L’anidride carbonica è da tempo considerata uno dei principali responsabili del riscaldamento globale. Ma la stessa molecola associata al cambiamento climatico potrebbe assumere un ruolo diverso nei laboratori: non più soltanto un problema ambientale da ridurre, ma anche una risorsa da valorizzare per sviluppare processi chimici più sicuri ed efficienti. A dimostrarlo è uno studio internazionale pubblicato sulla rivista Science, al quale hanno partecipato il Politecnico di Milano e il Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”. La ricerca introduce una nuova prospettiva nell’impiego della CO2: oltre a essere utilizzata come fonte di carbonio per la produzione di nuove molecole, può infatti diventare anche una fonte di ossigeno per ottenere composti organici di interesse industriale.
Il risultato riguarda una delle trasformazioni più rilevanti della chimica organica: la rottura controllata dei doppi legami carbonio-carbonio presenti negli alcheni. Questi composti rappresentano materie prime fondamentali per la produzione di intermedi chimici, farmaci e materiali avanzati. Finora, per ottenere questo tipo di trasformazioni, l’industria chimica ha fatto spesso ricorso a reagenti ossidanti altamente reattivi, come l’ozono, oppure a metalli pesanti e sostanze in grado di generare sottoprodotti problematici. Soluzioni efficaci, ma associate a criticità legate alla sicurezza, ai costi e alla gestione degli scarti.
Il nuovo approccio propone invece un processo più sostenibile: la CO2 viene utilizzata come donatore di ossigeno in presenza di luce visibile e di un catalizzatore a base di ferro. La reazione può avvenire in condizioni particolarmente favorevoli, a temperatura ambiente e alla pressione atmosferica, riducendo così il consumo energetico e la complessità del processo.
Il punto centrale della tecnologia è un catalizzatore eterogeneo formato da singoli atomi di ferro dispersi su nitruro di carbonio. Sotto l’azione della luce, il materiale è in grado di attivare la CO2, una molecola normalmente molto stabile, e favorire il trasferimento dei suoi atomi di ossigeno agli alcheni. Il risultato è la produzione di composti come chetoni e acidi carbossilici, molecole di grande valore per la sintesi industriale e la chimica fine. La metodologia è stata sperimentata su 45 diversi substrati, dimostrando un’elevata selettività anche in presenza di gruppi chimici particolarmente sensibili, che nei processi tradizionali spesso richiedono passaggi aggiuntivi di protezione e deprotezione. Lo studio apre quindi una strada verso una chimica più circolare, nella quale una molecola considerata principalmente uno scarto ambientale può essere reinterpretata come materia prima per nuove tecnologie produttive.
“Questo studio mostra che i catalizzatori ad atomo singolo, una linea di ricerca che ci vede da anni in prima linea, continuano ad aprire nuove opportunità per rendere i processi chimici più efficienti, selettivi e sostenibili“, commenta Gianvito Vilé, docente di Impianti Chimici al Politecnico di Milano. “È un risultato di ricerca fondamentale, ma indica una direzione promettente per progettare processi di ossidazione più sicuri e meno dipendenti da reagenti aggressivi“.
Il contributo del Politecnico di Milano si è concentrato in particolare sulla progettazione e caratterizzazione del catalizzatore. Alla ricerca hanno partecipato Gianvito Vilé e Xiufang He, ricercatrice post-dottorale nel gruppo del professor Vilé. Lo studio è il risultato di una collaborazione internazionale guidata dell’Università di Bayreuth, che ha coinvolto il Leibniz Institute for Catalysis in Germania, il Politecnico di Milano e il Consiglio Nazionale delle Ricerche in Italia, la Jagiellonian University in Polonia e l’Università di Stoccolma in Svezia.
Il lavoro non rappresenta ancora una tecnologia industriale pronta all’uso, ma dimostra un principio nuovo: anche una molecola stabile e difficile da attivare come la CO2 può diventare parte attiva di processi chimici più sostenibili, grazie alla combinazione tra luce, catalisi e metalli abbondanti come il ferro.
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