Che si tratti di materiali sintetici come PET e Teflon, medicinali o aromi, la vita senza composti prodotti sinteticamente è appena concepibile. L'industria chimica dipende dall'efficienza, metodi a lungo termine per la produzione di molecole derivate sinteticamente. Per questo scopo, i chimici usano spesso catalizzatori, cioè., additivi con cui possono facilitare e controllare le reazioni chimiche. Ma come vengono scoperte e sviluppate tali reazioni?

È richiesto un alto grado di conoscenza e comprensione, ma anche il caso gioca un ruolo decisivo. Un team di chimici dell'Università di Münster (Germania) ha sviluppato una strategia per generare tali "risultati casuali" in modo sistematico con l'obiettivo di scoprire nuovi, reazioni inaspettate. Lo studio è stato pubblicato su chimica rivista.

Il processo di conduzione sistematica di un gran numero di esperimenti è chiamato screening, ed è una pratica consolidata in particolare nella ricerca farmaceutica relativa ai principi attivi. Il metodo di screening sviluppato a Münster per scoprire le reazioni combina due passaggi che coprono una varietà di singoli elementi in una reazione, quale, in combinazione, sono progettati per scoprire nuove, reazioni sinteticamente rilevanti. Nel primo passo, i chimici esaminano se un potenziale substrato interagisce effettivamente con il catalizzatore. Per questo scopo, nel caso di fotocatalizzatori, viene utilizzato il fenomeno dell'estinzione delle emissioni. Se un substrato riduce l'emissione del catalizzatore, è probabile un'interazione tra catalizzatore e substrato. Attraverso lo screening sistematico di un gran numero di composti selezionati casualmente, possono essere identificate nuove molecole la cui interazione con i catalizzatori era precedentemente sconosciuta.

L'interazione tra substrato e catalizzatore non crea di per sé una reazione, però. Per questa ragione, la seconda fase del processo di screening consiste nell'esaminare se una reazione ha effettivamente luogo quando sono presenti un partner di reazione e il catalizzatore. Ciò significa che per la prima volta, come risultato della combinazione di due fasi di screening, si possono identificare entrambi i partner in una nuova reazione che reagiscono per formare un nuovo prodotto. "Questa strategia bidimensionale ci consente non solo di trovare nuove interazioni catalizzatore-substrato, ma anche per scoprire effettivamente nuove reazioni, incluse alcune che non ci aspettavamo in precedenza, " spiega il prof. Frank Glorius dell'Istituto di chimica organica dell'Università di Münster.

Alla scoperta di una reattività inaspettata

Lo studio mostra che gli autori sono stati in grado di scoprire e sviluppare ulteriormente tre reazioni precedentemente sconosciute. Una di queste reazioni è una cosiddetta cicloaddizione fotochimica, in cui semplice, le molecole piatte, i benzotiofeni, vengono trasferite a complesse strutture tridimensionali. "Come formulato su carta, Non avrei considerato possibile questa reazione, "dice Felix Strieth-Kalthoff, un dottorato di ricerca studente e autore principale dello studio, "perché, dal punto di vista energetico, il passaggio chiave in questa reazione non dovrebbe essere effettivamente possibile".

Per approfondire questo aspetto, i chimici di Münster contattarono il prof. Dirk Guldi dell'Università di Erlangen, che è considerato il massimo esperto mondiale di indagini sui processi fotochimici. Lavorando con i colleghi del Leibniz Institute of Surface Engineering di Lipsia, il team è stato in grado di fare luce sulla questione effettuando misurazioni sotto forma di spettroscopia ultraveloce. I chimici hanno utilizzato impulsi laser ultracorti per osservare e studiare sistematicamente i singoli passaggi della reazione. "Ora siamo in grado di fornire spiegazioni molto migliori per i processi molecolari sottostanti nel trasferimento di energia tripletta-tripletta, il passaggio chiave di attivazione, " afferma Dirk Guldi. "Questa maggiore comprensione consentirà lo sviluppo di nuovi processi e catalizzatori, " Aggiunge.

Questo esempio mostra che i risultati di un tale approccio di screening non solo forniscono nuove reazioni, ma possono anche, Inoltre, contribuire ad una più profonda comprensione della materia. "Siamo convinti che questa strategia possa essere utilizzata in altre aree della catalisi e oltre, "dice Frank Glorioso.

Usando, tra l'altro, le ultime tecnologie informatiche, il team di ricercatori sta già lavorando allo sviluppo di nuovi metodi di screening per scoprire e comprendere nuove classi di reazioni. Di una cosa Frank Glorius è certo:"Credo che la scoperta di nuovi tipi di reazioni derivanti da strategie basate sui dati, come questi metodi di screening sono, farà una differenza decisiva per lo sviluppo della chimica di sintesi".