zona3
zona5-zona6

la Sintesi: il lato creativo della chimica

Print Friendly, PDF & Email

Una delle meraviglie più inaspettate che la chimica riserva a coloro che per la prima volta si addentrano anche solo poco oltre la sua anticamera descrittiva, è la possibilità di trasformare la materia a proprio piacimento.
Da sempre l’uomo ha osservato i cambiamenti esteriori della materia (e più nello specifico delle sostanze dalle quali essa è composta) basandosi sui mutamenti del suo aspetto esteriore e delle sue proprietà percepibili; solo negli ultimi secoli tuttavia è stato possibile individuare e descrivere in modo coerente e via via sempre più esaustivo l’insieme delle leggi chimiche e fisiche che stanno, direttamente o indirettamente, alla base di queste trasformazioni.
Trasformazioni coerenti e prevedibili quindi, basate in modo esclusivo sulle proprietà delle strutture molecolari delle sostanze coinvolte, la cui conoscenza offre al chimico la padronanza di orientare la“trasmutazione”dirigendola verso i prodotti da lui desiderati.
il laboratorio dell'Alchimista - dipinto di Jan Van der Straet (detto Giovanni Stradano), 1523-1605Sembra il coronamento del sogno degli antichi alchimisti, se non fosse che diversamente da quanto previsto dall’opus alchelicum gli elementi rimangono tal quali (ad esempio l’oro non può essere ricavato che da altre specie chimiche che contengano a loro volta oro) ed i mutamenti riguardano “soltanto” il modo di essere organizzati fra loro di questi elementi, ovvero di essere legati reciprocamente a formare strutture più complesse, alle quali noi oggi diamo il nome di molecole.
Di fatto quella alla quale ci stiamo riferendo è in buona parte la chimica delle strutture covalenti complesse basate sul carbonio, ovvero la chimica organica.     Il chimico-demiurgo inoltre deve fare i conti con le proprietà e quindi con la reattività specifica delle sostanze impiegate, ovvero delle stesse leggi della chimica e, scavando ancora più alla base, della fisica, per cui il percorso che egli dovrà compiere per arrivare ad ottenere la sua moderna Pietra Filosofale (che nella nostra civiltà potrebbe ragionevolmente essere una molecole impiegata come principio attivo in un farmaco salva-vita) potrebbe essere laborioso, complesso e ricco di insidie (oltre che di costi economici talvolta molto elevati da affrontare), ancora una volta in perfetta linea con il percorso di crescita spirituale che la pratica della trasmutazione alchemica richiedeva ai nostri antichi alchimisti.
Prima di addentrarsi ulteriormente nell’affascinante mondo della sintesi chimica, uno dei volti certamente più sorprendenti ed entusiasmanti di questa disciplina, credo sia doveroso sgomberare il campo da alcuni dubbi e malintesi che ahimè ancora serpeggiano nell’immaginario comune dei non chimici e che, se non affrontati sufficientemente di petto, potrebbero costituire una pregiudiziale alla comprensione dell’argomento.   Parlo di due fra i più importanti concetti fondanti della chimica: quello dell’identità molecolare e quello delle relazioni struttura-proprietà.

UNA PREMESSA FONDAMENTALE

In chimica due molecole aventi gli stessi atomi ed uniti fra loro nello stesso modo (due molecole aventi cioè la medesima struttura) sono di fatto la stessa sostanza.  Non sostanze simili, non “praticamente” la stessa: sono la stessa e basta, senza possibilità alcuna di distinzione né sul piano dell’analisi sé su quello delle proprietà.   Non cadiamo nella tentazione di farci sviare da criteri etici: se parliamo di chimica e non di altro (ammetterei molecole di ureaeventuali obiezioni sul piano filosofico, giammai da parte della cosiddette pseudoscienze) non esistono fattori differenti che possono creare distinzione fra le sostanze.  Nessuna quintessenza impalpabile, nessuna spiritualità che deriva dall’origine buona o cattiva della materia prima dalla quale è stata ricavata la sostanza, quindi nessun criterio etico che possa in qualche modo travalicare la struttura molecolare della sostanza pura, per collegare in qualche modo metafisico una sostanza con la sua origine.

Anche dalla più infima materia prima, dal rifiuto più degenere prodotto a solo scopo speculativo della società più corrotta e contaminata può essere ottenuta, con i mezzi opportuni, la stessa sostanza che potrebbe eventualmente essere ricavata, in alternativa, dalla più pura, naturale ed incontaminata sorgente.

Questo suona per taluni sconvolgente, forse persino da guardare con sospetto.  Eppure se chiudiamo gli occhi di fronte a questa evidenza è ben difficile che potremo comprendere la chimica e le sue meraviglie.
In chimica è unicamente la struttura molecolare a determinare le proprietà, anche quelle macroscopiche di una sostanza: da quelle chimico-fisiche a quelle funzionali, da quelle organolettiche a quelle tossicologiche.   Questo al di là di qualsiasi e dico “qualsiasi” considerazione relativa alla provenienza della materia prima, all’origine più o meno “naturale” della sostanza, al percorso per arrivare ad ottenerla e a qualsivoglia connotazione morale relativa ad origine e percorso.

