Indebolire il concetto di struttura: attivitą ottica, sostituzione isotopica, stati eccitati

 

 

 

 

In diversi punti dell'argomentazione precedente ho già fatto uso del termine struttura, una parola carica di significati diversi, che si esprimono di volta in volta a seconda dei contesti scientifici, tecnologici, linguistici, filosofici. Qui ho usato costantemente la parola struttura con il significato che ha in chimica organica, di insieme di relazioni topologiche, geometriche e chirali che definiscono i rapporti reciproci degli atomi costituenti la molecola. Il possedere una certa struttura è indubbiamente la proprietà fondamentale di una molecola organica, è infatti la conoscenza della sua struttura molecolare che ci permette di sintetizzare la sostanza che (eventualmente) ci interessa. Vi sono però parecchi aspetti del rapporto fra struttura e proprietà molecolari che meritano di essere approfonditi. Un caso molto importante è quello degli isomeri ottici, le cui molecole hanno strutture che si differenziano solo per la loro reciproca specularità; molecole appartenenti ad antipodi ottici hanno tutte le proprietà fisiche identiche (eccetto la rotazione del piano della luce polarizzata), ma alcune proprietà chimiche e fisiologiche diverse. La trasformazione di un enantiomero in un altro lascia invariate tutte le proprietà chimiche della sostanza in questione, eccetto quelle che si esprimono nella reattività con altre sostanze otticamente attive. La tragedia della talidomide, d'altra parte, ci ricorda quanto possa essere differente il comportamento fisiologico di una sostanza in cui le componenti molecolari presentano centri chirali.

L'esperimento che fa interagire, in modo opportuno e controllato, la luce polarizzata con una sostanza porta ad esiti che possono essere così descritti, ai due livelli ontologici di riferimento:

(livello macroscopico) (1)          attività ottica ------------> sostanza otticamente attiva

      (1')      inattività ottica ------------> sostanza otticamente inattiva

(livello microscopico)  (2)          attività ottica ------------> molecole chirali

                                                     (2')       inattività ottica ------------> ?

Si coglie subito che mentre l'attività ottica della sostanza ci permette di dedurre la presenza di molecole chirali, l'assenza di questa proprietà ci fa dire solo che la sostanza è inattiva. Una cosa ovvia, come quando in onore del defunto signore di La Palisse si cantava "Un quarto d'ora prima della morte era ancora in vita".. Infatti la sostanza potrebbe essere stata ottenuta con una reazione atta a introdurre nella struttura molecolare un centro asimmetrico, ma senza opportuni centri chiralici preesistenti e presenti nel sistema, la sintesi sarebbe risultata 'simmetrica', avrebbe cioè portato ad un egual numero di molecole levo- e destrogire, e in definitiva ad inattività ottica del prodotto. Dalle (1) e (2) otteniamo subito una conclusione interessante: affinché una sostanza contenga molecole chirali, è condizione sufficiente che essa sia otticamente attiva, ma l'attività ottica non è una condizione necessaria. Indichiamo ora con X (X, XD) una sostanza come quella appena descritta, con un egual numero di molecole levo- (sostanza XL) e destrogire (sostanza XD).

Compiamo ora su questa sostanza tre diverse trasformazioni e chiediamoci cosa muti e cosa rimanga invariato:

                                     separazione chiralica         XL

(3) X (XL , XD)     --------------------------------->

                                                                                 XD

              reazione a-chiralica

                 (4) X (XL , XD)   --------------------------------->  A (AL , AD)

 

                  reazione anti-chiralica

(5) X (XL , XD)   --------------------------------->  B

La (3) porta alla luce un fatto inquietante. Usando una colonna cromatografica opportuna si rivelano le identità occulte di XL e XD, due sostanze otticamente attive, prima nascoste in X (X, XD). In linea di principio nessuna molecola della sostanza iniziale è stata alterata, vi è stato 'solo' la separazione ordinata degli oggetti microscopici, di simmetria opposta, in regioni diverse dello spazio. A livello microscopico nulla è cambiato, se non la collocazione macroscopica nello spazio (si badi, uno spazio 'innocente', senza campi elettromagnetici particolari). Dobbiamo concludere che una parte dell'identità di una sostanza (qui XL e XD) può dipendere da dove si trovano le sue molecole.

La (4) constata che la 'copertura' di XL e XD viene trasferita a due nuove sostanze, mescolate in A (AL , AD), da una reazione qualsiasi che conservi il centro chiralico, e che sia stata attuata con reagenti non asimmetrici. La (5) termina la storia, cancellando la distinzione fra le molecole di XL e XD che diventano molecole di B, una sostanza priva di attività ottica, come già X (X, XD), ma questa volta priva anche di molecole chiraliche. Nelle sue linee essenziali la questione della chiralità ci porta a concludere che un centro chiralico pur essendo un tratto cruciale dell'identità molecolare (della sua struttura), è in un certo senso un tratto debole, perché il suo affioramento a livello di proprietà della sostanza macroscopica è incerto, sia nel senso statico dell'analisi ottica, sia nel senso dinamico delle reazioni del tipo (4) e (5).

Consideriamo ancora un altro caso, quello della sostituzione isotopica. La trasformazione di una sostanza in una sostanza 'marcata' non altera la struttura delle sue molecole e non ne modifica la reattività. Sono invece modificate le proprietà spettroscopiche, e se il 'marcante' è radioattivo compare tutta una nuova fenomenologia. Infine, ed è un caso che ci permette una facile transizione verso le osservazioni di natura termodinamica, possiamo riflettere sullo stato energetico delle molecole delle sostanze che interessano una certa reazione. Gran parte delle reazioni avvengono con le molecole che vi partecipano nello stato elettronico fondamentale, quello a più bassa energia, ma un'intera disciplina, la fotochimica, studia la reattività delle molecole negli stati elettronici eccitati. Le molecole del benzene sono sempre molecole di questa sostanza anche quando sono nel primo stato eccitato, ma la loro geometria e la loro reattività è profondamente mutata: ci potremmo quindi chiedere quanto di trasformazione e quanto di invarianza sia rappresentato dalla scrittura:

(6) C6H6 + hn ® C6H6*

I tre casi citati, della chiralità, della sostituzione isotopica e degli stati eccitati sono stati richiamati anche perché hanno un tratto epistemologico in comune: rendono meno totalizzante il concetto stesso di struttura.

 

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