Anegdoty o chemikach i ich odkryciach

Sukces wpisu o wypadkach dawnych chemików sprawił, że postanowiłem zebrać jeszcze trochę podobnych przypadków. Tym razem jednak nie o wybuchach lecz o odkryciach, i sposobach w jakie do nich dochodzono. A te bywały osobliwe.

Sprzątając
Odkryć można też dokonywać po doświadczeniach, w trakcie mycia sprzętu i zlewania pozostałości. Przydarzyło się to w roku 1933 Ralphowi Willeyowi, który będąc studentem pracował na pół etatu w Dow Chemical Laboratory, na podrzędnym stanowisku chłopca do mycia próbówek. Za którymś razem przytrafiła mu się kolba której za nic nie mógł domyć, gdyż była od wewnątrz pokryta cienką warstwą półprzezroczystej, twardej substancji. Przekonawszy się wreszcie, że jest to materiał bardzo wytrzymały, zgłosił innemu pracownikowi, że ktoś przypadkiem uzyskał substancję o obiecujących właściwościach. Imię tego pracownika nie jest chyba znane, zaś uważny Willey stał się znany jako odkrywa polichlorku winylidenu (PVDC).

Niemniej spektakularne było odkrycie Williama Perkina.
Już jako mały chłopiec po tym jak starszy kolega pokazał mu jakąś sztuczkę z kryształkami, zainteresował się chemią. Ucząc się w dobrej szkole i wykazując nadzwyczajny talent już jako piętnastolatek rozpoczął studia pod przewodnictwem Wilhelma Hoffmana, zostając wreszcie jego asystentem. W roku 1856 zajmował się on próbami syntezy chininy. Wiedziano z grubsza z badań stosunków pierwiastków że zawiera ona części aromatyczne i azot, toteż sprawdzano różne kombinacje, mając nadzieję że za którymś razem wyjdzie. Osiemnastoletni wówczas Perkin zajmował się utlenianiem aniliny przy pomocy chromianu potasu, niestety otrzymywana ze smoły węglowej anilina była mocno zanieczyszczona i po przeprowadzeniu reakcji otrzymał w naczyniu ciemnobrązową smołę, którą nie w sposób było usunąć.
W zasadzie produkt był do wyrzucenia, jednak gdy płukał naczynie alkoholem zauważył, że zabarwił się on na intensywnie fioletowo-różowy kolor, a zanurzona w nim szmatka zafarbowała się bardzo mocno. W tym momencie domyślił się zastosowań praktycznych i gdy tylko opanował metodę produkcji, ustaliwszy że substratem jest zanieczyszczająca anilinę toluidyna, nie czekając na opinię profesora opatentował drugi znany syntetyczny barwnik, nazwany przezeń moweiną - dowodząc przy tym, że oprócz zapału posiadał też żyłkę do interesów. Przekonał krewnych do założenia pierwszej fabryki i farbiarni i już wkrótce zarobił na niej tyle że w wieku 36 lat mógł odejść od pracy zarobkowej i zajmować się chemią wyłącznie dla własnej satysfakcji - czego mu bardzo zazdroszczę.
W późniejszych latach odkrył kilkanaście innych barwników anilinowych.

Wiktoriańska suknia barwiona moweiną

Pierwszym sztucznym barwnikiem była purpurowa fuksyna odkryta przypadkiem przez jego mentora, Wilhelma Hoffmana rok wcześniej. Nie miał on jednak takich zdolności jak jego student, i zanim opatentował ten związek, ubiegł go pewien francuz.

Bawiąc się
Zawsze po skończeniu ćwiczeń z analityki, gdy pozostawało już tylko wylać poreakcyjne mieszanki i umyć próbówki, zwykłem byłem mieszać ze sobą różne wylewane ciecze, aby zobaczyć co się stanie. Zwykle otrzymywałem różnobarwne warstwy, czasem doprowadzałem do jakiejś barwnej reakcji, ale często też nie działo się nic szczególnego. Bawić się w laboratorium, zasadniczo, nie powinno, ale czasem zabawa może być twórcza.
Gdy w 1930 roku Carrots odkrył nowy polimer, będący produktem kondensacji kwasu dikarboksylowego i diaminy, początkowo wydawało się, że nie znajdzie zastosowania, miał bowiem dosyć niską temperaturę topnienia. Jeden z asystentów, Julian Hill, mieszając w kolbie ze świeżym, jeszcze nie skrzepłym materiałem zauważył, że gdy wyciągnął mieszadełko, na jego końcu powstało równe włókienko. Wydawało się jednak że tym sposobem nie da się otrzymać dłuższych włókiem, jednak gdy szef laboratorium był nieobecny, Hill postanowił się pobawić - na jednym końcu korytarza postawił zlewkę ze stopioną masą, zanurzył w niej bagietkę i odbiegł wyciągając kilkunastometrowe włókno cienkie jak włos. W dodatku gdy już ostygło, można było rozciągnąć je jeszcze bardziej zwiększając jego twardość i wytrzymałość.
Później okazało się, że podczas wyciągania długie cząsteczki polimeru porządkują się wzdłuż, a po rozciągnięciu powstałej nici dodatkowo splatają, dając materiał o bardzo pożądanych właściwościach. Pierwsze tego typu włókna roztapiały się w gorącej wodzie, więc trzeba było poczekać kilka lat, aż znaleziono trudnotopliwy polimer kwasu adypinowego i heksanodiaminy, nazwany Nylonem.[1]