Questi concetti sono per altro stati ampiamente descritti e sviluppati in interventi precedenti ai quali si rimanda il lettore desideroso di approfondirli:

“il concetto di identità chimica”
“come la struttura diventa proprietà: il mondo dei descrittori molecolari”

I chimici, quando parlano di molecole, non si scandalizzano di nulla: la materia è materia, non ha memoria e non ha morale.   Questo in fondo è il presupposto filosofico più importante della sintesi chimica, ed uno dei più importanti della cultura chimica in generale.

TANTE FILOSOFIE DI SINTESI

Cosa fa precisamente il chimico sintetico, e prima ancora di fare, cosa pensa e come pianifica il suo lavoro?
un'interpretazione pittografica dei concetti di estrazione e "creazione" per sintesi

un'interpretazione pittografica dei concetti di estrazione e "creazione" per sintesi

Come prima cosa il chimico sintetico, come del resto tutti gli altri professionisti, ha un obiettivo da raggiungere.   Il suo obiettivo è quello di ottenere una certa sostanza chimica, ovvero una sostanza chimica corrispondente ad una determinata struttura molecolare.   Sarei stato tentato di dire “creare” al posto di ottenere, e mi sono fermato solo per il pudore derivante dal rispetto del noto motto “nulla si crea e nulla si distrugge (ma tutto si trasforma)”.   L’espressione “creare” però avrebbe avuto la funzione, all’interno della nostra spiegazione, di dissolvere fin da subito un possibile malinteso: il chimico sintetista non cerca di “estrarre” la sostanza che gli interessa da una determinata fonte che la contiene, magari in forma diluita e contaminata o dispersa in chissà quale materiale complesso.  Non è come dire “estraggo la vitamina E dall’olio di fegato di merluzzo che ne è ricco” o “ottengo il naftalene isolandolo dal petrolio tramite un sofisticato processo di distillazione frazionata”.

Nossignori.   Qui si tratta proprio di “creare” la sostanza d’interesse dove questa sostanza proprio non c’era.   Per questo, tutto sommato, il termine “creazione”, per quanto virgolettato, non giunge del tutto a sproposito.
Ovviamente per portare avanti questa impresa il chimico sintetista non creerà dal nulla gli atomi dei quali si comporrà la nuova molecola, bensì si avvarrà in funzione di ingredienti di altre sostanze chimiche, per quanto antica fornace per la preparazione di metalli a partire dai loro mineralidiverse da quella da ottenere.   E’ questa, in sintesi (e scusate il gioco di parole) la meraviglia forse più grande della chimica: quella di poter creare cose nuove, nuove sostanze, con caratteristiche e qualità diverse da quelle di partenza, in un gioco di trasmutazione alchemica che ha affascinato l’uomo fin dalle origini della sua storia.   Perché fin dalle origini l’uomo, seppur inconsapevolmente, ha effettuato sintesi, o comunque trasformazioni chimiche. Ha acceso il fuoco trasformando carboidrati e lignina in anidride carbonica ed acqua, ha ottenuto il ferro metallico dai minerali basati su ossidi e solfuri di ferro, ha scalato la pietra calcarea fino a far perdere da essa anidride carbonica, ottenendo la calce viva, ed ha lasciato che questa si indurisse, dentro ad apposite forme, recuperando anidride carbonica dall’aria, sulla superficie dei suoi muri intonacati.  Ha lasciato reagire il grasso con la lisciva di carbone, per salificare gli acidi grassi a formare sapone, fino a promuovere l’ossidazione ultrarapida dei fiori di zolfo e della polvere di carbone ad opera di un ossidante come il salnitro, creando la polvere da sparo.
Sì, è vero: in molti casi la storia delle trasformazioni chimiche operate dall’uomo è stata dettata dalla ricerca dell’effetto accompagnato a questa trasformazione (es. il calore, l’esplosione, l’indurimento) più che dall’ottenimento di un determinato prodotto di reazione.   Ed anche quando era il prodotto finale ad interessare, pensate al caso del sapone, poco importava domandarsi la reale struttura microscopica della materia che si era andata a formare.  Quello che oggi, con le attuali conoscenze, definiremmo probabilmente un approccio poco responsabile, in un’ottica di controllo ed ottimizzazione sia sul piano della sostenibilità ambientale ed economica quanto su quello dell’ottimizzazione del prodotto in sé.
Ma torniamo all’argomento di questo capitolo: “tante filosofie di sintesi”, che potrebbe anche tradursi in “tanti modi diversi di ragionare, sulla base di premesse altrettanto diverse”.
Come in tanti altri casi di “edificazione” di strutture, in primis di quelle architettoniche, anche in chimica si può scegliere di partire dalla base, ovvero da mattoncini ed elementi pre-formati molto piccoli e di per sé stessi poco significativi, da unire insieme in modo opportuno per realizzare la struttura finale più grande e complessa, oppure effettuare una sorta di restyling su una struttura già complessa e piuttosto simile a quella finale che vorremmo ottenere, operando in questo modo soltanto alcune trasformazioni puntuali e mirate.
Il primo approccio, quello “dalla base” prende il nome di stintesi totale e, muovendosi al di là di ogni logica di convenienza o di rapidità, riveste solitamente un interesse più accademico e dimostrativo che non pratico, tanto che al giorno d’oggi sta cadendo sempre più in disuso.
catalogo e reagenti per sintesi di laboratorio

