Chimica delle gocce: super-accelerare reazioni mediante elettrospray (ESI)

L'elettronebulizzazione o elettrospray (ESI) è la via attualmente più utilizzata per introdurre composti chimici (in particolar modo d’un certo peso molecolare), da soli o in miscela con altri, negli spettrometri di massa.

La macchina applica un voltaggio ad un flusso di liquido che contiene un campione, creando così un aerosol di microgocce cariche che possono quindi passare nel detector ed essere analizzate senza subire ingenti processi di frammentazione.

Dato che l'ESI è nata per questo ed è stata perfezionata a tal fine, è spontaneo pensare a questa tecnica come indissolubilmente accoppiata alla spettrometria di massa, ma questo è solo l'utilizzo che se ne è fatto finora. Il futuro riserva all'ESI un'ulteriore via applicativa di notevole interesse: potrebbe infatti divenire fondamentale per accelerare le reazioni chimiche, permettendo così di testare reagenti, catalizzatori e condizioni di reazione con maggiore efficienza.

Beute e becher non sono gli unici recipienti in cui è possibile condurre una reazione, nelle giuste condizioni è possibile servirsi delle microgocce generate dall'ESI per assolvere allo stesso ruolo. Non è ancora del tutto chiaro come mai le gocce accelerino la reazione del composto contenuto in esse, ma è sperimentalmente noto che la condizione generata dall'ESI è particolare a tal punto da spingere la formazione di prodotti che, in un semplice becher, non giungerebbero nemmeno a formarsi.

Il gruppo di Graham Cooks, alla Purdue University, si è imbattuto nelle reazioni in microgocce mentre cercava di analizzare dei campioni mediante desorbimento ESI (DESI), una variante della tecnica classica che prevede un dirottamento del flusso sottoposto ad elettrospray su una superficie che adsorbe le molecole prima che esse possano essere analizzate dallo spettrometro. I ricercatori hanno notato che la presenza di alcune molecole era disattesa, ovvero che il detector non le rilevava affatto, nonostante loro si aspettassero un segnale. E questo, presumibilmente, perché erano state rilasciate nello spettrometro, ma non si erano ionizzate.

Per facilitare il processo di ionizzazione, hanno perciò pensato di derivatizzare le molecole, ossia farle reagire quantitativamente con un altro reagente, così da registrare i dati del prodotto e da quello risalire alla quantità iniziale di molecole di reagente. Ed ha funzionato: per esempio hanno facilmente convertito dei chetoni nei corrispondenti idrazoni carichi. Nel compiere queste analisi, i ricercatori hanno notato quanto in fretta avvenisse la formazione dei prodotti ed hanno stabilito che l'ammontare del prodotto formatosi dipende dalla grandezza della goccia e dalla distanza tra l'estremità ultima del capillare elettrificato e lo spettrometro di massa. L’accelerazione della reazione potrebbe verificarsi poiché, nelle microgocce, il solvente è presente in minor quantità e questo rende statisticamente più probabile il contatto tra le molecole di reagente, favorendo così la formazione del legame.

La fase gassosa può anche essere più veloce, ma non produce abbastanza prodotto per utilizzi pratici nella maggior parte dei casi. Le microgocce forniscono un compromesso: a causa del fatto che i reagenti non sono a tutti gli effetti in fase gassosa, essi non raggiungono la massima velocità, ma il prodotto si forma in maggior quantità.

Sin dalla prima reazione, il gruppo di Cook e quello di Richard N. Zare (a Stanford), lavorando indipendentemente, hanno dimostrato che molte altre reazioni vengono accelerate allo stesso modo. Finora, quasi ogni reazione che hanno provato è stata accelerata dall’uso dell’elettrospray.

Il massimo di accelerazione raggiungibile prevista corrisponde approssimativamente a 10 milioni di volte il tempo necessario in condizioni classiche, sottolinea Cooks. Questa è l’accelerazione che tu ottieni spostando la reazione dallo stato liquido allo stato gassoso, nel quale i reagenti non sono contesi dalle molecole di solvente.

Il gruppo di Zare ha notato una accelerazione più importante rispetto al gruppo di Cook. Nel caso della reazione di Pomeranz-Fritsch, una sintesi dell’isochinolina acido-catalizzata, la reazione in microgocce è stata più di un milione di volte più veloce che la reazione classica (Angew. Chem. Int. Ed. 2015, DOI: 10.1002/anie.201507805).

Una fonte elettrospray converte la soluzione dei reagenti in un flusso di piccole gocce cariche. Le reazioni avvengono sulla superficie delle gocce, nella regione tra la fonte e l’ingresso nello spettrometro di massa.

Più recentemente, il gruppo di Zare ha utilizzato le microgocce per effettuare reazioni in doppia fase (organica e acquosa) senza il bisogno di un catalizzatore che aiuti il reagente a migrare tra le due (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201612308). I ricercatori hanno introdotto i reagenti in flussi separati di gocce e acquose e organiche. Le reazioni si sono verificate quando le gocce, collidendo, si sono fuse permettendo ai reagenti di mischiarsi. Questo tipo di reazioni sono di interesse pratico perché sono largamente utilizzate nella chimica in genere, nella farmaceutica, nella chimica dei polimeri. Se queste reazioni possono essere accelerate, allora la “chimica delle gocce” potrebbe diventare molto importante per applicazioni preparative.

“Siamo stati in grado di fare qualche milligrammo al minuto di composto purificato”, ha detto Zare. “E penso che l’efficienza possa essere incrementata ulteriormente”.

Cooks è ottimista sul successo della tecnica e pensa che sarà adottata dalla comunità. “Sarei sorpreso se non si diffondesse,” dice.

“È facile da fare, molto rapida, e ti permette di ottenere dei risultati comparabili a quelli ottenuti mediante i metodi convenzionali.”

Fonti:

c&en

Science