Niechcący i błędnie
Odkryć można dokonać wykonując błędnie znany proces i niechcący prowadząc do niebezpiecznych skutków. Przykładem Karl Neumann, który pracując w laboratoriach BASF zajmował się pewnego razu sulfonowaniem naftalenu. W kolbie reakcyjnej znalazł się więc naftalen i dymiący kwas siarkowy. Zawartość kolby należało co pewien czas mieszać, a że akurat na podorędziu nie było bagietki szklanej, wbrew przepisom zaczął mieszać termometrem. Robił to na tyle intensywnie, że stłukł go a metaliczna rtęć wlała się do środka. Powstający siarczan rtęci stał się katalizatorem wywołującym przemianę części naftalenu do bezwodnika ftalowego, co wykazały analizy "zepsutej" zawartości kolby. Poprzednio stosowany proces polegał na utlenieniu naftalenu tlenem i miał niską wydajność. Teraz można było produkować bezwodnik ftalowy na tyle tanio, że można go było wykorzystać jako substrat w produkcji Indygo. Synteza Neumanna została wprowadzona przez BASF w 1897 roku.

Przez nieumyte ręce
Jedną z podstawowych zasad wpajanych początkującym adeptom pracy laboratoryjnej jest to, aby nie próbować żadnej substancji, nawet wody destylowanej, nie wdychać oparów i i niczego nie jeść, oraz dokładnie myć ręce po pracy. Ma to dość oczywiste uzasadnienie, jako że wiele substancji z którymi można się zetknąć na pracowni jest trujących lub szkodliwych, a i trudno wykluczyć zanieczyszczenie nimi miejsc i naczyń wydawałoby się bezpiecznych. Przekonałem się o tym gdy pewnego razu polizałem lejek z sączkiem szklanym, aby przekonać się o fakturze. Niestety wcześniej lejek był czyszczony stężonym kwasem a poprzedni uczeń go nie przemył, dlatego szybko poczułem pieczenie a przez kilka następnych dni nie czułem smaku na koniuszku języka.. Tak czy siak zdarzało się że chemicy o tych regułach bezpieczeństwa zapominali, a zdarzało się że przy okazji odkrywali ciekawe właściwości badanych substancji.

W roku 1878 dwaj chemicy Ira Remsen i Constantin Fahlberg pracowali nad wyodrębnianiem substancji ze smoły węglowej. Po skończonej pracy zaczęli jeść bułki przyniesione z domu jako drugie śniadanie,  zauważyli wtedy, że bułki smakowały bardzo słodko, ale z gorzkawym posmakiem. Remsen myślał nawet, że żona przez pomyłkę posypała masło cukrem, ale potem zauważył ten sam posmak na palcach. Poprzedniego dnia pracowali nad toluenosulfonamidem i nie umyli rąk. Wspólnie opisali syntezę i właściwości związku, nazywając go Sacharyną. Był to pierwszy sztuczny słodzik używany przez cukrzyków, a w czasie wojny również jako zamiennik cukru przy braku dostaw.
Po kilku latach od odkrycia obaj panowie się pokłócili, bo Fahlberg po cichu opatentował metodę syntezy w kilku krajach, nie dając nic wspólnikowi.
Bardzo podobna historia zdarzyła się w 1937 roku, gdy amerykański student chemii  Michael Sveda pracował przy produkcji leków przeciwgorączkowych opartych na sulfonamidach. Paląc papierosa przy laboratoryjnym stole na chwilkę odłożył go w miejsce, gdzie wcześniej kapnął mu jeden z roztworów. Gdy znów wziął go o ust zauważył, że ustnik stał się bardzo słodki. Wkrótce odkryty przezeń słodzik, nazwany cyklaminianem, wprowadzono jako dodatek do gorzkich leków, a potem dosładzano nim napoje.
Kolejnym słodzikiem odkrytym w ten sposób był aspartam. Jego odkrywca Schlatter, szukając leku na wrzody w roku 1965 pobrudził nim dłoń, a potem poślinił palec aby rozdzielić sklejone strony książki. Dwa lata później w identyczny sposób Karl Klaus odkrył acesulfam K.
Poczet oblizujących się chemików zamyka szwajcarski chemik Albert Hofmann, który zajmował się poszukiwaniem silnie działających leków w trujących grzybach. Pochodna kwasu lizergowego, którą stworzył w 1938 roku miała być lekiem na astmę, ale nie została wówczas zbadana. Dopiero w 1943 roku postanowił ponownie przyjrzeć się temu związkowi. Niewielka ilość zanieczyściła mu palce i podczas jedzenia dostała się na usta. Po powrocie do domu doznał uczucia niepokoju, więc położył się do łóżka i przeżył dwugodzinną wizję podobną do fantastycznego snu. Trzy dni potem świadomie zażył większą dawkę, i wracając do domu na rowerze doznał tak silnych halucynacji, że ledwie trafił. Na pamiątkę tego zdarzenia miłośnicy LSD obchodzą 19 kwietnia Dzień Roweru. Ale to już inna historia.