catalogo e reagenti per sintesi di laboratorio

Al contrario, il sintetista che debba preparare una molecola non disponibile sul mercato, sceglie di solito di partire dalla struttura molecolare ad essa più simile, o ragionevolmente da quella trasformabile nella molecola target con il minor numero di passaggi di reazione e/o con le reazioni più semplici da condurre.   Ormai sui cataloghi di reagenti puri per laboratorio sono presenti decine di migliaia di specie chimiche, per cui rispetto anche soltanto a qualche decennio fa i moduli pre-assemblati, da sottoporre a trasformazioni semplici o da montare a loro volta in strutture ancora più complesse, il chimico sintetista si trova a partire da un punto discretamente avanzato e non deve costruirsi lui stesso alcuni moduli strutturali di base, come dire… partendo dagli Adamo ed Eva della chimica!
piccolo reattore in vetro per sintesi di laboratorio a scopo di ricerca

piccolo reattore in vetro per sintesi di laboratorio a scopo di ricerca

Spesso la sintesi di laboratorio (a scopo di ricerca) e quella industriale (a scopo produttivo) si muovono con logiche diverse in funzione delle diverse priorità e criticità in gioco.

Ragionando nella logica e con le priorità di un laboratorio di ricerca, il cui obiettivo essenziale è quello di poter arrivare in modo rapido e sicuro a poter disporre di una quantità, seppur minuscola (anche pochi milligrammi!) di un prodotto puro, il costo dei reagenti, dei catalizzatori e dei solventi (nel loro insieme le “materie prime” della sintesi) e delle tecnologie utilizzate (attrezzature, energie, ecc) non rappresenta una criticità.  Si possono utilizzare reagenti e procedure costosissime che non avrebbero alcun senso nell’ottica del loro successivo impiego nella produzione industriale, a patto che siano funzionali al nostro obiettivo e che consentano di ottenere la molecola target con un numero limitato di passaggi reattivi semplici e sicuri.
Una volta che si sarà ottenuta la minuscola quantità della sostanza desiderata si potranno eseguire su di essa delle valutazioni e delle misurazioni di proprietà chimiche, fisiche, biologiche e funzionali in genere che consentiranno di comprendere agli sviluppatori se questa nuovo sostanza può o non può rivestire un interesse applicativo.  Beninteso, un interesse “applicativo” potrebbe anche essere semplicemente quello di essere utilizzata a sua come reagente per la fabbricazione di altre specie chimiche o per analisi, quindi non dobbiamo per forza immaginare come applicazione quella che comporta l’introduzione della sostanza in un prodotto che troveremo poi fra i banchi del supermercato.
Nel caso di effettivo interesse sulla base delle prime prove effettuate, si opterà nella maggior parte dei casi sul graduale innalzamento del livello produttivo: passando dai milligrammi al chilogrammo di prodotto potremmo avere bisogno di tecnologie diverse, di apparecchiature che non saranno magari più le classiche vetrerie di laboratorio ma impianti in acciaio più simili a quelli industriali, sebbene molto più piccoli, i cosiddetti “impianti pilota”, ed anche le strategie di sintesi, dalla scelta della sequenza di reazioni alle conseguenti materie prime dalle quali partire, potrebbe risultare del tutto diversa.   In questa fase, detta “scale-up” si cerca gradualmente, talvolta in più di un passaggio di scala, di ottenere lo stesso tipo prodotto chimico utilizzando approcci e tecnologie poco impattanti sul piano economico e della sicurezza d’impiego.
impianto industriale di piccole dimensioni (farmaceutico)

piccolo impianto di sintesi chimica "industriale" utilizzato nell'ambito farmaceutico

In questo contesto riveste un ruolo fondamentale la resa del processo (di sintesi e di eventuali successive purificazioni), che in ultima analisi risulta dal prodotto delle rese dei singoli passaggi, in primis delle singole reazioni chimiche coinvolte.   Come noto, specie nella chimica organica, una reazione chimica ben raramente fornisce la quantità teoricamente possibile di prodotti che la stechiometria ci insegna a calcolare a partire dalla quantità di reagenti impiegata.   La resa di una reazione chimica corrisponde quindi alla percentuale di ottenimento del prodotto desiderato, rispetto al 100% calcolato da un punto di vista teorico.   In un processo di sintesi a più passaggi, le rese (o meglio le perdite) si moltiplicano fra loro, amplificandosi.   Per esempio in un processo che da A porta a B e da B porta a C, se la resa di trasformazione da A a B è del 60% e quella da B a C è dell’80%, la resa complessiva da A a C sarà del 48% (ovvero l’80% del 60%).   Questo significa concretamente che per produrre una certa quantità di C dovrò utilizzare il 52% (ovvero 100% – 48%) di reagente A in più di quello che avrei teoricamente potuto prevedere.

