Nascita della Chimica Organica

1. Gianluca Gilardoni Università degli Studi di Pavia Dipartimento di Chimica Organica 17 giugno 2004 Nascita della Chimica Organica

2. IL VITALISMO Fin dall’antichità le sostanze sono state classificate in combustibili e non combustibli. Tranne un certo numero di eccezioni, ci si era accorti che alla prima categoria appartenevano prodotti di origine animale o vegetale, mentre alla seconda i materiali di origine minerale. Il primo tentativo scientifico di spiegare la natura di questo fenomeno risale al XVII secolo ed è noto come teoria del FLOGISTO.

3. IL VITALISMO La teoria del FLOGISTO, enunciata dal medico tedesco Stahl nell’opera Fundamenta chimiae dogmaticae et experimentalis, affermava che tutte le sostanze coinvolte in un processo di combustione o calcinazione liberano un elemento infiammabile detto appunto “flogisto”. La perdita del flogisto determina la diminuzione di peso della sostanza combusta, tranne nel caso dell’ossidazione dei metalli. In questo processo i prodotti presentano una massa maggiore di quella del metallo in virtù di una presunta massa negativa del flogisto stesso. Si spiegava inoltre la liberazione dei metalli dalla calcinazione dei minerali in presenza di carbone: questo, ricco di flogisto, lo libera cedendolo al minerale che, povero di flogisto, se ne appropria trasformandosi in metallo. GEORG ERNST STAHL (1660-1734)

4. IL VITALISMO Nel 1772 lo studente scozzese Daniel Rutherford, allievo dello scopritore dell’anidride carbonica Joseph Black, scoprì l’azoto. Tale scoperta fu conseguita facendo estinguere in una scatola una candela, un pezzo di fosforo e lasciandovi un topo fino alla morte per asfissia. L’atmosfera residua fu privata dell’anidride carbonica, che il suo maestro chiamava “aria fissa”, per assorbimento con ossido di calcio. Il gas che non risultava assorbito non permetteva né la combustione né la respirazione e fu da Rutherford chiamato “aria flogisticata” Daniel Rutherford (1749-1819) Rutherford e Black, sostenitori della teoria del flogisto, spiegarono la natura del nuovo gas affermando che non solo la combustione ma anche la respirazione produce flogisto. L’aria della scatola ne risultò così satura, impedendo sia la combustione che la respirazione. Joseph Black (1728-1799)

5. IL VITALISMO A questo punto si era già asservato, a proposito dei composti organici allora noti e tutti di origine biologica, che essi non solo erano più termolabili delle sostanze minerali ma che era possibile trasformarli facilmente in composti inorganici, mentre non era mai stato possibile operare il processo inverso. Questi fatti, unitamente all’origine biologica del flogisto, portò tra il XVIII ed il XIX secolo alla diffusione della dottrina vitalistica. Il VITALISMO affermava che le sostanze organiche non possono essere ottenute in laboratorio a partire da sostanze inorganiche, in quanto risultato dell’azione di una “vis vitalis”, esercitata esclusivamente dagli organismi viventi. Tra i sostenitori del vitalismo annoveriamo la massima autorità allora vivente in campo chimico: lo svedese Jons Jacob Berzelius. Jons Jacob Berzelius (1779-1848) Berzelius fu lo scopritore del cerio, del selenio, del silicio, dello zirconio, del tantalio, del torio e del vanadio. Introdusse inoltre l’uso dei simboli chimici ed è considerato il fondatore della chimica analitica. Fu l’ideatore del termine “chimica organica”, per designare il ramo della chimica dedicato alle sostanze di origine biologica. Berzelius fu lo scopritore del cerio, del selenio, del silicio, dello zirconio, del tantalio, del torio e del vanadio. Introdusse inoltre l’uso dei simboli chimici ed è considerato il fondatore della chimica analitica. E’ l’ideatore del termine “chimica organica” per designare il ramo della chimica dedicato alle sostanze di origine biologica. Berzelius fu lo scopritore del cerio, del selenio, del silicio, dello zirconio, del tantalio, del torio e del vanadio. Introdusse inoltre l’uso dei simboli chimici ed è considerato il fondatore della chimica analitica. E’ l’ideatore del termine “chimica organica” per designare il ramo della chimica dedicato alle sostanze di origine biologica.

