Il premio Nobel per la chimica 2021 è stato assegnato a Benjamin List e David MacMillan per il loro sviluppo, in maniera indipendente uno dall’altro, di un nuovo strumento estremamente preciso per costruire nuove molecole, la cosiddetta “organocatalisi asimmetrica”, che ha avuto un grande impatto sulla ricerca farmaceutica e ha reso la chimica più verde.
Benjamin List è nato nel 1968 a Francoforte, in Germania, e ha conseguito il dottorato di ricerca nel 1997 alla 
Goethe Universität di Francoforte. Attualmente è direttore del Max-Planck-Institut per la ricerca sul carbone a Mülheim an der Ruhr, in Germania.
David W.C. MacMillan, nato nel 1968 a Bellshill, nel Regno Unito, ha conseguito il dottorato di ricerca nel 1996 all’Università della California a Irvine, negli Stati Uniti. Insegna alla Princeton University, negli Stati Uniti.
La messa a punto di nuovi materiali utili nei più diversi campi – dalla creazione di quelli elastici e durevoli, all’immagazzinamento dell’energia nelle batterie fino alle molecole farmaceutiche – richiede catalizzatori, ovvero sostanze che controllano e accelerano le reazioni chimiche, senza diventare parte del prodotto finale.
A lungo si è pensato che ci fossero solo due tipi di catalizzatori: quelli metallici e gli enzimi. Benjamin List e David MacMillan ricevono il premio Nobel per la chimica 2021 perché nel 2000 hanno sviluppato, indipendentemente l’uno dall’altro, un terzo tipo di catalisi: la “organocatalisi asimmetrica”, basata su piccole molecole organiche. I catalizzatori organici hanno una struttura stabile di atomi di carbonio, a cui si possono attaccare gruppi chimici più attivi.
D’altra parte, quando si assemblano molecole, si verificano spesso situazioni in cui si possono formare due molecole diverse, che sono l’una l’immagine speculare dell’altra, ma che agli scopi pratici possono non essere altrettanto utili; questo è particolarmente evidente nella produzione di molecole di interesse farmaceutico, delle quali spesso solo una delle due forme è biologicamente attiva.
L’organocatalisi asimmetrica permette di selezionare con estrema precisione la forma voluta: è una “specialità” delle migliaia di enzimi che negli organismi permettono le reazioni necessarie alla vita. Per questo fin dagli anni novanta diversi gruppi di ricerca hanno tentato di sviluppare nuove varianti di enzimi per guidare le reazioni chimiche.
Il contributo di List
Su questo lavorava anche un gruppo dello Scripps Research Institute dove Benjamin List ricercatore post-dottorato, si interessava agli anticorpi catalitici. Normalmente, gli anticorpi si legano a virus o batteri, ma i ricercatori della Scripps li avevano riprogettati in modo da guidare le reazioni chimiche.
Di solito gli enzimi sono molecole enormi costruite da centinaia di amminoacidi a cui spesso sono legati anche metalli che concorrono a guidare i processi chimici. Tuttavia, altri enzimi catalizzano reazioni chimiche senza l’aiuto di metalli e sfruttano per guidare le reazioni solo uno o pochi aminoacidi nell’enzima. List si chiese se gli amminoacidi dovessero necessariamente essere in un enzima per agire da catalizzatori, o se un singolo amminoacido, o altre molecole semplici simili, potessero fare lo stesso lavoro. Concentrando la sua attenzione sull’amminoacido prolina, che secondo una ricerca di 25 anni prima sembrava avere una sia pur ridotta azione catalizzatrice, List testò sistematicamente le potenzialità dell’amminoacido, rivelandone le vaste potenzialità. Quando nel febbraio 2000 pubblicò la sua scoperta, lo scienziato tedesco descrisse la catalisi asimmetrica con molecole organiche come un nuovo concetto con molte opportunità: “La progettazione e lo screening di questi catalizzatori è uno dei nostri obiettivi futuri”, dichiarò.
Il contributo di MacMillan
Nel frattempo anche David MacMillan lavorava – prima alla Harvard University poi all’Università della California a Berkeley – sul miglioramento della catalisi asimmetrica, ma si era dapprima concentrato sull’uso di metalli. Quando però si accorse che di rado i catalizzatori sviluppati venivano usati nell’industria, perché troppo difficili e costosi da usare, passò anch’egli a progettare semplici molecole organiche che, proprio come i metalli, avrebbero potuto dare od ospitare elettroni.
Grazie alle sue ampie conoscenze chimiche, MacMillan capì che affinché una molecola organica catalizzasse la reazione che gli interessava, doveva essere in grado di formare uno ione imminio (o immonio), che contiene un atomo di azoto, che ha un’affinità intrinseca per gli elettroni. Selezionando diverse molecole organiche con le proprietà giuste, e testandone la capacità di guidare una reazione che i chimici usano per costruire anelli di atomi di carbonio, MacMillan scoprì che alcune molecole organiche agivano da catalizzatori con grande efficienza, e fra queste alcune erano anche eccellenti nella catalisi asimmetrica. (red)
Nota: In chimica organica, con il termine organocatalisi si intende la catalisi di reazioni dove il catalizzatore usato per accelerare la reazione è una piccola molecola organica, priva di elementi inorganici come i metalli e contenente carbonio, idrogeno, zolfo. Il termine fu coniato nel 1935 dal chimico tedesco Wolfgang Langenbeck.
Il tipo di catalisi nata dalle scoperte di List e MacMillan è a base organica, ma viene anche definita asimmetrica. Che cosa significa? Quando avviene una reazione chimica in ambito industriale, il prodotto che ne risulta (enantiomero) è spesso composto da una metà di molecole che è speculare all’altra metà, come se fossero una mano destra e una mano sinistra (chiralità). Solitamente, però, solo una delle due tipologie è quello che vogliamo produrre.
Le scoperte di List e MacMillan hanno dato origine a catalizzatori che oltre a velocizzare la reazione permettono di selezionare quale dei due tipi di molecole si vuole ottenere. In questo senso, si comportano in maniera asimmetrica. Questa loro caratteristica permette di evitare di mescolare le due versione speculari della stessa molecola, evitando potenzialmente danni (come capitò nel caso del talidomide dove una delle due tipologie di molecola era teratogena). Ma significa anche ridurre notevolmente lo scarto, con un beneficio diretto anche sull’impiego delle risorse e dei materiali.
In Italia il team guidato dal prof. Maurizio Prato del Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche dell’Università di Trieste sta portando il proprio contributo attraverso l’implementazione di materiali di dimensioni nanometriche rivolti alle medesime finalità.
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