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Rappresentare le molecole. Problemi e soluzioni

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Articolo 13/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni Villani
Il mondo trattato dalla chimica, lo abbiamo ripetuto fino alla noia, è un mondo plurale e ancora in piena esplosione. Per essere padroneggiato, esso ha bisogno di essere rappresentato. Con questo termine si intende racchiudere più di un aspetto.

Quello di dare un nome alle sostanze, evitando i nomi arbitrari. Blu di Prussia o reattivo di Grignard, sono esempi di nomi convenzionali, vecchi e nuovi, di etichette che identificano una sostanza chimica, ma che non hanno alcun rapporto né con le sue proprietà (strutture) molecolari né con le proprietà macroscopiche della sostanza. Vi è poi il problema della quantità. Se le sostanze chimiche da identificare fossero state dieci, cento, i nomi arbitrari sarebbero stati ancora possibili. Quando, invece, diventano milioni le sostanze da etichettare allora i nomi arbitrari perdono la loro utilità e occorre un sistema sicuro, collaudato, per potere dare un nome alle nuove sostanze che vengono prodotte o per potere risalire e identificarne le proprietà, di quelle vecchie ed etichettate.

moduli strutturali conformazionali in chimicaAccanto a questo problema, e da supporto alla rappresentazione per nomi, si pone il problema della rappresentazione grafica. Non stiamo qui parlando del disegno “realistico” delle molecole, ma di schematizzare le formule molecolari per fornire informazioni aggiuntive alla semplice composizione, qualitativa e quantitativa, nei costituenti. Queste rappresentazioni devono soddisfare a due criteri opposti. Da un lato devono essere semplici, schematiche, non possono ciò essere delle autentiche “foto molecolari”.  Dall’altro, se queste rappresentazioni grafiche vogliono avere una funzione, devono “trasportare” informazioni, quanto più è possibile, suggerire analogie, avere insomma una funzione di rappresentazione, ma anche di spiegazione chimica.

Accanto a questo problema grafico, con l’uso massiccio dei computer in chimica si è posto un ulteriore problema, in parte grafico e in parte teorico, noto col nome di “simulazione”: si sostituisce a un sistema reale un sistema modello, costituito da molte molecole in interazione (generalmente assunta classica) e questo approccio può portare ad un intero filmato, un’animazione per computer, per evidenziare le proprietà dinamiche e calcolare quelle statiche delle molecole. A questo campo, in netta espansione, qui verrà riservato solo un accenno.

Vi è poi, nell’ambito della rappresentazione, il problema chimico più generale: la classificazione chimica. Riunire il molteplice in famiglie, dare un progetto d’insieme che fornisca anche un senso chimico alle singole sostanze è un’ambizione che è stata sempre presente in questa disciplina e può essere, ed è stata, di esempio per altre discipline scientifiche, naturali, umane e sociali.

rappresentazione computerizzata della struttura tridimensionale dell'acqua

rappresentazione computerizzata della struttura tridimensionale dell’acqua

Dal punto di vista storico, il tema della rappresentazione chimica non può non partire da Lavoisier. La sua rivoluzione, infatti, è anche, e forse per prima cosa, rivoluzione della nomenclatura chimica. Come aveva infatti intuito il chimico francese:

Una lingua ben fatta, una lingua nella quale si sarà afferrato l’ordine successivo e naturale delle idee, comporterà una rivoluzione necessaria e pronta nella maniera d’insegnare; essa non permetterà a coloro che professano la chimica di allontanarsi dal cammino della natura; si dovrà respingere la nomenclatura oppure seguire irresistibilmente la strada che essa avrà tracciato.

Nell’attuale nomenclatura chimica, il nome di un composto organico, il più difficile da denominare, e scisso in due parti:

  1. Una denominazione del radicale che indica la natura e la lunghezza della più lunga catena di atomi di carbonio. Se l’idrocarburo comprende cinque atomi di carbonio si chiamerà pentano da pent- (dal greco: penta, cinque) e dal suffisso -ano, idrocarburo lineare e saturo. Soli i primi di questo gruppo (e ciò vale per ogni gruppo) conservano anche il loro nome storico, come il capostipite: il metano (scoperto nel 1778 e designato così perché si estrae dalle paludi che marciscono, da cui la radice greca che significa liquido in via di fermentazione). Le altre famiglie chimiche sono segnalate da un altro suffisso: per esempio -ene, in pentene ci informa dell’esistenza di un doppio legame e, quindi, della serie chimica degli alcheni.
  2. Sulla catena carboniosa più lunga che fa da base, vera colonna vertebrale, si innestano le ramificazioni con la convenzione designativa, che obbedisce alla logica della semplicità e dell’economia, di preferire gli indici e le quantità meno elevate.

