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Un piccolo cestino molecolare ha permesso ai chimici della Rice University di ottenere qualcosa che fino a poco tempo fa sembrava quasi impossibile: far reagire il neodimio, un metallo delle terre rare, con l’ossigeno. Il risultato apre una strada nuova nella chimica dei cosiddetti metalli del blocco f e potrebbe regalare agli scienziati alternative concrete alle molecole a base di ferro, quelle che oggi guidano tante reazioni biologiche e industriali.
Per capire perché la scoperta abbia fatto rumore conviene partire da qualcosa che tutti conosciamo. Il ferro e l’ossigeno lavorano insieme in tantissimi processi del corpo umano. L’esempio più celebre è l’emoglobina, dove il ferro lega il diossigeno, cioè due atomi di ossigeno uniti tra loro, permettendo all’ossigeno di viaggiare nel sangue. Ma il ferro fa anche altro. Forma composti molto reattivi chiamati ferro ossi, coinvolti in funzioni biologiche importanti, comprese le reazioni degli enzimi del fegato che aiutano a smaltire i farmaci.
La chimica dell’ossigeno oltre il ferro
Raúl Hernández Sánchez, chimico della Rice University, si è chiesto una cosa apparentemente semplice: l’ossigeno può formare composti simili anche con un altro gruppo di metalli, quelli che stanno in fondo alla tavola periodica? Parliamo dei metalli del blocco f. I lantanidi occupano la riga superiore, gli attinidi quella sotto. L’idea era questa: se i lantanidi riuscissero a legare l’ossigeno nel modo giusto, potrebbero nascere lantanidi ossi molto reattivi, capaci di fare da alternativa sintetica ai ferro ossi.
C’era però un problema grosso. Si pensava che i metalli del blocco f, e i lantanidi in particolare, non fossero in grado di interagire con piccole molecole come l’ossigeno attraverso le cosiddette interazioni pi. E quelle interazioni contano parecchio, perché sono alla base di molti materiali biologici, proteine comprese. In uno studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, Hernández Sánchez e i suoi colleghi hanno descritto un metodo che consente al diossigeno di formare proprio quelle interazioni pi con il neodimio.
Come funziona il cestino molecolare
Il segreto sta in una piattaforma chimica sviluppata dal gruppo qualche anno fa. “Potete immaginarla come un cestino che ci permette di catturare i metalli e posizionarli in modo da favorire tipi specifici di legami”, ha spiegato Hernández Sánchez. Ogni cestino è abbastanza grande da ospitare un singolo atomo di metallo del blocco f. I ricercatori ne hanno messi due uno di fronte all’altro e in mezzo hanno sistemato sei atomi, tra cui una molecola di diossigeno, che collegavano i due atomi di neodimio.
Questa disposizione ha creato un ambiente particolare che permette di regolare con precisione la posizione dei metalli. “Una volta ottenuto il lantanide nel nostro cestino abbiamo iniziato a esplorarne la reattività finché non abbiamo trovato le condizioni giuste per legare il diossigeno in un modo mai visto prima”, ha raccontato Hong-Lei Xu, ricercatore postdottorato e primo autore dello studio.
Nelle condizioni giuste neodimio e diossigeno hanno formato quelle interazioni pi che sembravano fuori portata, dando vita a una molecola di lantanide ossi. Da qui in avanti i ricercatori potranno verificare se questi composti così reattivi siano in grado di sostituire i ferro ossi nella chimica di sintesi, e magari se offrano qualcosa che il ferro non può dare.
Lo studio si è concentrato solo sul neodimio, ma il team è convinto che la stessa struttura possa reggere reazioni simili con quasi tutti i lantanidi e probabilmente anche con gli attinidi. “La capacità di legare il diossigeno ai metalli del blocco f e di spezzare il legame tra i due atomi di ossigeno ci permette di svelare lantanidi ossi molto reattivi e di formare prodotti chimici ad alto valore. Potremmo aprire un nuovo capitolo nella chimica dei lantanidi”, ha detto Hernández Sánchez. La ricerca è stata sostenuta con fondi iniziali della Rice University e della Robert A. Welch Foundation.
