L’Istituto di Chimica dei Composti Organometallici sviluppa strategie sintetiche e materiali per salute, elettronica e fotonica oltre che per la transizione ecologica.
Chimica verde • Economia circolare • Organometallica • Sintesi organica
L’Istituto
L’Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (ICCOM) nasce come aggregazione di varie iniziative scientifiche del CNR con l’obiettivo di creare un importante presidio nell’area della chimica organometallica e delle sue applicazioni nella catalisi omogenea ed eterogenea. La sede di Bari eredita la storia, la vocazione e le competenze del Centro di studio del CNR sulle Metodologie innovative di sintesi organiche, a cui si sono aggiunti nel tempo nuovi interessi, dettati sia dai più recenti sviluppi nel campo della sintesi organica, sia dalle esigenze della chimica verde e dell’economia circolare.
La ricerca è condotta tramite un approccio multidisciplinare combinando metodologie innovative di sintesi, di caratterizzazione sperimentale e computazionale con l’obiettivo di sviluppare processi sempre più efficienti che minimizzino l’impatto sull’ambiente o che consentano un più efficiente riciclo dei materiali impiegati.
All’attività sintetica, si è sempre accompagnata l’attività di caratterizzazione delle molecole sintetizzate nei laboratori con le più moderne tecniche analitiche, fra cui la spettrometria di massa, la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, le spettroscopie UV e IR e la determinazione di strutture cristalline con esperimenti di diffrazione a raggi X.
Le nuove frontiere della chimica organica
Lo sviluppo di processi efficienti per la sintesi di molecole di interesse biologico è una delle priorità della chimica moderna. La sede di Bari dell’ICCOM è particolarmente attiva in questo ambito, come nei casi seguenti:
- a) gli aril benzil solfossidi sono molecole che hanno analogia con una classe di farmaci contro i disturbi gastrici, come l’ulcera, ma più di recente sono stati valutati anche come farmaci antitumorali. Vengono ottenuti a elevata purezza di una delle due forme chirali a partire dai corrispondenti solfuri. Il processo è un’ossidazione catalitica di altissima efficienza condotta con complessi chirali del titanio, e possiede un’efficienza confrontabile con quella enzimatica.
- b) Un processo multicomponente studiato in questo Istituto consente di ottenere edifici molecolari complessi, come gli amminobenzilnaftoli, a partire da tre molecole più semplici. Questo processo è stato usato per l’ottenimento di una famiglia di numerose strutture molecolari complesse, indagate come composti antimicotici o antitumorali. In particolare, durante il periodo della pandemia da Covid-19, numerosi gruppi di ricerca nel mondo hanno usato questa chimica per la messa a punto di nuovi farmaci.
- c) Si valorizza l’anidride carbonica come materiale di partenza per l’ottenimento in due stadi di composti ad alto valore aggiunto con applicazioni in chimica farmaceutica. In un primo stadio, sono utilizzati sistemi molecolari a base di rutenio combinato con le porfirine come catalizzatori per formare le aziridine le quali poi reagiscono con l’anidride carbonica, per la sintesi di molecole utilizzabili come farmaci antibatterici.
Un secondo ambito di ricerca riguarda i materiali organici dotati di un’estesa coniugazione, che competono con i tradizionali semiconduttori inorganici per le loro caratteristiche di leggerezza, flessibilità strutturale e facile processabilità, consentendo quindi l’impiego di tecniche economiche per la deposizione dello strato organico attivo.
Molecole organiche per applicazioni nell’illuminazione (OLED) e nel fotovoltaico organico di terza generazione.
Sono stati progettati e preparati nuovi materiali organici le cui proprietà elettroniche possono essere finemente modulate attraverso un’attenta funzionalizzazione dello scheletro coniugato, per adattarle alle specifiche applicazioni.
Nel corso degli anni, l’attività di ricerca si è rivolta da una parte all’innovazione delle strutture molecolari e polimeriche preparate – attraverso l’impiego di strategie sintetiche che garantiscono un elevato controllo stereochimico delle reazioni – e dall’altra allo studio delle applicazioni di questi nuovi materiali. Tra i principali risultati ottenuti, sono stati sintetizzati materiali organici emettitori per applicazioni nel campo dell’illuminazione (OLED, Organic Light Emitting Diodes), la cui tecnologia è oggi preminente ad esempio nel settore dei nuovi televisori.
