Le molecole cicliche sono ovunque, e tutto ciò che ci circonda nasce dal modo in cui sono assemblati:non solo gusto, colore e odore ma anche (per esempio) farmaci. La natura stessa forma anelli molecolari di diverse dimensioni e catene di anelli di lunghezza variabile che gli scienziati sono in grado di riprodurre artificialmente. I chimici dell'Università di Ginevra (UNIGE) hanno ora ideato una nuova tecnica per creare queste catene di anelli molecolari che non utilizzano interazioni chimiche standard ma entrano in contatto con grandi superfici molecolari che sono povere di elettroni e non esistono in natura. A differenza delle procedure standard, questa nuova tecnica funziona per autocatalisi, la più rara, ma anche il più ambizioso, tipo di trasformazione che esiste in chimica. I risultati di questa ricerca, pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie , aprono nuove prospettive per la ciclizzazione molecolare e forniscono anche la prima parte della risposta a un'antica contraddizione della chimica classica.

Le molecole che ci circondano sono spesso disposte sotto forma di cicli, formazione di steroidi, zuccheri, profumi o anche droghe, Per esempio. Chimica inorganica, questi anelli molecolari possono essere creati con la tecnica della catalisi:la molecola selezionata, chiamato substrato, viene posto in contatto con la molecola che realizza la trasformazione, il catalizzatore, solitamente attraverso legami idrogeno. Ma con questo unico metodo di interazione, le possibilità creative sono ridotte. Incorporare nuovi modi di interazione li convertirebbe in modo diverso, creando così nuovi materiali con il potenziale per risolvere problemi scientifici e sociali che sono intrattabili con i metodi convenzionali.

Stefan Matile è professore presso il Dipartimento di Chimica Organica della Scuola di Chimica e Biochimica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. È anche membro dell'NCCR Chemical Biology e dell'NCCR Molecular Systems Engineering. "Il nostro laboratorio si è specializzato nell'attuazione di nuovi contatti tra molecole, uno di questi basato su superfici molecolari molto grandi, conosciuti come aromatici, che sono poveri di elettroni altamente delocalizzati." Il professor Matile aggiunge che i contatti con questi grandi, pianure molecolari vuote, che sono assenti in natura, sembrava promettente per la ciclizzazione di anelli molecolari che sono incatenati tra loro. Ma quali sono le conseguenze?

Catene di anelli molecolari prodotte dall'autocatalisi

Gli obiettivi dei chimici ginevrini erano:riprodurre cicli di diverse dimensioni, cioè costituito da un numero di atomi definiti (steroidi, ad esempio, sono formati da tre cicli di sei atomi più uno di cinque); e collegare tra loro più cicli senza utilizzare i legami idrogeno ma una superficie molecolare povera di elettroni delocalizzati (note come interazioni anione-π). "La caratteristica principale di questa pianura molecolare è lo spazio vuoto che fornisce alle molecole per assemblarsi, "dice Miguel Paraja, ricercatore presso il Dipartimento di Chimica Organica dell'UNIGE. A contatto con questo nuovo, superficie spaziosa e priva di elettroni, le molecole formavano cicli di diverse dimensioni (da 4 a 8 atomi) e varie sequenze. "Ma la grande novità è stata il modo in cui sono avvenute le trasformazioni!" aggiunge il chimico ginevrino.

Tutte queste ciclizzazioni sono avvenute in modo autocatalitico. "Con un catalizzatore convenzionale, le ciclizzazioni sono veloci in partenza, e poi, poiché c'è sempre meno substrato, rallentano sempre più, spiega Xiaoyu Hao, un ricercatore nello stesso laboratorio. Ma con l'autocatalisi, è l'esatto contrario che accade!" Infatti, le trasformazioni molecolari accelerano su vasta scala. "Sebbene questa autocatalisi sia un fenomeno di trasformazione molto raro in chimica, è anche il più sorprendente, dice il professor Matile. "Si basa sull'aiuto reciproco tra le molecole:le prime molecole trasformate aiutano le successive a trasformarsi, che non è il caso durante la normale catalisi, che decelera invece di accelerare."

Il primo passo per rispondere a una vecchia contraddizione della chimica classica

Questa scoperta aiuta a rispondere a una delle più antiche contraddizioni della chimica classica. "Esiste una catena molto nota di anelli molecolari, chiamato brevetossina, che si trova nella marea rossa e che ha l'effetto di uccidere i pesci, " spiega il professor Matile. È stato scoperto da una figura eminente della chimica organica, Koji Nakanishi, che hanno fornito una spiegazione per la possibile costruzione di questa straordinaria catena formata da undici anelli molecolari consecutivi in ​​un'unica reazione. Ma questa ipotesi non era d'accordo con Jack Baldwin, un famoso chimico che ha prodotto le regole che spiegano la formazione dei cicli che sono ora accettate come base della chimica classica. L'"ipotesi Nakanishi" viola queste regole per ciascuno degli undici anelli. "I nostri anelli possono essere formati secondo le regole di Baldwin se lo vogliamo, riferisce Paraja. Ma ancora più importante, possiamo anche infrangere le regole Baldwin su richiesta con i nostri nuovi catalizzatori e creare quegli anelli proibiti che Koji Nakanishi sognava." "La chiave del successo, spiega Hao, è il grande spazio vuoto offerto dai nostri nuovi catalizzatori."

Il professor Matile continua che:"Con la scoperta dell'autocatalisi nella formazione di molecole cicliche, i nostri contatti anione-π ci hanno aiutato a capire il modo più sottile per trasformare le molecole che esiste in chimica. E questo ci aiuterà a creare nuove catene di anelli molecolari." I chimici saranno in grado di influenzare e dirigere la natura della trasformazione del substrato successivo, creare nuovi materiali, uno dei principali obiettivi anche del NCCR Molecular Systems Engineering. "La maggior parte delle soluzioni ai problemi scientifici, si tratti di cibo, medicina o ambiente, coinvolgere molecole e nuovi contatti che si possono creare tra loro, " dice il chimico ginevrino.