Scienza, produzione e immagine Scienza, produzione e immagine pubblicapubblica

Lo sviluppo ineguale della chimica del ‘900

Luigi CerrutiLuigi Cerruti

lcerruti@ch.unito.itlcerruti@ch.unito.it

http://minerva.ch.unito.ithttp://minerva.ch.unito.it

Un tempo suddiviso in più tempiUn tempo suddiviso in più tempi

è ridicoloipotecare il tempoe lo è altrettantoimmaginare un temposuddiviso in più tempi.

E. Montale, “È ridicolo credere” 1968

Scienza & SocietàScienza & SocietàTre componentiTre componenti

• Conoscenza scientifica

• Produzione materiale

• Immagine pubblica

Prima parte:Prima parte:quasi una cronologiaquasi una cronologia

Chimica e fisica dell'atomo, 1900-1918

Chimica e chimica-fisica della struttura, 1918-1945

Mutazione e travestimento, 1945-1975

Chimica della complessità, 1975-2000

Seconda parte:Seconda parte:quasi una analisi storicaquasi una analisi storica

Trompe l'œil: struttura vs. reattività, ovvero O/I

Quantità e qualità nella produzione industriale

L'immagine della chimica: due o tre crisi

Osservazioni finali

Chimica e fisica dell'atomoChimica e fisica dell'atomo1900-19181900-1918

• Modelli atomici• Trasmutazione degli elementi• Isotopia

Ovviamente c’è anche Ovviamente c’è anche altro

Chimica e fisica dell'atomo, 1900-1918Chimica e fisica dell'atomo, 1900-1918I modelli atomici e del legameI modelli atomici e del legame

Il modello di Thomson, 1904Il modello di Abegg, 1904Il modello di Rutherford, 1911Il modello di Bohr, 1913Il modello di Lewis, 1916: atomo e legame

Il modello di Thomson, 1904Il modello di Thomson, 1904

Trattazione fisico-matematica

Decine di migliaia di corpuscoli

Deduzione della periodicità

Legame polare

Corpuscoli in movimento su orbite circolari

Il modello di Rutherford, 1911Il modello di Rutherford, 1911

Un nucleo con possibili masse minori come satelliti

Concepito dopo l’acquisizione di una nuova base sperimentale

Instabile secondo la fisica classica

Si fonda esclusivamente sui dati sperimentali

Il modello di Bohr, 1913Il modello di Bohr, 1913

Il primo modello quantistico

Calcola il raggio dell’atomo di idrogeno

Calcola la costante di Rydberg

Le configurazioni elettroniche sono ‘aggiustate’ in base alle proprietà chimiche

Il legame chimico è dato da un numero variabile di elettroni

• Un modello assiomatico: regole, non calcoli• Un modello statico• Il legame chimico è dovuto ad una coppia di

elettroni• L’accoppiamento degli elettroni giustifica la

configurazione tetraedrica dei legami dell’atomo di carbonio

Il modello di Lewis, 1916Il modello di Lewis, 1916L’elettrone e il legame chimicoL’elettrone e il legame chimico

La biochimica, 1900-1918La biochimica, 1900-1918Nuove funzioni, nuovi oggetti molecolariNuove funzioni, nuovi oggetti molecolari

Enzimi e reattivitàI messaggeri chimici: gli ormoniIn absentia: le vitamine

La biochimica del ‘900 ha origine da tre campi di ricerca in buona parte disgiunti. Per primi sono caratterizzati gli enzimi, come agenti del metabolismo cellulare. Un’interazione complessa all'interno della medicina, fra pratica terapeutica e indagine patologica, porta a definire gli ormoni. Epidemiologia e chimica affrontano gravi patologie e scoprono le vitamine.

