August Kekulé è un chimico tedesco nato nel 1829, noto soprattutto per aver gettato le basi per la teoria strutturale in chimica organica. Appartenente a una famiglia di classe medio-alta, sognava di fare l’architetto ma si avvicinò alla chimica, attratto dalla figura di Justus von Liebig, e da alcuni fu definito l’architetto della chimica organica.
Dopo aver conseguito un dottorato nel 1852, August Kekulé continuò con il lavoro post-dottorato a Parigi, dove strinse amicizia con Charles Gerhardt, uno dei più eminenti chimici francesi della metà dell’Ottocento. Gerhardt, insieme a Lavoisier, era promotore della teoria dei tipi, secondo la quale le sostanze organiche possono essere ricondotte a quattro gruppi fondamentali: idrogeno, acqua, acido cloridrico e ammoniaca.
Prendendo spunto da questa teoria, August Kekulé iniziò a sviluppare le proprie idee, in collaborazione con uno dei fondatori della moderna chimica organica, il teorico della chimica Charles-Adolphe Wurtz, noto per le sue idee sulle strutture dei composti chimici.
La struttura chimica
Nel 1861 il grande chimico russo Aleksandr Butlerov elaborò la teoria della struttura chimica delle molecole, dimostrando teoricamente e sperimentalmente che la natura chimica di una molecola complessa è determinata dalla natura e dal numero degli atomi, dai suoi componenti, dalla loro reciproca disposizione e interazione, aprendo la strada allo sviluppo della chimica e, in particolare, della chimica organica.
Kekulé
Nell’ambito della sua teoria, tuttavia, Butlerov non considerò la disposizione degli atomi nello spazio e vedeva una corrispondenza biunivoca tra struttura e composto, pertanto si poteva scrivere una sola struttura per ogni composto chimico.
A partire dal 1858, molti scienziati provenienti da diversi paesi presero parte al dibattito sulla teoria della struttura chimica, tra cui Archibald Scott Couper e August Kekulé, che pubblicò due articoli nel 1857 e nel 1858.
August Kekulé propose che il carbonio fosse tetravalente e che uno dei quattro legami del carbonio potesse essere utilizzato per unirsi con un altro atomo di carbonio. In questo modo, i composti organici furono concepiti come catene di carbonio a cui potevano legarsi altri atomi con valenze diverse come idrogeno, ossigeno, azoto e cloro.
Il benzene e August Kekulé
Il benzene fu scoperto da Michael Faraday nel 1825 e fu riconosciuto come un composto con sei atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno. Tuttavia, la sua struttura molecolare rimase un mistero. Da subito si capì che nel benzene dovevano essere presenti legami π a causa dei siti di insaturazione nella molecola.
Inizialmente, si pensava che il benzene fosse un 1,3,5-cicloesatriene, ma questo avrebbe dovuto mostrare la caratteristica reattività dei composti insaturi, i quali danno tipicamente reazioni di addizione con conseguente rottura dei doppi legami.
Tuttavia, il benzene mostrava una stabilità maggiore rispetto agli alcheni e dava luogo principalmente a reazioni di sostituzione elettrofila aromatica. Solo molti anni dopo, George Willard Wheland chiarì il meccanismo di sostituzione elettrofila aromatica come un processo in due stadi.
Nel primo stadio, l’addizione di un elettrofilo genera un intermedio, detto intermedio di Wheland, in cui un carbonio dell’anello benzenico è caricato positivamente e stabilizzato per risonanza.
In questo intermedio cationico cicloesadienilico, l’elettrofilo è legato a un carbonio tramite un legame σ. Nel secondo stadio, un protone dell’anello benzenico è rimosso da una base, spesso il controione dell’elettrofilo, ripristinando così l’aromaticità dell’anello.
Il sogno di August Kekulé
Prima di chiarire il meccanismo delle reazioni dei composti aromatici, era necessario comprendere la struttura del benzene. Secondo quanto raccontato, August Kekulé, mentre sonnecchiava accanto al caminetto nell’inverno del 1861, ebbe improvvisamente la visione di un serpente che si mordeva la coda, intuendo che gli atomi di carbonio del benzene dovevano formare un cerchio, simile a una ruota di un carro.
il sogno di Kekulé
“Ancora una volta gli atomi saltellavano davanti ai miei occhi. Lunghe file, per molti versi più fitte; tutto in movimento, serpeggiando e girando come serpenti. E guarda, cos’era quello? Un serpente si afferrò la coda e, beffardamente, la forma roteò davanti ai miei occhi. Come colpito da un fulmine mi svegliai. Anche questa volta ho trascorso il resto della notte a valutare le conseguenze.”
La visione di Kekulé ispirò la proposta di una struttura ad anello per il benzene in articoli pubblicati nel 1865 e 1866. Questa visione fu definita “probabilmente il sogno più importante della storia dai tempi delle sette mucche grasse e delle sette mucche magre” e aprì la strada all’espansione dell’industria chimica verso la fine del XIX secolo.
August Kekulé aveva infatti intuito che il benzene aveva una struttura ad anello, permettendo così di rispettare le regole di valenza. La rappresentazione esagonale con legami singoli e doppi alternati divenne iconica del benzene e servì da modello per altri composti aromatici.
risonanza
La struttura proposta da August Kekulé spiegava elegantemente anche le proprietà fisiche del benzene, come la resistenza alle reazioni di addizione e il suo distinto odore aromatico.
Questo modello fornì anche le basi per comprendere il fenomeno della risonanza, dove gli elettroni non sono localizzati in posizioni fisse ma sono delocalizzati in tutto l’anello. Questa delocalizzazione degli elettroni è alla base della notevole stabilità del benzene.
Il concetto di risonanza, introdotto dalla struttura del benzene di Kekulé, rivoluzionò la comprensione del legame chimico e della stabilità molecolare e divenne un principio fondamentale in chimica organica, consentendo la spiegazione del comportamento di un’ampia gamma di composti aromatici.