Diels-Alder ricaricato: più efficace con l'elettricità
Chimica quantistica per processi sostenibili: come il comportamento degli elettroni determina le reazioni
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La ricerca chimica è spesso un processo di tentativi ed errori. Spesso in laboratorio le cose non vanno come previsto: le reazioni si bloccano o producono troppo poco. La conoscenza delle proprietà chimiche delle sostanze coinvolte non è più sufficiente. I chimici vorrebbero invece "guardare più a fondo" nella reazione, fino al livello subatomico. Questo è possibile con l'analitica ad alta tecnologia. Anche la chimica quantistica è sempre più richiesta, perché può rivelare i momenti critici del processo catalitico solo attraverso il calcolo, ad esempio, del comportamento degli elettroni. La dott.ssa Olga Bokareva dirige questo lavoro presso il LIKAT di Rostock. Un esempio attuale è una nuova reazione di Diels-Alder.
La crescente potenza di calcolo e gli algoritmi sempre migliori hanno reso la modellazione delle reazioni chimiche indispensabile per la ricerca. "Questo è particolarmente vero quando la chimica sta aprendo nuove strade, ad esempio nella sostituzione delle materie prime fossili con i sottoprodotti della civiltà. Oppure nell'ampliare la gamma di applicazioni di processi classici e collaudati e nell'utilizzarli per processi sostenibili", afferma Olga Bokareva, responsabile di un gruppo di ricerca junior presso il Leibniz Institute for Catalysis.
Diels-Alder ricaricato: più efficace con l'elettricità
La chimica cita la reazione di Diels-Alder come esempio attuale. Per tre quarti di secolo ha avuto un posto di rilievo nella chimica organica, soprattutto nella sintesi di principi attivi farmaceutici e di altre molecole complesse. I suoi scopritori sono stati insigniti del Premio Nobel nel 1950.
Attualmente diversi laboratori stanno cercando di rendere la reazione di Diels-Alder utilizzabile per sintesi molto più complesse di quanto sia stato possibile finora. Al LIKAT, questo obiettivo è stato raggiunto con mezzi elettrochimici. La dott.ssa Bokareva spiega che: "Gli elettrodi nella soluzione di reazione forniscono una corrente che guida il processo e lo rende molto più efficace della classica reazione di Diels-Alder".
Il direttore scientifico del LIKAT, il Prof. Dr. Robert Franke, ha collaborato con i colleghi giapponesi a questo progetto e insieme hanno presentato un documento. I loro esperimenti avevano dimostrato che la reazione elettrochimica di Diels-Alder funziona a meraviglia con alcuni materiali di partenza, ma non con altri. Gli autori hanno avanzato alcune ipotesi sulle cause. Tuttavia, la rivista ha richiesto una spiegazione meccanicistica dettagliata utilizzando metodi di chimica quantistica.
È qui che è entrata in gioco l'esperienza della dottoressa Bokareva e del suo team. Una dottoranda, Yanan Han, si è occupata del lavoro come parte della sua tesi di laurea.
Paragonabile a Google Maps
Per comprendere il meccanismo di reazione, il team ha utilizzato la chimica quantistica per calcolare l'energia delle molecole lungo il percorso di reazione. Tutto ciò che occorreva sapere era il materiale di partenza e il prodotto, oltre ad alcune informazioni sulle condizioni di reazione, come la temperatura. La dottoressa Bokareva paragona questo approccio a Google Maps: "Si conosce la posizione e la destinazione e si vogliono evitare gli ingorghi; nella reazione, questo potrebbe essere un prodotto intermedio indesiderato. Il programma calcola il percorso migliore".
Questi calcoli di chimica quantistica non forniscono valori esatti, ma piuttosto approssimazioni, spiega la dott.ssa Bokareva. Lo stato attuale delle singole molecole è determinato dalla differenza tra i loro stati energetici. Il motivo risiede nella natura quantistica degli elettroni, che sono descritti da funzioni d'onda.
Le basi matematiche per questi calcoli sono state sviluppate circa cento anni fa, come le equazioni di Schrödinger, che Olga Bokareva e il suo team utilizzano insieme a metodi numerici.
Le nuvole di elettroni determinano la reazione
Oggi i risultati possono essere rappresentati graficamente, ad esempio sotto forma di orbitali, che è il nome dato alle posizioni degli elettroni negli atomi. Sullo schermo appaiono come strutture colorate che ricordano dei palloncini galleggianti. "Spesso parliamo di nuvole di elettroni quando intendiamo lo spazio diffuso in cui si trovano gli elettroni", spiega Olga Bokareva. Tali rappresentazioni aiutano non solo ad analizzare i processi di reazione, ma anche a comprenderli in modo intuitivo. "La chimica quantistica non è solo impegnativa, è anche bella".
Cosa hanno dimostrato i calcoli per la nuova reazione di Diels-Alder? "Siamo riusciti a identificare un prodotto intermedio che si forma in un momento critico del processo", spiega la dott.ssa Bokareva. Affinché la reazione continui, questo prodotto intermedio ha bisogno di un ulteriore elettrone. Il sistema deve consentire questo trasferimento di elettroni dal punto di vista energetico e i ricercatori sono riusciti a identificare condizioni specifiche per questo nel comportamento delle nuvole di elettroni. Queste condizioni non sono state soddisfatte nei substrati problematici e la reazione si è interrotta.
La ragione dell'interruzione è stata quindi individuata e i risultati sono stati pubblicati insieme a partner giapponesi e sono apparsi di recente online. Secondo la dott.ssa Bokareva, il lavoro offre approcci per rendere utilizzabili per la sintesi elettrochimica di Diels-Alder substrati che finora non hanno avuto successo. Ad esempio, modificando la struttura elettronica di questi composti o le condizioni di reazione elettrochimica.
Non più un dominio maschile
Può sembrare sorprendente che questa intuizione sia stata ottenuta attraverso un lavoro teorico. Per Olga Bokareva, utilizzare il calcolo puro e "un autentico lavoro di squadra per far luce su scoperte sperimentali sconcertanti e rivelare meccanismi nascosti" è una cosa ovvia. Questo la soddisfa più del lavoro svolto in laboratorio molti anni fa.
Olga Bokareva ha conseguito il dottorato e l'abilitazione sia in teoria che in chimica quantistica, campi a lungo dominati dagli uomini. Questo è uno dei motivi per cui è orgogliosa che quattro dei suoi dottorandi siano donne. Il suo gruppo è in costante crescita e lavora su questioni attuali all'interfaccia tra teoria e applicazione.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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