Click chemistry, la pragmaticità della chimica in discussione?

Sintesi efficace di architetture molecolari meccanicamente interconnesse. Imagecredit: The Chemical Society of Japan (doi:10.1246/bcsj.80.1856)

In questi ultimi dieci anni le antologie di chimica organica si sono arricchite di un nuovo e importante capitolo. La click chemistry, forse traducibile come la “chimica a scatto”, è una filosofia della chimica moderna introdotta all’inizio di questo millennio da Karl Barry Sharpless (premio Nobel per la chimica nel 2001), distinguendo una categoria di sintesi molecolari condotte in maniera rapida ed efficace grazie all’impiego di quantità minime di reagenti.

ResearchBlogging.org

Le applicazioni sono molteplici e le tecniche mirano a soddisfare i più verdi auspici previsti dalle pratiche della Green Chemistry, tuttavia è necessario un certo equilibrio tra pragmaticità e sostenibilità, per evitare di scadere in un facile opportunismo, o peggio ancora, nella bieca speculazione.

Rappresentazione artistica della Click Chemistry. Imagecredit: The Scripps Research Institute

La click chemistry è ispirata dal fatto che in natura le reazioni chimiche si verificano con l’unione di piccole unità modulari, infatti il suo modus operandi imita le peculiarità delle sintesi biologiche approfittando dei vantaggi che ciò comporta. I requisiti che una certa reazione deve rispettare per inserirsi nella categoria sono numerosi e non aggirabili, quindi queste reazioni devono essere modulari e di ampia portata, devono fornire alte rese e generare sottoprodotti ambientalmente innocui, devono inoltre essere stereospecifiche, fisiologicamente stabili e rispettare una certa “economia” degli atomi in gioco. Affinché si verifichino con efficienza, deve esistere una condizione favorevole come un grande stimolo termodinamico (> 84 kJ/mol) in modo che sia favorita la reazione con un singolo prodotto. Un reagente che soddisfi queste condizioni si comporta proprio come una di quelle “antiche” automobiline caricate a molla, una volta lasciate andare sono dirompenti e vanno dritte al bersaglio!

Secondo questa ottica, tali processi devono essere caratterizzati da condizioni di reazione semplici, impiegare reagenti di larga disponibilità evitando invece l’uso di solventi, specialmente quelli meno ambientalmente compatibili (come i clorurati), preferibilmente il mezzo dovrebbe essere acquoso e l’isolamento dei prodotti finali non deve essere troppo  complesso (come la cromatografia), bensì deve contare su tecniche di separazione semplici come la cristallizzazione o la distillazione.

Il trend delle ricerche che riguardano la click chemistry è in aumento vertiginoso. Imagecredit: Paolo Cappella

Le applicazioni, come accennato, sono molteplici e spaziano dal settore farmaceutico alle nanotecnologie, interessando le scienze dei materiali e dei polimeri, la chimica supramolecolare e la progettazione dei dendrimeri, perfino la genetica e la biochimica non si possono escludere, anzi è proprio in questi ultimi due ambiti che gli approcci sono più irruenti.

Appartiene alla click chemistry una delle reazioni più popolari della chimica di questi tempi, la cicloaddizione 1,3 dipolare, conosciuta anche come cicloaddizione di Huisgen tra un azide e un alchino terminale. Si pensi che nel 2006 un paper in cui si descrive l’importanza di questa reazione è stato il più quotato fra tutti quelli inseriti in chimica organica, secondo l’ISI Web of Science, con ben 503 citazioni al suo attivo.

Sharpless si è riferito a questa reazione come alla crème de la crème della click chemistry, ma nella categoria se ne annoverano molte altre, come le reazioni di Diels-Alder, alcune sostituzioni nucleofile soprattutto con piccoli anelli come gli epossidi e  le aziridine e altre reazioni ancora.

Nel video: animazione schematica della sintesi del [2]catenano formato da bipiridinio ciclofano e para-fenilene.

Entrando  nello specifico, la cicloaddizione era già nota fin dai primi anni ’60, la vera svolta fu l’introduzione di un catalizzatore che rese la reazione più favorevole dal punto di vista cinetico, evitando accorgimenti come alte temperature ed elevate pressioni, per ottenere una velocità di reazione ragionevole. Si scoprì che l’utilizzo di un sale di rame(I) accelera la reazione di un fattore dell’ordine di 107 a temperatura ambiente, riducendo nel contempo anche i problemi di ingombro sterico e producendo in condizioni stabili un triazolo inerte a ossidazioni e degradazioni enzimatiche. Tuttavia l’instabilità dello ione rameoso, può essere compromessa da ossidazioni provocate dall’ossigeno disciolto, rendendo il catalizzatore inutilizzabile. Per questo motivo è necessario procedere alla sua generazione ad hoc riducendo ioni di rame bivalente in situ, in un processo costante e controllato e che mantenga alti i livelli del catalizzatore.

La cicloaddizione 1,3 dipolare tra azidi e alchini terminali catalizzata dal rame (CuAAC), spesso viene considerata come la rappresentante principale della click chemistry, ma non è certo l’unica, basti controllare il numero di ricerche emergenti che si occupano dei rotaxani e dei catenani, i quali sono fondamentali per la produzione di interruttori molecolari, una delle nuove frontiere della biochimica applicata alle nanotecnologie.

I criteri per “iscriversi” nella categoria però sono abbastanza soggettivi e non perfettamente delineati, benché sia possibile (lavorandoci) raggiungere un consenso condiviso.