6. FRIEDRICH WÖHLER Un giorno del 1828 il chimico tedesco Friedrich Wohler, allievo di Berzelius, studiando la reattività dei composti inorganici contenenti azoto e carbonio scaldò una soluzione di cianato d’ammonio, ottenendo un solido cristallino. Con suo grande stupore riconobbe in tale solido l’urea, un composto organico noto da tempo (H. M. Rouelle, 1773) e presente nell’urina di molti animali. Per la prima volta IL VITALISMO ERA STATO VIOLATO! Friedrich Wohler (1800-1882)

7. FRIEDRICH WÖHLER La reazione di Wohler fu pubblicata quello stesso anno: Annalen der Physik und Chemie, Vol. 88, 253-256, 1828. “In una breve comunicazione precedente, stampata nel volume III di questi Annali, ho stabilito come per azione del cianogeno sull’ammoniaca liquida, tra gli altri prodotti, si formassero acido ossalico ed una sostanza bianca cristallizzabile, che certamente non è cianato d’ammonio, ma che sempre si ottiene quando si tenta di prepararlo per reazione tra l’acido cianico e l’ammoniaca, tramite la cosiddetta doppia decomposizione. Il fatto che nell’unione di queste sostanze esse sembrino cambiare la propria natura e dare origine ad un nuovo corpo, ha focalizzato nuovamente la mia attenzione su questo soggetto e la ricerca ha dato il risultato inaspettato che, per combinazione dell’acido cianico con ammoniaca si forma urea, un fenomeno che è notevole dal momento che fornisce un esempio di produzione artificiale di un prodotto organico, cioè una sostanza cosiddetta animale, da materiali inorganici…”

8. IL PROBLEMA DELLA STRUTTURA Justus von Liebig (1803-1873) Dopo la scoperta di Wohler, gli sforzi dei chimici organici si volsero verso la sintesi sia dei composti naturali che dei composti sconosciuti in natura. Con il crescere del repertorio di molecole organiche note e lo sviluppo di apparecchi più precisi per l’analisi elementare, ci si rese presto conto che molti composti, caratterizzati dalla stessa formula bruta, presentavano tuttavia proprietà chimico-fisiche e reattività molto diverse. Questo fenomeno era in realtà già noto quattro anni prima della sintesi dell’urea; a quell’epoca il chimico tedesco Justus von Liebig studiava le proprietà dei fulminati, proprio mentre Wohler studiava quelle dei cianati. Inviando i propri risultati alla rivista di Gay-Lussac, questi si accorse che alcuni composti studiati dai due presentavano la stessa formula bruta. Gay-Lussac ne informò Berzelius che, dapprima scettico, dovette ricredersi quando scoprì che l’acido racemico e l’acido tartarico erano caratterizzati dalla stessa formula bruta. Berzelius propose quindi il termine ISOMERI ad indicare due o più diversi composti dalla stessa formula bruta. Louis Joseph Gay-Lussac (1779-1850)

9. IL PROBLEMA DELLA STRUTTURA Justus von Liebig (1803-1873) Il laboratorio di Liebig a Giessen Il barone Justus von Liebig fu uno tra i più grandi chimici del XIX secolo, forse il principale artefice di quella supremazia della chimica tedesca che durerà fino alla prima guerra mondiale. Fu professore all’università di Giessen, dove istituì il primo corso didattico di laboratorio nella storia della chimica. Presso il suo laboratorio si formarono chimici del calibro di Bunsen e Kekulé; inventò il kaliapparat, che permetteva un più precisa analisi elementare, nonché il refrigerante a canna liscia che porta il suo nome. Fu inoltre il fondatore della chimica degli alimenti, compiendo le prime analisi alimentari ed inventando il famoso estratto di carne Liebig. Condusse inoltre esperimenti e pubbliche dimostrazioni.