Karteczki nasączone LSD

Te przypadki dotyczyły dobrych stron odkrywanych związków. Jak łatwo się domyśleć o chemikach odkrywających silne trucizny nie mogliśmy usłyszeć, bo nie było by komu ogłosić tego odkrycia.

Bo za długo leżało
Bywa że nowe substancje odkrywane są podczas porządkowania stołu laboratoryjnego, w trakcie sprawdzania starych próbówek i kolb z czymś zapomnianym. Bo przecież niektóre reakcje zachodzą bardzo powoli, i tylko zapominalskość chemika może sprawić, że da on substancjom odpowiednio dużo czasu.

W 1839 roku berliński aptekarz Eduard Simon zajmował się badaniem storaksu - aromatycznej żywicy Ambrowca balsamicznego, o właściwościach odkażających, stanowiącej składnik kadzideł. Próbując uzyskać bardziej aromatyczne składniki przeprowadził destylację z parą wodną i otrzymał oleistą ciecz, którą nazwał styrolem. Zebrał ją do buteleczki, odłożył na półkę i zajął się innymi sprawami. Po kilku dniach okazało się że zawartość butelki zgęstniała do formy twardej galarety, którą nazwał styroloksydem. Kilka lat później podobną substancję uzyskano bez dostępu powietrza. Wreszcie Berthelod stwierdził że w obu przypadkach powstaje ta sama substancja, zaś procesem nie jest utlenianie lecz łączenie cząsteczek w długie łańcuchy. Tak powstające tworzywo sztuczne nazwano polistyrenem. Najpospolitszym jego zastosowaniem jest produkcja styropianu.
Podobna jest historia polichlorku winylu. Chlorek winylu, czyli chlorek etenu, jako pierwszy otrzymał Regnault w 1835 roku. Powstałą lotną ciecz zamknął w buteleczce i położył na parapecie. Gdy po kilku dniach sobie o niej przypomniał znalazł tam brązową, elastyczną masę. Minęło jednak kilka dekad i odkrycia popadło w zapomnienie aż w 1872 roku powtórzyła się w laboratorium Eugena Baumana. Otrzymawszy większą ilość stwierdził, że masa jest podobna do galalitu i gdyby można ją było otrzymywać w dużych ilościach, byłaby dobrą masą plastyczną. Pierwszy zakład produkcji PCW wyglądał osobliwie - na dużym placu ustawiano obszerne butle wypełnione chlorkiem winylu i zostawiano na kilka dni aby świeciło na nie słońce. Potem butle rozbijano a bryły tworzywa przetapiano. Nie był to za bardzo ekonomiczny sposób, więc dopiero wynalezienie katalizatorów polimeryzacji pozwoliło wprowadzić nowy materiał na szeroki rynek.

We śnie
Och, jakże bym tak chciał. Zdrzemnąć się gdzieś a pomysły same przychodzą do głowy. Próbuję zatem drzemek w różnych porach, ale jak na razie bez skutku.
Najbardziej znanym chemikiem, którego sny do czegoś się przydały, był August Kekule - ale nie zrodziły się one z próżni.

W XIX wieku chemia organiczna dopiero raczkowała. Pierwsze syntezy związków organicznych z tych nieorganicznych to lata 20. Pierwsze reakcje na takich związkach zaczęto stosować niedługo później. Jedną z rzeczy jakie nurtowały chemików, była budowa materii - coś co odróżniało jedną substancję od drugiej. W zasadzie jedynym po czym, oprócz ich właściwości fizycznych, rozróżniano między substancjami, był stosunek wagowy składowych pierwiastków. Metan składał się z węgla i wodoru w stosunku 1:4, etan z tego samego, ale w stosunku 1:3 a butan w stosunku 2:5.
Teoria atomowa Daltona pchnęła sprawę do przodu - jeśli pierwiastki składają się z jednakowych cząstek, to związki są różnego rodzaju mieszaninami, w których atomy pierwiastków łączą się ze sobą w różnych kombinacjach. Odkrycie, że różne substancje mogą posiadać ten sam stosunek ilościowy pierwiastków zaciemniło obraz. Wyglądało na to, że różnicą jest nie ilość a sposób łączenia atomów, co siłą rzeczy nasuwało myśl o jakiejś strukturze - tylko jakiej? W powyższych przykładach ze stosunków ilościowych wynikałoby, ze w jednym związku atom węgla łączy się z wodorem przez cztery wiązania, w drugim przez trzy a w kolejnym w bardziej skomplikowany sposób.
Kekule 1857 roku ogłosił, że jego zdaniem liczba możliwych wiązań dla danego pierwiastka jest stała i dla węgla wynosi 4. Rodziło to oczywiste problemy z przypisaniem wszystkim połączeniom odpowiednich atomów i sprawiło że miał się nad czym zastanawiać. Zastanawiał się aż do znużenia. I tak oto, znużony, wracał do domu omnibusem i zdrzemnął się na jednym z siedzeń, gdy przyśniły mu się atomy:

Zatonąłem w marzeniach i przed moimi oczami zaczęły krążyć atomy. Zawsze widziałem te małe twory w ruchu. Teraz widziałem, jak dwa mniejsze łączą się ze sobą w pary, jak większe otaczają dwa mniejsze, a jeszcze większe utrzymywały to wszystko w zawrotnym tańcu. Widziałem, jak większe atomy tworzyły łańcuch, wciągając mniejsze, ale tylko na końcach łańcucha[2]

Obudzony przez konduktora miał gotowe rozwiązanie - ilości wiązań i stosunki będą zachowane, jeśli uznamy, że węgle łączą się same ze sobą tworząc łańcuchy. Tłumaczyło to też stosunki ilościowe w kolejnych, coraz cięższych alkanach, mogąc wywieść je z reguły 2N+2 wskazującej że atomów wodoru jest o dwa więcej niż dwukrotność liczby atomów węgla. Teoria była rozwijana i stosowana do coraz większej ilości związków. Uzupełniono ją, uznając możliwość tworzenia podwójnych wiązań. Aż nasz chemik zajął się próbą ustalenia, wedle tych zasad, struktury benzenu. I poległ.
W przypadku benzenu stosunek ilościowy wynosił 1:1, czyli tyle samo węgla co wodoru. Z badań reakcji podstawienia było wiadomo że zawiera sześć węgli i nijak nie dało się ich połączyć zgodnie z zasadami. Cztery wiązania podwójne się nie mieściły a próby izomerów z bocznymi łańcuchami też nie dawały efektów. I byłby się być może Kekule załamał, gdyby nie drugi sen, jaki naszedł go przed płonącym kominkiem:

Znowu atomy harcowały przed moimi oczami. Tym razem mniejsze grupy trzymały się skromnie z tyłu. Moje duchowe oko, wyostrzone przez powtarzające się podobne wizje, rozróżniło teraz większe twory o różnorodnym kształcie. Długie szeregi, kilkakrotnie ściśle ze sobą złączone, wszystko w ruchu, wijące się wężowato i skręcające się. Patrzę, co się stało? Jeden z węży chwycił swój własny ogon i szyderczo kręcił się przed moimi oczami. Obudziłem się jak rażony piorunem i resztę nocy spędziłem na rozpracowywaniu wniosków z tej hipotezy.[b]

No tak. Jeśli założyć trzy wiązania podwójne i pierścieniową budowę, to wszystko się zgadza.

Czy zatem Kekule miał proroczy sen? Cóż, co do samej opowieści wysnuwane są wątpliwości - chemik opisał je w luźnym przemówieniu z okazji 25 rocznicy swych odkryć, przed tą datą brak poświadczeń. Niewykluczone, że przypisanie snom rozwiązania mogło zasłaniać fakt, że założenia obu teorii zostały dobrane arbitralnie, na zasadzie "tak musi być bo pasuje" i dopiero do nich dołączono poświadczenia doświadczalne. Inni wskazują, że sugestie pierścieniowej budowy tego związku wysnuwano już wcześniej, nie ogłaszając ich jednak jako oficjalnej teorii.
Sen Kekulego bywał zresztą w rozmaity sposób interpretowany - w okresie popularności analizy sennej psycholog Mitserlich uznał że nagłe przebudzenie było wywołane zaniepokojeniem, to z kolei poczuciem utraty władzy; że zaś wedle klasycznej psychoanalizy marzenia senne mają związek ze strefą seksualną, długi wąż gryzący swój ogon został więc przezeń uznany za penisa, nie mogącego podążać, a sen za wyraz frustracji i pożądania, niezaspokojonego po śmierci żony.[3] W taki sposób każdą rzecz można sprowadzić do seksu.

Alternatywne struktury C6H6

Mozołem i pracą
Ale nie zawsze proces odkrywczy wygląda tak ładnie jak to przedstawiałem. Niestety z reguły odkrycie jest końcem długiego procesu, i nawet olśnienie stanowi jedynie początek pracy. Dobitnie przekonał się o tym Paul Ehrlich, twórca chemioterapii. Zgodnie z opracowaną przez siebie teorią "magicznej kuli" wedle której lekiem na określoną chorobę bakteryjną ma być substancja, zatrzymująca ważne procesy w organizmach bakterii i tylko ich, zaczął poszukiwać leku na syfilis.
Wiedział że Atoksyl, lek na śpiączkowe zapalenie mózgu, może też poprawiać stan chorych na syfilis, jednak dopiero w niebezpiecznych dawkach. Uznał zatem że należy znaleźć taką organiczną pochodną arsenu, jaka będzie silnie toksyczna dla prątków kiły, a słabo dla człowieka. Zaczął więc po kolei syntezować - pochodne aminokwasów, kwasów karboksylowych, fenoli, aldehydów itd. Trudno sobie wyobrazić nakład pracy, podczas której tworzył po kilka nowych związków na miesiąc i sprawdzał właściwości. I po kolei stwierdzał, że związki te się nie nadają. Pewną nadzieję dawała arsenofenyloglicyna, zsyntetyzowana jako substancja nr. 418, nawet była testowana w Afryce, ale nie dawała pełnego wyleczenia. Aż wreszcie po czterech latach pracy, w roku 1909 stwierdził, że tym idealnym związkiem jest substancja nr. 606, znana później jako Salwarsan. Paradoksalnie rok wcześniej Erhlich dostał nagrodę Nobla za całkiem inne odkrycia dotyczące surowic odpornościowych.

