesce a sostituire nella sua funzione una sostanza naturale, pur avendo una struttura molecolare chiaramente del tutto diversa, ma alcune proprietà funzionali analoghe, magari accompagnate da qualche difetto in meno (anche banalmente il costo di approvvigionamento).   Se ci pensiamo bene questa operazione è stata negli ultimi decenni così sistematica ed invasiva in ogni settore della nostra esistenza da averla ormai del tutto assimilata nell’ordine naturale delle cose.

Murice comune (Haustellum brandaris) - mollusco della porpora

Murice comune (Haustellum brandaris) - mollusco della porpora

Dalla gomma naturale prodotta dall’albero della gomma, sostituita dalla gomma sintetica sul finire della seconda guerra mondiale (si dice che questo costituì un fattore decisivo a favore degli americani, più progrediti in questa tecnologia) alla sostituzione del cotone e della lana degli indumenti con fibre sintetiche; dalle penne d’oca agli strumenti per scrittura prima in metallo, poi in plastica…

seta colorata con porpora di anilina allegata ad una lettera scritta dal figlio di Perkin

seta colorata con porpora di anilina allegata ad una lettera scritta dal figlio di Perkin

Si è piuttosto concordi nell’affermare che la porpora di anilina sia il primo colorante sintetico ad essere stato preparato dall’uomo.   Quindi non estratto da una pianta, da un animale o da un minerale, bensì ottenuto tramite reazioni chimiche a partire da molecole del tutto diverse e prive di una chiara peculiarità cromatica.   Scoperta nel 1865 per pura casualità dal chimico Wikkiam Herry Perkin allora appena diciottenne come solido nerastro in grado di colorare di un colore viola intenso una soluzione alcolica nella quale fosse stato disperso (non si dimentichi che l’inglese “purple” assomiglia molto di più al nostro viola piuttosto che a quella che noi italiani chiamiamo porpora), il pigmento fu presto brevettato e prodotto su scala industriale con il nome di “Porpora di anilina” (dal nome di uno dei reagenti principali utilizzato nella sintesi) o “porpora di Tiro”.
E proprio questo secondo nome è quello che ricollega questa novità sintetica a basso costo con il suo predecessore naturale, conosciuto fin dai tempi dell’antica Roma, il pigmento color porpora estratto a caro prezzo da un mollusco marino, il gasteropode noto come Murice comune, che ha alimentato floridi commerci in tutto il Mediterraneo.
In realtà la porpora di anilina non è una molecola unica ma risulta costituita da una miscela di 4 differenti molecole, molto simili strutturalmente, che si formano di solito tutte insieme durante il processo di sintesi.

molecole componenti porpora di anilina

molecole componenti porpora di anilina

Già il caso dell’indaco, precedentemente estratto da una pianta (Indigofera tinctoria) e poi ottenuto sinteticamente dall’uomo, racconta una storia differente, in quanto le due molecole, quella naturale e quella di sintesi, hanno
la stessa struttura molecolare (sono di fatto la stessa molecola): in questo caso il chimico è riuscito a produrre sinteticamente la stessa sostanza, quindi con le stesse proprietà cromatiche, già estratta in precedenza da una fonte naturale.   Nel caso della porpora di anilina la struttura molecolare è del tutto differente ed è solo “una” delle sue proprietà, il colore appunto, ad accomunare le due sostanze.
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ASPIRINA

spazio Anche la natura si può migliorare.    Se da un lato un approccio strettamente naturopatico suggerisce di utilizzare estratti delle piante officinali il più possibile integrali, dove i fitocomplessi sono preservati nella loro integrità, e sul versante opposto la farmacologia sintetica si spinge oggi fino al drug design dove una molecola del tutto nuova, non presente in natura, viene disegnata a tavolino (o meglio sul PC) in relazione alle caratteristiche strutturali che dovrebbe avere per poter ragionevolmente presentare una certa tipologia di azione, la strada che sta in mezzo resta pur sempre quella di produrre principi attivi puri, ovvero molecole ben definite già reperibili acido salicilico - equivalenza di estrazione e sintesi sull'identità della molecola finalein natura, di solito quella più attiva e/o più abbondante nel fitocomplesso di riferimento.    Anche qui la strada si biforca tra la possibilità di estrarre questa molecola dalla sua sorgente vegetale di origine, oppure ottenerla sinteticamente in laboratorio a partire da materie prime che nulla hanno a che fare con questo materiale: inutile spendere altre parole in questa sede per richiamare ancora una volta l’attenzione sul fatto che entrambe le strade porterebbero comunque ad ottenere esattamente la stessa sostanza che, oltre a presentare la medesima struttura molecolare, godrebbe delle medesime qualità, in questo caso terapeutiche o tossicologiche.

