Corso di studi di Scienza dei materiali Corso di Storia delle scienze sperimentali Quantità e qualità nella produzione industriale Date di avvio di importanti produzioni industriali Luigi Cerruti www.minerva.unito.it Lezioni 23-24 23 aprile 2012 Produzione ordine di grandezza 10 3-10 4 t 1898 Indaco 1899 Aspirina 1922 Insulina 1932 Sulfamidici 1941 Penicillina 1948 Cortisone Produzione ordine di grandezza 10 5-10 6 t 1906 Seta artificiale 1913 Ammoniaca 1937 Poliestere 1939 Buna S 1940 Nylon 1956 Polipropilene Gli steroidi Sei atomi homeless e due Nobel La struttura degli steroidi Rush finale Acido Desossicolico Colesterolo J. D. Bernal Heinrich Wieland Nobel per la chimica 1927 Adolf Windaus Nobel per la chimica 1928
La chimica classica Geniale e faticosa La struttura dell androsterone 1932-1935 La chimica macromolecolare I protagonisti Hermann Staudinger (1881 1965) a: anello pentatomico, 1932 b: scheletro fenantrene + anello pentatomico, 1933 c: saldatura degli anelli come negli steroidi, 1933 d: posizione dell ossidrile fenolico, 1934 e: posizione del carbonile e del metile, 1935 1922 Idrogenazione del caucciù 1926 Le tesi di Staudinger sono respinte dai chimici tedeschi 1932 Die hochmolekularen organischen Verbindungen Chimica macromolecolare La posizione di H. Staudinger "Per tali particelle colloidali proponiamo il nome di macromolecole. Le particelle colloidali, così costituite, che proprio per le possibilità di legame del carbonio si presentano soprattutto nella chimica organica e nella natura organica, risultano essere l'effettiva sostanza colloidale" (Staudinger, 1924). Teorie a confronto Micelle & Micelle Premio Nobel per la chimica 1953 "In una sostanza semplice e omogenea le molecole sono tutte della medesima grandezza; i composti altomolecolari sono al contrario costituiti principalmente da una miscela di molecole di costituzione analoga, ma di dimensioni diverse" (Staudinger, 1926).
La chimica macromolecolare I protagonisti Chimica macromolecolare L'esperimento falsificante di W.Carothers R & S: il nylon 1928 ricerche sulle reazioni di condensazione 1932 primi risultati 1935 formula del nylon 1937 i brevetti, impianto pilota 1939 produzione Wallace Carothers (1896 1937) La confutazione, sperimentale, dell'ipotesi micellare si trova in uno dei primi lavori eseguiti presso la Du Pont, inviato per la pubblicazione il 7 agosto 1929, quando la disputa fra Staudinger e Meyer e Mark era del tutto aperta. Dall'ipotesi micellare si dovrebbe dedurre che se due diversi polimeri (A) n e (B) m, sono mescolati in soluzione o allo stato liquido, dati i supposti equilibri: (A) n n A (B) m m B la miscela risultante dovrebbe contenere almeno in parte il copolimero (AB) p. L'esperienza era stata eseguita con due distinti poliesteri; essi, pur fusi insieme, non avevano affatto dato origine all'atteso copolimero; questo, sintetizzato a parte, non risultava in nessun modo confondibile con i polimeri di partenza. I primi materiali polimerici sintetici Nylon, 1935 & 1938 La trasformazione del laboratorio chimico e il suo impatto sulle scienze sperimentali, 1940-1990 1935 Julian Hill ottiene il nylon 66 nel laboratorio diretto da Carothers a partire dall'acido adipico e dall'esametilendiammina 1938 Paul Schlack nel laboratorio di Berlino dell'aceta ottiene il nylon 6 a partire dall'idrolisi acida del caprolattame greggio La trasformazione del laboratorio Le cromatografie Le spettroscopie La strutturistica con i raggi X Le tecniche di separazione e le scienze della vita Il rinnovamento della chimica e la sfida alla fisica Il riorientamento della chimica organica La nascita della suprachimica La sfida alla fisica: le nanotecnologie