Si può facilmente comprendere come in processi multi-step quali sono le sintesi più complesse, le rese complessive di trasformazione a partire dalle materie prime impiegate possono essere veramente ridotte, andando ad incrementare i costi che gravano sul prodotto finito.
Ecco quindi che mentre l’ottimizzazione della resa di un processo di sintesi può tranquillamente non essere annoverato fra i criteri di scelta del chimico sintetista che operi in un laboratorio di ricerca pura, al contrario esso costituisce probabilmente il cruccio essenziale del sin testista industriale.
Queste stesse tecnologie più economiche e pulite nella maggior parte dei casi non sarebbero però state facilmente utilizzabili nella prima fase, quella della ricerca pura, proprio perché particolarmente laboriose e/o perché richiedono necessariamente l’impiego di grandi e costosi impianti che lavorano necessariamente su grandi quantità di prodotto (e nessuno è interessato a produrre da subito grandi quantità di una sostanza incognita, nel migliore dei casi “inutile” e nel peggiore altamente pericolosa!) e che infine per essere messe a punto in modo corretto richiedono spesso la conoscenza di alcune caratteristiche del prodotto stesso di reazione… che non è ancora stato preparato!
Quindi oltre all’esistenza di un approccio totale/puntuale alla sintesi chimica, vi è anche una diversificazione a seconda della finalità (e di conseguenza della scala) della sintesi medesima.
Si comprende di conseguenza come per la stessa specie chimica possano essere sviluppato numerosi approcci sintetici (detti anche “vie” o “strategie” di sintesi), suscettibili di continua evoluzione in relazione all’acquisizione di nuove conoscenze scientifiche ed alla disponibilità commerciale di nuove materie prime e di nuove tecnologie.

LE TATTICHE PER COSTRUZIONE UNA MOLECOLA…  SENZA POTERLA VEDERE

Per realizzare le strutture molecolari desiderate il chimico deve piegarsi a delle regole rigorose, che sono quelle della reattività chimica.   Una sintesi chimica consiste solitamente nell’applicazione in cascata di uno ma nel più dei casi di diverse, talvolta di molte reazioni chimiche, dove almeno dal punto di vista concettuale il prodotto della reazione precedente diventa reagente per quella successiva.   Come in una sorta di piccola catena di montaggio, dove ogni operatore effettua un pezzo di trasformazione sull’oggetto che passa sul nastro trasportatore, fino alla produzione del manufatto finale.
schema di sintesi di oseltamivir fosfato, un farmaco con azione antivirale

schema di sintesi di oseltamivir fosfato, un farmaco con azione antivirale

La sintesi chimica è essenzialmente il tripudio applicativo della conoscenza approfondita, spesso altamente speculativa, delle possibilità di reazione da parte dei reagenti chimici.   Il chimico in questo caso non deve soltanto scegliere reagenti e condizioni di reazione (es. catalizzatori, solvente, temperatura, pressione, concentrazioni, ecc) in funzione dell’ottenimento del prodotto di reazione desiderato, ma deve anche tenere scrupolosamente conto della necessità di non far formare, o al limite di minimizzare, il decorso di reazioni collaterali ed indesiderate che, oltre a consumare invano parte dei reagenti, portano alla formazione di prodotti di reazione indesiderati che possono contaminare (fino a sostituire totalmente) il prodotto per il quale la reazione era stata pensata.
Deve in pratica avere sempre ben lucida un’immagine globale della reattività chimica, per evitare di dover ammettere al termine di ogni passaggio andato non a buon fine “accidenti, dovevo immaginarlo che così non poteva funzionare!”.
Come abbiamo già avuto modo di spiegare negli interventi relativi alle reazioni chimiche, per far sì che due o più piccole molecole reagiscano fra loro, magari per formarne una più grande, non è sufficiente desiderarlo, né è sufficiente che la reazione si possa elegantemente schematizzare sulla carta, bensì devono sussistere tutta una serie di condizioni.
E’ vero che un estere può formarsi per reazione fra un acido carbossilico ed un alcol (con la presenza di un catalizzatore acido o basico), e di fatto questo processo, probabilmente nel più dei casi il maggiormente conveniente, è di solito quello più utilizzato per la produzione degli esteri su larga scala.  Dato che però la reazione di esterificazione condotta con queste modalità richiede spesso tempi lunghi e conduce ad una miscela di prodotti e reagenti non trasformati che richiederebbe una successiva purificazione (ad esempio tramite distillazione), il chimico sin testista che intende preparare una piccola quantità di estere nella realtà di un laboratorio di ricerca spesso ricorre a sistemi più diretti, ovvero a reagenti “più reattivi”.   Nel caso dell’esempio della sintesi di esteri potrebbe ad esempio trattarsi di un alogenuro acilico al posto del corrispondente acido carbossilico, sempre a fronte della reazione con l’alcol.   L’alogenuro acilico è più aggressivo verso i materiali, più pericoloso da utilizzare e reagisce facilmente con le tracce di umidità presenti nell’ambiente di reazione, ed inoltre la sua reazione con l’alcol comporta la formazione, in qualità di sottoprodotto, di un acido alogenidrico ancora più aggressivo nei confronti dei materiali, specie di quelli metallici, ma almeno la reazione risulta diretta in modo irreversibile e con elevata resa in direzione della formazione dell’estere.
tabella gruppi funzionali e radicali da un noto software di disegno molecolare

