Depolimerizzazione enzimatica e derivatizzazione della cellulosa in liquidi ionici

I settori in cui i liquidi ionici trovano applicazione (attuale o ancora potenziale) sono numerosi e in costante espansione. Il costo elevato di questo tipo di solventi, però, ne limita tuttora fortemente l'utilizzo su larga scala a livello di produzione industriale; è, quindi, il campo della ricerca che ad oggi beneficia maggiormente dell'utilizzo dei liquidi ionici. Sebbene di seguito ci concentreremo principalmente sull'impiego dei liquidi ionici in biocatalisi, ovvero in reazioni il cui catalizzatore è rappresentato da un enzima o da cellule intere, è importante sottolineare come la finestra di opportunità a cui possano essere destinati tali solventi sia decisamente più vasta.

L'utilizzo di enzimi come catalizzatori di reazioni di interesse è spesso limitato dalla necessità di operare in ambiente acquoso, il quale aumenta il rischio di reazioni collaterali e indesiderate.
A tale scopo è possibile, in taluni casi, impiegare dei solventi organici, ma spesso a discapito delle rese.
I liquidi ionici si inseriscono proprio all'interno di questa problematica e, in particolare, esistono sostanzialmente tre metodologie con cui questi ultimi possono essere utilizzati in processi biocatalitici:

-come solventi puri

-come co-solventi in un sistema acquoso

-come co-solventi in un sistema bifasico.

Il loro ruolo come co-solventi è quello di facilitare la dissoluzione di substrati apolari in ambiente principalmente acquoso, piuttosto che quello di ridurre l'attività dell'acqua. Uno dei vantaggi più significativi offerti dall'impiego dei liquidi ionici consiste nel fatto che svariati enzimi tollerano tali solventi molto meglio rispetto ai classici solventi organici polari. In casi di sistemi bifasici, i liquidi ionici vengono principalmente sfruttati in caso di processi catalizzati da cellule intere, mostrandosi, infatti, più rispettosi verso l'integrità delle membrane cellulari rispetto ai tipici solventi non miscibili con l'acqua. (Gorke et al. 2010).
Il primo esempio di biotrasformazione in un mezzo costituito da liquido ionico coincide con la sintesi dello Z-aspartame da parte della termolisina in [BMIm][PF6] (Erbeldinger et al. 2000).

Le lipasi, poi, note per la loro elevata stabilità in solventi organici, si sono dimostrate adatte a reazioni biocatalitiche condotte in liquidi ionici: è stato provato, infatti, come la lipasi B isolata da Candida antartica e la lipasi PcL da Pseudomonas cepacia siano cataliticamente attive nei liquidi ionici 1-alchil-3-metilimidazolici e 1-alchilpiridinici, in combinazione con anioni quali tetrafluoroborato, esafluorofosfato e bis(trifluorometansulfonil)imide (Van Rantwijk et al. 2003).

Non tutti i liquidi ionici sono applicabili a contesti biocatalitici: gli enzimi si mantengono generalmente attivi in liquidi ionici recanti anioni quali BF4-, PF6-e NTf2-, ma non in liquidi i cui anioni coincidono con Cl-, NO3-e I-. Il fatto che la carica negativa sia, nei primi casi citati, delocalizzata su più atomi e, al contrario, maggiormente concentrata nel caso di Cl-, NO3-e I-fornisce una spiegazione plausibile per tale comportamento. Considerando la non volatilità dei liquidi ionici, è possibile utilizzare il vuoto creato da una pompa per rimuovere dalla miscela di reazione elementi volatili (alcol e acqua), spostando l'equilibrio verso la formazione dei prodotti In conclusione, possiamo affermare che una considerevole varietà di enzimi, in grado di tollerare i solventi organici classici, sono perfettamente capaci di catalizzare reazioni di interesse anche in liquido ionico. Le attività, peraltro, si mostrano generalmente comparabili o addirittura superiori rispetto a quelle osservate nei solventi tradizionali.
Un altro aspetto da tenere in considerazione è rappresentato dalla capacità dei liquidi ionici, documentata per lipasi e proteasi, di condurre anche ad un aumento dell'enantioselettività della reazione catalizzata da un enzima (Park et al. 2003).
I liquidi ionici godono, quindi, di un potenziale decisamente considerevole come solventi in reazioni di biotrasformazione di substrati complessi e altamente polari, come polisaccaridi, aminoacidi e nucleotidi. Un'importante sfida rimane, in ogni caso, quella di sviluppare dei protocolli efficienti per la separazione dei prodotti e il riutilizzo dei liquidi ionici, aspetto,
quest'ultimo, alla base della loro eco-compatibilità. Lo sviluppo di liquidi ionici disponibili a costo inferiore, infine, potrà stimolare ulteriormente la loro diffusione su larga scala (Van Rantwijk et al. 2003).