ANCORA SULLE REAZIONI ASIMMETRICHE (E SUL NOBEL PER LA CHIMICA 2026) - 1

Abbiamo visto in precedenza che in un'ottica puramente termodinamica una coppia di enantiomeri si equivale: stessa energia libera di formazione. E ho parlato di "controllo chirale", che se può dare un'idea generale in realtà non dice molto. Per spiegare il problema l'unico modo è parlare di diastereoisomeri (userò la notazione RS).

Cosa succede se due diverse miscele di enantiomeri reagiscono?

Si forma una miscela di diastereoisomeri, ognuno con due centri chirali. E si otterranno in generale 4 diastereoisomeri: (S,R), (R,S), (S,S) e (R,R). Si tratta di due coppie di enantiomeri, (S,R)/(R,S) e (S,S)/(R,R) (questo vale per molecole che non esibiscano ulteriori elementi di simmetria). Dal punto di vista delle simmetrie le cose sono cambiate, rispetto alla originaria coppia S/R.

La riflessione inverte tutti i centri insieme: trasforma (R,R) in (S,S) e (R,S) in (S,R), ma non può mai trasformare (R,R) in (R,S) o (S,S) in (S,R). La formazione di due paia di diastereoisomeri porta a una miscela i cui componenti, a coppie, si differenziano per proprietà. In un ambiente senza asimmetrie pur potendo separare le due coppie diverse l'abbondanza relativa di S e R originari resta 50% in ogni fase.

Se facciamo reagire invece un racemo (miscela 1/1 di R e S) con un'altro composto chiralmente puro, diciamo R, i prodotti saranno (R,R) e (S,R): una coppia non commutabile per riflessione, i cui elementi sono chimicamente diversi.

Quando si parla di sintesi asimmetrica, come se ne è parlato per il Nobel 2026, si parla di catalisi con un catalizzatore chirale per reazioni che creano uno o più centri asimmetrici. Innanzitutto ricordiamo come è fatta, dal punto di vista dell'energia, una curva dell'energia libera di Gibbs in funzione delle coordinate di reazione.

In una reazione catalitica il catalizzatore entra in gioco solo negli stati di transizione, creando  intermedi attivati per cui  ΔG⁺⁺, energia di attivazione,  è inferiore rispetto alla situazione non catalizzata.

Per un catalizzatore chirale efficace in una sintesi asimmetrica (assumiamo che la sua configurazione sia R), e assumendo che (R,R) sia a più alta energia di (R,S) la situazione diventa questa:

Immagine ottenuta con Claude Sonnet 5.5

Il percorso della reazione favorirà lo stato con ΔG⁺⁺ più bassa (curva blu), dando prevalentemente un solo enantiomero, S.

E questo è quello che significava l'espressione "controllo chirale" che ho usato nel post precedente. Ma come abbiamo visto il Nobel per la chimica 2026 non è un Nobel alla sintesi asimmetrica, ma un premio alla scoperta di effetti non lineari nella catalisi e autocatalisi asimmetrica. Come visto all'inizio, in un contesto privo di asimmetrie da un punto di vista energetico non c'è alcuna strada che possa portare a un sistema omochirale. Mentre invece da un sistema con elementi asimmetrici (il catalizzatore chirale) la cosa è possibile. Kagan e Sogai dimostrarono, di fatto, che è possibile che una traccia chirale iniziale sia amplificata fino a dare un sitema omochirale. 

Kagan partiva con un bias chirale. Il lavoro di Soai da alcuni è stato descritto come nominalmente achirale, ma il bias chirale c'era, per quanto piccolissimo. Il suo gruppo ha determinato l'eccesso enantiomerico iniziale usando HPLC chirale, partendo da ee di alcuni punti percentuali e poi diluendo fino ad avere un ee teorico dello 0,00005 %, Inoltre Soai usava diisopropilzinco, cioè qualcosa di non precisamente reperibile in natura.  

Resta un punto importante, una domanda senza risposta: che origine può aver avuto in natura quella traccia di chiralità iniziale?

Uno dei riferimenti è Frederick Charles Frank, On spontaneous asymmetric synthesis (1953, Biochimica et Biophysica Acta, vol. 11, pp. 459–463).  Quella di Frank era un'impostazione completamente teorica che, partendo da equazioni cinetiche (equazioni differenziali), andava a indagare la stabilità delle loro soluzioni, concludendo che le soluzioni non omochirali erano instabili, ovvero che una rottura spontanea della simmetria era possibile alla minima fluttuazione del sistema. Trattandosi di una conclusione puramente teorica non è dato sapere quale potesse essere l'origine sperimentabile della fluttuazione, nell'esposizione di Frank.
Ma il tema è comunque interessante, perché ha a che fare con gli esponenti di Lyapunov, anche se all'epoca Frank non la mise precisamente così.

(To be continued)