Smonta e rimonta. Ripartire dalla chimica per processi industriali più green

Il petrolio, il gas naturale e i loro derivati, sono ampiamente usati sia come combustibili sia come prodotti della chimica di base, indispensabili per la produzione di principi attivi (per la sintesi dei farmaci), di molecole organiche di svariata complessità (per la sintesi di vernici, tensioattivi, lubrificanti, schiume, resine, materie plastiche) di fibre (per materiali tessili e da costruzione). Tutte queste molecole sono accomunate dal fatto di avere come costituente principale atomi di carbonio, legati tra loro e insieme a una manciata di altri elementi (abbondante idrogeno, qualche ossigeno, azoto e pochi altri elementi ancora).
La meraviglia che ci circonda e a cui ci siamo abituati da circa 150 anni, è data dalle trasformazioni della materia (reazioni chimiche) che producono una straordinaria varietà di molecole e materiali, sempre partendo dalle stesse materie prime (risorse fossili), a fronte di un costo energetico più o meno elevato a seconda di quanto sia difficile rompere e riformare i legami chimici desiderati e accettando una massiccia produzione di rifiuti e inquinanti. Peccato che ora siamo arrivati a un livello di crescita non più sostenibile dalle risorse primarie e a accumuli di rifiuti che non siamo in grado di gestire. È ormai ovvio che dobbiamo rivedere le nostre strategie di sviluppo ma come, visto che nessuno è disposto a rinunciare al livello dei consumi a cui si è abituato? Il progetto Synergy CUBE, vincitore di un ERC Grant, si propone di scoprire come trasformare molecole a base di atomi di carbonio fino a ora considerate largamente uno scarto, in molecole che possano essere usate come combustibili e molto altro ancora, tramite una sintesi semplice e “pulita”. Come?
Il progetto ERC Synergy CUBE si pone l'obiettivo di inventare nuovi catalizzatori “aiutanti” a base di ioni rame per l’attivazione selettiva del legame C-H di molecole al momento non completamente valorizzate, per trasformarle in molecole di più facile utilizzo. Un esempio eccellente è la conversione diretta del metano (C₁H₄) in metanolo (CH₃OH): ottimo per la sintesi di una vastissima gamma di molecole e materiali. Questa reazione avviene in natura a opera di alcuni enzimi che sono eccellenti nel fare la reazione desiderata, ma sono estremamente fragili e non adatti a produzioni su larga scala.
La sfida è aperta, ma se riusciamo a vincerla sarà possibile disporre di larghe quantità di materie prime a base di carbonio non più derivanti dal petrolio, ma da biomasse, bio-metano e anche eventualmente ci permetterà di usare le enormi riserve di gas naturale stoccate nel permafrost (in pericolo di fusione a causa della crisi climatica, NdR).
Raggiungeremo così due scopi vantaggiosi: limitare l’immissione di questo potente gas serra in atmosfera e produrre metanolo anche in piccole stazioni di produzione, che non richiederebbero impianti troppo grandi e dispendiosi, permettendo anche di ridurre i costi sia economici sia ambientali derivanti dalle necessità di trasporto.

Come andrà, ve lo racconteremo strada facendo in una storia a puntate. Cominciamo!

Prima Puntata

Smonta e rimonta, smonta e rimonta, la giocattolaia si era resa conto che stava rapidamente usando tutti i mattoncini più versatili, di lunghezze e forme diverse e che le rimanevano molti, troppi, pezzi da uno, detti C₁H₄.
Le bambine e i bambini per i quali aveva da sempre ideato balocchi erano avidi di nuovi giochi e lei non faceva in tempo a costruirne, che altri ne volevano. Certo che, usando tutti i pezzi da uno in maniera accorta, si sarebbe potuto costruire ancora; mentre, volendo usare solo i pezzi più grandi, presto sarebbe stato più difficile e dispendioso mantenere invariata la produzione di giocattoli.

