"Phoenix", la molecola che rinasce

La fotocatalisi utilizza la luce per promuovere reazioni chimiche in condizioni miti, ma i fotocatalizzatori tradizionali sono generalmente limitati a un solo tipo di reattività.
Nel lavoro pubblicato su «Nature Catalysis» con il titolo "Bimodal multiphoton catalysis via structural regeneration", ricercatrici e ricercatori delle università di Padova, Ferrara, Parma e Perugia hanno sviluppato un fotocatalizzatore organico capace di cambiare struttura e funzione durante la reazione.

La molecola, chiamata Phoenix, “Fenice”, viene temporaneamente frammentata dalla luce in diverse specie reattive che svolgono funzioni opposte e complementari, per poi ricombinarsi e rigenerare il catalizzatore originale. Normalmente la creazione simultanea di due processi così estremi produrrebbe una miscela caotica di scarti. In questo caso invece la reazione è reversibile e la molecola stessa controlla l'equilibrio, facendo unire solo i frammenti giusti e rigenerando il catalizzatore iniziale.

I ricercatori e le ricercatrici hanno sviluppato una nuova strategia chimica capace di orchestrare nello stesso processo e contemporaneamente due reazioni opposte: una riduzione (cessione di elettroni) e un’ossidazione (sottrazione di elettroni) estremamente difficili da ottenere insieme.

«Sfruttando la luce, il sistema genera elettroni estremamente reattivi capaci di spezzare legami chimici molto resistenti. Mentre questi elettroni attivano le molecole più ostiche, il catalizzatore si attiva a sua volta per ossidare altri composti - sottolinea Luca Dell'Amico, del Dipartimento di Scienze chimiche dell'Università di Padova e coordinatore della ricerca pubblicata -. I frammenti chimici creati da queste due azioni parallele si uniscono tra loro, dando vita a oltre 50 nuovi prodotti chimici con rese fino al 78%. Non solo, il catalizzatore non si consuma: alla fine del processo si rigenera da solo ed è pronto a ricominciare senza bisogno di sostanze chimiche esterne che guidino la reazione. Siamo riusciti a sfruttare la naturale flessibilità della molecola catalitica per coprire un intervallo energetico eccezionalmente ampio, trasformando quello che normalmente sarebbe un punto debole della molecola nella sua vera forza. Siamo riusciti a coprire una "finestra energetica" record di 5,7 Volt nello stesso contenitore di reazione, qualcosa che fino ad oggi era considerato quasi impossibile nella chimica organica».

La stessa molecola può utilizzare la luce per svolgere compiti diversi durante una singola reazione, rendendo possibili trasformazioni chimiche particolarmente difficili. È come se un unico catalizzatore potesse trasformarsi, utilizzare l’energia della luce in modi differenti e infine tornare alla sua forma iniziale. Sono anche stati osservati direttamente alcuni dei rapidissimi eventi che avvengono dopo l’assorbimento della luce, chiarendo come il catalizzatore si trasforma e successivamente si rigenera.

«Il nuovo principio è stato utilizzato per preparare in modo verde e sostenibile numerose molecole con potenziale attività biologica, comprese strutture difficili da ottenere con metodi convenzionali – conclude Luca Dell'Amico -. Più che una singola nuova reazione, lo studio propone quindi un nuovo modo di utilizzare la luce per controllare le trasformazioni chimiche, sfruttando la capacità di un catalizzatore di modificarsi temporaneamente e poi “rinascere”».