Un’altra tematica rilevante riguarda la progettazione e la sintesi di materiali organici per dispositivi da impiegare nel fotovoltaico di terza generazione. In questi dispositivi, sostituti delle tradizionali celle solari al silicio, il materiale organico costituisce la matrice attiva in grado di assorbire la luce solare e trasformarla in corrente elettrica. Tra i materiali organici oggetto di studio, particolare rilievo hanno avuto le melanine e i materiali derivati, una classe di composti organici naturali implicati nella colorazione e nella protezione della pelle, dotati anche di interessanti proprietà di trasporto di carica, per applicazioni nel campo dei sistemi di memoria. La straordinaria varietà strutturale dei materiali organici si riflette anche nella versatilità applicativa, poiché questi materiali possono essere utilizzati con successo anche in campo biomedico, per esempio nella marcatura di organelli cellulari e nella teranostica (una crasi fra terapia e diagnostica), nella sensoristica, o ancora nell’ottica non-lineare per la realizzazione di guide d’onda.
Più recentemente, sempre in linea con le sfide collegate ai materiali organici funzionali, l’attenzione applicativa si è rivolta al settore dell’energia, per la produzione e il risparmio energetico. Sono in fase di studio, infatti, materiali organici capaci di cambiare colore sotto illuminazione o grazie a correnti elettriche che possono trovare applicazioni nel campo delle finestre intelligenti. Sono stati studiati anche materiali organici con proprietà fotocatalitiche, cioè capaci di produrre idrogeno da fonte solare, e altri utili per lo stoccaggio di idrogeno.
Nell’ambito dei nuovi materiali basati su sistemi coniugati, sono stati sintetizzati polimeri e piccole molecole funzionalizzati con biomolecole chirali, che associano alle caratteristiche elettriche e ottiche proprie dei semiconduttori organici la capacità di aggregazione fra molecole e di riconoscimento, dovuto proprio alla presenza delle biomolecole. Essi sono stati utilizzati nella realizzazione di nuovi sensori enantioselettivi.
Sono stati inoltre sintetizzati sistemi coniugati con gruppi pendenti a base di zolfo per applicazioni nella passivazione dei metalli – cioè nella protezione dagli agenti esterni – e nella fabbricazione di sensori elettrochimici. Infine, sono stati progettati sistemi ibridi organico-biologici costituiti da fluorofori organici e macromolecole biologiche, e nello specifico proteine fotoattive, per applicazioni nel campo dell’energia, della fotosintesi artificiale e della vita artificiale.
Sono anche investigati modelli teorici e la loro applicazione nella sintesi organica, poiché una conoscenza dettagliata della struttura elettronica dei composti o dei catalizzatori aiuta a definire nuove strategie per lo sviluppo di processi catalitici sostenibili. Le indagini computazionali hanno portato a una rivisitazione del legame chimico e della distribuzione elettronica in complessi planari quadrati di rame e oro – centrali in molti processi organici e nei trattamenti antitumorali – mettendo in discussione il ruolo tradizionale del metallo e dei suoi stati di ossidazione con possibili conseguenze sulla reattività dei complessi stessi, spesso non ben razionalizzata.
La chimica per il futuro
L’economia circolare è un modello rigenerativo, progettato per ridurre gli sprechi e mantenere i prodotti, i materiali e le risorse in uso il più a lungo possibile. Si basa su prodotti progettati per durare e per essere riparati e riutilizzati; a ciò si aggiunga anche il recupero e il riciclo dei materiali, la riduzione degli sprechi e la valorizzazione degli scarti come risorsa. I benefìci sono molteplici: un minore impatto ambientale, il risparmio di risorse e di energia, nuove opportunità economiche e occupazionali e, ovviamente, l’allineamento con gli obiettivi di sviluppo sostenibile.
Fra questi temi compare la produzione di biocarburanti da rifiuti oleosi – come oli da cucina esausti, scarti dell’industria alimentare, e persino la frazione lipidica delle acque reflue – che, tramite processi di conversione, permettono di ottenere biodiesel destinato all’autotrazione. Tali processi impiegano sofisticate metodologie di catalisi, basate su sistemi nanostrutturati, come nanoparticelle, nanotubi o materiali microporosi. È importante sottolineare che la materia prima è ottenuta da scarti lipidici e non da oli commestibili, che altrimenti sarebbero sottratti all’alimentazione umana (come accade nei biocarburanti di seconda generazione). Questo approccio riduce i costi legati allo smaltimento dei lipidi di scarto e consente la produzione di un combustibile rinnovabile.