“Cosa me ne faccio di tutti questi C₁H₄? Certo che li potrei utilizzare, ma il procedimento attuale richiede che prima siano ritoccati smontandoli completamente. Qualcuno lo fa ma… è una vera scocciatura e servono molte risorse! Se solo riuscissi a evitare questo passaggio e a usare due catene di montaggio in parallelo, potrei mantenere alto il ritmo di produzione, anche avendo meno mattoncini multipli; potrei addirittura aumentare la capacità di assemblare giocattoli e soddisfare le richieste di tutti, anche dei nuovi clienti, sempre più esigenti e numerosi. Magari potrei perfino allestire dei moduli assemblatori in regioni lontane da qui e produrre giocattoli in luoghi più vicini a dove sono richiesti, risparmiare nei trasporti e offrire “giocattoli a Km0”. Che bel sogno sarebbe!”

E così si mise a pensare senza però trovare nessuna soluzione accettabile. Sapeva, come molti del resto, che “Natura” (sua maestra e costante fonte di ispirazione) era riuscita a modificare C1H4 in modo da farne uno diverso, CH3OH, anch’esso un pezzo da uno, ma che era molto più facile da montare per fare pezzi più lunghi.
“Che trovata! Se solo riuscissi a fare altrettanto ma in modo più veloce e diretto! Natura, così perfezionista, ha da sempre avuto i suoi tempi; ma io non posso aspettare: il mercato dei balocchi è alle porte e vorrei tanto sfoggiare una parata di nuove trovate per fare impazzire di gioia tutte le bambine e i bambini che accorreranno alla fiera.”

Per ottenere il risultato di Natura, ma più in fretta e senza sprecare nulla, servivano altre dita esperte per allentare le molle di C₁H₄ e rivederne la struttura, cambiandola un pochino, giusto quel tanto da renderla adatta al modulo assemblatore che aveva già pronto. Non riuscendo a decidersi sul da farsi, condivise i suoi pensieri con alcuni colleghi che sapeva stessero cercando di risolvere lo stesso problema. “Parlandone tutti insieme e condividendo le nostre esperienze nei diversi ambiti, ci aiuterà a trovare una strategia per raggiungere l'obiettivo. Che scommessa!”

Ciascuno di loro sapeva le qualità da cercare negli aiutanti, ma solo in termini generali e non sempre erano d’accordo su dove e come cercare. Gli aiutanti dovranno essere come dei “folletti” (sì, un po’ come gli aiutanti di Babbo Natale), con un tocco molto delicato e preciso, ma anche deciso, perché C₁H₄ è tutt’altro che docile; anzi, ha proprio un carattere difficile: chiuso all’inizio e poi, una volta attivato, smodato nei suoi comportamenti e impossibile da controllare.

“Raccogliere le informazioni sui potenziali aiutanti “catalizzatori ideali” è stato il primo passaggio e ora siamo nella fase dei “colloqui”. Alcuni li conosciamo già, perché esperti in altre attività, altri sono proprio nuovi, così nella selezione cerchiamo di essere senza pregiudizi, ma è davvero difficile non concedere le preferenze a ciò che già conosci un pochino! Al momento, non abbiamo ancora individuato l’aiutante giusto, ma la ricerca è appena iniziata. Speriamo di avere intuito, esperienza e, perché no, fortuna, e di trovare presto almeno un collaboratore tanto abile da consentirci di aprire una nuova catena di montaggio di giocattoli per tutti”, dicono i giocattolai Serena, Silvia, Unni e Vincent.

Vi terremo aggiornati!

CUBE - CU BasEd catalysts for selective C-H activation ha ottenuto un finanziamento ERC di 9.885.988 di euro per i prossimi 6 anni e coinvolge, oltre al Dipartimento di Chimica dell'Università di Torino, anche il Dipartimento di Chimica dell’Università di Oslo in Norvegia, la Facoltà di Chimica, Biotecnologia e Scienza del cibo dell'Università Norvegese di Scienze della Vita, e l'Istituto Max Planck per la Conversione di Energia a Mülheim in Germania.