Doma le molecole esplosive

Ci sono alcuni gruppi di atomi che sono estremamente utili. Il gruppo nitro è uno di questi. Il biossido di azoto, di per sé un gas tossico e dall'odore pungente (NO₂) è un gruppo atomico aggiuntivo che conferisce a molecole prima poco appariscenti proprietà pratiche, talvolta addirittura esplosive. Esplosivi come l'acido picrico e il TNT appartengono ai nitroaromatici, una classe di sostanze che svolge un ruolo importante in molti altri prodotti, come coloranti, polimeri plastici, pesticidi e farmaci. Per questo motivo i nitroaromatici sono prodotti industrialmente su larga scala. Il processo prevede l'aggiunta di un gruppo nitro alle molecole di partenza. Tuttavia: "I processi attuali presentano notevoli svantaggi", spiega Dmitry Katayev, chimico e capogruppo dell'ETH di Zurigo. Lui e il suo team hanno ora trovato un metodo più semplice e con un uso rispettoso delle risorse per incorporare gruppi nitro in molecole organiche.

Nei processi industriali odierni sono necessari acidi forti, come miscele di acido nitrico e solforico, o composti contenenti metalli: sostanze dannose per la salute e per l'ambiente, che devono essere trattate e smaltite a costi elevati. Inoltre, questi processi non sono molto mirati. Praticamente riversano NO₂-Chi siamo, i gruppi funzionali sopra la sostanza di partenza. Invece di un solo gruppo nitro nella posizione desiderata, a volte ne vengono incorporati due o più in una molecola. In questo modo si ottiene una miscela che contiene numerosi sottoprodotti indesiderati. Questi devono essere rimossi con grandi spese.

Controllo preciso

L'approccio del team di Katayev è più elegante. I chimici hanno sviluppato una serie di reagenti e una metodologia associata con cui è possibile sintetizzare selettivamente diverse molecole di partenza in un unico passaggio utilizzando un solo NO₂-Il gruppo può essere diviso in due o più gruppi. "La reazione deve essere molto precisa", dice Katayev. "Non deve cambiare nient'altro nella molecola di partenza, indipendentemente dal suo aspetto e dai gruppi atomici che già contiene".

Questo è relativamente facile con molecole di partenza composte esclusivamente da carbonio e idrogeno. A causa della loro distribuzione di elettroni, questi idrocarburi sono sponsor. Possono essere stimolati a subire una reazione chimica solo con un'energica sollecitazione. La situazione è diversa per le molecole di partenza che contengono, ad esempio, ossigeno o un atomo di alogeno come il fluoro o il cloro. La distribuzione degli elettroni di questi gruppi atomici - che i chimici chiamano gruppi funzionali - li rende disposti a reagire con un nuovo arrivato e ad entrare in una nuova partnership con esso. È quindi molto più difficile lasciare inalterati tali gruppi atomici.

Il nuovo metodo di Katayev permette di ottenere questo risultato controllando con precisione la reazione. Il chimico ha così trovato una fonte delicata e controllabile di NO₂-gruppo: una modifica della saccarina, il più antico dolcificante sintetico, la N-nitrosaccarina. La molecola può essere controllata Chi siamo, un catalizzatore, un tipo di molecola attivante. Questa deve essere attivata - ad esempio mediante irradiazione con luce visibile - prima che avvenga la reazione e che il gruppo nitro venga trasferito alla molecola target. Ciò consente di impostare con precisione le condizioni di reazione, come la temperatura o la quantità di molecola di partenza, prima dell'inizio della reazione.

I chimici possono anche utilizzare la quantità di nitrosaccarina aggiunta per controllare quanti gruppi nitro vengono incorporati nella molecola di partenza e dove. Poiché la reazione avviene in condizioni molto blande - senza l'aggiunta di acidi e a una temperatura massima di 50 gradi Celsius - nessun altro gruppo funzionale della molecola di partenza viene attaccato o distrutto. Dopo la reazione, la saccarina può essere ritrattata e riutilizzata per la produzione di reagenti.

Lavorare in isolamento

Due domande di brevetto sono attualmente in corso per questo nuovo metodo e la polvere miracolosa di N-nitrosaccaride di Katayev è già utilizzata da diverse aziende chimiche. L'anno scorso, il 34enne leader del gruppo ha ricevuto il prestigioso premio Ruzicka (vedi riquadro) per il suo sviluppo.

Come tutti gli altri membri dell'ETH, lui e il suo team hanno lavorato da casa durante il blocco del coronavirus. Katayev si è abituato rapidamente a lavorare da casa. È ancora in costante contatto con i membri del suo gruppo e con i colleghi. "A volte ho fino a cinque riunioni video in un giorno", dice sorridendo alla telecamera del computer. I membri del suo team utilizzano il tempo trascorso nell'ufficio a casa per scrivere pubblicazioni o tesi di dottorato. Katayev discute con loro i capitoli appena scritti almeno due volte alla settimana e, come prima, la riunione regolare del gruppo si svolge una volta alla settimana.

Quello che Katayev si sta perdendo, però, sono i suoi hobby: lo sci, la pesca e, soprattutto, il ping pong. Infatti, oltre a giocare abilmente con i composti chimici, Katayev si destreggia professionalmente con le palline da ping pong. Essendo uno dei migliori giocatori dell'Università Tecnica D.I. Mendeleev, nel corso degli anni ha partecipato con successo alle competizioni. Katayev ha persino ottenuto il titolo di "Maestro di pingpong". Nelle università russe, le classifiche del tennis da tavolo si basavano sui titoli accademici, spiega Katayev: Bachelor, Master, Doctor, Professore. Anche se è passato un po' di tempo dall'ultima volta che il 34enne ha gareggiato, la sua voce è orgogliosa quando ne parla.

Addomesticare gli atomi radicali

Nato in Russia, è arrivato in Svizzera per la sua tesi di dottorato all'Università di Ginevra. Si è trasferito all'ETH nel 2015 e dal 2017 è a capo del proprio team nel gruppo di ricerca del professore di chimica Antonio Togni. Katayev è da tempo specializzato nella ricerca di nuovi modi per incorporare gruppi atomici utili nelle molecole in modo efficiente, controllabile e con un uso rispettoso delle risorse.

Una delle sue specialità in questo contesto è la ricerca sui cosiddetti radicali. I radicali sono atomi o gruppi di atomi che hanno un solo elettrone dove in realtà dovrebbe esserci una coppia di elettroni. Questo li rende estremamente reattivi, il che li rende eccellenti motori di reazioni chimiche. Tuttavia, devono essere indirizzati correttamente, altrimenti causano il caos. Ad esempio, una reazione con i radicali spesso produce una miscela di due composti: la molecola desiderata e la sua immagine speculare. Katayev sta quindi studiando come organizzare i processi chimici con i radicali in modo da produrre solo una delle due forme speculari.

Recentemente ha ottenuto questo risultato nella cosiddetta trifluorometilazione. Questa reazione viene spesso utilizzata per produrre uno specifico gruppo contenente fluoro (CF₃) nei pesticidi e nei farmaci per potenziarne l'effetto biologico. Il nuovo meccanismo sviluppato da Katayev rende questo processo molto più efficiente: In un solo passaggio viene creato il 99% della forma speculare desiderata della molecola.

Tuttavia, il chimico non rimarrà all'ETH ancora per molto. Grazie alle sue ricerche di successo, ha recentemente ottenuto una "SNSF Eccellenza Professorial Fellowship" dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica. Ciò gli consentirà di assumere una cattedra di assistente all'Università di Friburgo l'anno prossimo.