Viaggio tra i misteri della chimica

Forse se iniziamo a invocare i "misteri della chimica", magari otterremo qualche fondo per la ricerca in più! Imagecredit: Wiley "Non Sequitur"

Tra i misteri ancora da risolvere nelle discipline scientifiche, forse quelli chimici sono i più facili da affrontare e dominare, e solitamente non suscitano lo stesso clamore di altri problemi irrisolti nel campo della fisica, come il mistero dell’antimateria (Antimatter mystery) o il monopolo elusivo (The elusive monopole), oppure della biologia come la vita ibrida (Hybrid life) o l’effetto nocebo (The nocebo effect), tanto per citarne qualcuno.

Questo tipo di problemi nella chimica tendono a fronteggiare questioni come la possibilità di produrre un composto X, esplorare metodiche per analizzarlo o sistemi per purificarlo e vengono di solito risolte in tempi relativamente brevi, anche se possono benissimo richiedere notevoli sforzi per arrivare alla soluzione ricercata.

Tuttavia, capita che ci sono anche alcune questioni con implicazioni più profonde, legate soprattutto alle ricerche emergenti. Partiamo da una definizione.

I problemi di chimica sono considerati irrisolti quando un esperto in materia li ritiene tali o quando diversi esperti del settore non sono d’accordo su un’unica soluzione per un dato problema.

Questa proposizione naturalmente può applicarsi a qualsiasi campo sperimentale, e un sano dibattito spesso porta a conclusioni condivise, probabilmente costruite sulle critiche edificanti delle parti in causa.

Aiutano senz’altro generose iniezioni di fondi incentivanti la ricerca e l’assenza tutt’altro che sterile di ingerenze di qualsiasi tipo, che siano religiose, politiche, economiche, o meri interessi privati come la mitomania e insane ambizioni.

Misteri della chimica organica

Il catione norbornile. Imagecredit: Un. of Maine

La solvolisi del catione norbornile (derivato dal norbornano). La solvolisi è un particolare tipo di sostituzione o eliminazione nucleofila in cui il nucleofilo è una molecola di solvente, e il norbornile è uno ione positivo di un idrocarburo ciclico e saturo (privo di doppi legami), solido cristallino fino a 88° (punto di fusione), di formula bruta C7H11+. Esso rappresenta una sfida perché non si riesce ancora a spiegarne l’elevata stabilità, e la sua simmetria costituisce un mistero tuttora insolubile. Questa categoria di composti è definita genericamente come ioni non classici e ha scatenato uno dei più feroci dibattiti mai visti in chimica organica. Il dibattito ora sembra essere risolto a favore della struttura non classica per lo ione non sostituito, ma non per la maggior parte dei suoi analoghi sostituiti.

La velocità delle reazioni che avvengono sull’interfaccia acquosa di una sospensione organica non trova giustificazione. Il tasso di accelerazione che si verifica osservando particolari emulsioni organiche in  acqua è stato oggetto di numerosi studi (qui uno fra i tanti), ma non si è ancora giunti alla completa comprensione del fenomeno, una discussione che di recente è tornata alla ribalta a causa dell’uso di disperdenti chimici per limitare i danni delle perdite di petrolio come quella del Golfo del Messico.

.... oppure James Bond?

Qual è l’origine della barriera di rotazione del legame per molecole come l’etano, l’ingombro sterico o l’iperconiugazione? Qui si tratta di stereochimica e conformazione molecolare, in pratica Il legame carbonio-carbonio dell’etano dovrebbe essere libero di ruotare, ma la rotazione presenta alcune stabilità che possono trovare spiegazione sia con l’effetto dell’ingombro sterico (determinato dalle repulsioni elettrostatiche), che dall’iperconiugazione, cioè una delocalizzazione delle cariche elettriche.

Qual è l’origine delleffetto alfa? I nucleofili con un atomo elettronegativo e una o più coppie solitarie (meglio noti come “doppietti elettronici“) adiacenti al centro nucleofilo sono particolarmente reattivi. Questo fenomeno è ben conosciuto nel suo meccanismo, ma diverse sono le teorie che tentano di darne una spiegazione, e il consenso unanime non è ancora stato raggiunto.

Misteri della biochimica

Esempio dell'Effetto Tunnel. Evoluzione della funzione d'onda d'un elettrone attraverso una barriera di potenziale

Enzimi più che perfetti. Perché alcuni enzimi mostrano una cinetica  della diffusione più veloce? Alcuni enzimi agiscono con velocità superiori rispetto ai limiti di diffusione specifici, e il fenomeno sembra essere impossibile.

Diversi meccanismi sono proposti, alcune proteine probabilmente accelerano la catalisi preparando il loro substrato e pre-orientandolo utilizzando campi elettrici dipolari.

Altri modelli invocano una spiegazione di tunneling quanto-meccanico, in cui un protone o un elettrone può passare attraverso le barriere di attivazione, anche se per il protone un tale percorso rimane alquanto controverso.

Qual è l’origine dell’omochiralità negli aminoacidi e negli zuccheri?

Modelli molecolari di due enantiomeri di un generico aminoacido

In chimica, una molecola che ammette un’immagine speculare non sovrapponibile a sé stessa è detta chirale, omochirale quando si tratta di gruppi di molecole non proprio uguali, ma con una configurazione simile.

L’origine dell’omogeneità chirale in natura non è ancora chiara come non è ancora chiaro se la vita avrebbe potuto evolversi nello stesso modo se al posto degli stereoisomeri presenti ci fossero state le loro immagini speculari, ad esempio se tutti gli aminoacidi fossero stati D e non L.

