Reagente, gruppo funzionale, sostituente, substrato: chi ha introdotto questi termini?

 Rinaldo Cervellati.

Tutti i chimici usano abitualmente questi termini, ormai entrati nel loro lessico con un significato ben preciso. Ma è sempre stato così? Seguiamo quanto racconta lo storico William B. Jensen e scopriremo aspetti interessanti.

Anzitutto Jensen sostiene che, mentre è relativamente semplice rintracciare l’origine e lo scienziato che ha introdotto termini di radice greca e latina, altre parole sono adattamenti del linguaggio di tutti i giorni, che solo gradualmente sono entrati nella letteratura scientifica, acquisendo infine il significato tecnico ufficiale della disciplina. In questi casi è generalmente impossibile assegnare una determinata data e l’ideatore di quel termine. Ci si deve quindi accontentare di stabilire il periodo di tempo corrispondente alla loro introduzione.

Tutti e quattro i termini di cui sopra, che costituiscono il nucleo dell’attuale vocabolario chimico sopratutto per la descrizione della reattività organica[1], sembrano essere esempi di questo processo indiretto.

Per cercare l’origine della parola “reagente” occorre risalire alla seconda metà del 1700, quando entrarono comunemente in uso reazioni accompagnate da variazione di colore o da comparsa di precipitati per stabilire la presenza di determinate sostanze in soluzioni acquose. Le soluzioni delle sostanze chimiche utilizzate per effettuare questi test divennero note come “soluzioni prova” o, più in breve, come “prove”. In effetti esse stavano rispondendo (cioè reagendo) alla presenza di vari agenti in acqua, come acidi, ferro, ammoniaca libera, ecc.

In altre parole, la reazione sta all’azione come il reagente sta all’agente, dove l’agente e l’azione descrivono i fattori causali e il reagente e la reazione descrivono i fattori che rispondono. Anche se esempi sull’utilizzo di reazioni con variazioni di colore e formazione di precipitati per scopi analitici risalgono al 17° secolo, il primo tentativo di raccogliere e sistematizzare questi saggi analitici si deve al chimico svedese del 18° secolo Torbern Bergman[2], con la sua vasta opera Physical and Chemical Essays (1779-1781). Bergman scrisse la sua opera in latino e preferì comunque fare riferimento alle sue soluzioni test come “precipitanti”. In realtà fu il traduttore in inglese Edmund Cullen che usò il termine reagente in una nota a piede di pagina della traduzione inglese dell’opera di Bergman [1][3].

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Torbern Bergman

fig-1b-frontespizio-vol-iIl termine “gruppo funzionale” fa la sua prima apparizione negli scritti di vari chimici organici francesi negli anni 40 del 1800, in relazione al riconoscimento del fatto che i composti organici possono essere classificati in classi come acidi, alcoli, ammine, ecc. in base al loro comportamento chimico. Charles Gerhardt[4], nel suo Précis de Chimie Organique del 1841 scrive [2]:

In questa sezione esamineremo i principali gruppi di composti organici classificati secondo le loro “funzioni chimiche” [fonctions chimiques nel testo originale]… Rivedremo in successione: 1. i sali (acidi); 2. le anidridi; 3. gli amidi, 4. gli alcaloidi, 5. gli alcoli; 6. gli eteri; 7. gli acetoni; 8. gli idrocarburi; e 9.i gliceridi.

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Così si cominciò a parlare di un dato composto a seconda che si comportasse (cioè funzionasse) come un acido o un alcool, ecc. Una volta accertato dai chimici che questo comportamento comune a una classe era associato alla presenza di caratteristici gruppi atomici all’interno delle molecole appartenenti a quella classe, fu quasi naturale fare riferimento a questi raggruppamenti comuni come gruppi funzionali.

Il terzo di questi adattamenti è il termine “sostituente”, che cominciò ad apparire nella letteratura della chimica organica nel tardo 19° secolo. Derivato dalla parola latina substituere, che significa “sostituire”, è stato utilizzato per descrivere un atomo o gruppo di atomi che vengono introdotti in un idrocarburo genitore tramite la sostituzione di uno o più dei suoi atomi di idrogeno terminali.

