Con i superacidi contro le sostanze chimiche perpetue
La TU di Berlino produce "acidi di Lewis" a base di silicio in grado di attaccare la problematica chimica PFAS
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I ricercatori dell'UniSysCat Catalysis Cluster of Excellence della TU di Berlino sono riusciti per la prima volta a produrre una classe di cosiddetti super acidi di Lewis che contengono l'elemento silicio e un atomo di alogeno. Questi composti sono tra i più forti acidi di Lewis prodotti finora e possono anche rompere legami chimici molto stabili. Ciò li rende di grande interesse per i processi di riciclaggio e per il concetto di chimica verde, ad esempio per la degradazione delle sostanze alchiliche per- e polifluorurate (PFAS), note anche come "prodotti chimici perpetui". La particolarità: Questi acidi di Lewis non vengono consumati da un processo ciclico all'interno della reazione di degradazione e potrebbero quindi fungere da catalizzatori in futuro. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Chemistry.
In Germania si scoprono continuamente luoghi contaminati da alte concentrazioni di PFAS (immagine simbolica).
I PFAS non possono essere odorati o assaggiati e sono sospettati di provocare il cancro, di rendere le persone sterili e di indebolire il sistema immunitario. Una volta rilasciati nell'ambiente, vi rimangono per molto tempo perché le sostanze non possono essere scomposte rapidamente dall'acqua, dalla luce o dai batteri. Proprio perché i PFAS sono così persistenti, vengono utilizzati in molti modi diversi, ad esempio in mackintos, pentole o materiali da costruzione. In Germania si scoprono continuamente aree contaminate da alte concentrazioni di PFAS.
Gli acidi superleggeri possono rompere i composti PFAS stabili
"La resistenza dei PFAS è direttamente correlata ai loro legami stabili carbonio-fluoro, che sono molto difficili da rompere", spiega il Prof. Dr. Martin Oestreich, titolare di una cattedra Einstein presso la TU di Berlino e capo del dipartimento "Chimica organica/sintesi e catalisi" e membro di UniSysCat. È soprattutto il cosiddetto legame a coppia di elettroni tra gli atomi di fluoro e carbonio nei PFAS a essere particolarmente forte. "Per rendere innocui i PFAS, è necessaria una sostanza che accetti facilmente le coppie di elettroni", spiega Oestreich. Tali sostanze sono chiamate "super acidi di Lewis". Il nome "acido di Lewis" non si riferisce a nessun composto chimico specifico - come l'acido cloridrico, l'acido solforico e così via - ma piuttosto a un concetto speciale della chimica che definisce i termini "acido" e "base". È stato sviluppato nel 1923 dal chimico fisico americano Gilbert Newton Lewis.
Pazza avidità di elettroni
"Oltre a due residui organici, i nostri super acidi di Lewis contengono principalmente un atomo di silicio che porta anche un alogeno, come un atomo di fluoro. Questo porta a una folle avidità di coppie di elettroni", spiega Oestreich. La combinazione tra l'atomo di silicio, già affamato di elettroni, e il fluoro, che sottrae molti elettroni, è cruciale: "Il fluoro si attacca anche agli elettroni esterni rimanenti del silicio, proprio come io mi avvolgo completamente nel piumone di notte quando io e mia moglie passiamo la notte in un letto francese". La mancanza di elettroni porta a un'estrema fame di coppie di elettroni nel silicio, rendendolo l'aggressore perfetto per i PFAS.
La produzione è complessa
Fino a poco tempo fa, questi super acidi di Lewis con silicio e alogeni erano previsti solo in teoria. Questo perché la loro produzione è tutt'altro che semplice. Nel 2021, gli scienziati della TU di Berlino hanno raggiunto una svolta utilizzando per la prima volta il processo di "protolisi" per produrre i super acidi di Lewis, in cui singoli gruppi chimici vengono separati da un composto in un ciclo per sintetizzarne uno nuovo. "In parole povere, l'obiettivo è trasferire processi collaudati dalla chimica del carbonio alla chimica del silicio. In linea di principio, stiamo raccogliendo i frutti della nostra idea originale", spiega Martin Oestreich. Gli esperimenti sono stati complessi perché tutto il lavoro doveva essere svolto in una "scatola a guanti" in un'atmosfera di gas inerte; né l'ossigeno né l'acqua potevano entrare in contatto con le sostanze.
Per la prima volta una comprensione quantomeccanica completa dei composti
"Sono particolarmente grato al professor Martin Kaupp, capo del dipartimento di 'Chimica teorica/chimica quantistica' della TU di Berlino, senza i cui calcoli questo lavoro non sarebbe stato possibile", afferma Oestreich. Per la prima volta, i calcoli di meccanica quantistica sono stati utilizzati per prevedere l'acidità delle molecole prodotte, basandosi esclusivamente sulla loro struttura. "Abbiamo una comprensione quantomeccanica completa dei composti, il che rappresenta un enorme vantaggio". Gli acidi superlewis sono stati poi analizzati sperimentalmente utilizzando, tra gli altri metodi, la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) e i calcoli sono stati verificati.
Gli acidi superlewis non si consumano come catalizzatori
La particolarità della degradazione dei PFAS nocivi è che, sebbene gli acidi di Super Lewis vengano modificati dall'assorbimento di coppie di elettroni quando un composto viene scomposto, possono probabilmente essere ritrasformati nell'acido di Super Lewis originale in un processo di rigenerazione. Si tratta quindi di catalizzatori che si esauriscono nella reazione ma vengono recuperati. Si tratta di un vantaggio importante, in quanto non sono necessarie grandi quantità di "antidoto" per abbattere la contaminazione da PFAS, ma sono sufficienti piccolissime quantità di nuovi acidi superlewis per rendere innocue le sostanze chimiche eterogenee.
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