Cromatografia ed elettroforesi Cromatografia & elettroforesi Le tecniche sperimentali 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 Frederik Sanger e la struttura dell insulina 1955 Frederik Sanger e la struttura dell insulina, 1955 Vernon Ingram e l anemia falciforme 1957 Cromatografia & elettroforesi I dati sperimentali e l interpretazione Cromatografia & elettroforesi I dati sperimentali
Cromatografia & elettroforesi I dati sperimentali Vernon Ingram e l anemia falciforme 1957 Premi Nobel, per la chimica nel 1954 e per la pace nel 1962 Linus Pauling Le malattie molecolari marzo 1945, Linus Pauling assiste ad una conferenza sull'anemia falciforme "It immediately occurred to me that sickle-cell anemia must be a disease of the hemoglobin molecule, with sicklecell hemoglobin having an abnormal structure" forma un gruppo di ricerca con Harvey Itano e Jon Singer fine novembre 1949: L. Pauling, H. A. Itano, S. J. Singer, and I. C. Wells, "Sickle Cell Anemia, A Molecular Disease", Science 110, 543 548 (1949) Su Pauling si vedano anche le Lezioni 25-26 La trasformazione del laboratorio La spettroscopia UV e IR La trasformazione del laboratorio La spettroscopia UV e IR Ultravioletto-visibile Beckman DU. Entro la fine del 1941 sono consegnati 18 spettrofotometri DU, al prezzo di 723 $ ciascuno. Con semplici alterazioni, 'cosmetiche', rimane in produzione fino al 1975, per un totale di oltre 35.000 strumenti venduti Infrarosso Il primo Perkin-Elmer Model 12A è consegnato nel 1944; fino al 1947 ne sarebbero stati prodotti oltre 500 La Perkin-Elmer mette in commercio il PE Model 21 a doppio raggio nel 1950, corredato di un registratore automatico
La trasformazione del laboratorio Il contributo dei fratelli Varian La trasformazione del laboratorio: l'nmr Sigurd e Russell Varian Varian A-60 Aprile 1948, Russell e Sigurd Varian e W. Hansen fondano la Varian Associates: klystron per scopi civili e militari, e costruzione di apparecchi NMR Il primo spettrometro NMR è venduto nel 1952 alla texana Humble Oil 1958, l' HR-60 è di dimensioni e costo non accessibili; il magnete pesa più di due tonnellate e mezza Progettano uno spettrometro che individui solo i segnali provenienti dai protoni, con le stesse prestazioni dell'hr-60. Il nuovo modello è chiamato A-60 (A per analytical); è presentato a Pittsburgh nel 1961. Nel primo anno di vita sono venduti 120 esemplari dell'a-60, con una produzione complessiva di oltre 1000 strumenti. Giulio Natta Un viaggio 'fatale', un testimone straordinario sintesi dell'alcool metilico (1929), sintesi e polimerizzazione della formaldeide con la Montecatini (1932), preparazione del butadiene con la Pirelli (1942), oxosintesi (CO + H 2 con olefine) con la Bombrini Parodi Delfino (1945) Nell estate 1947 Giulio Natta e Pietro Giustiniani compiono un viaggio di ricognizione negli Stati Uniti. Constatano la massiccia presenza nei laboratori di nuova strumentazione chimico-fisica: Spettroscopi infrarossi e UV-visibile Spettrometri di massa Difrattometri automatizzati Al ritorno si stabilisce la collaborazione fra la Montecatini e l Istituto di Chimica Industriale del Politecnico di Milano Giulio Natta Chimica industriale e industria chimica Secondo viaggio fatale 1952, durante un Convegno della Gesellschaft Deutscher Chemiker a Francoforte Giulio Natta ascolta una relazione di Karl Ziegler sulla reazione di Aufbau ('montaggio') di oligopolimeri lineari. Da sempre interessato alle strutture ordinate Natta intuisce l'importanza della scoperta di Ziegler e tramite la Montecatini avvia una collaborazione con il chimico tedesco.
