August Wilhelm von Hofmann: chimica organica con annessi e connessi

Rinaldo Cervellati

Il primo a distinguere fra chimica inorganica e organica è stato Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) nel 1806, per indicare quei composti che erano formati da quattro soli elementi – carbonio, ossigeno, idrogeno e talvolta azoto, perché sembravano sempre essere i prodotti di esseri viventi composti da sistemi complessi ma altamente organizzati. Il pensiero era che tali sostanze non potessero essere ottenute in laboratorio da materiali inorganici, e quindi era necessaria una “forza vitale” al di là della comprensione dei chimici per spiegare la loro esistenza, dottrina detta “vitalismo”.

Nel 1828, Friedrich Wöhler[1] (1800-1882) ottenne l’urea (un componente dell’urina) partendo da un composto inorganico, il cianato d’ammonio NH₄CNO e scrisse una lettera a Berzelius di cui era stato allievo (figura 1):

Figura 1. Lettera di Wöhler a Berzelius e traduzione parziale: Caro Signor Professore, devo dirvelo, ho fatto l’urea senza bisogno di reni o di nessun animale, uomo o cane che sia…

Berzelius capì rapidamente che urea e cianato d’ammonio avevano la stessa composizione centesimale ma struttura diversa e coniò il termine “isomeri” e lo estese come concetto generale, comprendendo fulminati e cianati, acido tartarico e acido racemico.

Tuttavia l’enorme sviluppo della chimica organica si ebbe solo alcune decine di anni dopo, poiché Berzelius era convinto del vitalismo e Wöhler e Justus von Liebig (1803-1873), pur nutrendo seri dubbi, non si pronunciarono mai esplicitamente contro[2].

Il declino del vitalismo iniziò probabilmente agli inizi degli anni ’40 del XIX secolo, dovuto a Hermann Kolbe[3] (1818-1884) che fra il 1843 e il 1845 riuscì a ottenere acido acetico partendo da solfuro di carbonio e cloro, due sostanze inorganiche.

Nel frattempo, tuttavia, erano stati scoperti e riconosciuti diversi composti organici ricavati da piante, fra cui i terpeni[4] e nel 1825 il benzene dai residui oleosi del gas illuminante, da Michael Faraday (1791-1867).

A mettere ordine fra queste migliaia di sostanze ci pensò August Wilhelm von Hofmann. 

Nato a Giessen, Granducato d’Assia, l’8 aprile 1818, figlio di Johann Philipp Hofmann, consigliere privato e architetto provinciale della corte di Darmstadt. Si iscrisse all’Università di Giessen nel 1836. Inizialmente intraprese gli studi di diritto e filologia. Potrebbe essersi interessato alla chimica quando suo padre ampliò i laboratori Giessen di Liebig nel 1839. August Wilhelm abbandonò diritto e filologia per studiare chimica sotto la guida di Justus von Liebig. Ottenne il dottorato di ricerca nel 1841. Nel 1843 divenne uno degli assistenti di Liebig, il rapporto con Liebig alla fine divenne personale oltre che professionale.

August Wilhelm Hofmann a) nel 1846 e b) in maturità

Il principe Albert, consorte della regina Vittoria, come presidente della Royal Society di Londra, era determinato a promuovere il progresso scientifico in Gran Bretagna. Nel 1845 propose di avviare una scuola di chimica pratica a Londra, il Royal College of Chemistry. Liebig fu contattato per un consiglio e raccomandò Hofmann alla direzione della nuova istituzione. L’istituto aprì nel 1845 con Hofmann come primo direttore. La situazione finanziaria della nuova istituzione era alquanto precaria, quindi Hofmann accettò l’incarico a condizione che fosse nominato professore straordinario a Bonn, con aspettativa di due anni, in modo da poter riprendere la sua carriera in Germania se l’incarico inglese non fosse andato bene. Nonostante questo inizio difficile, l’istituto ha avuto successo per un certo periodo ed è stato leader internazionale nello sviluppo di coloranti all’anilina. Molti degli uomini che vi studiarono diedero un contributo significativo alla storia della chimica.

Nel 1853, il Royal College of Chemistry entrò a far parte del Dipartimento Governativo di Scienza e Arte, sotto la nuova School of Mines, ricevendo dei finanziamenti governativi. Tuttavia, con la morte del principe Albert nel 1861, l’istituzione perse uno dei suoi sostenitori più significativi. Nel 1864 a Hofmann fu offerta una cattedra di chimica all’Università di Bonn e un’altra all’Università di Berlino e progettò edifici di laboratorio per entrambe le università, che furono costruite successivamente. Nel 1865 succedette a Eilhard Mitscherlich (1794-1863) all’Università di Berlino come professore di chimica e direttore del laboratorio chimico, mantenendo la carica fino alla sua morte nel 1892. Dopo il suo ritorno in Germania, Hofmann fu il principale fondatore della Società chimica tedesca e ne fu presidente per molti anni.