tabella gruppi funzionali e radicali da un noto software di disegno molecolare

Già in un intervento passato abbiamo avuto modo di descrivere cosa siano e come entrino in gioco i “gruppi funzionali”, fondamentali per definire le proprietà chimico-fisiche, comprese quelle biologiche e tecnologiche, nonché la reattività di ogni specie chimica.   Ecco, pensando alla costruzione di una molecola complessa alla stregua dell’assemblaggio di mattoncini lego, a parità di tipologia di mattoncino, ovvero di struttura del suo scheletro carbonioso, quello che fa sì che i mattoncini possano essere attaccati l’un l’altro sono i piccoli dentini, o in alternativa i buchi, che ciascun mattoncino presenta in numero ed in posizione caratteristici e che ne determinano la reattività…  ovvero la capacità di combinarsi con altri mattoncini complementari.  Questi dentini, buchi o piolini nel caso delle molecole sono proprio i gruppi funzionali.

Guardando semplicemente la struttura di una molecola fatta e finita, ad esempio la molecola che vorremmo sintetizzare, questi gruppi funzionali chiarmante non si vedono più, allo stesso modo con cui non si vedono i buchi ed i piolini in una casetta Lego perfettamente assemblata, ma per far sì che i pezzi potessero legarsi insieme, e fra l’altro in un ben preciso ordine ed orientamento reciproco, la loro presenza “a monte”, ovvero nelle molecole dei reagenti, risulta assolutamente indispensabile.    Ad esempio è vero che “sulla carta” l’etilbenzene potrebbe risultare formalmente costituito da una parte di “etile” (alis da intendersi come l’alcano etano) e da benzene, ed anche il nome sembrerebbe darci ragione su questo, almeno dal punto di vista concettuale, ma provate un po’ a miscelare dell’etano con del benzene e fatemi sapere se otterrete qualcosa di utile.  Per la precisione si tratta di molecole del tutto prive di gruppi funzionali, il cui legame reciproco risulta sostanzialmente impedito.   Volendo necessariamente sintetizzare l’etilbenzene a partire da moduli più elementari sarà pertanto necessario intraprendere un percorso alternativo, che potrà comportare il ricorso anche a diversi step di reazione, in funzione dei reagenti e delle tecnologie disponibili.

mattoncini Lego

A differenza di un bimbo che gioca con il Lego, tuttavia, il chimico sintetista non riesce a vedere la dentellatura, e spesso neppure la forma dei suoi moduli, o meglio: riuscirebbe in qualche modo a “vederli” in modo indiretto, sulla base delle loro strutture molecolari dichiarate dal fornitore (nel caso di materie prime) o rilevate in sede di analisi chimica e strutturistica (nel caso in cui siano a loro volta prodotte da una reazione precedente).   Ma quel procedere per tentativi del bambino che prende due pezzi che magari starebbero bene insieme per dimensioni e per colore e prova ad avvicinarli per vedere se per caso stanno anche attaccati, incastrandosi nei loro buchini e piolini, no, questo il chimico sintetista non lo può fare, o meglio dovrebbe evitare il più possibile di farlo.   La possibilità di combinazione fra i pezzi, ovvero di reazione, dovrebbe il più possibile essere valutata a priori, prima di iniziare a lavorare materialmente con le sostanze chimiche, e questo per ragioni di ottimizzazione del tempo a disposizione, nonché per ragioni economiche, ecologiche e di sicurezza.

COPIARE ED INVENTARE

Il chimico sintetista può scegliere di costruire molecole che siano la copia esatta (quindi, come spiegato prima, che sono di fatto la stessa sostanza) di specie chimiche già presenti in natura, oppure può decidere di puntare ad una struttura molecolare del tutto nuova, che corrisponda ad una sostanza assente in natura, o comunque mai rinvenuta fino a quel momento.