Il termine non fu però utilizzato da W. Körner[5] nel suo famoso testo sulla struttura e sugli isomeri dei derivati del benzene e da A. Brown[6] e J. Gibson nel loro ormai classico articolo del 1892 sui sostituenti orto-para e meta direttori nel benzene [3]. Il primo preferì utilizzare il termine “gruppo” [Gruppe], e i secondi il termine “radicale”. Tuttavia, in un articolo di R. Meldola[7] e F. Streatfeild, si può leggere la frase influenza degli orto-sostituenti [4].

Il terzo adattamento è il termine “substrato”, dal latino substratum, che significa fondamenta. Questo termine è stato introdotto nella letteratura biochimica in connessione con lo studio di enzimi nel primo decennio del 20° secolo. La storia dell’enzimologia non riporta chi furono i primi a usarlo o quando iniziò ad essere usato [5, 6]. Tuttavia, nella sua monografia sugli enzimi, M. Dixon[8] osserva che:

La sostanza su cui agisce un enzima, e che viene attivata dall’enzima è denominata “substrato” dell’enzima. Questo termine, originariamente introdotto da lavoratori tedeschi [German workers, nell’originale], è stato in uso comune per più di cinquanta anni ed è da preferire alla parola più generale “reagente” quando sono interessate reazioni enzimatiche.[7]

fig-3-malcom-dixonQuesta congettura storica è confermate dai commenti di W. Bayliss[9] nella sua monografia del 1908 sugli enzimi dalla quale si deduce che il termine era, a quei tempi, di recente uso e ancora provvisorio [8]:

Si rende frequentemente necessario un nome per le sostanze sulle quali gli enzimi esercitano la loro attività … Nel complesso, “substrato”, in uso da molti ricercatori, sembra rispondere al meglio a questo scopo.

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W. Bayliss

La generalizzazione di questo termine da “substrato enzimatico” a “substrato di reazione” sembra essere dovuta a C. K. Ingold[10]. Avendo egli già adottato il termine reagente nell’interpretazione dei meccanismi delle reazioni organiche nel suo fondamentale lavoro del 1934 [9], senza problema utilizza il termine substrato nelle sue famose lezioni Baker del 1953 per descrivere l’oggetto di attacco del reagente [10]:

È, naturalmente, una pura convenzione quale delle due sostanze interagenti va considerata come “reagente” e che “substrato” sia la sostanza su cui agisce il reagente. Tuttavia, per molte reazioni di chimica organica è stata stabilita una convenzione simile.

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C. K. Ingold

Questa convenzione è stata infine ampiamente utilizzata nel classico testo Mechanism and Theory in Organic Chemistry, di T. Lowry e K. Richardson [11].

La IUPAC ha definitivamente ufficializzato i termini substrato, sostituente, gruppo funzionale (insieme a reagente) come facenti parte del lessico chimico nel 1997 [12].

*Questo post è sostanzialmente una traduzione ragionata dell’articolo di W.B. Jensen: Reagent, Functional Group, Substituent, and Substrate, 2012, unpublished (la rubrica “Ask the Historian” del J. Chem. Educ. fu soppressa insieme alle altre in seguito al completo reformat della rivista deciso dall’ACS nel 2011).

[1] T. Bergman, “On the Analysis of Waters”, in Physical and Chemical Essays, Vol. 1, Murray, 1784, nota a p.125.

[2] C. Gerhardt, Précis de chimie organique, Vol 1.,Fortin, Masson et Cie, Paris, 1841, p. 69.

[3] A. C. Brown, J. Gibson, “ A Rule for Determining Whether a Given Benzene Mono-Derivative Shall Give a Meta-Di-Derivative or a Mixture of Ortho- and Para-Di-Derivatives,” Chem. Soc. Trans., 1892, 61, 367-369.

[4] R. Meldola, F. W. Streatfeild, “Mixed Diazoamides Containing an Ortho-Nitro Group,” Proc. Chem. Soc., 1896, 12, 49-51.

[5] M. Dixon, “The History of Enzymes and of Biological Oxidations,” in J. Needham, Ed., The Chemistry of Life: Lectures on the History of Biochemistry, Cambridge University Press, Cambridge, 1970, Chapter 2.

[6] J. S. Fruton, Fermentation: Vital or Chemical Process?, Brill, Leiden, 2006.

[7] M. Dixon, E. C. Webb, Enzymes, Academic Press:New York, NY, 1958, p. 5.

