Due molecole possono avere gli stessi atomi e la stessa formula, ma comportarsi in modo molto diverso se sono l’una l’immagine speculare dell’altra. È da questo problema, apparentemente esclusivamente geometrico ma in realtà profondamente legato alla vita e al funzionamento stesso delle molecole che la compongono, che parte la motivazione del Nobel per la chimica 2026, assegnato a Henri B. Kagan e Kenso Soai per le loro scoperte sugli effetti non lineari e sull’autocatalisi nella sintesi organica asimmetrica. 

Le molecole che esistono in due forme speculari ma non sovrapponibili sono dette chirali, mentre le due forme sono chiamate enantiomeri. Le proprietà chirali furono osservate da Louis Pasteur nel XIX secolo durante i suoi studi sui cristalli di acido tartarico: al microscopio notò che alcuni cristalli erano l’immagine speculare di altri; separandoli e facendo passare attraverso di essi luce polarizzata, scoprì che una forma deviava la luce verso destra, mentre l’altra la deviava verso sinistra. 

Questa scoperta si è rivelata fondamentale per la chimica organica e per la biochimica. In natura, infatti, molte molecole essenziali, come per esempio gli amminoacidi e gli zuccheri, sono presenti prevalentemente in una sola forma chirale: questo fenomeno prende il nome di omochiralità. La distinzione non è solo teorica: nel caso dei farmaci, una forma può avere l’effetto terapeutico desiderato, mentre l’altra può essere inattiva o persino tossica, come mostrato storicamente dal caso della talidomide.

Per molto tempo, nelle reazioni chimiche capaci di generare due enantiomeri, il risultato più comune era una miscela 50:50, detta racemica. Ottenere selettivamente una sola forma richiedeva di solito l’intervento di un elemento chirale già presente, come un catalizzatore o un ausiliario enantiomericamente puro. 

Il contributo di Henri B. Kagan fu decisivo perché mostrò che una piccola prevalenza iniziale di un enantiomero nel catalizzatore poteva produrre un eccesso molto maggiore dello stesso enantiomero nel prodotto finale. In altre parole, la chiralità non veniva semplicemente trasferita in modo proporzionale: poteva essere amplificata. 
Studiando il meccanismo di queste reazioni, Kagan osservò che il rapporto tra la chiralità del catalizzatore e quella del prodotto non seguiva un andamento lineare, come ci si sarebbe potuti aspettare, ma mostrava un andamento curvo. Questo effetto non lineare indicava che un piccolo squilibrio iniziale poteva autoamplificarsi durante la reazione, fino a generare un prodotto fortemente arricchito in una sola forma chirale. 

Crediti immagine: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Il lavoro di Kagan preparò il terreno per il passo successivo: dimostrare che l’amplificazione della chiralità poteva avvenire anche quando il prodotto stesso della reazione funzionava da catalizzatore. Questa fu la direzione seguita da Kenso Soai, che cercò una reazione in grado di innescare un processo a catena autocatalitico e asimmetrico. 
Dopo molti tentativi, Soai riuscì a ottenere una reazione in cui il prodotto chirale favoriva la formazione di altro prodotto con la stessa configurazione. La sua ricerca portò alla celebre reazione di Soai, descritta in una pubblicazione del 1995, nella quale il prodotto agisce come autocatalizzatore e amplifica progressivamente l’eccesso di una delle due forme chirali. 
In una reazione asimmetrica guidata da un’autocatalisi, un lieve squilibrio iniziale può essere amplificato fino a rendere dominante una sola forma chirale. 

In termini generali, la reazione parte da reagenti non chirali o da condizioni quasi bilanciate, ma un piccolo eccesso casuale di uno dei due enantiomeri può essere rinforzato dal meccanismo autocatalitico. Il prodotto che si forma favorisce infatti la produzione di altro prodotto con la stessa configurazione, portando a un eccesso enantiomerico sempre più marcato e, in alcuni casi, a un materiale quasi enantiomericamente puro. 
 
Oggi questi concetti costituiscono una parte essenziale della catalisi asimmetrica moderna. Lo studio degli effetti non lineari non è soltanto uno strumento teorico per comprendere i meccanismi di reazione: aiuta anche a progettare sintesi più selettive per farmaci, composti biochimici e nuovi materiali.