Scienza, produzione e immagine
pubblica
Lo sviluppo ineguale della chimica del ‘900
Luigi Cerruti
[email protected]
http://minerva.ch.unito.it
Un tempo suddiviso in più tempi
è ridicolo
ipotecare il tempo
e lo è altrettanto
immaginare un tempo
suddiviso in più tempi.
E. Montale, “È ridicolo credere”
1968
Scienza & Società
Tre componenti
• Conoscenza scientifica
• Produzione materiale
• Immagine pubblica
Prima parte:
quasi 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:
quasi 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'atomo
1900-1918
• Modelli atomici
• Trasmutazione degli elementi
• Isotopia
Ovviamente c’è anche altro
Chimica e fisica dell'atomo, 1900-1918
I modelli atomici e del legame
Il modello di Thomson, 1904
Il modello di Abegg, 1904
Il modello di Rutherford, 1911
Il modello di Bohr, 1913
Il modello di Lewis, 1916: atomo e legame
Il modello di Thomson, 1904
Corpuscoli in movimento su
orbite circolari
Trattazione fisico-matematica
Decine di migliaia di corpuscoli
Deduzione della periodicità
Legame polare
Il 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, 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
Il modello di Lewis, 1916
L’elettrone e il legame chimico
• 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
La biochimica, 1900-1918
Nuove funzioni, nuovi oggetti molecolari
Enzimi e reattività
I messaggeri chimici: gli ormoni
In 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
1918-1945
•
•
•
•
•
Chimica organica fisica
Chimica quantistica
Chimica macromolecolare
Biochimica
La chimica fisica e la sua strumentazione
Chimica organica fisica
1918-1945
• 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 quantistica
1927
Approssimazione di Born - Oppenheimer
W. Heitler e F. London, legame di valenza e
molecola di idrogeno
1927-29 F. Hund, R. S. Mulliken, orbitali molecolari
1927
1928
1932
L. Pauling, ibridazione degli orbitali di
legame
H. Eyring e M.Polanyi calcolano la
superficie di potenziale per il sistema H2 + H
R. S. Mulliken, 1931
“il fatto che gli elettroni di valenza quasi sempre si
presentino a coppie nelle molecole sature sembra,
dopo tutto, che non abbia nessuna connessione
fondamentale con l’esistenza del legame chimico”
La presunzione di Dirac e di quanti volevano ‘ridurre’
la chimica alla fisica, o alla chimica-fisica, è rimasta
nel regno del wishful thinking.
L’autonomia epistemologica della chimica non è
dovuta a pretese disciplinariste dei chimici, ma alla
complessità del livello ontologico di riferimento, che
impone l’uso di concetti -come quello di struttura- che
sono irrimediabilmente indigeribili dalla meccanica
quantistica
Chimica macromolecolare
1922
H. Staudinger, idrogenazione del caucciù
1926
Le tesi di Staudinger sono respinte dai chimici
tedeschi
1932
Die hochmolekularen organischen Vebindungen
1935
Carothers vs. Staudinger, ovvero:
condensazione vs. addizione
R & S: il nylon
1928
1932
1935
1937
1939
ricerche sulle reazioni di condensazione
prim i risultati
formula del nylon
i brevetti, im pianto pilota
produzione
Biochimica
1918-1945
• La preparazione dell’insulina
Un successo terapeutico ed economico
straordinario
• Il ciclo di Krebs
• Gli ormoni corticosurrenalici
La chimica fisica e la sua strumentazione
1918-1945
• Strutturistica con i raggi X
• Le spettroscopie vibrazionali
• Spettrometria di massa
• Misure di momenti di dipolo
• Polarografia
Mutazione 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 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
furono applicate alla separazione delle proteine e dei peptidi. I
risultati sconvolsero interi settori della biologia:
genetica umana
genetica delle popolazioni
teoria dell’evoluzione
La trasformazione del laboratorio organico
1945-1975
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
mostly 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,
1975-2000
• Chimica supramolecolare
• Chimica combinatoriale
• Chimica computazionale
• Caos chimico
La questione ambientale*
Distruzione dell’ambiente
vs.
chimica 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’ambiente
Legislazione 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 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 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 chimico
Strutture 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 spaziali
Oscillazioni in sistemi eterogenei
Oscillazioni biologiche
Patterns geochimici
Modelli
1990 Boissonade e De Kepper, il Gel Strip Reactor
Trompe l'œil: struttura vs. reattività,
ovvero O/I
Sia nella didattica, sia nella divulgazione si
privilegia l'aspetto osservativo della
conoscenza delle strutture molecolari
a scapito di ciò che permette l'intervento del
chimico sul mondo microscopico: il
controllo della reattività.
Trompe l'œil: struttura vs. reattività,
Osservare vs. Intervenire
La chimica degli ultimi decenni, supramolecolare,
combinatoriale, non-lineare ha affrontato con nuovi
metodi il controllo della reattività.
Le nuove procedure conoscitive si sono affiancate a
quelle più classiche:
Reazioni mirate, per la formazione di strutture o di
particolari strutturali
Catalizzatori, per dirigere la cinetica delle reazioni
Struttura vs. reattività,
ovvero osservare e intervenire
Aree di ricerca in biochimica
1900-1918
1918-1945
1945-1975
1975-2000
Vitamine
Ormoni
Metabolismo
Proteine
DNA etc.
Autoorganizzazione
Quantità e qualità nella produzione industriale
Date di avvio di importanti produzioni industriali
Produzione
Produzione
3
4
ordine di grandezza 10 - 10 t
1898
Indaco
1899
Aspirina
1922
Insulina
1932
Sulfamidici
1941
Penicillina
1948
Cortisone
ordine di grandezza 105 - 106 t
1906
Seta artificiale
1913
Ammoniaca
1937
Poliestere
1939
Buna S
1940
Nylon
1956
Polipropilene
L'immagine della chimica
Due 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 & Società
L’immagine pubblica
Funzione conoscitiva
Interna alla scienza
Gerarchie accademiche
Politica (finanziamenti)
Esterna alla scienza
Opinione pubblica
(prestigio & cultura)
Scienza & Società
L’immagine pubblica
Funzione conoscitiva

Gerarchie accademiche

Politica (finanziamenti)

Opinione pubblica
(prestigio & cultura)

Interna alla scienza
Esterna alla scienza
Osservazioni finali
Sulle gerarchie accademiche
 Mutati rapporti con il potere politico
 Mutati rapporti con il potere economico
 Latitanza sulla scena culturale
Osservazioni finali
Sull’immagine pubblica
 Declino generale dell’immagine della scienza
 Implicazioni ‘chimiche’ del degrado ambientale
 Latitanza sulla scena culturale
Conclusioni
In nuce

La chimica è in buona salute
 I chimici un po’ meno
 Tuttavia ...