Ma esiste ancora un caso: questa molecola, quella riscontrata in natura (o quella identica prodotta sinteticamente), già di per sé dotata di un certo effetto fisiologico, può essere ulteriormente modificata dall’uomo al fine di potenziarne o comunque di modularne l’effetto.   Si parla in questo caso di “analoghi sintetici”.    L’acido salicilico, scoperto da tempo nella corteccia del salice (Salix alba), pianta medicinale utilizzata fin dall’antichità per le sue proprietà antisettiche (la prima citazione è a firma di Erodoto nelle sue Storie), aveva sì attività antibatterica ma, una volta introdotto nell’organismo umano, si muoveva con difficoltà, in particolare quando si trattava di superare membrane di cellule ed organi molto selettive nei confronti dei composti fenolici.   Fu il chimico francese Frédéric Gerhardt nel 1853 a sintetizzare per primo lamolecola dell’acido acetilsalicilico a partire da salicilato di sodio (di origine naturale) e cloruro di acetile, anche se in seguito furono messe a punto anche metodiche di acetilazione per mezzo dell’anidride acetica.

aspirinaL’acido acetilsalicilico, denominazione IUPAC acido 2-(acetilossi)benzoico, registrato con il nome di “aspirin” dalla Bayer nel 1899 è riconosciuto come il primo farmaco sintetico realizzato, antesignano della moderna industria farmaceutica.   Molto curioso invece il fatto che, mentre nuovi proprietà farmacologiche di questa molecola, e quindi anche nuove possibilità di impiego terapeutico, venivano scoperte nel corso degli anni in aggiunta alla sua attività antinfiammatoria, il meccanismo di azione a livello biochimico rimase un mistero fino al 1970.   Questa situazione non sarebbe ovviamente mai possibile con il più moderno approccio della progettazione di farmaci ad hoc mediante il drug design, semplicemente per il fatto che la progettazione stessa di queste nuove molecole prende le mosse, al contrario, proprio a partire dal loro meccanismo di azione e dalla struttura dei suoi recettori.
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BACHELITE

spazio Anche se non si tratta del primo materiale plastico prodotto sinteticamente dall’uomo, la bachelite rappresenta tuttavia il primo prodotto di polimerizzazione sintetica realizzato dall’uomo.    I materiali plastici messi a punto in precedenza, alcuni dei quali ancor oggi utilizzati, come il rayon (G. Audemars, 1855, Svizzera) e la celluloide (J. W. Hyatt, 1860, USA) e la galalite (W. Krische e F. A. Spitteler, 1897, Gemania ed Austria) infatti si basavano su strutta tridimensionale della bachelitemodifiche chimiche e fisiche di sostanze presenti in natura (cellulosa per il rayon e la celluloide, caseina del latte per la galalite) che già presentavano una struttura polimerica o per lo meno macromolecolare.   Per quanto le reazioni chimiche operate su questi materiali modificassero i gruppi funzionali, il peso molecolare e le caratteristiche chimico-fisiche di questi materiali, non ci si discostava concettualmente di molto dal caso già esemplificato dell’aspirina: si trattava pur sempre di un miglioramento, o comunque di un adeguamento, di qualcosa di già presente in natura.

La sintesti della bachelite, attribuita al chimico belga-statunitense Leo Hendrik Beakeland, rappresenta invece una vera novità in quanto può essere descritta come il primo caso di ottenimento di un polimero sintetico (e per di più con reticolazione tridimensionale) ottenuto a partire da piccole molecole, nel caso specifico formaldeide o eccezionalmente acetaldeide e da fenolo o eccezionalmente un cresolo, definite genericamente monomeri. All’argomento della scoperta, della struttura e della sintesi della bachelite è stato dedicato un articolo pubblicato nel 2009 su chimiSPIEGA.

vecchio ventilatore in bachelite

vecchio ventilatore in bachelite

La stragrande maggioranza dei materiali plastici prodotti attualmente nel mondo, compresi quelli più innovativi, sfruttano reazioni di polimerizzazione per lo più attentamente pilotate tramite sofisticati catalizzatori. La plastica è divenuta nell’immaginario dell’uomo comune qualcosa di più simile ad una materia prima che non ad un prodotto, avendo affiancato e spesso sostituito i materiali tradizionalmente più utilizzati per costruire contenitori, costruzioni, utensili, tessuti, mezzi di trasporto e molto altro ancora.
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DNA

spazio Quella relativa al DNA non è una scoperta unica, bensì un filone di ricerca, ad oggi ancora attivo e foriero di nuove informazioni, che negli ultimi decenni ampliando il suo campo di pertinenza anche alla proteine, ha preso il nome di biologia molecolare.    “La biologia molecolare è una branca della biologia che studia gli esseri viventi a livello dei meccanismi molecolari alla base della loro fisiologia, concentrandosi in particolare sulle interazioni tra le macromolecole, ovvero proteine e acidi nucleici (DNA e RNA)” (Wikipedia, 11/01/2012).

