DIPARTIMENTO DI CHIMICA, MATERIALI E INGEGNERIA CHIMICA "GIULIO NATTA"

Nuovi modi di creare legami chimici per molecole sempre più complesse

Pubblicato il  09/11/2022

In uno studio appena pubblicato sulla rivista «Nature Chemistry» che combina misure sperimentali e simulazioni teoriche, è stata evidenziata una nuova classe di reazioni chimiche, la cui velocità è controllata da fenomeni quantistici. Oltre ai ricercatori del Politecnico di Milano, hanno partecipato Università degli Studi di Perugia, Scuola Normale Superiore di Pisa e Università di Bologna.

Proviamo a spiegare la nuova scoperta con queste immagini:

    

Figura 1                                                                                       Figura 2

Se immaginiamo una reazione chimica come un cammino che deve essere percorso per andare da reagenti a prodotti (figura 1), è ragionevole aspettarsi che la reazione avvenga se i reagenti hanno un’energia sufficiente a superare il collo di bottiglia energetico (la barriera) che separa reagenti e prodotti (in alto), e che non avvenga se è inferiore (in basso).

Tramite il meccanismo di reazione scoperto in questo studio diviene possibile aggirare la barriera anche quando l’energia dei reagenti è bassa, mediante un salto quantico su un cammino reattivo parallelo, ma avente una barriera inferiore. Il meccanismo che consente questa reazione è di natura quantistica ed è noto come inversione di spin (figura 2).

«La classe di reazioni studiata, nota come spin-forbidden, è di difficile approccio in quanto richiede l’impiego di metodologie di calcolo avanzate» - spiega Carlo Alessandro Cavallotti, docente del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” e autore dello studio - «Usando nuovi strumenti teorici e computazionali sviluppati dai gruppi di Milano, Pisa e Bologna, siamo riusciti a riprodurre i dati sperimentali misurati dai colleghi di Perugia, dimostrando per la prima volta che per un particolare sistema reagente – l’addizione di ossigeno a composti azotati – è attivo il meccanismo proposto».

L’evidenza dell’esistenza di questa nuova via reattiva, rilevante attorno e al di sotto della temperatura ambiente, consentirà tanto di interpretare alcuni cammini di reazione attivi in ambienti astrochimici e biologici fino ad ora di difficile comprensione, quanto di progettare nuove vie di sintesi chimica.

La via reattiva proposta consente infatti di pensare a nuove metodologie per la creazione di legami chimici fra reagenti differenti, e va quindi ad aggiungersi all’armamentario dei chimici per la costruzione di molecole sempre più complesse.

 

Intersystem crossing in the entrance channel of the reaction of O(3P) with pyridine

Pedro Recio, Silvia Alessandrini, Gianmarco Vanuzzo, Giacomo Pannacci, Alberto Baggioli, Demian Marchione, Adriana Caracciolo, Vanessa J. Murray, Piergiorgio Casavecchia, Nadia Balucani, Carlo Cavallotti, Cristina Puzzarini & Vincenzo Barone
«Nature Chemistry» (Nat. Chem.(2022)

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