Serendipity
Skąd biorą się takie szczęśliwe przypadki, nazywane przez anglików "serendipity"? A no stąd, że wszędzie dzieje się wszytko. Jeśli jakieś zdarzenie, proces chemiczny, jest możliwe, to kiedyś musi zaistnieć. Rzecz jednak nie w tym, że pewne zdarzenia mają miejsce, lecz w tym, aby zauważyć je i zrozumieć znaczenie.
W końcu niezamierzona synteza ciekawego związku nie mogła przydarzyć się każdej osobie, a tylko tej, które zajmuje się określonymi procesami - a ta ma większe szanse dostrzec coś ciekawego w tym, co ktoś inny uznałby za nieudany wynik. Jak zauważył trafnie Pauster, któremu podobne przypadki się przydarzały: "Szczęście sprzyja przygotowanym umysłom". Jules H. Comroe opisał przypadkowe odkrycia znacznie dosadniej: "To szukanie igły w stogu siana i odnalezienie córki rolnika". Czego też życzę czytelnikom...
-------
[1]  http://articles.chicagotribune.com/1996-02-04/news/9602040105_1_nylon-du-pont-mr-hill
[2]  http://pl.wikipedia.org/wiki/Friedrich_August_Kekul%C3%A9_von_Stradonitz
[3]  http://www.sgipt.org/th_schul/pa/kek/pak_kek0.htm

Dziś w laboratorium (23.)

Dziś w laboratorium w ramach seminarium magisterskiego prezentowałem grupie przebieg wywiązywania i skraplania amoniaku. Aby tego dokonać należało użyć dość dużej ilości suchego lodu, ten zas szybko sublimował i należało go przetrzymać w naczyniu Dewara. Gdy po wyjęciu kostki zajrzałem do srebrzystego wnętrza, nie mogłem się powstrzymać przed zrobieniem zdjęcia:

Naczynie Dewara jest właściwie szklaną powłoczką. To jak szklana butelka której ścianki są wewnątrz puste, a w tej przestrzeni panuje techniczna próżnia. Ciepło słabo rozchodzi się w próżni, właściwie tylko przez promieniowanie podczerwone - a te z kolei jest odbijane przez srebrzystą powłoczkę. Zatem naczynie dobrze izoluje swe wnętrze od zmian temperatury, o czym mógł się przekonać każdy użytkownik termosu, będącego przecież domowym naczyniem Dewara.

Opis skraplania amoniaku (i zdjęcia) oraz po co mieliśmy to robić dodam za parę dni, jak tylko mi się zechce.

Kiedyś w laboratorium (22.)

Na pierwszym roku studiów, na przedmiocie chemia nieorganiczna, omawialiśmy reakcje związków fluorowców. Oto co się stało, gdy wrzuciłem grudkę jodanu sodowego do próbówki z kwasem siarkowym:

Powstały jod spienił się po wpływem pary wodnej i wypełzł z próbówki.

-----
Ps. To mój setny opublikowany post. Oby tak dalej.

Chromatograficzne oznaczanie zawartości kofeiny w herbacie

W ostatnim czasie trochę nie bardzo miałem czas na wpisy na blogu, zwłaszcza że te dopiero przygotowywane są dłuższe i wymagają większej pracy, dlatego aby nie zaniedbać tego miejsca całkowicie, przedstawię coś wygrzebanego z archiwum notatek.

Kofeina jest naturalnym alkaloidem zawierającym azot, o właściwościach lekko zasadowych, wstępującym w wielu roślinach, głównie w krzewie kawowym i krzewie herbacianym. Napoje otrzymywane z tych roślin nie miały by dla nas wielkiej wartości gdyby nie ów związek, a to z powodu pobudzających właściwości. Kofeina zmniejsza poczucie zmęczenia, rozszerza naczynia krwionośne, pobudza wydzielanie soków żołądkowych i moczu, zwiększa wydzielanie neuroprzekaźników dając krótkotrwały efekt "jasności umysłu"; niestety jak wszystkie substancje wpływające na percepcję prowadzi do fizycznego uzależnienia, choć lekkiego. Dlatego też ludzkość spożywa ją tonami.

W ćwiczeniu jakie wykonywaliśmy na zajęciach chodziło wprawdzie o oznaczenie ilości kofeiny w herbacie, ale główną sprawą na jaką zwracano naszą uwagę, był sposób przygotowania próbki - konkretnie zaś technika SPE.