Un altro esempio è la valorizzazione dei polimeri di scarto, come ad esempio il riciclo del policarbonato, un materiale plastico ampiamente utilizzato (in dischi ottici, vasi idroponici, caschi da moto) ma difficilmente riciclabile con i metodi tradizionali. Attraverso processi messi a punto dall’Istituto con opportuni catalizzatori, è possibile recuperare e riutilizzare il materiale, riconvertendolo in composti con nuova vita industriale, come carbonati ciclici, uree e uretani. In questo modo un prodotto di scarto è trasformato in risorsa.
Un’altra linea di ricerca riguarda la produzione di idrogeno, considerato uno dei vettori energetici del futuro. È possibile ottenere idrogeno partendo da biomasse di scarto – residui agricoli, stralci di potature o resti di piante infestanti – con trattamenti termici controllati, in presenza di opportuni catalizzatori. Da questi processi, si possono ottenere altri prodotti di degrado, come fenoli e altri composti aromatici, a loro volta utilizzabili come intermedi chimici per la sintesi di ulteriori composti.
Di grande rilevanza sono anche gli studi sui materiali bio-ibridi per nuove applicazioni tecnologiche.
Le diatomee, classe molto ampia di microalghe fotosintetiche unicellulari, hanno messo a punto un complesso processo di biosilicificazione attraverso milioni di anni di evoluzione genetica. Questo processo genera multiformi strutture silicee tridimensionali e nano-strutturate, essenziali per la loro sopravvivenza, crescita e riproduzione.
L’esoscheletro micro- e nanostrutturato delle diatomee, chiamato frustolo, è costituito principalmente da silice mesoporosa idrata amorfa, e racchiude il protoplasma organico. Questo scheletro è facilmente recuperabile e può essere modificato chimicamente per ottenere materiali bio-ibridi per applicazioni in nanomedicina, nel rilascio dei farmaci, in fotonica e optoelettronica.
Guscio di diatomea drogato con molecole fluorescenti a destra, cellule umane cresciute su gusci di diatomee a sinistra.
Un recente potenziale impiego delle diatomee è la loro applicazione come sistema naturale di biorisanamento del Mar Piccolo di Taranto (acque e sedimenti) da contaminazioni chimiche. La finalità del progetto è l’uso di alghe modificate, e dei loro gusci silicei, con enzimi e biopolimeri per conferire un’azione decontaminante da inquinanti come policlorobifenili e metalli pesanti fra cui mercurio, cadmio, arsenico e piombo. Le alghe sono state anche funzionalizzate con particelle magnetiche, permettendo di affiancare alla loro azione di biorisanamento la possibilità di essere agevolmente recuperate senza perturbare le funzioni biologiche con un impatto ecologico trascurabile.
Le attività di ricerca dell’Istituto si sono di recente estese allo studio e allo sviluppo di processi chimici avanzati, basati sull’impiego dei plasmi di bassa temperatura a pressione atmosferica per la sintesi e modifica superficiale di nuovi materiali con applicazioni nel campo della catalisi e del risanamento ambientale.
Un plasma di bassa temperatura, anche chiamato plasma freddo, è un gas parzialmente ionizzato che, pur avendo una temperatura prossima a quella ambiente, è caratterizzato dalla presenza di elettroni altamente energetici e di specie chimiche reattive come atomi, radicali e ioni. Costituisce, pertanto, un ambiente di reazione unico e non convenzionale che può essere impiegato per modificare in maniera controllata la superficie dei materiali a esso esposti, senza alterarne le proprietà massive.
L’attenzione è in particolare rivolta allo sviluppo di nuovi processi via plasma per la modifica superficiale e la sintesi di materiali funzionali per la catalisi eterogenea, con applicazioni di interesse industriale e ambientale. Queste ultime includono, per esempio, la produzione di metano dal gas di sintesi, una miscela di monossido di carbonio e idrogeno, la conversione dell’anidride carbonica in combustibili e composti chimici ad alto valore aggiunto e la degradazione di inquinanti organici presenti nelle acque reflue.
