Il Premio Nobel per la Chimica 2021 è stato insignito a Benjamin List e David MacMillan perché nel 2000, indipendenti l’uno dall’altro, hanno sviluppato un terzo tipo di catalisi, la organocatalisi asimmetrica, che utilizza come catalizzatore molecole organiche di piccole dimensioni. Il comitato del Nobel per la chimica della Reale Accademia delle Scienze di Svezia nelle motivazioni indica : “Il riconoscimento, in particolare, è stato conferito ai due scienziati per aver creato uno strumento ingegnoso per costruire molecole che ha contribuito a sviluppare nuovi farmaci e ha reso la chimica più green. Le loro scoperte hanno avviato un modo totalmente nuovo di pensare a come mettere insieme molecole chimiche, ad esempio nella scoperta di farmaci e nella produzione di prodotti chimici fini, e sta già apportando grandi benefici all’umanità”.
La sintesi asimmetrica è stereoselettiva, cioè permette di ottenere in prevalenza o esclusivamente uno dei due enantiomeri quando si opera in presenza di un elemento chirale. Se non è presente un elemento di chiralità la sintesi porta alla formazione di ambedue le configurazioni R o S.
La produzione di una forma chirale rispetto al suo enantiomero è molto importante nel campo della sintesi farmaceutica, dato che differenti enantiomeri o diastereomeri di una molecola possiedono spesso differente attività biologica.
Studi per ottenere sintesi asimmetrica (chiamata anche sintesi chirale, enantioselettiva o stereoselettiva) per formare o favorire la produzione di un dato sterioisomero o molecola chirale prima del 2000 sfruttavano soprattutto catalizzatori metallorganici o catalizzatori enzimatici.
L’importanza dello studio di catalizzatori in grado di trasferire chiralità è testimoniato dall’assegnazione del premio Nobel per la Chimica nel 2001 a tre dei pionieri della catalisi asimmetrica (William S. Knowles, Ryoji Noyori, K. Barry Sharpless). Fino a qualche decennio fa i catalizzatori utilizzati erano principalmente basati su complessi di metalli di transizione in combinazione con leganti chirali (catalisi organometallica) o macromolecole o microrganismi di origine naturale (biocatalisi).
Per lungo tempo si è pensato che esistessero solamente due tipi di catalizzatori: metalli ed enzimi. I metalli , in particolare quelli pesanti, sono catalizzatori efficientissimi e spesso selettivi, ma sono anche un rischio e un costo in termini ambientali se non smaltiti adeguatamente. Gli enzimi , sicuramente ecologici, sono invece proteine utilizzate dalla natura in tutte le reazioni chimiche biologiche ma con tempi spesso incompatibili e non sempre sfruttabili per le produzioni industriali.
Gli enzimi, sono molecole organiche formate da centinaia di aminoacidi collegati tra loro, in molti casi possiedono all’interno della molecola anche dei metalli con cui catalizzano le reazioni chimiche. Si è osservato che alcune reazioni venivano catalizzate anche dai singoli amminoacidi, per questo motivo a partire dagli anni ‘90 molti gruppi di ricerca hanno tentato di sviluppare nuovi enzimi, che permettessero di catalizzare nuove reazioni chimiche. Ed è proprio prendendo spunto da queste ricerche che si è sviluppata la scoperta dell’organocatalisi asimmetrica protagonista del premio Nobel per la chimica 2021.
Partendo dall’intuizione che forse gli aminoacidi non hanno bisogno di fare parte di un enzima (o anticorpo) per agire come catalizzatori. List utilizzò la prolina, un aminoacido che era stato studiato già negli anni ‘70 come possibile catalizzatore, per catalizzare con successo una reazione aldolica. List dimostrò che gli aminoacidi, e anche altri tipi di piccole molecole organiche, possono essere utilizzati come catalizzatori, ma che permettono anche di ottenere facilmente sintesi asimmetrica, cioè la produzione di una maggiore quantità di uno dei due enantiomeri di una molecola.
Nel 2000 List pubblicò la sua scoperta, presentando al mondo la catalisi asimmetrica con molecole organiche. Nello stesso anno anche David MacMillan aveva iniziato a interessarsi all’utilizzo di piccole molecole organiche come catalizzatori. Verificò sperimentalmente la capacità di queste sostanze organiche di catalizzare una reazione chimica. Le molecole testate ossazolidinoni per reazioni stereoselettive di ciclizzazione di Diels Alder. Queste piccole molecole organiche permettevano di catalizzare delle reazioni in maniera stereoselettiva, riuscendo a controllare in modo assoluto la formazione di uno dei due possibili enantiomeri. MacMillan, per definire questo nuovo approccio alla catalisi, scelse quindi il termine organocatalisi.
Dalla pubblicazione dei lavori di List e MacMillan l’organocatalisi asimmetrica ha avviato un’autentica rivoluzione nel campo della chimica. Sono stati scoperti moltissimi organocatalizzatori efficaci ed economici, che permettono di realizzare nuove reazioni chimiche in campo industriale e di renderne più efficienti molte di quelle utilizzate già in passato. Negli anni successivi si è scoperto inoltre che gli organocatalizzatori permettono di effettuare reazioni in più stadi riducendo al minimo la produzione di materiali di scarto, rendendo più efficiente, e meno inquinante, l’intero processo. Ciò significa che questi catalizzatori rispettano l’ambiente e sono anche più economici da produrre. Utilizzando queste reazioni, i ricercatori sono in grado di sintetizzare in modo più efficiente diverse molecole, con applicazioni che spaziano dai prodotti farmaceutici a materiali plastici e materiali per i sistemi fotovoltaici.
Dott. Chim. Giuseppe Panzera
Consigliere FNCF
