La chimica supramolecolare
Il contributo è tratto da Storia della civiltà europea a cura di Umberto Eco, edizione in 75 ebook
La chimica supramolecolare rappresenta uno dei settori di ricerca più originali e di ampie prospettive della chimica degli ultimi decenni del Novecento. L’esistenza della chimica supramolecolare si fonda essenzialmente sulla possibilità, grazie all’intervento sui legami deboli e intermolecolari, di riuscire a costruire una serie di insiemi molecolari, variabili nella forma e fortemente plasmabili. Protagonisti della costruzione della chimica supramolecolare sono stati Charles J. Pedersen, Jean-Marie Lehn e Donald J. Cram.
Un nuovo traguardo: la sintesi degli eteri corona
La chimica supramolecolare prende l’avvio negli anni Sessanta presso i laboratori della celebre azienda americana Du Pont, con gli studi di Charles J. Pedersen (1904-1989). Pedersen, dopo aver studiato ingegneria chimica all’Università di Dayton, si iscrive presso il celebre Massachussetts Institute of Technology (MIT), dove ottiene un master in chimica organica. Nel 1927, quindi, entra a far parte della Du Pont, brevettando una lunga serie di invenzioni, dai coloranti per l’industria tessile a soluzioni antigelo per i radiatori delle automobili. Sotto il profilo teorico si occupa di chimica di coordinazione, in particolare delle proprietà catalitiche del rame e degli elementi di transizione, e della degradazione ossidativa di prodotti del petrolio e della gomma.
Nel 1947 Pedersen è nominato associato di ricerca, il più alto livello nella carriera alla Du Pont. Dopo essersi interessato per un certo periodo di fotochimica, all’inizio degli anni Sessanta Pedersen torna a occuparsi della chimica di coordinazione, studiando in particolare le proprietà catalitiche del gruppo vanadile (VO). Egli giunge così a sintetizzare una nuova sostanza, che risulterà essere il primo etere corona, oggi definito in chimica come una molecola macrociclica costituita da atomi di ossigeno alternati a gruppi -CH2-CH2- e contenente spesso anche altri componenti molecolari, il cui nome deriva da quello del gruppo -CH2-O- CH2- (gruppo etereo) e dalla forma che viene ad avere la molecola macrociclica.
Perdersen ottiene il primo brevetto per la sua scoperta nel giugno del 1966 e solo dopo quel momento può dare notizia alla comunità scientifica delle sue ricerche: un tipico caso di come la politica sui brevetti di una azienda possa ritardare la comunicazione di importanti risultati scientifici. Il 23 marzo 1967 Pedersen presenta in maniera ufficiale i risultati della sua scoperta sul “Journal of the American Chemical Society” in una breve nota intitolata Cyclic Polyethers and Thier Complexes with Metal Salts, che viene rapidamente stampata, a causa della novità dell’argomento trattato, sul fascicolo di maggio della rivista. La nota descrive la sintesi di 49 nuovi composti organici dalla struttura ciclica singolare, caratterizzati dalla proprietà di formare complessi relativamente stabili con gli ioni dei metalli alcalini e alcalino-terrosi. Pedersen presenta anche una formula di struttura rappresentante uno ione al centro di un anello, trattenuto da sei atomi di ossigeno.
In un successivo e più ampio articolo, pubblicato nel dicembre del 1967, Pedersen, oltre ad offrire un consistente numero di dati e di formule di struttura, conia anche un nome per la nuova classe di composti: i polieteri ciclici vengono chiamati composti corona.
Le applicazioni biochimiche
I primi a dimostrare un notevole interesse nei confronti della scoperta di Pedersen sono i biochimici. È da subito evidente, infatti, una somiglianza strutturale fra gli eteri corona e una serie di antibiotici naturali con struttura ciclica, studiati da Moore e Barton C. Pressman, in grado di agire in modo selettivo sull’assunzione di potassio da parte dei mitocondri. Nel corso degli anni vengono sviluppati numerosi studi strutturali sui composti corona e i loro complessi allo scopo di avere a disposizione un modello molecolare ben definito che possa essere trasferibile allo studio biochimico di processi che coinvolgono sostanze naturali.
Fra i ricercatori stimolati dal fondamentale contributo di Pedersen, un ruolo di primo piano spetta a Jean-Marie Lehn. Lehn, dopo essersi laureato a Strasburgo, inizia a lavorare presso la sede locale del Centre National de la Recherche Scientifique ed è il responsabile della conduzione del primo spettrometro di risonanza magnetica nucleare. Dopo aver conseguito il dottorato, lavora per un anno negli Stati Uniti presso il laboratorio di Harvard diretto da Robert Burns Woodward, uno dei massimi esponenti della chimica organica nel XX secolo (Nobel per la chimica nel 1965), riuscendo a partecipare anche all’impresa della sintesi totale della vitamina B12. Ad Harvard, Lehn entra in contatto anche con Roald Hoffmann, Nobel per la chimica nel 1981. Rientrato in Francia, Lehn inizia a occuparsi degli eteri corona di Pedersen, con l’obiettivo di migliorare la comprensione dei fenomeni di diffusione di sodio e potassio attraverso le membrane cellulari. Tra la fine del 1967 e i primi mesi del 1969, Lehn riesce, insieme al suo gruppo di ricerca, a passare dall’analisi degli eteri corona a livello bidimensionale a quella a livello tridimensionale. In sostanza, i sei atomi di ossigeno che costituiscono la “corona” di Pedersen sono disposti ai vertici di un prisma trigonale.
L’istituzionalizzazione della chimica supramolecolare
Un contributo alle ricerche di Lehn viene senz’altro dagli studi effettuati presso la Du Pont da H. E. Simmons e Chung Ho Park su nuovi composti dalla struttura tridimensionale. In base ai risultati delle sue ricerche, Lehn propone, nel 1977, durante il XXVI Congresso Internazionale di Chimica Pura e Applicata tenutosi a Tokyo, la creazione di un nuovo ambito disciplinare, la chimica supramolecolare: la nuova disciplina, a differenza della chimica classica, incentrata sui legami fra gli atomi all’interno delle singole molecole si caratterizza per lo studio di entità complesse che risultano dall’associazione di due o più specie chimiche tenute insieme da legami intermolecolari. In sostanza, la chimica molecolare si presenta proprio come una chimica che sta “al di sopra della molecola”.
Un ulteriore contributo allo sviluppo della chimica supramolecolare viene da Donald J. Cram . Dopo aver studiato all’Università del Nebraska e aver conseguito, nel 1946, il PhD presso la Harvard University, lavorando con Louis Frederick Fieser in chimica organica, Cram si trasferisce, nel 1947, all’Università della California, a Los Angeles, insegnando chimica fino al 1985. Cram è uno specialista nel campo delle sintesi asimmetriche, un settore di ricerca che praticamente ha contributo a sviluppare fin dagli anni Cinquanta. All’inizio degli anni Settanta, Cram, dopo gli straordinari risultati ottenuti da Lehn, inizia a interessarsi alla sintesi delle complesse strutture della chimica supramolecolare. Cram studia gli eteri corona di Pedersen per verificare come sarebbe variato il comportamento di alcune reazioni, catalizzate da basi. Nel 1973 Cram annuncia la sintesi di nuovi composti corona, definiti chinali e caratterizzati dalla struttura asimmetrica. Per il loro contributo alla fondazione della chimica supramolecolare, Pedersen, Lehn e Cram sono insigniti del premio Nobel per la chimica nel 1987.