[8] W. M. Bayliss, The Nature of Enzyme Action, Longmans, Green and Co, London, 1908, p. 7.

[9] C. K. Ingold, “Principles of an Electronic Theory of Organic Reactions,” Chem. Rev., 1934, 15, 225-274.

[10] C. K. Ingold, Structure and Mechanisms in Organic Chemistry, Cornell University Press, Ithaca, NY, 1953, p. 206. Le lezioni vennero effettivamente tenute nel 1951.

[11] T. H. Lowry, K. S. Richardson, Mechanism and Theory in Organic Chemistry, Harper & Row, New York, NY, 1976, Chapter 4.

[12] A. D. McNaught, A. Wilkinson, Compendium ofChemical Terminology: IUPAC Recommendations, 2nd ed., Blackwell Science, Malden, MA, 1997.

[1] Se è vero che i termini gruppo funzionale, sostituente e substrato sono principalmente impiegati in chimica organica, a me sembra che reagente sia generalmente utilizzato in tutti i rami della chimica.

[2] Torbern Olaf (Olof) Bergman (1735-1784), chimico e mineralogista svedese, noto per le sue ricerche sull’affinità chimica, ha dato notevoli contributi all’analisi chimica qualitativa e quantitativa, alla chimica dei metalli (nichel e bismuto). Fu il primo a proporre la distinzione fra sostanze inorganiche e organiche.

[3] Il riferimento [1] riporta la data di edizione 1784. In internet ho trovato una edizione datata 1788 https://archive.org/stream/b28774073_0001#page/n6/mode/1up per quanto abbia cercato non ho trovato la nota citata da Jensen. E’ interessante osservare che l’intera opera è composta da tre corposi volumi che descrivono in dettaglio praticamente tutte le conoscenze chimiche di quel tempo, il vol. III tratta anche le origini e la storia della chimica.

[4] Charles Frédéric Gerardt (1816-1856) chimico francese, fu allievo e collaboratore di Justus von Liebig e di Pierre Auguste Dumas e fu tra i riformatori della nomenclatura e delle formule chimiche. Si occupò di acilazioni sintetizzando, fra l’altro, l’acido acetilsalicilico seppure in forma instabile e con impurezze. Notevole la sua opera magna: Traité de Chimie Organique, 4 vol, Paris 1853-56.

[5] Wilhelm (Guglielmo) Körner (1839-1925) chimico tedesco naturalizzato italiano fu collaboratore di Cannizzaro a Palermo occupandosi di composti organici aromatici. Si interessò poi di chmica di piante e vegetali ricoprendo la cattedra di Chimica Organica nella Scuola Superiore di Agricoltura all’Università di Milano.

[6] Alexander Crum Brown (1838-1922) chimico scozzese si occupò prevalentemente di chimica organica teorica, nel 1892 (con J. Gibson) propose una regola (regola di Brown-Gibson) riguardante l’effetto di sostituzione di un gruppo organico in un anello benzenico che contiene già un gruppo. La regola può essere utilizzata per prevedere la posizione in cui il gruppo esistente dirigerà il secondo gruppo.

[7] Raphael Meldola (1849-1915) chimico britannico, si è occupato principalmente di coloranti organici sintetizzandone uno noto come il blu di Meldola. Fu anche entomologo e naturalista. Eletto Fellow of the Royal Society su proposta di Charles Darwin nel 1886.

[8] Malcom Dixon (1899-1985) biochimico britannico, si è occupato di purificazione di enzimi e di cinetica di reazioni catalizzate da enzimi. Collaborò all’assegnazione dello spettro di assorbimento del citocromo c.

[9] Sir William Maddock Bayliss (1860-1924) è stato un famoso fisiologo inglese, nella sua carriera si è occupato anche di meccanismi dell’azione enzimatica.

[10] Sir Christopher Kelk Ingold (1893 – 1970) chimico britannico, famoso per il suo lavoro pionieristico sui meccanismi di reazione e la struttura elettronica dei composti organici, a lui si devono principalmente i concetti di nucleofilo, elettrofilo, effetti induttivi e di risonanza, nonché i descrittori SN1, SN2, E1, e E2. Ingold è considerato come uno dei fondatori della chimica fisica organica. Medaglia Davy 1946, Medaglia Royal Society 1952.