Gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) nello spazio. Qual è la loro origine?

Diego Tesauro

Gli IPA sulla Terra costituiscono una classe di composti altamente tossica per i loro effetti sugli esseri viventi essendo la maggior parte di essi classificati come agenti cancerogeni per l’uomo. Si formano dalla combustione in difetto di ossigeno della sostanza organica per cui sono particolarmente diffusi nelle matrici ambientali dove le attività antropiche si servono dei combustili fossili. Ma la loro origine non è legata solo alle attività della società industriale, anzi probabilmente sono stati una delle fonti della materia organica sulla Terra. Non possiamo però considerarli un inquinante dello spazio, come abbiamo già riscontrato in altri post di questo blog per altre molecole, anche gli IPA possono ben rappresentare un esempio della dualità della chimica. Infatti accanto al ruolo dannoso che rivestono in questo caso per l’uomo, ma in generale per tutte le forme viventi attuali, hanno giocato un ruolo importante nelle fasi iniziali della vita sul nostro pianeta.

Infatti gli IPA sono giunti in grande quantità sulla Terra primordiale durante la fase di bombardamento meteorico nelle prime fasi di formazione del sistema solare potrebbero avere svolto un ruolo prebiotico, ad esempio, come elementi di trasduzione energetica ed essere incorporati in doppi strati di vescicole [1] In particolare, l’inserimento di derivati ossidati di IPA come ad esempio l’1-idrossipirene e l’acido 9-antracencarbossilico avrebbe prodotto una diminuzione fino a 4 volte della permeabilità delle vescicole nei confronti di piccoli soluti, suggerendo un potenziale comportamento simile a quello svolto attualmente dal colesterolo nelle protocellule primordiali.[1]

acido 9-antracencarbossilico

1-idrossipirene

Gli IPA quindi erano presenti nella nube interstellare molecolare dove ha avuto inizio il processo di formazione del sistema solare. Nelle nubi interstellari molte piccole molecole organiche in fase gassosa si trovano nelle parti scure protette dalla radiazione ultravioletta (UV), ma queste molecole si scindono negli strati esterni della nube esposte alle radiazioni stellari. Queste regioni irradiate sono popolate dai grandi IPA con caratteristiche emissione di radiazione infrarossa compresa tra i 3 e i 20 mm osservata sia nella nostra galassia [2] che nelle altre compatibile con le caratteristiche vibrazionali del legame C-C aromatico e C-H. L’osservazione di questa radiazione ha permesso oltre trenta anni fa di attribuire a questa classe di composti circa il 10% di tutto il carbonio presente nella materia interstellare [3]. Pur avendo individuato l’intera classe, non è mai stato possibile identificare la struttura molecolare di nessun composto nelle nebulose.

Ma qual è l’origine di queste molecole? Sebbene gli IPA siano grandi molecole, sono considerati dagli astronomi particelle di polvere molto piccole. Pertanto, si ritiene generalmente che si formino negli ambienti densi e caldi degli involucri delle stelle evolute,. Più recentemente, è stata avanzata la possibilità di formazione degli IPA a temperature molto basse nella parte oscura delle nubi interstellari [4] dopo che è stato dimostrato che la reazione CCH + C4H6 , che porta alla formazione di benzene (C6H6) non ha un’elevata energia di attivazione e quindi è efficiente a bassa temperatura [5].
Nella chimica in fase gassosa sia calda che fredda, i derivati del benzene – come C6H4 e C6H5 – possono portare ad un’ulteriore crescita della massa verso specie aromatiche più grandi. Pertanto per avere delle prove sul meccanismo di formazione l’interesse della comunità scientifica si è spostato verso l’osservazione di specie di tipo benzenico fondamentali per avvalorare questi modelli chimici.
Il benzene, tuttavia, è difficile da rilevare perché non ha un momento di dipolo permanente che ne non permette una ricerca per via radioastronomica e può essere rilevato solo attraverso le transizioni di assorbimento IR in presenza di una forte fonte di rumore fondo, per cui ci si è posti alla ricerca di altre specie collegate al benzene. In un articolo pubblicato da Science [6] la scorsa settimana gli autori usando le tecniche radioastronomiche mediante il radiotelescopio Robert C. Byrd Green Bank hanno rilevato, da una ben nota nube di gas interstellare nella costellazione del Toro, le transizioni rotazionali del benzonitrile. Questo composto, avendo un gruppo sostituente come il nitrile, ha un notevole momento di dipolo che facilita il suo rilevamento.

Il benzonitrile si forma probabilmente nella reazione della specie neutra CN con il benzene pertanto la rilevanza della sua presenza permette di stimare l’abbondanza del benzene stesso. Benzonitrile.

McGuire et al., Science 359, 202–205 (2018) 12 January 2018, pag 3

Le abbondanze di benzonitrile calcolate da un modello chimico che include diverse reazioni in fase gassosa a bassa temperatura sono inferiori di quelle osservate di un fattore di quattro. per cui vengono suggeriti dei meccanismi alternativi che coinvolgono la chimica indotta dalla radiazione proveniente dei raggi cosmici sulla superficie dei grani di polvere cosmica che produrrebbero il benzonitrile mancante. La discrepanza tra osservazioni e modelli mostra che, nonostante la bassa abbondanza osservata di benzonitrile, la sua rilevazione rimane importante.

La Taurus Molecular Cloud (TMC1) dove è stata rilevata la presenza del Benzonitrile

Esiste qualche relazione tra la rilevazione del primo anello aromatico in nubi scure interne e la presenza di IPA, che generano le bande di emissione IR, nelle regioni esterne irradiate dalla radiazioni UV delle nubi?

Oltre alle reazioni chimiche in fase gassosa menzionate, gli IPA e specie affini, come il fullerene C60, potrebbero essere prodotti attraverso l’irraggiamento UV dei granelli di polvere [7]. Sono stati anche proposti altri scenari. Ad esempio, idrocarburi di grandi dimensioni, compresi gli IPA, potrebbero essere formati da processi chimici sulla superficie di grani di carburo di silicio, un meccanismo che potrebbe essere efficiente negli involucri di stelle giganti rosse ricche di carbonio.

Non è chiaro quanti degli IPA e dei loro precursori siano sintetizzati nei densi e caldi involucri delle stelle evolute e quanti siano derivati ​​dalla chimica foto- o radiativa negli ambienti interstellari. La scoperta di un derivato del benzene in una nuvola molecolare fredda indica comunque che può formarsi anche a temperature molto basse e senza radiazioni UV.

Esempi di strutture molecolari di IPA

Il percorso quindi che spieghi pienamente la chimica degli IPA e delle specie correlate nello spazio è ancora lungo, ma le conoscenze aumenteranno combinando i dati provenienti dalle onde radio e infrarosse con il James Webb Space Telescope, che verrà lanciato nel 2019.

[1] J. Groen et al. Orig Life Evol Biosph. 2012, 42, 295.

[2] F.J. Low et al. Astrophys 1984, 278, L19.

[3] J.E. Chiar et al. Astrophys 2013, 770,78.

[4] R.I. Kaiser et al. Annu Rev Phys Chem 2015, 66, 43

[5] B.M. Jones et al. Proc.Nat Acad USA 2011, 208, 452.

[6] B.A. McGuire et al, Science 2018, 359, 202.

[7] P. Pilleri et al Astron. Astrophys 2015 577 A16.

One thought on “Gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) nello spazio. Qual è la loro origine?

  1. “Aromatic interactions are ubiquitous in nature, their geometry is relevant for the molecular recognition in biological systems”. Waters ML, Curr Opin Chem Biol. 2002, 6, 736

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