Nonostante le sagge convenzioni che le comandano, e a dispetto della teoria unitaria che le anima, le denominazioni sistematiche sono in difficoltà davanti a terribili ostacoli.  Ci limiteremo a mettere in rilievo tre difficoltà che le appannano:

  1. Poiché la vocazione di questa scienza sistemica è trascrivere la struttura interna dei composti, riprodurre non le convenzioni degli uomini, ma l’essenza delle sostanze, ci si chiede il senso dello “scheletro” della sostanza e se esso giustifica il suo appellativo. Come si è visto, si è scelta la catena carboniosa più lunga come base a cui agganciare il resto (catene laterali). Questo sistema perderà presto il suo equilibrio, man mano che ci si eleva verso gli insiemi più ricchi e più ramificati. Nel caso in cui il numero degli elementi aggiunti supera di molto il supporto, non lo rovescerà? Se d’altra parte le ramificazioni sono ricche di funzioni, mentre la parte centrale non ne comporta, assistiamo di nuovo ad una spiacevole inversione. La questione rimane: dov’è l’essenziale? ammesso che il nome debba esprimere e rivelare l’essenziale e mettere alla sua periferia sonora, il secondario.
  2. Sfortunatamente il progetto logico della nomenclatura chimica non può andare fino in fondo. Il vocabolo essenziale – già fluttuante al momento della designazione del suo centro di gravità – fallisce di nuovo quando occorre collocare e precisare le parti laterali e sostitutive. Il neologismo prevede solo due regole: la determinazione dello scheletro, di cui abbiamo già parlato, e la questione delle ramificazioni, di cui dobbiamo parlare. Vi sono due limiti opposti nel cui mezzo bisogna collocarsi: da un lato la precisione e dall’altro la concisione. Se si introducono troppi indici di posizione si carica sensibilmente la formula vocale, al punto da dovere quasi ricorrere alla scrittura (per esempio le parentesi). Il prezzo della chiarezza è la complicazione della denominazione e l’allontanarsi dalla realtà per cadere nel convenzionalismo.
  3.  Se sono state superate le prime due difficoltà, se ne presenta subito una terza: l’ordine temporale dell’enunciazione. Con quale ramo iniziare? Abbiamo già visto che veniva rispettato un ordine generale decrescente, che si andava sempre dal periferico al centrale, dal secondario al principale. Si scende lentamente nella sostanza. Tuttavia, nella piena estate della chimica organica, piante vivaci e alberi frondosi formicolano di rami e di germogli. Da quale iniziare la denominazione?

Il problema della nomenclatura in chimica comincia a essere complicato. D’altra parte nessuna disciplina ha dovuto censire una massa così grande di sostanze. Ci si può chiedere a questo punto se la nomenclatura chimica, se il bel progetto (voco-strutturale) di Lavoisier ha ancora un senso o se bisogna rinunciare alla corrispondenza tra l’idioma e la possibilità di racchiudere in un termine la “sostanza” dell’ente denominato. Certamente ogni ente chimico è suscettibile di ricevere un appellativo rigoroso (o più di uno), ma talmente artificiale e convenzionale che il nome perde tutta la sua chiarezza che molti preferiscono un abile “falso nome” o un “soprannome” eloquente a una locuzione esatta ma ingarbugliata, se non indicibile.

formule di struttura bidimensionali

formule di struttura bidimensionali

Due osservazioni a questo proposito vanno fatte.

  1. Condillac diceva “creare una scienza non è altro che fare una lingua”.   Si tratta, comunque, di un’asserzione valida per “creare” una scienza, cioè solo all’inizio di una nuova disciplina. In seguito il numero di enti compreso in questa nuova disciplina porta scompiglio e rende sempre più difficile il progetto denominativo. L’identificazione scienza-linguaggio non va intesa nel senso che una scienza si può rinchiudere in una lingua.
  2. Da ciò dobbiamo concludere che non è tanto il linguaggio a rivelarsi insufficiente quanto la realtà a sopraffarlo. L’universo del chimico va più veloce dei suoi segni e delle sue parole che diventano in un certo senso modelli, non più copie della realtà.

Alla fine nella chimica odierna dobbiamo contare quattro linguaggi:

  1. Lo storico residuale che conserva ancora dei vocaboli non razionali, dalle pittoresche etimologie, come formico (dalle formiche), lattosio (da latte), oleico (dall’olio), ecc.
  2. La nomenclatura organizzata, celebrazione del progetto lavoisieriano, della quale abbiamo parlato.
  3. La lingua scritta. La prima scrittura, quella che utilizzava per trascrivere solo le lettere, offriva pochi vantaggi e quindi, nella prima metà del XIX secolo fu affiancata da una vera e propria stenografia. Fu Berzelius a raccomandarne l’uso, esaltandone e fissandone le regole di impiego.
  4. Il grafico o la formula sviluppata, con la riserva che con questa non si può costituire un indice che renda gestibile la reperibilità dell’informazione. Non è possibile creare un catalogo di figure in maniera univoca e semplice.
isomeri ottici

isomeri ottici

In conclusione, è stata l’isomeria che ha messo in crisi la parola pronunciata o scritta: essa esige la creazione di una simbologia più pittorica. Infatti, la denominazione logica e la scrittura vanno in crisi al contatto con le associazioni spaziali tridimensionali: gli isomeri conformazionali e quelli ottici. Tuttavia questi problemi non si risolvono facilmente neppure nel pittorico.

Vi è, poi, il problema delle macromolecole. Qui il nome non viene neppure tentato, ma anche il grafico “oggettivo” è ridondante. Si ricorre, allora, a formule dove (arbitrariamente?) alcune parti sono “sviluppate” più in dettaglio e altre meno.

struttura conformazionale di una proteinaVi è, infine, la possibilità offerta dalla grafica molecolare, dalle simulazioni. Questo mondo, sicuramente ricco di informazioni, ha però il problema di “estrarle”, di condensarle. Esso ci dà senz’altro una conoscenza maggiore del nostro oggetto, come un film da una conoscenza maggiore dei personaggi di un libro di fotografia. Eppure, proprio questo esempio ci può fare capire i limiti e i rischi di questo approccio: Esiste un film oggettivo, indipendente dal regista? Chi è il regista di questo film? Da quale prospettiva lo si guarda?

 

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