10. JUSTUS VON LIEBIG Justus von Liebig (1803-1873) Da una lettera di Liebig a Wohler del 1853: Quando, dopo la terribile esplosione, mi guardai attorno nella stanza dove sedevano gli uditori e vidi scorrere il sangue dal volto della regina Teresa e del principe Leopoldo, il mio terrore era indescrivibile; ero mezzo morto. Per fortuna, l’incidente non ebbe altre conseguenze spiacevoli. Le loro altezze si comportarono in maniera nobile e magnanima, tutte le loro preoccupazioni sembrarono concentrarsi soltanto su di me. La regina mi mandò quella stessa sera il suo medico, ed ogni giorno le loro altezze si informarono sulla mia salute. L’indomani venne l’anziano re Ludovico in persona e mi chiese se la mia ferita era grave, e quando risposi di no, esclamò: “Allora va tutto bene, se a voi non è successo nulla, il resto non ha importanza…”

11. IL PROBLEMA DELLA STRUTTURA Una possibile soluzione al problema della struttura sarebbe potuto derivare da una scoperta compiuta nel 1810 da Gay-Lussac e Louis Jacques Thénard; questi, studiando l’acido cianidrico ed i cianuri, si resero conto che l’atomo di carbonio e quello d’azoto dello ione cianuro si spostavano assieme nelle trasformazioni chimiche a cui prendevano parte ed erano quindi da considerare “legati” a costituire un gruppo. Gli insiemi di più atomi che si presentavano ugualmente associati in composti diversi furono chiamati RADICALI. Liebig e Wohler pensarono che anche le molecole organiche potessero essere concepite come insiemi di radicali definiti e scoprirono l’esistenza del gruppo BENZOILE come radicale organico. La struttura delle molecole organiche complesse si sarebbe potuta risolvere individuandovi la presenza di radicali semplici che fossero precedentemente noti. Louis Jacques Thénard (1777-1857)

12. IL PROBLEMA DELLA STRUTTURA Berzelius accettò la teoria dei radicali ed ipotizzò che gli atomi dei costituenti fossero legati da un’interazione elettrostatica, in cui C avesse carica negativa e H carica positiva. Berzelius si rifiutò tuttavia di accettare che i radicali potessero contenere ossigeno e si rifiutò altresì di ammettere la possibilità di sostituire un atomo in un radicale con un altro di carica opposta, anche di fronte all’evidenza della sintesi dell’acido tricloroacetico ad opera di Auguste Laurent. Friedrich Konrad Beilstein (1838-1906) Solo dopo la morte di Berzelius la comunità scientifica sostituì la teoria dei radicali con la TEORIA DEI TIPI di Laurent; questa affermava che le molecole organiche sono costituite da un nucleo, eventualmente monoatomico, a cui sono legati altri atomi o radicali sostituibili. Così la molecola H2O presenta il nucleo O ed appartiene allo stesso tipo della molecola EtOH o Et2O. La teoria dei tipi sarà utilizzata da Beilstein nel 1880 per classificare i composti noti. Auguste Laurent (1807-1853)

13. LA TEORIA DELLA VALENZA E LA FORMULA DI STRUTTURA La teoria dei tipi portò l’inglese Edward Frankland a constatare che gli stessi atomi in molecole diverse sono sempre sostituiti con lo stesso numero di atomi o radicali: 1 per H, Na, Cl, Ag, ecc.; 2 per O, S, Ba, ecc.; 3 per N, P, Al, ecc. Tale numero fu chiamato VALENZA. Nella formazione dei composti la valenza degli elementi costituenti deve essere reciprocamente saturata e ciò determina il rapporto tra gli atomi della molecola e quindi il peso molecolare. Edward Frankland (1825-1899) L’applicazione della teoria della valenza alla struttura delle molecole organiche è dovuta a Friedrich August Kekulé von Stradonitz, allievo di Liebig. Friedrich August Kekulé von Stradonitz (1829-1886)

14. LA TEORIA DELLA VALENZA E LA FORMULA DI STRUTTURA Kekulé ipotizzò che la valenza del carbonio fosse 4 ed applicando il modello di Archibald Scott Couper, che rappresentava le forze tra gli atomi come trattini sulla carta, iniziò a rappresentare le strutture molecolari. Ad ogni atomo erano assegnati tanti legami quanti ne indicava il numero di valenza, quindi gli atomi erano tra loro legati fino ad esaurimento dei legami. Il risultato era la possibilità di scrivere anche legami doppi e tripli tra gli atomi. Alexander Mikhailovic Butlerov adottò il nuovo modello e dimostrò come l’isomeria strutturale potesse così essere spiegata. Friedrich August Kekulé von Stradonitz (1829-1886) Archibald Scott Couper (1831-1892) Alexander Mikhailovic Butlerov (1828-1886)