W procesie analitycznym samo badanie i interpretacja wyników stanowią dosyć krótki etap, natomiast przygotowanie próbki tak, aby można było ją zbadać niejednokrotnie okazuje się najbardziej czasochłonną częścią. W dodatku musi być to etap wykonany dokładnie, bo choćby sprzęt pomiarowy był supernowoczesny, to wynik oparty o badanie złej próbki nadaje się tylko do kosza. Dlatego też sposoby przygotowania próbek to dziedzina równie szeroka i dynamiczna jak metody analityczne. Jednym z tych sposobów jest ekstrakcja do fazy stałej czyli właśnie SPE.
W pewnym stopniu można zaliczać SPE do chromatografii, gdyż i tutaj i tu używa się kolumny wypełnionej adsorbentem, różnica jest jednak taka iż w chromatografii stosujemy ciągły przepływ rozpuszczalnika, chcąc uzyskać ruch w kolumnie, z różnymi prędkościami, składników analitu; natomiast w SPE chodzi o to, aby to co zostanie wchłonięte, pozostawało na adsorbencie tak długo jak to nam będzie potrzebne. Właściwie jest to technika mająca pomóc oddzielić to co nas interesuje od tego co nam przeszkadza, a często też mogąca zagęścić składnik występujący w śladowych ilościach.

Na przykład mamy do czynienia ze ściekami, w których chcemy oznaczyć benzen. Ścieki zawierają całe mnóstwo składników o różnorodnych właściwościach, przez co niektóre czułe detektory mogą zostać całkiem zdezorientowane, należy zatem oddzielić to co niepotrzebne, a więc sole, białka, aminokwasy, kwasy organiczne, alkohole i cokolwiek innego, od frakcji właściwej, zawierającej niepolarne rozpuszczalniki organiczne. Przepuśćmy więc nasz roztwór przez jakiś niepolarny adsorbent, który będzie takie rozpuszczalniki dobrze pochłaniał. Niepolarne substancje zostaną pochłonięte, zaś polarne będzie można wypłukać czystą wodą. Teraz przepłuczmy nasz absorbent czymś, co może wypłukać niepolarne substancje, na przykład heksanem, a otrzymamy roztwór zdecydowanie prostszy w analizie, bo zawierający wyodrębnione ze ścieków same tylko substancje niepolarne, w tym nasz benzen. Jeśli w dodatku przedtem występował w próbce w niewielkich ilościach, to po wymyciu z adsorbenta niewielką ilością rozpuszczalnika zdecydowanie się zatęży. Odwrotnym przypadkiem jest przepuszczanie próbki przez adsorbent, na którym zatrzymają się przeszkadzające zanieczyszczenia.
I to jest w zasadzie cała istota techniki.

Przemywania dokonuje się zazwyczaj w krótkich, szerokich kolumienkach, przypominających strzykawki, często przepływ przyśpiesza się podłączając wylot kolumienki pod niższe ciśnienie

W techniczne szczegóły nie będę się tu na razie wdawał, czas bowiem przejść do opisu ćwiczenia.

Na początek wzięliśmy kilka torebek herbaty ekspresowej (chyba "Minutki") i po rozerwaniu odmierzyliśmy dokładnie 0,85 g, po czym wsypaliśmy do kolby. Zaraz potem wsypaliśmy tam 2 g tlenku magnezu:

I dolaliśmy gorącej wody. Wyciąg należało zaparzać przez kwadrans. Po co tlenek magnezu? Zmieszany z wodą częściowo reagował dając wodorotlenek, i nadając roztworowi łagodnie zasadowy odczyn. W normalnej sytuacji kofeina tworzy z garbnikami herbacianymi mało rozpuszczalne połączenia, więcej jest ich w herbacie zielonej stąd też może mieć ona słabsze działanie pobudzające niż czarna. Zasadowe środowisko powoduje rozpad tych połączeń i większy stopień ekstrahowania z fusów. Ponadto w takich warunkach kofeina nie przechodzi  formę jonową, co ma znaczenie dla dalszego przebiegu ćwiczenia. Gdy nasza herbatka była już gotowa, należało ją przesączyć, oddzielając fusy i tlenek magnezu.
użyta kolumienka zawierała jako adsorbent żel krzemionkowy C-18, to jest z przyłączonymi do powierzchni osiemnastowęglowymi łańcuchami węglowodorowymi. Takie wypełnienie jest zatem bardzo niepolarne. Kofeina w formie niejonowej jest bardzo słabo polarna, mimo całkiem sporego momentu dipolowego, dlatego jest pochłaniana. Zanim jednak przepuściliśmy przez kolumienkę nasz roztwór, przepłukaliśmy ją metanolem, aby dotychczas suchy adsorbent był gotowy do pracy, zaś łańcuchy C-18 mogły się rozprostować.

