Catalisi asimmetrica

Molte molecole appaiono in due forme speculari, come le nostre mani: sono definite dagli stessi atomi, congiunti tra loro dagli stessi tipi di legami, nei medesimi gruppi funzionali.

Tuttavia la disposizione spaziale di atomi, legami e gruppi funzionali è talvolta simmetrica, come le nostre mani, speculari ma non sovrapponibili: per questo le molecole che ne risultano sono chiamate chirali, da un termine greco che significa appunto mano. 

In natura una di queste due forme è spesso dominante: così nelle nostre cellule una di queste immagini molecolari speculari si adatta come un guanto producendo un effetto fisiologico benefico, in contrasto all’altra forma la quale potrebbe anche essere dannosa. 

I prodotti farmaceutici sono spesso costituiti da molecole chirali e la differenza tra le due forme può, in certi casi, anche diventare questione di vita o di morte. Emblematico è il caso del talidomide, un farmaco diffuso negli anni Sessanta: un enantiometro è curativo, l’altro è teratogeno.

Talvolta accade che una molecola abbia un effetto e l’immagine speculare invece non ne produca alcuno. Allora, è conveniente produrre solo la molecola attiva, evitando di sprecare materiali ed energia nel produrre entrambe le forme possibili.

Nel 2001, tre chimici hanno vinto il premio Nobel per aver sviluppato molecole che possono catalizzare importanti reazioni in modo che sia prodotta soltanto una delle forme speculari.

La molecola catalizzatrice, chirale essa stessa, accelera la reazione per ritornare inalterata alla fine, pronta a essere riutilizzata (non all’infinito, chiaramente, ma con un certo turn over).

Una sola di queste molecole di catalizzatore può produrre milioni di molecole della forma speculare desiderata; i catalizzatori si impiegano in piccolissime quantità rispetto ai reagenti.

William Knowles, approfondendo i lavori di Geoffry Wilkinson, ha scoperto che la possibilità di usare metalli di transizione (come il rodio) per ottenere catalizzatori chirali per un tipo importante di reazioni chiamata idrogenazione, ottenendo così, come prodotto finale, l’immagine speculare desiderata.

La sua ricerca ha rapidamente portato alla realizzazione di un processo industriale per la produzione di l-DOPA, farmaco usato nel trattamento della sindrome di Parkinson.

Ryoji Noyori ha sviluppato ulteriormente questo processo, introducendo l’uso del BINAP (con il rutenio) e conducendo all’applicazione degli odierni catalizzatori chirali generici per l’idrogenazione.

 

Barry Sharpless ha condiviso il premio per aver sviluppato catalizzatori chirali per un altro importante tipo di reazione, l’ossidazione, utilizzando il titanio.

I risultati delle ricerche di questi scienziati e dei loro collaboratori sono usati in molte sintesi industriali di prodotti farmaceutici come antibiotici, anti-infiammatori e medicine per il cuore.  

L'applicazione di metodi catalitici enantioselettivi trova impiego anche per la preparazione tecnica dei prodotti agrochimici chirali.

Il passaggio chiave per la sintesi tecnica dell'erbicida (S)-metolachlor (commerciato come Dual) è l'idrogenazione enantioselettiva di un’immina intermedia, messa a punto da Hugo Blaser a Basilea. 

 

La reazione è realizzata utilizzando un complesso iridio ferrocenildifosfina con una elevata attività (senza precedenti) e 80% di eccesso enantiomerico.

I fungicidi (R)-metalaxil e (αS,3R)-clozylacon sono stati sintetizzati con il 95%  e il 99% di purezza ottica, rispettivamente. L’idrogenazione enantioselettiva dei precursori enammidici è catalizzata rispettivamente da complessi di rodio e da catalizzatori a base di rutenio/BINAP.

Sul BINAP è modellato anche il catalizzatore necessario alla sintesi industriale del mentolo secondo il processo Takasago.