15. LA TEORIA DELLA VALENZA E LA FORMULA DI STRUTTURA Particolarmente difficoltosa si rivelò la determinazione strutturale del BENZENE. Questo all’analisi elementare presentava una formula bruta C6H6, che non era risolvibile con alcuna struttura lineare stabile del tipo fino ad allora conosciuto. Il problema fu brillantemente risolto da Kekulé, che ipotizzò una struttura ciclica tipo cicloesatriene; la prima struttura ad ANELLO della storia della chimica. Lo stesso Kekulé raccontò di aver percepito in sogno, in un giorno del 1865, la soluzione alla struttura del benzene, vedendo sei atomi roteare e disporsi ad anello. E’ inoltre diffuso l’aneddoto per cui egli avrebbe visto sei scimmie disporsi in cerchio afferrandosi a due a due con zampe e code…

16. L’ISOMERIA OTTICA A questo punto resisteva ancora un fenomeno che i modelli strutturali descritti non riuscivano a spiegare. Infatti nel 1815, Jean Baptiste Biot osservò che alcuni cristalli avevano la proprietà di causare la rotazione di un fascio di luce polarizzata che li attraversasse. In seguito si scoprì che tale proprietà era mantenuta dalle soluzioni in cui erano disciolti i cristalli dei composti organici dotati di analogo comportamento (tipicamente gli zuccheri). Nel 1848 Louis Pasteur, più noto alla storia per gli studi biologici, osservò che i cristalli di tartrato di ammonio e sodio erano morfologicamente di due tipi, ciascuno immagine speculare dell’altro. Separando fisicamente con una lente ed una pinzetta i cristalli dei due tipi, si accorse che le rispettive soluzioni presentavano identiche proprietà chimiche ma determinavano la rotazione della luce polarizzata in verso opposto. Louis Pasteur (1822-1895) Jean Baptiste Biot (1774-1862)

17. L’ISOMERIA OTTICA Poiché le proprietà ottiche dei cristalli organici speculari permanevano in soluzione, si ipotizzò che esse fossero legate non tanto alla morfologia macroscopica dei cristalli, quanto piuttosto a quella molecolare: LE MOLECOLE DOVEVANO QUINDI ESSERE TRIDIMENSIONALI! Nel 1874 Jacobus Hendricus Van’t Hoff ipotizzò che i quattro legami del carbonio fossero disposti secondo i vertici di un tetraedro; se i quattro sostituenti fossero stati diversi, la molecola sarebbe stata soggetta alla stessa asimmetria dei cristalli di Pasteur. Jacobus Hendricus Van’t Hoff (1852-1911) Nel 1885 Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer applicò il modello tetraedrico alla costruzione di anelli piani, constatando che gli angoli tra i legami variano al variare dei termini dell’anello. Nacque la TEORIA DELLE TENSIONI, secondo cui la stabilità di un composto ciclico dipende dalla tensione che si sviluppa tra i legami Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer (1835-1917)

18. L’ISOMERIA OTTICA L’opera più sensazionale compiuta nella chimica organica dell’800 si deve ad Emil Fischer, allievo di Baeyer, che tra il 1880 ed il 1889 sintetizzò gli zuccheri allora noti dalla formula bruta C6H12O6,definendone la stereochimica. Gli studi di Fischer confermarono la teoria di Van’t Hoff, dimostrando che ciascuno zucchero da lui studiato possedeva 4 centri stereogenici, a dare 16 stereoisomeri, costituiti da 8 coppie di enantiomeri. A Fischer si deve inoltre l’introduzione delle proiezioni che portano il suo nome, la scoperta di numerose ammine aromatiche, l’omonima sintesi degli indoli, nonché la sintesi di numerose purine tra cui la caffeina. Tali risultati, in considerazione della completa mancanza di mezzi spettroscopici nella determinazione strutturale dei composti sono straordinari! Emil Fischer (1852-1919)

19. I GRANDI ESCLUSI Charles Adolphe Wurtz (1817-1884) Adolph Wilhelm Hermann Kolbe (1818-1884) Robert von Bunsen (1811-1899) Giacomo Luigi Ciamician (1871-1935) William Perkin (1838-1907) Stanislao Cannizzaro (1826-1910)