Chimica e chimica-fisica della struttura Chimica e chimica-fisica della struttura 1918-19451918-1945

• Chimica organica fisica

• Chimica quantistica

• Chimica macromolecolare

• Biochimica

• La chimica fisica e la sua strumentazione

Chimica organica fisicaChimica organica fisica 1918-19451918-1945

• 1924- 1926 R.Robinson, durante una dura polemica con Ingold, descrive gli effetti di mobiltà elettronica

• 1934 C.K.Ingold pubblica i Principles of an Electronic Theory of Organic Reactions

• anni 1930 Ingold e Hughes: cinetica e meccanismi di reazione

• 1940 L.P.Hammett pubblica Physical Organic Chemistry

Chimica quantisticaChimica quantistica

1927 Approssimazione di Born - Oppenheimer

1927 W. Heitler e F. London, legame di valenza emolecola di idrogeno

1927-29 F. Hund, R. S. Mulliken, orbitali molecolari

1928 L. Pauling, ibridazione degli orbitali dilegame

1932 H. Eyring e M.Polanyi calcolano lasuperficie di potenziale per il sistema H2 + H

R. S. Mulliken, 1931

““il fatto che gli elettroni di valenza quasi sempre si il fatto che gli elettroni di valenza quasi sempre si presentino a coppie nelle molecole sature sembra, presentino a coppie nelle molecole sature sembra, dopo tutto, che non abbia nessuna connessione dopo tutto, che non abbia nessuna connessione fondamentale con l’esistenza del legame chimico”fondamentale con l’esistenza del legame chimico”

La presunzione di Dirac e di quanti volevano ‘ridurre’ La presunzione di Dirac e di quanti volevano ‘ridurre’ la chimica alla fisica, o alla chimica-fisica, è rimasta la chimica alla fisica, o alla chimica-fisica, è rimasta nel regno del nel regno del wishful thinkingwishful thinking..L’autonomia epistemologica della chimica non è L’autonomia epistemologica della chimica non è dovuta a pretese disciplinariste dei chimici, ma alla dovuta a pretese disciplinariste dei chimici, ma alla complessità del livello ontologico di riferimento, che complessità del livello ontologico di riferimento, che impone l’uso di concetti -come quello di struttura- che impone l’uso di concetti -come quello di struttura- che sono irrimediabilmente indigeribili dalla meccanica sono irrimediabilmente indigeribili dalla meccanica quantisticaquantistica

Chimica macromolecolareChimica macromolecolare

1922 H. Staudinger, idrogenazione del caucciù

1926 Le tesi di Staudinger sono respinte dai chimicitedeschi

1932 Die hochmolekularen organischen Vebindungen

1935 Carothers vs. Staudinger, ovvero:condensazione vs. addizione

R & S: il nylon

1928 rriicceerrcchhee ssuullllee rreeaazziioonnii ddii ccoonnddeennssaazziioonnee1932 pprriimmii rriissuullttaattii1935 ffoorrmmuullaa ddeell nnyylloonn1937 ii bbrreevveettttii,, iimmppiiaannttoo ppiilloottaa1939 pprroodduuzziioonnee

BiochimicaBiochimica 1918-19451918-1945

• La preparazione dell’insulina

Un successo terapeutico ed economico Un successo terapeutico ed economico

straordinariostraordinario

• Il ciclo di Krebs• Gli ormoni corticosurrenalici

La chimica fisica e la sua strumentazioneLa chimica fisica e la sua strumentazione 1918-19451918-1945

• Strutturistica con i raggi X

• Le spettroscopie vibrazionali

• Spettrometria di massa

• Misure di momenti di dipolo

• Polarografia

Mutazione e travestimento, 1945-1975Mutazione e travestimento, 1945-1975

• Cromatografia ed elettroforesi

• La trasformazione del laboratorio organico

• La biologia molecolare, biochimica travestita

* * *• La chimica quantistica diventa chimica teorica

• Termodinamica delle strutture dissipative ( caos chimico)

Cromatografia ed elettroforesiCromatografia ed elettroforesi

• 1941 Martin e Synge, cromatografia di partizione

• 1944 Consden, Gordon e Martin, cromatografia su carta

• 1948-1950 elettroforesi su carta

• 1952 James e Martin, gas-cromatografia

• 1953 Grabar e Williams, elettroforesi su agar, immuno-elettroforesi

• 1958 Stahl presenta il Grundausrüstung per la cromatografia su strato sottile

La cromatografia su carta e le diverse tecniche di elettroforesi La cromatografia su carta e le diverse tecniche di elettroforesi furono applicate alla separazione delle proteine e dei peptidi. I furono applicate alla separazione delle proteine e dei peptidi. I risultati sconvolsero interi settori della biologia:risultati sconvolsero interi settori della biologia:

genetica umanagenetica umana

genetica delle popolazionigenetica delle popolazioni

teoria dell’evoluzioneteoria dell’evoluzione

La trasformazione del laboratorio organicoLa trasformazione del laboratorio organico

