Perché l'organocatalisi asimmetrica ha vinto il premio Nobel 2021?

Il premio Nobel

Il premio Nobel per la Chimica 2021 è stato insignito a Benjamin List (Istituto Max Planck di ricerca sul carbone) e David MacMillian (Università di Princeton) “per lo sviluppo dell’organocatalisi asimmetrica”, un nuovo ingegnoso strumento per costruire molecole complesse.

Benché le parole “organocatalisi asimmetrica” compaiano per la prima volta all’inizio del secolo scorso, si ritenevano questi metodi di sintesi come uno sviluppo delle singole reazioni, quindi avanzamenti interni a specifici campi di applicazione. Solo alla fine del secolo scorso, grazie a List e MacMillian, l’organocatalisi asimmetrica è stata accettata come nuovo pilastro tra i metodi di sintesi asimmetrici perchè potenzialmente applicabile ad una vasta gamma di reazioni.

L’organocatalisi asimmetrica negli ultimi decenni ha contribuito:

Alla ricerca farmaceutica, consentendo di sintetizzare e sviluppare nuovi farmaci in modo più semplice;
A rendere la chimica più green, riducendo l’impatto ambientale delle reazioni chimiche.

L’organocatalisi asimmetrica è un tipo di reazione chimica (catalisi) con due caratteristiche:

Il catalizzatore è una piccola molecola organica, ad esempio un amminoacido;
Il prodotto ha una specifica e desiderata stereochimica, struttura della molecola.

I catalizzatori

In una reazione chimica, il catalizzatore accelera la velocità della reazione abbassando l’energia di attivazione. Il catalizzatore è una sostanza che interagisce con i reagenti, ma non fa parte dei prodotti. Infatti, è rigenerato al termine di una reazione e torna ad essere disponibile per altre reazioni. Per questo motivo è necessario in minima quantità rispetto ai reagenti ed è indicato sopra la freccia di reazione.

Le due principali classi di catalizzatori sono i metalli (come sali, composti o complessi metallici) ed enzimi (come macromolecole o interi microrganismi). I primi sono catalizzatori molto efficienti, spesso selettivi, ma allo stesso tempo costosi da produrre e da smaltire. Al contrario, gli enzimi sono estremamente selettivi, hanno un basso impatto ambientale, ma spesso non sono compatibili con i processi industriali.

In basso: schema generico di una reazione chimica
In alto: tre classi principali di catalizzatori — *Figura 1 – Reazione chimica e tre classi di catalizzatori [Fonte: Created with* *biorender.com/Scalabrin Silvia]*

Gli organocatalizzatori

Nel 2000, Benjamin List e David MacMillian, indipendentemente, hanno sviluppato un nuovo tipo di catalisi basato su piccole molecole organiche, ad esempio gli amminoacidi. Questi organocatalizzatori sono efficaci, non tossici, rispettosi dell’ambiente ed economici da produrre. Le sintesi organocatalizzate (dette anche organocatalisi) possono essere classificate in vario modo. Comunemente sono raggruppate in quattro categorie in base alle proprietà acido/base del catalizzatore:

Acido di Lewis (elettrofilo, accetta elettroni)
Base di Lewis (nucleofilo, dona elettroni)
Acido di Brønsted (dona protoni)
Base di Brønsted (accetta protoni)

Alternativamente, le organocatalisi possono essere classificate in base a come interagisce il catalizzatore con i reagenti:

Interazione covalente, tra catalizzatore e reagenti si forma un legame chimico;
Interazioni non-covalente, tra catalizzatore e reagenti non si forma un legame chimico.

L’asimmetria in biologia

Le molecole biologiche hanno un struttura nello spazio specifica per cui queste molecole costituiscono gli organismi, ma le loro immagini speculari no perché non sono sovrapponibili. Queste molecole sono asimmetriche, non hanno un asse di simmetria e sono chiamate chirali. Ecco due esempi:

Gli amminoacidi appartengono tutti alla serie L e non alla D (esclusa la glicina che è simmetrica);
Gli zuccheri appartengono tutti alla serie D e non alla L.

Struttura chimica D-glucosio e L-glucosio — *Figura 2 – Struttura chimica di D-Glucosio e L-Glucosio [Fonte: commons.wikimedia.org]*

Le sintesi asimmetriche

Allo stesso modo, molti farmaci sono composti chimici con una struttura specifica e sono efficaci nel combattere le malattie, mentre le molecole speculari non sono attive, hanno effetti positivi su altre malattie o hanno effetti negativi. Controllare la chiralità dei prodotti di sintesi è quindi fondamentale. Partendo dagli stessi reagenti si possono sintetizzare diverse molecole che sono tra loro stereoisomeri, con le stesse proprietà chimico-fisiche, ma diverse proprietà biologiche e farmacologiche.

Interazione tra molecola chirale (immagine speculari non sovrapponibile) e sito di un recettore proteico — *Figura 3 – Interazione tra molecola chirale e proteina* *[Fonte: treccani.it]*

Le sintesi asimmetriche si basano sull’utilizzo di un reagente pro-chirale, che porta alla formazione di un centro chirale (centro asimmetrico), o sull’utilizzo di un catalizzatore chirale. Quest’ultimi ricadono in una delle classi precedentemente nominate:

Complessi metallici;
Enzimi che per loro natura catalizzano reazioni stereoselettive;
Organocatalizzatori.

Take home message

In sintesi, l’organocatalisi asimmetrica è un ambito di ricerca che si è sviluppato negli ultimi decenni e promette di essere centrale nell’industria chimica, farmaceutica e in tutte le situazioni in cui è necessario controllare la stereochimica dei prodotti di sintesi. Inoltre, gli organocatalizzatori presentano notevoli vantaggi per l’ambiente e per i processi industriali.