La prima scoperta relativa al DNA è stata “banalmente” quella del suo rinvenimento, avvenuto nel 1969 da chimico svizzero Friedrich Miescher analizzando tracce di pus ritrovate su bende chiurgiche già utilizzate, seguita da una sua prima composizione “qualitativa” nel 1919 ad opera di Phoebus Levene che riuscì a determinare la struttura del costituente di base, potremmo dire del monomero che entrava a far parte di questa complessa molecola, ovvero quello che fu da allora chiamato nucleotide.    Ogni nucleotide risultò composto da una base azotata, da uno zucchero e da un fosfato che teneva insieme un nucleotide con l’altro.
Watson e Crick insieme ad un modello di struttura del DNAQuello che risultò invece più impattante dal punto di vista della cultura e dell’immaginario dell’uomo, è stata quella relativa alle basi strettamente chimiche della genetica, tanto nell’espressione dei caratteri individuali quanto
nella trasmissione dei caratteri ereditari, dimostrata da punti di vista e con esperimenti differenti da O. T. Avery, C. MacLeod e M. McCarty nel 1943 e da A. Harshey e M. Chase nel 1953.
Una delle icone più rilevanti dell’immaginario scientifico dell’uomo contemporaneo, quella della doppia elica del DNA, risale allo stesso anno ed è opera degli ormai celeberrimi James Watson e Francis Crick ai quali è
riconosciuta la definizione del primo modello conformazionale effettivamente accurato del DNA, tanto da giustificare l’assegnazione del Premio Nobel per la medicina nel 1962.    E quello non fu che l’inizio, dal momento che fu lo stesso Crick ad ipotizzare la relazione tra DNA, RNA e la sintesi delle proteine, ipotesi che fu confermata sperimentalmente nel 1958 da M. Meselson e F. W. Stahl, ed in seguito a gettare le basi dell’intera disciplina della biologia molecolare a partire dall’osservazione di come la struttura del codice genetico fosse basato su successioni di triplette di basi azotate non sovrapposte, fino alla scoperta di M. Nirenberg e S. Ochoa del 1961 nella quale si dimostrava come ogni tripletta di nucleotidi codificasse un particolare aminoacido nella sintesi delle proteine all’interno della cellula.
cromosomi umaniLa storia della scoperta DNA ha infine portato ad un nuovo punto di vista filosofico nella definizione della natura stessa dell’uomo, sia come specie che come essenza dell’individuo: quello del suo genoma.   Iniziato nel 1990 e terminato ufficialmente nel 2003 l’ormai celeberrimo “Progetto Genoma Umano” è stato uno dei progetti di ricerca scientifica internazionale di più ampia portata realizzato fino ad oggi dall’uomo ed ha consentito di mappare tutti i nucleotidi contenuti in un genoma aploide umano di riferimento, anche se il progetto è stato presto esteso nelle sue finalità verso la comprensione della funzione di questi singoli geni.
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4 risposte a alcune delle molecole che hanno cambiato il mondo… nel suo rapporto con la chimica

  • marco scrive:

    volevo solo dirvi che sono davvero felice di vedere un sito del genere. sono uno studente di chimica e tecnologie farmaceutiche e vedere questo sito così interessante pieno di argomenti che vanno anche al di fuori della semplice chimica studiata è davvero interessante. complimenti a voi!

  • Geronimo scrive:

    Interessante e bella trattazione.

    Purtuttavia spiace che manchi la scoperta fondamentale della chimica, quella che l’ha fatta evolvere da pericolosa pratica al limite della stregoneria a strumento fondamentale di tutta l’attività umana.

    E’ il concetto di mole (“la quantità di materia espressa in grammi che …”) che non solo ha fatto fare il salto di qualità a tutta la chimica ma che in realtà è stata la scoperta piu’ importante in assoluto del genere umano .

  • Tania scrive:

    Davvero un articolo interessante!

  • ludovica scrive:

    Miescher scopre la nucleina nel 1869, non nel 1969!

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