1945-19751945-1975

In una generazione, dopo la seconda guerra

mondiale, sono stati introdotti strumenti che hanno

modificato profondamente i cardini stessi

dell’affermazione professionale di un chimico

organico.

L’analisi elementare è stata automatizzata.

IR, UV, NMR, cromatografie, GC-MS hanno

grandemente semplificato il compito di determinare

la struttura dei composti.

Il chimico organico dimostra la sua eccellenza

nell’arte della sintesi.

La biologia molecolare, 1945-1975 La biologia molecolare, 1945-1975 mostlymostly biochimica travestita biochimica travestita

• 1950 Chargaff determina nel DNA il rapporto 1.1 fra adenina e timina, e fra guanina e citosina

• 1955 Sanger determina la sequenza dell’insulina

• 1957 Ingram individua la causa molecolare dell’anemia falciforme

• 1961 Braunitzer determina la sequenza dell’emoglobina

• 1953 Watson e Crick propongono la struttura a doppia elica del DNA

• 1956-1960 Perutz determina la struttura tridimensionale dell’emoglobina

• 1958-1960 Kendrew determina la struttura tridimensionale della mioglobina

1938 La Rockefeller Foundation avvia il programma Molecular Biology

1959 È pubblicato il Journal of Molecular Biology

Verso la chimica della complessità, Verso la chimica della complessità, 1975-20001975-2000

• Chimica supramolecolare

• Chimica combinatoriale• Chimica computazionale• Caos chimico

La questione ambientale*La questione ambientale*

Distruzione Distruzione dell’ambientedell’ambientevs.vs.

chimica dell’ambientechimica dell’ambiente

• 1962 Rachel Carson, Silent Spring• 1965-70 L’agent orange, 80.000 t sul Vietnam• 1976 L’incidente di Seveso• 1984 40 t di metilisocianato su Bhopal• 1985 Inizia il programma Responsible Care

• 1985 Il “buco dell’ozono” descritto su Nature

Difesa dell’ambienteDifesa dell’ambienteLegislazione negli Stati UnitiLegislazione negli Stati Uniti

1965, Water Quality Act

1970, Clean Air Act

1970, Occupational Safety & Health Act

1972, Federal Insecticide Fungicide & Rodenticide Act

1974, Safe Drinking Water Act

1976, Resource Conservation & Recovery Act

1976, Toxic Substances Control Act

Chimica supramolecolareChimica supramolecolare

• 1967 Il blockbuster di C. J. Pedersen, gli eteri corona

• 1969 J.-M. Lehn, i criptati

• 1973 D. J. Cram, host e guest

• 1977 Congresso IUPAC, Tokyo Lehn propone il termine: chimica supramolecolare

• Riconoscimento molecolare

• Auto-replicazione: oligonucleotidi, micelle

• Auto-organizzazione: mesofasi tubulari, recettori fotosensibili, interruttori

• Nanotecnologie

1960, Richard Feynman: there's plenty of room at the bottom

1995, Jean-Marie Lehn: there's even more room at the top

Chimica combinatorialeChimica combinatoriale

• 1963 R. B. Merrifield, sintesi di peptidi in fase solida• 1985-1988 Librerie di cloni mutanti• 1991 Seminario di Á. Furka a Tucson, Arizona

1990, un referee dell’ Int. J. Peptide Protein Res., a proposito del primo articolo di Furka:

“My overall view is that the content of the paper is not immediatly useful nor is especially original. I recommend rejection”.