Riguardo al primo caso, la copia del naturale, qualcuno potrebbe giustamente domandarsi per quale motivo non limitarsi ed estrarre, e se il caso purificare, la sostanza a partire dalla sua matrice naturale.   Ad esempio l’acido L-ascorbico, ovvero la vitamina C, è notoriamente contenuta in una grande tipologia di materie prime di tipo vegetale, ad iniziare dagli agrumi per finire con le noci.

acido ascorbico: possibile fonte naturale, la struttura molecolare schematizzata, la sostanza chimica pura

acido ascorbico: possibile fonte naturale, la struttura molecolare schematizzata, la sostanza chimica pura

Riulta però chiaro che per impieghi specifici di questa sostanza, ad esempio ad alti dosaggi o come conservante nei prodotti alimentari (proprio in funzione della sua attività antiossidante) non possiamo nella maggior parte dei casi utilizzare direttamente succo di arancia o noci sbriciolate.  Il costo che finirebbe con l’avere un grammo di acido L-ascorbico estratto e purificato a partire da una di queste fonti naturali sarebbe inoltre esorbitante a causa del contenuto spesso ridotto di questa molecola nel prodotto: quando si dice che le arance ne sono “ricche”, lo intende questa ricchezza in senso relativo, ovvero rispetto ad altri alimenti: di fatto la sua concentrazione assoluta è comunque molto, molto ridotta (vedasi post: “la materia oscura nell’analisi della composizione degli alimenti”).   Inoltre l’estrazione, la purificazione e la concentrazione di questa sostanza potrebbero incidere in modo determinante, in termini di costo degli impianti, dell’energia e delle materie prime, sul costo finale di estrazione di questa materia prima da fonte naturale.    Nel caso dell’acido L-ascorbico una soluzione perseguita normalmente è quella di far produrre questa sostanza, ad alte concentrazioni ed in forma facilmente purificabile, da microorganismi all’interno di impianti di fermentazione industriale.   Ma resta validissima anche la possibilità di realizzare la sintesi chimica della stessa identica molecola anche a partire da materie prime diverse, senza il ricorso a nessun  essere vivente, vegetale, batterio o fungo che sia.  E’ la molecola, la sua struttura, quindi la sua identità e le sue caratteristiche, fino nei minimi particolari, sarebbe esattamente la stessa, come ampiamente argomentato qualche capitolo indietro.

In alcuni casi l’estrema purificazione alla quale dovrebbe essere sottoposto un estratto naturale, magari per privarlo di determinati gusti indesiderati, o addirittura da alcuni componenti pericolosi o comunque problematici in funzione dell’impiego per il quale è stata prevista la sostanza d’interesse, comporterebbe costi del tutto insostenibili che porterebbero tale sostanza ad essere utilizzabile unicamente in impieghi di nicchia.
struttura molecolare della siomicina A

struttura molecolare della siomicina A

In altri casi, invece, (come nell’esempio riportato nella figura qui a lato) la molecola di origine naturale risulta a tal punto complessa nella sua struttura, con uno scheletro carbonioso complesso, numerose sostituzioni sui gruppi funzionali e, cosa ancora più drammatica, ben precise configurazioni su numerosi stereocentri (ehm… questo è linguaggio da strutturisti molecolari!) che una sintesi ex-novo di laboratorio potrebbe dimostrarsi un’impresa quasi epica, comunque già sulla carta di gran lunga più onerosa che non estrarre e purificare la molecola a partire dalla sua fonte naturale.   In certi casi poi, e parliamo delle applicazioni terapeutiche, cosmetiche ed alimentari in primo luogo, l’estrema purificazione di una singola specie chimica individuabile come “principio attivo” o “ingrediente funzionale” potrebbe essere addirittura controproducente, così come spiegato ampiamente nei precedenti articoli relativi al concetto di fitocomplesso (“i vantaggi del fitocomplesso”).

kit per la costruzione di modellini molecolari in plastica

kit per la costruzione di modellini molecolari in plastica

Il secondo caso, quello della sintesi di sostanze nuove, è per certi versi il lato più creativo ed estroso della chimica.   Il riferimento sul quale puntare il nostro obiettivo è sempre una struttura molecolare, disegnata sulla carta, realizzata mediante un modellino tridimensionale tipo a sferette e bastoncini o, come succede oggigiorno, visualizzata a video su un PC sotto forma di un modellino manipolabile a piacere con tecniche di realtà virtuale.   Questa struttura molecolare può essere stata suggerita da colleghi chimici, farmacologi, esperti in materiali esperti in relazioni struttura-proprietà: attraverso raffinate considerazioni, spesso supportate da programmi di calcolo previsionale basati in primo luogo su descrittori molecolari ed analisi statistica multivariata, è infatti possibile indicare struttura molecolari che siano buone candidate per manifestare alcune proprietà di interesse applicativo.  Questo sta, per esempio, alla base della progettazione di nuovi principi attivi farmaceutici (il cosiddetto “drug design”), così come nuovi pesticidi, già pensati per massimizzare la loro efficacia terapeutica minimizzando nel contempo gli effetti collaterali, come anche della progettazione di materiali tecnologici aventi caratteristiche funzionali desiderate.

