Quelle reazioni su una base d’oro pioniere di una “nuova chimica”

Le sintesi chimiche nei liquidi e nei gas avvengono nello spazio tridimensionale. Le collisioni casuali tra molecole devono portare a qualcosa di nuovo in un tempo estremamente breve.
Ma c’è un altro metodo: su una superficie d’oro, in condizioni di vuoto spinto, è possibile far combinare molecole ferme l’una accanto all’altra, comprese quelle che non vorrebbero mai reagire spontaneamente tra loro in un liquido.
I ricercatori dell’EMPA e del Max Planck Institute hanno ora scoperto una reazione di questo tipo. E soprattutto, gli esperti possono “fotografare” e osservare ogni fase della reazione.

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Gli anelli benzenici del grafene e della grafite, ma anche dell’indaco per jeans e dell’aspirina

In chimica esistono strutture particolarmente stabili, come il cosiddetto “anello benzenico”, composto da sei atomi di carbonio interconnessi.
Tali anelli costituiscono la base strutturale della grafite e del grafene, ma sono presenti anche in molti coloranti, come l’indaco per jeans, e in molti farmaci, come l’aspirina.
Quando i chimici hanno voluto costruire tali anelli in modo mirato, hanno utilizzato le cosiddette reazioni di accoppiamento, che di solito portano il nome dei loro inventori: ad esempio, la reazione di Diels-Alder, la reazione di Ullmann, la ciclizzazione di Bergman o l’accoppiamento Suzuki.
Ora ce n’è un’altra che non ha ancora un nome.
È stata scoperta da un team del Laboratorio Federale di Prova dei Materiali e di Ricerca svizzero insieme al Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz, in Germania.

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Il diisopropil-p-terfenile come materiale di partenza “in fase di riposo” su una superficie aurea

I ricercatori dell’EMPA hanno omesso i liquidi nella loro sintesi chimica e hanno invece attaccato i materiali di partenza a una superficie d’oro in un vuoto ultra-elevato.
Il materiale di partenza (il diisopropil-p-terfenile) può essere osservato mentre riposa tranquillamente nel microscopio a effetto tunnel raffreddato prima che i ricercatori aumentino il riscaldamento.

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A 200 gradi Celsius scatta la sorprendente reazione che non si verificherebbe mai nei liquidi

A temperatura ambiente non succede ancora nulla, ma a circa 200 gradi centigradi avviene una reazione sorprendente, che non si verificherebbe mai nei liquidi.
I due gruppi isopropilici, che normalmente sono completamente inattivi dal punto di vista chimico, si combinano per formare un anello benzenico.
Il motivo: a causa della forte “adesione” sulla superficie dell’oro, un atomo di idrogeno viene prima allentato e poi rilasciato dalla molecola.
In questo modo si creano radicali di carbonio che sono in attesa di nuovi partner. E sulla superficie dell’oro ci sono molti partner…
A 200 gradi Celsius, le molecole vibrano ed eseguono rapide piroette: c’è molto movimento sulla… “pista da ballo” dorata.
Così, ciò che appartiene all’uno o all’altro si aggrega rapidamente.

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Come vedere e “immortalare” le varie molecole appena prima che si “sposino” l’una con l’altra

Gli incontri sulla superficie dorata presentano due vantaggi.
In primo luogo, non c’è bisogno di coercizione: la reazione avviene senza acidi borici mediatori o atomi di alogeni volatili.
Si tratta di un accoppiamento che coinvolge soltanto idrocarburi saturi.
I materiali di partenza sono economici e facili da ottenere e non ci sono sottoprodotti tossici.
Il secondo vantaggio è che i ricercatori possono osservare ogni fase della reazione: un’altra opportunità che non è affatto possibile con la chimica classica, quella “liquida”.
Il team dell’EMPA non fa altro che aumentare gradualmente il riscaldamento della superficie d’oro.
A 180 gradi Celsius, le molecole hanno collegato soltanto un braccetto con i loro vicini, mentre il secondo sporge ancora liberamente nella “pista da ballo”.
Se ora si raffredda la superficie d’oro all’interno di un microscopio a effetto tunnel, si possono vedere e “fotografare” le molecole appena prima che si “sposino”.
Questo è esattamente ciò che hanno fatto i ricercatori.
In questo modo, il meccanismo di reazione può essere seguito sotto forma di “istantanee”.

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Reazioni progettate al microscopio a effetto tunnel e poi trasferite alla chimica liquida o gassosa?

I ricercatori svizzeri e i loro colleghi tedeschi si aspettano che dal lavoro attuale emergano due tipi di effetti.
In primo luogo, il “metodo delle istantanee” potrebbe essere adatto anche per chiarire meccanismi di reazione completamente diversi.
Al Laboratorio Federale di Prova dei Materiali e di Ricerca si stanno sviluppando strumenti che utilizzano impulsi laser ultracorti in un microscopio a effetto tunnel per chiarire tali reazioni chimiche passo dopo passo.
Ciò potrebbe fornire ulteriori approfondimenti sulle reazioni chimiche e scuotere presto molte vecchie teorie.
Tuttavia, i risultati della ricerca “dal secco” potrebbero essere utili anche per sviluppare ulteriormente la chimica “liquida”.
Finora, la maggior parte delle reazioni documentate in letteratura proviene dalla chimica liquida classica e i ricercatori con sonda a scansione sono stati in grado di ricreare questi esperimenti.
In futuro, alcune reazioni potrebbero essere progettate al microscopio a effetto tunnel e successivamente trasferite alla chimica liquida o gassosa. In Svizzera scoperto un materiale che “ricorda” come il cervello