Nabralliśmy 2 ml naparu i przepuściliśmy przez kolumienkę, której wypełnienie zabarwiło się na brązowo:

Gdy już wszystko zostało wchłonięte, przepłukaliśmy kolumienkę metanolem z wodą amoniakalną, aby wypłukać to co nie potrzebne, a na sam koniec wysuszyliśmy złoże, to jest, pozwoliliśmy aby podciśnienie zassało przezeń powietrze.
Tak więc potrzebną frakcję substancji niepolarnych - w tym kofeiny - mieliśmy już wchłoniętą. I czym ją teraz wypłukać? Moglibyśmy użyć rozpuszczalnika organicznego, ale ten wypłukałby nam wszystko co tam jest, a już po brązowym kolorze wypełnienia można było poznać, że oprócz kofeiny jest tam wiele innych związków. Przypomnę teraz że kofeina,, jak wszystkie alkaloidy, zawiera azot o właściwościach zasadowych - a więc mogący przyjmować proton. Po przyjęciu protonu alkaloid przechodzi w formę jonową z ładunkiem dodatnim. A taka forma jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i słabo adsorbowania na podłożach niepolarnych.
Zatem przepłukaliśmy naszą kolumienkę mieszaniną wody, metanolu i kwasu octowego, uzyskując żółtawy roztwór, zawierający kofeinę i niezbyt dużą ilość przeszkadzających zanieczyszczeń. Najwyraźniej niektóre garbniki mają na tyle zbliżone właściwości aby przechodzić przez kolejne etapy w podobny sposób.

Dalsza analiza została przeprowadzona za pomocą chromatografii cieczowej - szerzej opisuję ją w tym wpisie . Najpierw na kolumnę nastrzyknięto próbkę wzorca kofeiny, o stężeniu 0,05 µg/ml, otrzymując chromatogram z pikiem o czasie retencji 14,293 minuty. Potem wstrzyknęliśmy próbkę z przygotowanego przez nas roztworu, uzyskując podobny pik o tym samym czasie retencji, muszący być analizowanym związkiem. Pola pod pikami wynosiły 1 224 259 jednostek względnych dla wzorca i 731 882 dla próbki analizowanej. Detektor fotometryczny mierzył absorpcję w ultrafiolecie dla fali 272 nm.
Znając masę próbki, stężenia wzorców i wiedząc jaki procent pierwotnej próbki stanowiła ta ostateczna, można było wyliczyć zawartość kofeiny w herbacie na 5% suchej masy, co stanowi dość dużą wartość (źródła podają zwykle, że dla herbaty zawartość nie przekracza 4,5%), choć oczywiście w normalnym przypadka nie cała ilość przechodzi do naparu.
Nie taka zła ta herbata

Ostatnio w laboratorium (21.)

Jakoś tak wyszło że ostatnimi zajęciami laboratoryjnymi przed sesją egzaminacyjną, były te z chemii instrumentalnej. Nasze zadanie polegało na przygotowaniu roztworów wyciągów roślinnych do badania zawartości polifenoli, w układzie chromatografu cieczowego z detektorem elektrochemicznym.
Ponieważ polifenole łatwo się utleniają, a zwłaszcza w podwyższonej temperaturze, nie mogliśmy zrobić naparu, dlatego zalaliśmy wybrane zioła metanolem i włożyliśmy do płuczki ultradźwiękowej, aby się wyekstrahowały:

W takim urządzeniu próbki poddawane są działaniu ultradźwięków wywołujących we wnętrzu szybkie fluktuacje ciśnienia. Powodują one zniszczenie struktur biologicznych i ułatwiają wnikanie rozpuszczalnika wgłąb cząstek stałych, z tego też powodu ostrzeżono nas abyśmy podczas wkładania próbek do działającej płuczki, nie włożyli tam przypadkiem palca.
Po takim dokładnym przewibrowaniu przesączyliśmy nasze roztwory, mające już zielonkawy kolor, i przelaliśmy do wyparki:

Wyparka to kolba kulista połączona z pompką próżniową i chłodnicą wykraplającą opary. Obrót kolby, rozprowadzający roztwór po ściankach, łaźnia ogrzewająca i wreszcie obniżone ciśnienie sprzyjają szybkiemu odparowywaniu rozpuszczalnika, toteż całe urządzenie jest używane do zagęszczania rozcieńczonych próbek. W naszym przypadku każdy roztwór nabrał zdecydowanie wyraźniejszych kolorków:

W naszym przypadku użytymi ziołami były, od lewej: dziurawiec, liść poziomki i szałwia. Zawartości polifenoli już nie pamiętam, ale nie stwierdziliśmy jakiś nadzwyczajnych odstępstw.

Anegdoty o chemikach i ich wypadkach

Garść anegdotek o tym, ci się może człowiekowi przydarzyć w laboratorium. Zwłaszcza gdy ten człowiek jest bardzo ciekawski...

Wybuch w gębie
Gdy wcześni chemicy odkrywali nowe substancje, oprócz takich spraw jak wykorzystanie czy możliwość zarobienia na produkcji, interesował ich także wpływ na zdrowie człowieka. Czasem było to dla badacza bardzo szkodliwe - Davy stracił zdrowie przez próby z wdychaniem chloru i gazu świetlnego. Czasem przynosiło pozytywne skutki, jak odkrycie znieczulających właściwości gazu rozweselającego. A czasem...