Il lavoro di Hofmann coprì un’ampia gamma della chimica organica. Egli e i suoi collaboratori hanno dato un importante contributo allo sviluppo di tecniche per la sintesi organica, che ha avuto origine nel laboratorio di Liebig a Giessen. Hofmann e John Blyth (1814-1871) furono i primi a usare il termine “sintesi”, nel loro articolo “On Styrole, and Some of the Products of Its Decomposition“[1], precedendo di alcuni mesi l’uso del termine da parte di Kolbe. Ciò che Blyth e Hofmann chiamavano “sintesi” consentiva loro di fare inferenze sulla costituzione dello stirolo (fig. 2).

Figura 2. Parte dell’articolo di Hofmann dove compare la parola “sintesi”

Un articolo successivo, “Sulla toluidina” di Muspratt (1821-1871) e Hofmann, descrisse alcuni dei primi “esperimenti sintetici” nel campo della chimica organica [2]. Sebbene l’obiettivo finale di tali esperimenti fosse produrre artificialmente sostanze presenti in natura, tale obiettivo non era praticamente raggiungibile in quel momento. Lo scopo immediato della tecnica era l’applicazione di reazioni note a una varietà di materiali per scoprire quali prodotti potevano essere formati. La comprensione del metodo di formazione di una sostanza è stato un passo importante per collocarla all’interno di una tassonomia in via di sviluppo delle sostanze. Questa tecnica divenne la base del programma di ricerca di Hofmann. Usò la sintesi organica come metodo di indagine, per aumentare la comprensione chimica dei prodotti di reazione e dei processi attraverso i quali si sono formati [3].

La prima ricerca di Hofmann, condotta nel laboratorio di Liebig a Giessen, fu un esame delle basi organiche del catrame di carbon fossile. Hofmann isolò con successo le sostanze precedentemente riportate da Friedlieb Ferdinand Runge (1794-1867), e mostrò che il kyanol era quasi interamente anilina, un prodotto di decomposizione del colorante vegetale indaco.

Nella sua prima pubblicazione (1843) dimostrò che una varietà di sostanze che erano state identificate nella letteratura chimica contemporanea come ottenibili dalla nafta di catrame di carbon fossile e dai suoi derivati ​​erano tutte un’unica base azotata, l’anilina. Gran parte del suo lavoro successivo ha ulteriormente sviluppato la comprensione degli alcaloidi naturali.

Hofmann tracciò inoltre un’analogia tra anilina e ammoniaca, volendo convincere i chimici che le basi organiche potevano essere descritte in termini di derivati ​​dell’ammoniaca. Hofmann convertì con successo l’ammoniaca in etilammina e nei composti dietilammina, trietilammina e tetraetilammonio. Fu il primo chimico a sintetizzare le ammine quaternarie. Il suo metodo per convertire un’ammide in un’ammina è noto come il riarrangiamento di Hofmann [4].

Mentre le ammine primarie, secondarie e terziarie erano stabili quando distillate ad alte temperature in condizioni alcaline, l’ammina quaternaria non lo era. Il riscaldamento dell’idrossido di tetraetilammonio quaternario produce vapore di trietilammina terziaria. Questa divenne la base di quella che oggi è conosciuta come l’eliminazione di Hofmann, un metodo per convertire le ammine quaternarie in ammine terziarie. Hofmann applicò con successo il metodo alla coniina, il veleno colinergico della cicuta, per ricavare la prima struttura di un alcaloide. Il suo metodo è diventato estremamente significativo come strumento per esaminare le strutture molecolari degli alcaloidi e alla fine è stato applicato a morfina, cocaina, atropina e tubocurarina, tra gli altri. Alla fine la coniina divenne il primo degli alcaloidi ad essere sintetizzato artificialmente [4].

Nel 1848, lo studente di Hofmann, Charles Blachford Mansfield (1819-1855), sviluppò un metodo di distillazione frazionata del catrame di carbon fossile e separò benzene, xilene e toluene, un passo essenziale verso lo sviluppo di prodotti dal catrame di carbon fossile.

Nel 1856, un altro studente di Hofmann, William Henry Perkin (1838-1907), stava tentando di sintetizzare il chinino al Royal College of Chemistry, quando scoprì il primo colorante all’anilina, la mauveina. La scoperta ha portato alla creazione di una vasta gamma di coloranti tessili artificiali, rivoluzionando il mondo della moda. Le ricerche di Hofmann sulla rosanilina, da lui preparata per la prima volta nel 1858, furono l’inizio di una serie di ricerche sulle materie coloranti. Nel 1863, Hofmann dimostrò che il blu anilina è un trifenile derivato della rosanilina e scoprì che diversi gruppi alchilici potevano essere introdotti nella molecola della rosanilina per produrre coloranti di varie sfumature di violetto, che divennero noti come “viole di Hofmann”.

Dopo il suo ritorno in Germania, Hofmann continuò a sperimentare con i coloranti, ottenendo infine il rosso chinolina nel 1887.