A monte del laboratorio di sintesi abbiamo pertanto un gruppo di ricercatori che dice come da molecola dovrebbe essere fatta, ovvero quale struttura dovrebbe avere, per poter assolvere bene ad una certa funzione applicativa.   In altri casi, e qui parliamo della ricerca pura, la molecola target può essere definita sulla base di un’interesse teorico, quasi una sfida scientifica per verificare se sia mai possibile ed in che modo pervenire ad un certo tipo di struttura molecolare, o per verificare proprietà e caratteristiche chimiche e fisiche di una certa specie chimica per il momento solo ipotizzabile e mai ottenuta

molecole bizzarre: basketano, rotano, catenano e buckminster fullarene

la sfida di alcune strutture molecolari "bizzarre" (da sinsitra a destra): basketano, rotano, schema di un catenano e il buckminster fullarene

prima, per la quale l’interesse, comunque eticamente lecito, è di natura “per il momento” più teorica che non applicativa.   E’ capitato in ben più di un caso che alcune strutture molecolari “bizzarre”, non solo mai riscontrate in natura ma che la maggior parte dei chimici avrebbe dubitato che potessero stare insieme, hanno costituito un campo di battaglia sul quale schiere di sintetisti hanno collaudato strategie e tattiche di sintesi, fino all’ottenimento magari dopo anni di lavoro della specie chimica avente la struttura desiderata.  Una volta sintetizzata la sostanza, in molti casi si scoprono per essa proprietà e possibilità di applicazione prima impensabili.

In altri casi il sintetista deve gettare la spugna perché vi sono degli impedimenti oggettivi per la realizzazione concreta della struttura molecolare richiesta, magari di per sé stessa stabile dal punto di vista teorico.
Indipendentemente da chi e per quale ragione venga pensata la struttura molecolare di riferimento, essa diventa l’obiettivo da raggiungere concretamente per il chimico sintetista.
Ma esistono anche due altri approcci, per certi versi antitetici fra loro.
cappa attrezzata con sistema robotizzato per sintesi automatizzate, utile negli studi combinatoriali

cappa attrezzata con sistema robotizzato utile per le sintesi parallele e combinatoriale

Da un lato vi è l’approccio combinatoriale, che in qualche modo si pone come obiettivo quello di sintetizzare (ed in seguito di verificarne le proprietà) tutte le combinazioni possibili fra 2 o più possibili set di reagenti.  Nella fase di sviluppo di un ingrediente funzionale, ad esempio di una molecola biologicamente attiva, abbiamo 8 possibili scheletri carbonioso candidati, che possono essere sostituiti in 2 distinte posizioni con 4 tipologie diverse di gruppi sostituenti, il numero totale della combinazioni sarà 8x2x4=64.   Nei laboratori di sintesi combinatoriale, che lavorano molto spesso su ordini di grandezza di diverse centinaia di prodotti per volta, sono solitamente utilizzati apparecchi per la processazione parallela che riescono a riprodurre le stesse condizioni sperimentali (es. temperatura, agitazione, filtrazione, evaporazione, ecc) su molti “campioni” contemporaneamente, differenziati a questo punto unicamente sulla base dei reagenti che li compongono.   Basta accontentarsi di lavorare su quantità ridotte di campione (in sintensi combinatoriale a volte sono sufficienti pochi milligrammi di prodotto) ed in condizioni sperimentali non così estreme (es. pressioni molto elevate) ed elaborate da rendere necessari apparecchi altamente performanti che mal si adattano a lavorare parallelamente su molti canali contemporaneamente.

Dall’altro lato invece, ovvero all’antitesti della pianificazione sistematica propria della sintesi combinatoriale, vi sono i cosiddetti “incidenti di percorso”.  Anche se sempre di meno negli ultimi decenni, si sa che diverse delle grandi scoperte della chimica hanno avuto come punto di partenza una sintesi andata male, o comunque diversamente da come ci si sarebbe aspettati.  L’importante è non arrendersi o, peggio ancora, trascurare di verificare analiticamente la composizione dei prodotti della sintesi.   E’ proprio nel cercare di trovare una spiegazione al decorso inatteso (ed indesiderato) di una sintesi chimica che si possono scoprire nuovi meccanismi di reazione e nuove strutture molecolari fino a quel momento sconosciute.

E SOLO INFINE LE DEFINIZIONI

Adolph W. H. Kolbe (Germania, 1918-1884)Fu il chimico tedesco Adolph W. H. Kolbe (1818-1884) ad introdurre per primo il termine “sintesi” nell’accezione che ancora oggi è riconosciuto dai chimici, ovvero come “’esecuzione di una reazione chimica o di una sequenza di reazioni chimiche consecutive allo scopo di ottenere uno o più composti”.
Egli fu tra i primi a teorizzare che la chimica inorganica e quella organica non fossero, come imponeva invece il pensiero dominante dell’epoca, ambiti della materia paralleli ed indipendenti l’un l’altro, ma che al contrario si potessero ottenere composti organici a partire da quelli inorganici attraverso reazioni chimiche.    La conferma di questa teoria giunse fra il 1843 ed il 1845 quando riuscì a sintetizzare l’acido acetico (una nota molecola organica) a partire dal solfuro di carbonio (inorganico).
Infine una annotazione:

basandoci sulla definizione stessa di “sintesi”, che implica la produzione di “composti” (o anche, si potrebbe dire, di specie chimiche molecolari), larga parte della chimica inorganica resta tagliata fuori dal discorso.   Pur essendo conosciute anche nell’ambito inorganico numerose specie chimiche molecolari, basate su legami principalmente covalenti ovvero “composti chimici”, infatti, la

stereotipo del chimico sintetista

stereotipo del chimico sintetista

maggior parte delle specie in questa metà del cielo risultano costituite da due o più ioni distinti, tenuti insieme da forze di tipo elettrostatico.  Per quanto ottenibile in forma isolata e purificata un sale non può ad esempio essere classificato come composto e per indicare il suo processo di ottenimento, più che di sintesi, si dovrebbe probabilmente parlare di semplice “preparazione”.

Quella del chimico organico sintetista, dai suoi strumenti al suo modus operandi, è probabilmente l’immagine che più ha condizionato negli anni la creazione dello stereotipo, in larga parte fuorviante eppure a suo modo simpatico, del chimico e della stessa scienza chimica al di fuori del contesto degli addetti ai lavori:
contenitori con liquidi colorati in ebollizione, tubicini a serpentina ovunque e tanti apparecchi in vetro collegati insieme in modo apparentemente confuso, vapori che fuoriescono dalle ampolle ed un potenziale rischio di esplosione sempre dietro l’angolo, sono tutti scenari che, seppur con ovvie esagerazioni e licenze poetiche, possono essere riportati all’attività del chimico sintetista, o per lo meno a quella che era la sua attività fino ad un paio di decenni or sono.   Insieme a questa immagine che ricorda una rivisitazione in chiave moderna dei famosi quadri di Bosch, al laboratorio di sintesi si associa anche la piacevole sensazione di trovarsi in una sorta di cucina dove vengono preparate pietanze sempre nuove (da qui parte la similitudine, descritta da molti, fra il chimico ed il cuoco) ed al tempo stesso in una fucina dove la chimica non è soltanto scoperta e descrizione, ma anche genuina invenzione.

4 risposte a la Sintesi: il lato creativo della chimica

  • marta scrive:

    Non sono riuscita a capire chi ha scritto questo articolo, comunque complimenti all’autore.
    Scritto in maniera molto accattivante e esaustiva, prende la voglia di capirne di più in materia.
    Scusate se non riesco a scrivere e a spiegare le cose nello stesso modo brillante e professionale.
    Mi auguro che qualcuno mi risponda in merito alla mia curiosità.

  • Franco scrive:

    Sono assolutamente d’accordo Sergio: effettivamente la distinzione fra sintesi ed analisi è ormai solo più negli intenti di chi opera ed ha conservato un valore essenzialmente storico ed etimologico.

    Che dire ad esempio delle reazioni di derivatizzazione, vere e proprie sintesi di strutture più complesse, necessarie in molti contesti chimico-analitici? O, al contrario, quelle trasformazioni non “costruttive” ma “demolitive” di una molecola più complessa, sempre però allo scopo di preparare ed isolare i prodotti ottenuti, in barba all’etimologia stessa di sintesi.

    Volendo sforzarsi di trovare due possibili approcci fra loro complementari alla chimica, secondo me, ai giorni nostri potremmo pensare più a qualcosa del tipo “descrizione” / “trasformazione”, che è una distinzione assolutamente trasversale rispetto agli indirizzi di studio ed alle classi di molecole… voi che ne dite?

  • Sergio Palazzi scrive:

    Ci sono ancora in giro dei testi che usano la dicotomia tra opposti “sintesi” e “analisi”, analisi stava per separazione di un misto nei suoi elementi primi, sintesi il contrario. L’avevo visto per la prima volta su uno dei primi libriccini scientifici che mi avevano regalato a fine anni ’60. Credo che questo uso fosse più antico degli anni di Kolbe, così ad occhio, ma non ho controllato.

    Poi, sulla qualità dei libri di testo ho scritto parecchio e ogni tanto scrivo qualcosa per rinfrescarmi la goccia di sangue che cola dai canini.

  • Gifh scrive:

    Noto un certo sincronismo, anche io oggi ho partorito un post sulla sintesi, anche se molto più modesto! Telechimica?

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Sostieni la divulgazione della Chimica
Il tuo libero contributo sarà interamente devoluto alle attività di divulgazione della Chimica.
zona1




CONDIVIDI QUESTO ARTICOLO
RICHIEDI LA NEWSLETTER
Una mail settimanale con gli aggiornamenti delle pubblicazioni, le attività dell'Associazione e le novità del mondo della divulgazione chimica
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU FACEBOOK
segui chimicare anche su facebook
ARTICOLI RECENTI
ARCHIVIO ARTICOLI PER MESE
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU TWITTER
Non solo gli aggiornamenti degli articoli pubblicati sui nostri blog e le novità del Carnevale della Chimica, ma anche le segnalazioni dei migliori interventi di divulgazione chimica in lingua italiana nel web.