In questo articolo parliamo del Sacro Graal (o per lo meno uno dei Graal) della sintesi odierna: ottenere il singolo enantiomero partendo dalla miscela racemica mediante una sintesi asimmetrica luce-indotta, ovvero con una reazione catalitica "pilotata" da una fonte fisica.

Questo fenomeno si chiama fotochirogenesi e Hölzl-Hobmeier et al. hanno pubblicato un paper su Nature che riporta concreti risultati in questa direzione, ottenuti lavorando sugli alleni.

Perché la luce? Perché certe reazioni sono dure ad avanzare se le molecole permangono nel loro stato fondamentale, mentre eccitandone gli elettroni è possibile indurre una reattività altrimenti improbabile. Ovviamente controllare reazioni di questo tipo non è cosa da poco, ma è come non dar da mangiare al cane perché poi possa aggredire più efficacemente i ladri: nessuno garantisce che il cane non aggredisca te per primo. Allo stesso modo, eccitando le molecole si ottengono conformazioni transitorie, reattive, dalla vita breve, di difficile addomesticazione.

Per tenere a bada il povero animale avremmo bisogno di un collare di buona fattura che funga da sistema di controllo, per contenere l'energia e lasciare che si scateni solo al momento opportuno. Nella sintesi in questione il sistema di controllo è dato da un altro composto sintetizzato dallo stesso gruppo di ricercatori che, interagendo a livello supramolecolare con la molecola reagente, instaura un rapporto host-guest, ossia funge da "contenitore ospitante". Questo ha due compiti:

  • Assorbire la luce visibile grazie al proprio esteso sistema di elettroni coniugati e trasferirla alla molecola reagente;
  • Costringere l'allene ad assumere una conformazione (eccitata) con proprietà favorevoli.

Che si intende con "proprietà favorevoli"? Quest'ultimo punto diviene chiaro solo sapendo che gli alleni invertono spontaneamente e continuativamente la propria chiralità quando passano allo stato di tripletto, che è un modo per definire (in base alla molteplicità di spin, la cui discussione non è utile in questa sede) uno stato eccitato un po' più stabile di altri.

Meccanismo ciclico reazione enantiomero deracemizzazione racemo

Adesso che conosciamo tutti gli strumenti sul banco di lavoro, possiamo cimentarci in questo art-attack e capire come funziona:

  • Partiamo dall'enantiomero S
  • Questo forma un complesso con il catalizzatore-host
  • Arriva la luce visibile
  • L'host passa allo stato eccitato
  • L'host trasferisce energia sull'enantiomero S
  • Otteniamo l'enantiomero S eccitato, che chiamiamo S*
  • S* è coinvolto in una reazione all'equilibrio con R*, ossia è in grado di invertire la propria chiralità, diventando R eccitato.
  • L'enantiomero R* rilassa allo stato fondamentale e diventa R, cioè l'enantiomero desiderato.

Ovviamente questa procedura avviene ugualmente anche per l'enantiomero R, quindi, se entrambi i processi avvenissero seguendo gli stessi deltaG per ogni passaggio riportato sopra (quindi con le stesse energie in gioco, per usare un termine tecnico in meno) avremmo una vera e propria racemizzazione ed otterremo il racemato.

MA è proprio qui che sta l'inghippo: il nostro catalizzatore favorisce termodinamicamente la formazione del complesso con l'S e cineticamente il trasferimento energetico sull'S, quindi le probabilità che avvenga il processo complessivo con l'S sono di gran lunga superiori. Questo comporta un fenomeno che personalmente definirei di racemizzazione asimmetrica, ossia una deracemizzazione che NON richiede ovviamente metodi separativi.

A questo punto c'è ancora molto da fare, ma un primo passo sarà senz'altro quello di esplorare tutte le varianti sintetiche promettenti di questi alleni così da sfruttare poi le informazioni ed i composti ottenuti in altre reazioni in cui l'attivazione per riscaldamento si è rivelata inutile.

Fonti:

Nature: An exciting tool for asymmetric synthesis

Immagine di testa: Impianto fotochimico preparativo