Hofmann studiò le basi azotate, compreso lo sviluppo di metodi per separare miscele di ammine. Lavorò con Auguste Cahours (1813-1891) su basi di fosforo tra il 1855 e il 1857. Con lui, nel 1857, Hofmann preparò il primo alcool alifatico insaturo, l’alcool allilico, C₃H₅OH. Nel 1868 esaminò anche il suo derivato, l’isotiocianato di allile (olio di senape), e studiò vari altri isocianati e isonitrili (isocianuri o carbilammine).

Hofmann sviluppò anche un metodo per determinare i pesi molecolari dei liquidi dalle densità di vapore.

Nel 1865, ispirato da Auguste Laurent (1807-1853), Hofmann suggerì una nomenclatura sistematica per gli idrocarburi e i loro derivati. Fu adottata a livello internazionale dal Congresso di Ginevra, con alcune modifiche, nel 1892 [5].

Probabilmente fu Hofmann il primo a proporre modelli molecolari in chimica organica, dopo l’introduzione della teoria della struttura chimica da parte di August Kekulé (1829-1896) nel 1858 e l’introduzione di formule strutturali stampate di Alexander Crum Brown (1838-1922) nel 1861. In un discorso alla Royal Institution di Londra il 7 aprile 1865 mostrò modelli molecolari di semplici sostanze organiche come metano, etano e cloruro di metile, che aveva costruito con palline di colore diverso collegate tra loro con sottili tubi di ottone (fig. 3).

Figura 3. Modello del metano di Hofmann

La combinazione di colori originale di Hofmann (carbonio = nero, idrogeno = bianco, azoto = blu, ossigeno = rosso, cloro = verde e zolfo = giallo) si è evoluta nella combinazione di colori in uso ancora oggi. Dopo il 1874, quando van’t Hoff[5] e Le Bel suggerirono indipendentemente che le molecole organiche potessero essere tridimensionali, i modelli molecolari iniziarono ad assumere il loro aspetto moderno.

A Hofmann si devono anche i termini alifatico e aromatico.

Nel libro Geschichte der Organischen Chemie, Berlin, 1920, di Carl Graebe, la nota 2 a pag. 277 riporta:

2) Den Namen aliphatisch hat A. W. Hofmann fur die Fettkörper in die Chemie eingenführt.

AW Hofmann ha introdotto il nome alifatico nella chimica dei corpi grassi.

Gradualmente, come si è detto, diversi composti collegati al benzene entrarono a far parte del lessico chimico e nel 1855 Hofmann introdusse il termine aromatico per distinguere la serie di acidi monobasici (capostipite l’acido benzoico) da quella dei bibasici (capostipite l’acido ftalico), fig.6 [6]:

Figura 6. Parte dell’articolo di Hofmann del 1855

L’aggettivo aromatico fu quindi introdotto da Hofmann per indicare le loro caratteristiche chimiche, non tanto perché i primi composti di questa classe a essere identificati possedessero odori caratteristici e intensi [7 pp. 2-3].

Nota. Per chi volesse approfondire l’antica origine dei termini “organico”, “sintesi”, ecc. si consiglia l’ottimo articolo di Curt Wentrup in European Journal of Organic Chemistry, pubblicato on-line il 22 marzo 2022, DOI: 10.1002/ejoc.202101492 Open access

Bibliografia

[1] J. Blyth, A.W. Hofmann, CXXXVIII. On styrole, and some of the products of its decomposition. Memoirs and Proceedings of the Chemical Society, 1843, 2, 334–58.

[2]   J. S. Muspratt, A. W. Hofmann, On Toluidine, a New Organic Base. MCPS, 1845, 2, 367–383.

[3] C. M. Jackson, Synthetical Experiments and Alkaloid Analogues: Liebig, Hofmann, and the Origins of Organic Synthesis., in: Historical Studies in the Natural Sciences, Vol. 44, No. 4, 2014, pp. 319-363.

[4] T.A. Alston, The Contributions of A. W. Hofmann, Anesthesia & Analgesia, 2003, 96, 622–625.

[5] August Wilhelm Hofmann in Encyclopædia Britannica.

[6] A.W. Hofmann, On insolinic acid., Proceedings of the Royal Society. 1856, 8, 1–3.

[7] A.J. Rocke, It Began with a Daydream: The 150th Anniversary of the Kekulé Benzene Structure., Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 2–7.

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[1] Di Wöhler si può trovare una breve biografia in: R. Cervellati, Friedrich Wöhler e Hermann Kolbe: dal primo composto organico sintetizzato da materiali inorganici alla prima sintesi totale, CnS-La Chimica nella Scuola, 2018, 2, 67-75.

[2] v. nota ¹.

[3] v. nota ¹.

[4] I terpeni sono biomolecole costituite da multipli dell’unità isoprenica (2-metil1,3-butadiene). Vengono prodotti da molte piante, sono i componenti principali delle resine e degli oli essenziali , miscele di sostanze che conferiscono a ogni  pianta un caratteristico odore o aroma. Molti aromi usati nei cibi o nei profumi sono derivati da terpeni o terpenoidi naturali.

[5] v. Nota ¹.