O mistério da fenilhidrazona de acetaldeído que confundiu Emil Fischer por mais de 120 anos

Um comportamento que parecia impossível

Em 1896, o químico alemão Emil Fischer reparou em algo desconcertante num composto chamado fenilhidrazona de acetaldeído. Lotes aparentemente idênticos desse material cristalino exibiam pontos de fusão drasticamente diferentes.

Em algumas amostras, ele observou que a fusão ocorria por volta de 65 °C (149 °F). Em outras, o sólido só derretia a 100 °C.

A situação era, numa palavra, inexplicável. Não havia registos de outra substância a agir assim - e, em condições normais, ela nem deveria. Pelas leis da termodinâmica, que descrevem como o mundo físico se comporta, um resultado desse tipo parecia simplesmente impossível.

A comunidade científica ficou sem resposta. Muitos correram para verificar se Fischer teria cometido algum erro. A surpresa foi ainda maior quando outros investigadores conseguiram reproduzir exatamente o que ele tinha descrito.

A resposta encontrada em 2019 por Terry Threlfall

Mais de 120 anos depois da observação original, em 2019, uma equipa internacional liderada pelo químico Terry Threlfall, da Universidade de Southampton, no Reino Unido, finalmente identificou e publicou a explicação. Fischer - que viria a ganhar um Prémio Nobel em 1902 por outros trabalhos, portanto estava longe de ser um charlatão - tinha, de facto, observado um fenómeno real; apenas não era algo que violasse a termodinâmica.

O que estava por trás disso? Uma contaminação absolutamente minúscula, tão pequena que se torna praticamente impossível de detetar. Ao derreter, a fenilhidrazona de acetaldeído pode originar um de dois líquidos, dependendo de o composto ter sido exposto a uma base ou a um ácido. No primeiro caso, aparece o ponto de fusão mais alto; no segundo, o mais baixo.

Threlfall resumiu o alívio de resolver o mistério: "É extremamente satisfatório conseguir compreender um enigma tão antigo, sobretudo um que confundiu um cientista tão eminente que se tornou laureado com o Prémio Nobel".

Ele também destacou por que isso dificilmente seria observado com frequência: "A observação de tal comportamento será extremamente rara porque depende de as moléculas no cristal e no líquido terem geometrias diferentes, o que é invulgar. Além disso, depende também de a conversão por ácido ser possível e rápida".

Como o composto é preparado (e onde o problema aparecia)

A fenilhidrazona de acetaldeído é obtida ao dissolver acetaldeído sólido e adicionar fenilhidrazina líquida e etanol aquoso, arrefecendo depois até a mistura congelar e formar cristais sólidos. Para medir o ponto de fusão do material recém-formado, é necessário derretê-lo novamente.

Foi nesse passo - o de voltar a fundir o sólido - que as inconsistências se manifestaram. Para compreender por que a fenilhidrazona de acetaldeído apresentava dois pontos de fusão distintos, os investigadores começaram por analisar a sua forma sólida. No entanto, mesmo sondas de ponta não trouxeram uma explicação.

Todas as análises, realizadas pela equipa de Threlfall e por outros esforços recentes, falharam em apontar qualquer diferença entre as amostras que derretiam na temperatura mais baixa e as que derretiam na mais alta. Entre as técnicas usadas estavam difração de raios X, ressonância magnética nuclear e espectroscopia no infravermelho (IV). Até onde se conseguia avaliar, os cristais eram indistinguíveis.

O que mudou no líquido: isómeros Z e E

O passo seguinte foi examinar o líquido formado após a fusão dos cristais.

E foi aí que apareceu uma pista concreta: havia uma diferença subtil, temporária, mas inequívoca. Embora as amostras tivessem a mesma fórmula molecular, a estrutura do líquido imediatamente após derreter variava ligeiramente conforme a temperatura.

O composto possui um grupo metilo que pode assumir duas configurações distintas, conhecidas como isómero Z e isómero E.

No estado sólido, o material é quase totalmente composto pelo isómero Z.

Já a fase líquida mais estável é uma mistura de aproximadamente um terço de isómero Z com dois terços de isómero E. Quando o composto derrete no ponto de fusão mais baixo, essa mistura de Z e E surge imediatamente. No ponto de fusão mais alto, o líquido inicial é inteiramente Z, antes de passar a conter também parte de E.

Uma indicação importante já tinha sido levantada num artigo de 1905, que chamava a atenção para o facto de a fenilhidrazona de acetaldeído ser extremamente sensível a ácido. Threlfall e a sua equipa expuseram amostras a vapores de ácido e de amoníaco. O resultado foi claro: a exposição a quantidades minúsculas de um ou de outro influenciava de forma reprodutível o ponto de fusão. O ácido atua como catalisador, acelerando a passagem do isómero Z para o E - e, ao fazê-lo, reduz o ponto de fusão.

O químico Simon Coles, também da Universidade de Southampton, enquadrou o fenómeno com base na termodinâmica: "Se um elemento ou composto pode existir em duas ou mais formas cristalinas distintas, então cada forma terá diferentes energias de Gibbs e derreterá na sua própria temperatura distinta".

E detalhou o que ocorre neste caso: "Neste caso, as moléculas do cristal estão na geometria cis - com grupos apontando um para o outro - e derretem para uma geometria idêntica na ausência de ácido a 100 graus Celsius. No entanto, na presença de mesmo um vestígio de ácido, as moléculas convertem-se, ao derreter, para a geometria trans, com grupos apontando para longe uns dos outros. Esse líquido tem uma energia de Gibbs menor e é mais estável, por isso o ponto de fusão passa a ser 65 graus Celsius".

O efeito lembra o que o sal causa na água: ao adicionar sal a uma panela de água, alteram-se os pontos de transição de fase. A diferença é que, enquanto é preciso muito sal para provocar uma mudança grande na água, basta uma quantidade ínfima de ácido para modificar o comportamento da fenilhidrazona de acetaldeído - o que ajuda a explicar por que foram necessários mais de um século, e por que Threlfall e os seus colegas levaram uma década, para chegar à solução.

Este trabalho ilustra bem a curiosidade e a persistência humanas. E também abre espaço para otimismo: quantos outros enigmas poderão ser desvendados nos próximos anos, num futuro cintilante de descobertas?

A pesquisa foi publicada em 2019 na revista Crescimento de Cristais e Design.