Spianare la strada all’arrivo di solventi più ecologici
La produzione di molti prodotti di uso quotidiano, dallo shampoo alla plastica, fino ai farmaci, richiede lo svolgimento di reazioni chimiche, «sintesi organiche» che per essere messe in atto hanno bisogno dell’impiego di solventi, i quali a loro volta, tradizionalmente, derivano da combustibili fossili quali il petrolio e il gas. Tuttavia, all’orizzonte si profila un futuro più verde: nuovi solventi di origine vegetale potrebbero infatti ridurre ulteriormente la nostra dipendenza dai combustibili fossili, sebbene la mancanza di studi sulle loro reazioni ne stia rallentando l’adozione. «Il divario di conoscenze è dovuto principalmente al fatto che i solventi a base biologica sono relativamente nuovi, per cui non sono ancora stati studiati in modo sistematico utilizzando metodi quantitativi di matrice fisico-organica», afferma Armin R. Ofial, responsabile del gruppo di ricerca presso l’Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera(si apre in una nuova finestra). Nel quadro del progetto ResolveByBio, che è stato sostenuto dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), Ofial e il suo team hanno cercato di colmare questa lacuna fornendo dati sulle reazioni tra elettrofilo e nucleofilo in solventi di origine biologica. Queste reazioni comportano la formazione di nuove molecole mediante il collegamento di due reagenti attraverso un nuovo legame chimico: il nucleofilo, ricco di elettroni, condivide una coppia di elettroni con l’elettrofilo, che invece ne è povero, il quale la accetta per formare tale nuovo legame. «Un aspetto fondamentale del progetto è che colma il divario tra la fisica fondamentale della chimica organica con le sfide concrete legate alla sostenibilità», aggiunge Ofial. «Grazie alla combinazione di analisi cinetica, spettroscopia e modelli computazionali, questo lavoro non solo consente di approfondire le conoscenze scientifiche, ma fornisce inoltre strumenti concreti per dare vita a una sintesi chimica più sostenibile.»
Analizzare le reazioni tra elettrofiloe nucleofilo
La reattività dei nucleofili dipende dal solvente in cui si svolgono le reazioni; utilizzando la spettroscopia a risoluzione temporale, ResolveByBio si è concentrato sulla quantificazione di tale reattività in solventi bio-rinnovabili. «Ciò ha comportato il monitoraggio dei tassi di decomposizione di reagenti elettrofili colorati in condizioni controllate», spiega Ofial. I ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti al fine di determinare la velocità con cui avvenivano le reazioni nei solventi di origine vegetale, analizzando successivamente a livello matematico i risultati per calcolare i punteggi relativi alla reattività di ciascun nucleofilo. «In questo modo è stato possibile integrare i nuovi dati relativi alla reattività di importanti classi di nucleofili, quali le fosfine e le enamine, in solventi bio-rinnovabili nella scala di reattività attualmente più completa per le reazioni polari», osserva Ofial. Questa scala, nota come scala di Mayr, in precedenza riportava solo i valori relativi alla reattività dei nucleofili in solventi convenzionali basati su combustibili fossili o in soluzioni acquose.
Ampliare le nostre conoscenze sui solventi di origine vegetale
In uno studio recente, ad esempio, le azidi viniliche(si apre in una nuova finestra) hanno reagito più rapidamente nel solvente bio-rinnovabile Cyrene™(si apre in una nuova finestra) rispetto al diclorometano, un solvente derivato dai combustibili fossili. «Questo risultato mette in evidenza il fatto che i solventi bio-rinnovabili presentano dei vantaggi, poiché non solo sostituiscono semplicemente i solventi fossili esistenti, ma offrono a volte anche un ulteriore beneficio, riducendo i tempi di reazione», osserva Ofial.
Promuovere la trasformazione sostenibile nel settore chimico dell’UE
Il progetto fornisce i dati fondamentali necessari per sostituire i solventi pericolosi di origine fossile con alternative sostenibili e consente ai ricercatori di prevedere i tempi di reazione nei solventi di origine biologica. «In tal modo si elimina un ostacolo fondamentale alla loro diffusione industriale», osserva Ofial. «Si contribuisce direttamente alla strategia dell’UE basata sulla “sostenibilità sin dalla progettazione” e si favorisce la transizione verso processi chimici più sicuri e a basse emissioni di carbonio, riducendo nel complesso la generazione di rifiuti industriali.» I ricercatori intendono ampliare i propri studi per includere una gamma più ampia di reazioni e sistemi di solventi, il che potrebbe agevolare lo sviluppo di nuovi prodotti in maniera maggiormente ecocompatibile. «In definitiva, l’obiettivo è quello di utilizzare queste conoscenze fondamentali in qualità di strumenti per favorire applicazioni pratiche, tra cui la sintesi di molecole funzionali mediante il ricorso a solventi rispettosi dell’ambiente», conclude Ofial.