È improbabile che ogni reazione si adatti perfettamente a qualsiasi situazione e applicazione, ma servirebbe qualche compromesso. Inoltre la crescente attenzione che stimola la click chemistry, attira anche cospicui finanziamenti e il rischio di “infiltrazioni” poco attinenti, environmentally incorrect o rivolte  troppo verso il profitto, è elevatissimo.

Qualcuno infatti si è posto il problema, delineando che la green chemistry è una buona cosa per l’ambiente, mentre la click chemistry è soprattutto buona per i chimici, per esempio nell’ottica della riduzione dei costi. Il dibattito sul tema però imperversa, la chimica verde dovrebbe davvero contemplare solo gli aspetti ambientali ed etici oppure dovrebbe accogliere anche quelli economici per un suo più agile progresso?

Anche in Italia, la ricerca scientifica in questo settore manifesta una certa vivacità e i ricercatori impegnati in questo campo sono molto numerosi. Di grande aiuto per questo articolo è stata la consultazione della tesi di laurea del Dr. Paolo Cappella, “Click Chemistry”: una nuova strategia nello studio della proliferazione cellulare, che ringrazio per la condivisione online.

Fonti per le immagini:

Altre fonti:

3 thoughts on “Click chemistry, la pragmaticità della chimica in discussione?

  1. Verbale I° RIUNIONE TUSCANY- NANOWEEK

    Cari amici ed amiche in indirizzo,

    stamani 07 marzo 2011, mattina 0re 1000.-13.00, presso ITIS FERRARIS
    si e tenuta la Prima Iniziativa della “Tuscany Nano WEEK” , alla
    presenza di studenti delle 5* e 4* classi dell’ ITIS e ei Docenti di
    Chimica ed Informatica.La iniziativa T-NanoWEEK si sviluppa nel quadro
    dell’ anno internazionale della Chimica,con il Patrocinio dell’ INSTM
    . (http://www.instm.it/test_new_version/)

    vedi Locandina in : http://www.edscuola.it/archivio/lre/nanoweek.pdf

    Relatori :
    la Preside dell’ ITIS Prof. Daniela .Mancini , il Direttore dell’
    agenzia Asev (www.asev.it) dr. Tiziano.Cini, il Direttore della API
    Siena Dr. A. Savelli,il Dr, Paolo Manzelli, del LRE/EGOCREANET
    ,(www.edscuola.it/lre.html ) , i ricercatori dr. Matteo Mannini del
    Dip. di Chimica della Univ. di Firenze , e dr.sa Claudia Antonietti
    del Dip. Di Chimica della Univ. di Pisa, ed il dr Pietro Vigano del
    progetto Europeo INDOOR (www.toscanaeconomia.it)

    In conclusione dell’ ampio dibattito si e deciso di impostare un
    gruppo di studio e di disseminazione sulla Nanoscienza e le
    Nanotecnologie in collaborazione con l’ ASEV di Empoli , che
    realizzera presso ITIS Ferraris un apposito WEB per la divulgazione di
    materiali didattici innovativi aggregato al con il sito web Europeo(
    http://nanoyou.eu/ ) ed in aperta collaborazione con enti e imprese
    interessate al progetto itinerante TUSCANY-NANOWEEK .
    Ha chiuso la manifestazione la Prof. Maria Grazia Quirici vive Preside
    dell’ ITIS -Ferraris di Empoli.

    Successivamente la prima esperienza della Tuscany NanoWeek si
    svolgera’ in i altri due incontri pomeridiani , ore 16.30-18.30 c/o
    l’ ASEV di Empoli http://www.asev.it

    Le tematiche trattate saranno le seguenti :

    09-Marzo-2011 , pomeriggio ore 16.30-18.30 c/o ASEV Empoli
    (http://www.asev.it) ,
    -1) -” Progressi nel trattamento delle
    tecnologie chimiche e dei materiali”, Dante Gatteschi Presidente INSTM,
    -2) “Nuove tenologie di produzione”: Dr. Giovanni Baldi ,Colorobbia -Italia,
    -3) ” Sviluppo e validazione di nuovi modelli tecnologici e strategie
    industriali per le nanotecnologie”, Drsa.Federica Lodato , Nanotech
    -Veneto .
    4)- Saranno Presenti anche invitati stranieri interessati al Progetto
    T-NANOTECH

    11-marzo-2011, pomeriggio ore 16.30-18.30 c/o ASEV Empoli
    (http://www.facebook.com/l/197e6/www.asev.it):Tavola Rotonda su
    “Integrazione della chimica e le nanotecnologie per le applicazioni di
    restauro dei beni culturali ” ,Coordina Tiziano Cini, Direttore ASEV ,
    partecipano Luigi Dei ( Dip.Chimica, Universita di Firenze), Lidia
    Cinelli , Artigianato di Toscana Restauro, Andrea Gualtierotti ,
    MIDA-srl Restauro (Pt). –

    Saro lieto della vs collaborazione nel diffondere la iniziativa .

    Grazie Paolo Manzelli 07/Marzo/2011 .

  2. Complimenti per questo articolo che mi era sfuggito. La tesi di laurea che è pubblicata nel mio sito web è inversione ridotta a causa di alcuni dati che non avevo ancora pubblicato ai tempi. Per una completa comprensione della tecnica della “click” nell’ambito della biologia cellulare nel quale lavoro potete leggere il lavoro “free” sulla rivista cytometry http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18521918

    • Grazie a te Paolo, la tua tesi è molto interessante, e sono felice di essere riuscito una volta tanto a portare l’eccellenza della ricerca italiana su questo piccolo blog. Nel caso ti capiti di pubblicare altri lavori in open access, io e i miei lettori saremo lieti di darci uno sguardo in anteprima, se vorrai indicarcelo. Grazie ancora e a presto!

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