Nobel per la Chimica: l’innovazione sotto gli occhi di tutti
Sfruttare derivati aminoacidici per catalizzare reazioni organiche stereospecifiche: l’intuizione di List e MacMillan
«Sono un chimico organico, lavoro con piccole molecole organiche ogni giorno ma non ci avevo pensato». Così Peter Somfai, membro del Comitato Nobel, ha commentato la vittoria di Benjamin List (Max-Planck-Institut di Mülheim an der Ruhr, Germania) e di David W.C. MacMillan (Princeton University, New Jersey, USA), insigniti del Nobel per la Chimica 2021 “per lo sviluppo dell’organocatalisi asimmetrica“.
La chimica allo specchio
In chimica organica i composti che presentano un atomo di carbonio legato a quattro sostituenti diversi sono detti chirali. Una molecola chirale non è sovrapponibile alla propria immagine speculare, proprio come i palmi delle mani destra e sinistra. Le mani, benché anatomicamente identiche, sono asimmetriche e perciò non possono sovrapporsi se poste sullo stesso piano. Allo stesso modo, una molecola chirale avrà due “versioni” diverse, dette enantiomeri, identiche nella formula di struttura ma opposte nella disposizione tridimensionale.
La chiralità è una proprietà interessante: i due enantiomeri sono in grado di ruotare il piano della luce polarizzata nelle due direzioni opposte (pertanto uno è detto destrogiro e l’altro levogiro), ma soprattutto questo concetto apre le porte a reazioni stereospecifiche, cioè che avvengono solo grazie a uno dei due enantiomeri.
Embè?
Se quanto detto sopra non vi sconcerta a dovere, pensate all’esempio della talidomide. Il farmaco fu impiegato fino agli anni Sessanta come tranquillante; il suo profilo di efficacia e sicurezza sembrava migliore rispetto a quello dei barbiturici tradizionalmente impiegati. Peccato che la talidomide fosse venduta in forma racemica, ovvero in una miscela includente entrambi gli enantiomeri, mentre solo l’enantiomero R(+) è attivo. L’S(-)-talidomide è invece tossica e ha provocato gravissime malformazioni nei neonati da donne che assumevano il sedativo in gravidanza. I bambini nascevano focomelici, cioè con gli arti sottosviluppati, simili a pinne di foca.
L’organocatalisi asimmetrica
Alcune reazioni chimiche avvengono rapidamente e in modo spontaneo, ma si tratta di eccezioni: la maggior parte dei processi chimici, anche a livello biologico, necessitano di una catalisi, cioè di una velocizzazione mediata da un catalizzatore. Fino al secolo scorso i catalizzatori si riconducevano a due macro-categorie: quelli enzimatici, che avendo natura proteica sono difficilmente impiegabili per la loro suscettibilità a idrolisi, e quelli metallici (a base, ad esempio, di litio o palladio), con gravi problemi di tossicità, impatto ambientale e stabilità chimica (i composti del litio sono esplosivi se esposti all’umidità).
La rivoluzione di Benjamin List e David MacMillan fu un pensiero semplice: e se sfruttassimo più piccola porzione attiva di un enzima per realizzare molecole organiche chirali che facciano da catalizzatori?
Gli enzimi sono proteine e in quanto tali sono costituiti da aminoacidi. Nei primi anni 2000, gli studi di List su più enzimi gli permisero di riconoscere la L-prolina come l’aminoacido chiave responsabile della catalisi di diverse reazioni organiche. Gli aminoacidi, del resto, sono presenti come enantiomeri nel corpo umano, che è quindi capace di sintetizzare selettivamente la molecola chirale d’interesse.
Contemporaneamente e dall’altra parte del mondo, l’americano David MacMillan scopriva che i derivati dell’aminoacido fenilalanina sono in grado di catalizzare la reazione di Diels-Alder con un’ottima enantioselettività.
Embè²?
Se il precedente paragrafo non vi ha fatto strabuzzare gli occhi dallo stupore, immaginate di essere uno scienziato che ha scoperto un nuovo promettente farmaco. Senza contare gli svariati test a cui dovrete sottoporre il vostro beniamino, la vita di laboratorio è già difficile di suo. La molecola ha la sfortuna di essere chirale e quindi di esistere in due enantiomeri, uno solo dei quali è attivo. Le uniche procedure che avete a disposizione per velocizzare una reazione che altrimenti richiederebbe anni (!) per essere portata a compimento sono la catalisi enzimatica (ma gli enzimi a pH acido si denaturano: addio) o quella metallica (che se capita nelle mani sbagliate può far esplodere voi e le vostre preziose strumentazioni).
Un bel giorno leggete su una rivista scientifica che qualcuno ha progettato dei nuovi catalizzatori. Piccole molecole organiche che somigliano ad amminoacidi e che perciò sono chirali, pertanto saranno in grado di impartire al vostro prodotto la giusta chiralità senza farvi perdere tempo, reattivi, solventi e denaro con l’enantiomero indesiderato. Il tutto senza nemmeno rischiare la vita vostra e del pianeta.
Pensa ai medicinali che assumi: ora abbiamo un modo alternativo per produrli che è meno dannoso per l’ambiente.
Peter Somfai, membro della Commissione Nobel
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Cover image: © Niklas Elmehed for Nobel Prize Outreach
