Benzene: 200 anni della molecola che ha plasmato il XXI secolo

Esattamente due secoli fa, nel 1825, lo scienziato britannico Michael Faraday identificò uno strano liquido riscaldando il residuo di gas utilizzato per illuminare le strade di Londra. Era incolore, aveva un odore dolce e peculiare e si comportava in modo così misterioso che persino i chimici dell'epoca non sapevano esattamente come classificarlo. Lo chiamò bicarbonato di idrogeno. Nessuno immaginava allora che questa sostanza, oggi meglio conosciuta come benzene, avrebbe cambiato la storia della scienza e le nostre vite.

Oggi, la piccola molecola di benzene è presente in quasi tutto ciò che ci circonda: plastica, coloranti, detergenti, tessuti, profumi, medicinali , adesivi, carburanti, insetticidi e persino dispositivi elettronici come gli smartphone. Ma la sua influenza va oltre i prodotti di uso quotidiano. La struttura molecolare unica del benzene è diventata la base di migliaia di composti organici, con applicazioni che spaziano dalla medicina alla nanotecnologia. Ancora più impressionante, l'architettura dei suoi atomi ha portato allo sviluppo di materiali rivoluzionari come il grafene, che promette di trasformare il futuro dell'energia, dell'informatica e della biomedicina.

La cosa affascinante del benzene non è solo da cosa può essere ricavato, ma come viene prodotto. La sua molecola è composta da sei atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno, disposti ad anello. Quel piccolo esagono perfetto nasconde una stranezza chimica: i suoi elettroni non sono fissati in legami singoli o doppi – come in altre molecole organiche – ma si muovono continuamente all'interno dell'anello. Questo fenomeno è chiamato risonanza elettronica e conferisce al benzene una sorprendente stabilità.

Non reagisce facilmente, resiste agli attacchi chimici ed è anche in grado di formare nuove strutture con grande facilità. Questa combinazione di reattività e stabilità è ciò che lo rende così prezioso. In chimica, queste proprietà sono note come aromaticità , un termine che originariamente si riferiva all'odore di certe sostanze, ma che oggi descrive il loro comportamento elettronico unico.

Il simbolo della chimica moderna

La comprensione di questi tipi di strutture ha richiesto decenni di studio. Fu a metà del XIX secolo che il chimico tedesco August Kekulé propose il modello dell'anello esagonale con legami mobili, ispirato – a suo dire – da un sogno in cui un serpente si mordeva la coda. Questo evento rappresentò una delle grandi pietre miliari scientifiche nello sviluppo della cosiddetta teoria strutturale. Da allora, il benzene è diventato il simbolo della chimica organica moderna e una porta d'accesso per spiegare concetti complessi più recenti come gli orbitali molecolari, la delocalizzazione elettronica e la stabilità molecolare.

Ma il loro impatto non si è fermato ai libri di testo. Con il progredire del XX secolo, gli scienziati hanno iniziato a unire diversi anelli benzenici. Questo ha dato origine agli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), composti che fanno parte di carburanti, oli lubrificanti, coloranti e materie plastiche, ma sono anche oggetto di ricerca scientifica d'avanguardia. Alcuni IPA hanno proprietà fluorescenti, altri funzionano come semiconduttori e molti sono serviti come punto di partenza per lo sviluppo di nuove molecole con applicazioni mediche, elettroniche ed energetiche. Queste strutture hanno anche dato origine a quelli che oggi sono noti come nanografeni molecolari, frammenti di grafene progettati con precisione atomica per funzionare come sensori, transistor o sistemi di accumulo di energia.

Il grafene è, in definitiva, il culmine di quell'evoluzione. È uno strato bidimensionale, spesso un solo atomo, formato da una rete continua di esagoni di carbonio. È come un foglio infinito fatto di anelli benzenici. Caratterizzato nel 2004 da Andre Geim e Konstantin Novoselov – che hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2010 – il grafene è straordinario: è il materiale più sottile mai creato, più resistente dell'acciaio, flessibile, trasparente e con un'eccezionale conduttività elettrica e termica. Il suo utilizzo è già in fase di sperimentazione in batterie ultraveloci, touchscreen pieghevoli, dispositivi biomedici, sistemi di filtraggio dell'acqua, impianti neurali e tecnologie quantistiche. Sebbene sembri fantascientifico, il grafene è una realtà, e tutto ebbe inizio con quella minuscola molecola alla base della misteriosa sostanza scoperta da Faraday 200 anni fa.

Ma il benzene e i suoi derivati non si trovano solo in laboratori o fabbriche: fluttuano anche nello spazio. Negli ultimi decenni, gli astronomi hanno rilevato composti aromatici nelle nubi interstellari, nelle comete e nei dischi di polvere che circondano le stelle giovani. Queste molecole complesse, composte da anelli di carbonio simili al benzene, sembrano essere comuni nell'universo e potrebbero essere arrivate sulla Terra primordiale a bordo di meteoriti. La loro presenza apre un'affascinante possibilità: che i mattoni chimici della vita – molecole organiche complesse – possano aver avuto un'origine cosmica, con il benzene come uno dei suoi primi protagonisti.

Un profumo di rivoluzione scientifica

È curioso come una struttura così semplice possa avere così tante sfaccettature. Il benzene è anche una molecola chiave nell'insegnamento della chimica. Generazioni di studenti hanno imparato da esso concetti come l'aromaticità, la risonanza e la teoria degli orbitali molecolari. Nonostante la sua presenza silenziosa , è una molecola che suscita meraviglia: per la sua perfetta simmetria, la sua stabilità quasi magica e la sua capacità di formare composti complessi. E sebbene sia anche noto che ad alte concentrazioni può essere tossico – motivo per cui il suo uso nei prodotti per la casa è stato limitato e la sua presenza nell'ambiente è controllata – la sua eredità scientifica e tecnologica è indiscutibile.

Per celebrare questo bicentenario, la Royal Society of Chemistry (RSC), una delle istituzioni scientifiche più prestigiose al mondo, pubblicherà un numero tematico speciale che raccoglierà venti delle sue riviste, con articoli dedicati alla storia, all'evoluzione e al futuro del benzene e dei suoi derivati. La pubblicazione sarà coordinata da due figure di spicco del settore: il premio Nobel Ben Feringa e l'autore di questo testo. Questo numero speciale tratterà argomenti di ogni genere, dagli affascinanti composti aromatici e antiaromatici alle macchine molecolari a base di benzene, dai nanotubi di carbonio ai fullereni, fino alle nuove frontiere del grafene e dei suoi derivati.

In un'epoca in cui l'innovazione tecnologica sembra avanzare a una velocità vertiginosa, in un mondo in cui si parla di intelligenza artificiale, vaccini a RNA messaggero o satelliti grandi come una scatola da scarpe, vale la pena ricordare che molte di queste meraviglie attuali affondano le radici in scoperte del passato. Il benzene, con la sua piccola molecola di sei atomi di carbonio a forma di anello esagonale, è una di quelle scoperte silenziose che hanno trasformato il nostro modo di vivere, produrre, curare e creare. A volte, le grandi rivoluzioni non arrivano con un botto, ma con un leggero aroma e un suono perfetto. E il benzene, senza dubbio, è una di queste, una molecola il cui aroma è stato sinonimo di rivoluzione fin dal suo inizio.

Nazario Martín León è professore di chimica organica presso l'Università Complutense, vincitore del National Research Award e membro della Royal Academy of Sciences.