Es geht im Weck-Glas! Giulio Natta, marzo 1955 L annuncio modesto della sintesi del polipropilene La polimerizzazione dell etilene a pressione ambiente! "Funziona in un vaso di conserva!" "I risultati esposti nel vostro manoscritto sono di interesse straordinario, forse si dovrebbe definirli di significato rivoluzionario " (Paul Flory, gennaio 1955) Karl Ziegler, premio Nobel per la chimica 1963 Nachrichten aus der Chemie, 2003, 51, 12 I dati strutturali Giulio Natta Il trionfo della strutturistica con i raggi X Figura tratta dal discorso di accettazione del premio Nobel per la chimica, 1963 Gli Gli spettri spettri di di diffrazione con con i i raggi raggi X furono furono interpretati in inmodo soddisfacente assumendo che che tutti tutti gli gli atomi atomi di di carbonio asimmetrici della della catena catena principale avessero la la stessa stessa configurazione sterica, sterica, almeno almeno per per lunghi lunghi tratti tratti della della catena catena (P. (P. Pino) Pino) "Proponiamo di designare come 'catene isotattiche' [...] le catene polimeriche che hanno una struttura così eccezionalmente regolare, contenente serie di atomi di carbonio asimmetrici con la medesima configurazione sterica" (G. Natta, et al., marzo 1955)
L'arte della sintesi L'apprezzamento di Robert Woodward Giulio Natta Politecnico di Milano Un formidabile gruppo di ricerca Woodward nel 1965, anno del suo premio Nobel per la chimica There is excitement, adventure, and challenge, and there can be great art, in organic synthesis*(1956) Nella sintesi organica c'è eccitazione, avventura e sfida, e vi può essere una grande arte L'arte della sintesi, il modo di ragionare di Woodward La nascita della chimica supramolecolare Charles Pedersen: i composti corona, 1967 "Chiaramente era necessaria una certa costrizione (some coaxing); per indurre gli elettroni ad assumere le posizioni desiderate, decidemmo di tirarli (to pull them) da una direzione, e allo stesso tempo di spingerli (push them) dall'altra. Il cloruro di toluensulfonile fu scelto per tirare e la piridina per spingere; questi reagenti eseguirono il nostro comando (cfr. le frecce (arrows) in XIII) e fu prodotto il composto (XIV), che conteneva il desiderato anello V" (Woodward, 1955). Premio Nobel per la chimica, 1987
La chimica supramolecolare NMR e criptati 1969, L'analisi strutturale di Jean- Marie Lehn si basa interamente sugli spettri NMR dei nuovi criptati. 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 Premio Nobel per la chimica, 1987 Macchine molecolari Le nanotecnologie L'approccio top-down: Richard Feynman, 1960 Il contributo straordinario di Vincenzo Balzani "Attualmente la teoria dei processi chimici è basata sulla fisica teorica. In questo senso, la fisica fornisce la fondazione della chimica (the foundation of chemistry)". Tuttavia, aggiunge Feynman, la chimica ha anche l'analisi: "Ma se i fisici lo volessero, potrebbero togliere il terreno sotto i piedi dei chimici anche sul problema dell'analisi chimica. Sarebbe molto facile fare l'analisi di qualsiasi sostanza chimica complicata; tutto ciò che dovreste fare è guardarla (to look at it) e vedere dove sono gli atomi. Il solo guaio è che il microscopio elettronico è di un centinaio di volte troppo debole" (Feynman, Engineering and Science, 23, 1960). Per Per Feynman Feynman il il campione campione (macroscopico) (macroscopico) da da analizzare analizzare non non esiste esiste
Nanotecnologie L'approccio top-down : Richard Feynman, 1960 Nanotecnologie L'approccio bottom-up: Jean-Marie Lehn, 1995 "Più tardi, vorrei porre questa domanda: Possono i fisici fare qualcosa sul terzo problema della chimica cioè la sintesi? C'è un modo fisico di sintetizzare una sostanza chimica?" (Feynman, 1960). Mettendo Mettendo gli gli 'atomi' 'atomi' l'uno l'uno accanto accanto all'altro all'altro per per costruire costruire la la struttura struttura del del cortisolo? cortisolo? "Se si considera la capacità delle specie supramolecolari di formarsi spontaneamente dai loro componenti, evitando la microfabbricazione, e di eseguire compiti complicati sulla base dell' informazione codificata e di istruzioni, raggiungendo così livelli più elevati di organizzazione e di comportamento, è chiaro che attraverso la chimica supramolecolare c'è ancora più spazio in cima! (there's even more room at the top!) " (Lehn, 1995). Ripetendo Ripetendo l'operazione l'operazione 10 10 19 19 volte? volte? Nanotecnologie: due punti di vista There's plenty of room at the bottom. Richard Feynman, 1960 There's even more room at the top. Jean-Marie Lehn, 1995