Caos chimicoCaos chimicoStrutture dissipative e auto-organizzazioneStrutture dissipative e auto-organizzazione

• 1952 Alan Turing, sulla “base chimica della morfogenesi”

• 1964 Articolo di Zhabotinsky sulla reazione di Belousov

• 1967 Prigogine e Nicolis, sulle “strutture dissipative”

1990 Ann. Rev. Phys. Chem. Temi trattati sulle dinamiche non lineari: Propagazione di onde e strutture spazialiOscillazioni in sistemi eterogeneiOscillazioni biologichePatterns geochimiciModelli

1990 Boissonade e De Kepper, il Gel Strip Reactor

Trompe l'œilTrompe l'œil: struttura vs. reattività,: struttura vs. reattività,ovvero O/Iovvero O/I

Sia nella didattica, sia nella divulgazione si Sia nella didattica, sia nella divulgazione si privilegia l'aspetto osservativo della privilegia l'aspetto osservativo della

conoscenza delle strutture molecolariconoscenza delle strutture molecolari a scapito di ciò che permette l'intervento del a scapito di ciò che permette l'intervento del

chimico sul mondo microscopico: il chimico sul mondo microscopico: il controllo della reattivitàcontrollo della reattività..

Trompe l'œilTrompe l'œil: struttura vs. reattività,: struttura vs. reattività,Osservare vs. IntervenireOsservare vs. Intervenire

La chimica degli ultimi decenni, supramolecolare, La chimica degli ultimi decenni, supramolecolare, combinatoriale, non-lineare ha affrontato con nuovi combinatoriale, non-lineare ha affrontato con nuovi

metodi il controllo della reattività.metodi il controllo della reattività.

Le nuove procedure conoscitive si sono affiancate a Le nuove procedure conoscitive si sono affiancate a quelle più classiche:quelle più classiche:

Reazioni mirate, per la , per la formazione di strutture o di o di particolari strutturaliparticolari strutturali

Catalizzatori, per , per dirigere la cinetica delle reazioni delle reazioni

Struttura vs. reattività,Struttura vs. reattività,ovvero osservare e intervenire

Aree di ricerca in biochimica

1900-1918 Vitamine

1918-1945 Ormoni Metabolismo

1945-1975 Proteine DNA etc.

1975-2000Auto-

organizzazione

Quantità e qualità nella produzione industrialeQuantità e qualità nella produzione industriale

Date di avvio di importanti produzioni industriali

Produzioneordine di grandezza 103 - 104 t

Produzioneordine di grandezza 105 - 106 t

1898 Indaco

1899 Aspirina

1906 Seta artificiale

1913 Ammoniaca

1922 Insulina

1932 Sulfamidici

1937 Poliestere

1939 Buna S

1940 Nylon

1941 Penicillina

1948 Cortisone

1956 Polipropilene

L'immagine della chimicaL'immagine della chimicaDue o tre crisiDue o tre crisi

• 1903-1913 Un decennio di

conquista della fisica

• > 1927 Inizia l’assalto della

fisica quantistica

• 1953-1959 Dalla doppia elica al

Journal of Molecular Biology

• 1945 Impiego della bomba

atomica: terrore & risparmio

• > 1962 La devastazione

dell’ambiente naturale viene

imputata alla chimica

Scienza & SocietàScienza & SocietàL’immagine pubblicaL’immagine pubblica

Funzione conoscitiva

Interna alla scienza

Gerarchie accademiche

Politica (finanziamenti)

Esterna alla scienza

Opinione pubblica(prestigio & cultura)

Scienza & SocietàScienza & SocietàL’immagine pubblicaL’immagine pubblica

Funzione conoscitiva Interna alla scienza

Gerarchie accademiche

Politica (finanziamenti) Esterna alla scienza

Opinione pubblica(prestigio & cultura)

Osservazioni finaliOsservazioni finaliSulle gerarchie accademicheSulle gerarchie accademiche

Mutati rapporti con il potere politico

Mutati rapporti con il potere economico

Latitanza sulla scena culturale

Osservazioni finaliOsservazioni finaliSull’immagine pubblicaSull’immagine pubblica

Declino generale dell’immagine della scienza

Implicazioni ‘chimiche’ del degrado ambientale

Latitanza sulla scena culturale

ConclusioniConclusioniIn nuceIn nuce

La chimica è in buona salute

I chimici un po’ meno

Tuttavia ...