Il problema del folding delle proteine: è possibile prevedere la  struttura secondaria, terziaria e quaternaria di una sequenza polipeptidica basandosi solo sulla sequenza stessa e su informazioni ambientali? Questo dilemma implica nel contempo il problema inverso: è possibile progettare una sequenza polipeptidica che adotterà una data struttura, in determinate condizioni ambientali? In questo campo fortunatamente vengono in soccorso migliaia di utenti organizzati in una rete di pensiero condiviso, la cosiddetta Citizen science, un esercito di volontari che partecipano da remoto alle ricerche, in quello che si rivela uno straordinario sforzo condiviso e perfettamente armonizzato, grazie a foldit e ai suoi sviluppatori.

Aleksandr Oparin (a destra) e Andrei Kursanov, fra i maggiori esperti della teoria sull'origine della vita. (1938)

E per concludere questa sezione, uno dei misteri più interessanti, quali sono le origini chimiche della vita? Come hanno fatto composti chimici inorganici a  generare forme di vita complesse e auto-replicanti? Nonostante i numerosi tentativi e le dimostrazioni che si susseguono fin dall’antichità, la ricostruzione della storia della vita presenta ancora molti interrogativi, che  riguardano soprattutto la successione degli eventi. I progressi in questo campo di ricerca sono ostacolati dalla carenza di opportuni reperti fossili e dalla difficoltà di riprodurre questi processi in laboratorio. Per alcuni approfondimenti, vi rimando alla pagina di Wikipedia che tratta l’origine della vita, argomento complesso e inesauribile e, a mio avviso, affascinante.

Misteri di fisica-chimica

Qual è la struttura elettronica dei superconduttori ad alta temperatura in vari punti del diagramma di fase? Può la temperatura di transizione coincidere con la temperatura dell’ambiente? Questo è un settore molto attivo negli ultimi tempi, ogni settimana non mancano nuove scoperte sui superconduttori, ad esempio sapevate che questi materiali hanno una “microstruttura frattale”, ovvero presentano un disegno geometrico sempre uguale che si ripete su scale diverse, proprio come avviene in un broccolo? Qui potete trovare un elenco di altre news sull’argomento, fornite dall’inestimabile portale della scienza che è PhysOrg. Segnalo anche un interessantissimo post dal blog Rangle, al secolo Peppe Liberti: I tentativi (falliti) di capire la superconduttività.

L’elemento chimico con numero atomico 137, l’untriseptium, o, per gli amici, feynmanium, per molti è stato ritenuto un limite invalicabile in quanto gli elettroni del guscio più esterno dovrebbero viaggiare a velocità maggiori di quella della luce. Tuttavia, altri modelli giungono a conclusioni diverse, spostando il limite  fino all’elemento 173, secondo la recente estensione della tavola periodica oltre il settimo periodo. Secondo me questo problema richiederà qualcosa in più di qualche decennio di ricerche…

Una questione di rilevanza estrema è la ricerca di un metodo per convertire efficacemente l’energia elettromagnetica dei fotoni in pura energia chimica. Il primo esempio pratico è dato dall’elettrolisi dell’acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l’energia solare. Le difficoltà per risolvere i problemi di rendimento non sono insormontabili, e i progressi recenti in questo campo esplorano numerose strade che toccano i diversi aspetti di questa sfida epocale per l’umanità.

E ancora, qual è la natura del legame nelle poco conosciute molecole ipervalenti? Queste sono molecole che contengono uno o più elementi del gruppo principale (quindi escludendo quelli di transizione), che formalmente presenta più di otto elettroni nel suo guscio esterno. Sia il termine che il concetto di ipervalenza ancora oggi sono oggetto di aspre critiche. Nel 1984, in risposta a questa controversia generale, Paul von Rague Schleyer propose di sostituirlo con il termine ipercoordinazione perché questo termine non implica alcun tipo di legame chimico e la questione potrebbe quindi essere del tutto evitata, ma il problema non ha ancora trovato una soluzione definitiva.

Infine, sembrerebbe un argomento su cui non abbiamo più nulla da scoprire, ma chi sa dire qual’è la reale struttura dell’acqua? Secondo la rivista Science nel 2005, uno dei 100 problemi in sospeso o irrisolti nel campo della scienza ruota attorno alla questione di quanti legami idrogeno l’acqua riesce a formare con le molecole vicine e di come è in grado di farlo. Questo problema è molto più complesso di quanto appaia ad uno sguardo distratto, si consulti ad esempio la pagina di wikipedia che tratta dei water cluster.

Mi auguro che questo viaggio tra i misteri della chimica abbia giustamente deluso chi si aspettava qualche rivelazione sulle scie chimiche o una nuova ricetta per la pietra filosofale, mentre spero vivamente che quanto riportato possa in qualche modo stimolare qualche giovane mente brillante, che approda con entusiasmo ai veri misteri delle scienze, lasciando da parte quelli da baraccone.

Se mai scoprirete qualche rivoluzionaria soluzione, grazie anche a questo articolo, mi raccomando, non dimenticate di citarmi tra le vostre muse …😉

Fonte: en.wikipedia – List of unsolved problems in chemistry

Immagini tratte, quando non diversamente specificato, da Wikipedia

One thought on “Viaggio tra i misteri della chimica

  1. Pingback: La chimica del futuro e il futuro della chimica – XXIII Carnevale della Chimica | Il chimico impertinente

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