Francuski chemik i nauczyciel Jean-François de Rozier Pilâtre  zajmował się badaniem procesu oddychania, a ponadto pasjonował się dopiero co odkrytymi lotami balonowymi. Budując swój balon postanowił napełnić go wodorem, zdecydowanie lżejszym od gorącego powietrza, lecz niestety bardzo łatwopalnym. Podczas jednego z pierwszych swobodnych lotów poleciał swym balonem na wysokość trzech kilometrów, lądując 52 kilometry od Paryża, skąd odbywał się start, co było jak na tamte czasy niebywałym osiągnięciem. W tym samym czasie stwierdził, że zawieszone  powietrzu pyły i dymy źle działają na zdrowie, proponując zakładanie materiałowych maseczek - prototypów masek respiratorowych. W którymś momencie dwie pasje się spotkały, i de Rozier postanowił sprawdzić jak wpłynie na niego wdychanie wodoru. Napełnił pęcherz gazem i wziął kilka głębokich oddechów, mieszając gaz z powietrzem. Nie stwierdził jakiś specjalnych objawów.
Faktycznie - gazowy wodór jest nietoksyczny, bardzo słabo się wchłania i jedyne niebezpieczeństwo pojawia się gdy gaz wypiera z pomieszczenia powietrze. Tak więc nic się nie działo. Po zrobieniu kilku wdechów nasz naukowiec postanowił sprawdzić, ile jeszcze jest go w jego płucach i bez zastanowienia dmuchnął na świecę.

"Myślałem, że zęby wylecą mi z korzeniami"

 - pisał potem. Mieszaniny wodoru z tlenem są wybuchowe, o czym niech pamiętają ci, którzy próbują go dziś wykorzystać jako tańszy zamiennik helu do podwyższania tonu głosu. Później de Rozier udoskonalił doświadczenie do formy salonowego pokazu, w którym wydmuchiwał zapalony wodór przez szeroką rurkę, co było bardziej bezpieczne:

Swoistą tragiczną ironią losu jest to, że podczas próby przelotu nad kanałem La Manche w roku 1785, za pomocą balonu o podwójnej czasy, zawierającego komorę na wodór i komorę na ciepłe powietrze, w wyniku wycieku i zapłonu gazu spadł i wraz z towarzyszącym mu Pierre Romainem stał się pierwszą na świecie ofiarą wypadku lotniczego.[1]

Rtęć w oku
Amerykański chemik Thomas Midgley był nieszczęsnym geniuszem. Jak wiadomo, niektóre substancje mają właściwości bardzo korzystne zaś inne bardzo negatywne. I ktoś je kiedyś musiał odkryć. Midgley był akurat odkrywcą dwóch takich substancji, w dodatku szeroko potem rozpowszechnionych - wynalazł zastosowanie dla tetraetylenku ołowiu, używanego jako dodatek przeciwstukowy do benzyny, i freony, używane w chłodnictwie. Ten pierwszy wraz z rozwojem motoryzacji przyczynił się do skażenia ołowiem polowy planety, zaś ten drugi niszczy powłokę ozonową i będzie to robił jeszcze przez kilka następnych dekad. Stąd też został zapamiętany jako jeden z tych, który niechcący o mało nie zniszczyli świata. Wynalazki ekstrakcji bromu z wody morskiej, czy produkcji gumy, która krócej się wulkanizowała, zostały mniej zapamiętane. Ale nie o tym.
Gdy pracował dla Du Pont szukając czynnika chłodzącego, przydarzył mu się przykry wypadek - nadmierne ciśnienie rozerwało zbiornik z gazem, powodując że drobne odłamki metalowej przegrody wbiły mu się w rogówkę oka, wywołując ciągły stan zapalny. Lekarz wyjął co większe kawałki, ale drobnych opiłków nie dawało się usunąć, nie były magnetyczne a przeszczep rogówki nie był jeszcze wtedy znany. Dlatego nie mając innego pomysłu, Midgley poradził sobie w sposób nietypowy - przez dwa tygodnie przemywał oczy czystą rtęcią.
To zaskakujące, ale nie zaszkodziło mu to, bo tą drogą pierwiastkowa rtęć prawie się nie wchłania. Sam Midgley wiele lat później ucierpiał od zatrucia wynalezioną przez siebie pochodną ołowiu. Pod koniec życia zachorował na Polio wskutek czego doznał częściowego paraliżu. Aby zyskać choć trochę samodzielności zbudował z linek i wielokrążków zestaw pozwalający mu na  wstawanie z łóżka. Podczas jednego z takich poranków w 1944 roku zaplątał się w linki, zsunął z łóżka i udusił.[2]

Gdzie się podział fartuch?
Niemiecki chemik Christian Friedrich Schönbein lubił był czasami prowadzić doświadczenia w domu. Oprócz takich odkryć jak wytworzenie ozonu i pierwsze próby z ogniwami paliwowymi, prowadziło to często do zniszczeń w mieszkaniu, dlatego żona zabroniła mu takich rzeczy. Zdarzyło się jednak w roku 1845, że żona musiała wyjechać do krewnych. Upewniwszy się, że jest już daleko, przyniósł do domu trochę chemikaliów, aby móc w spokoju pobadać to i owo. I oczywiście od razu nabroił.
Postawiona na szafce flaszka z mieszaniną kwasów azotowego i siarkowego przewróciła się, zaś żrąca mieszanka wylała się na podłogę. Zalał ją wodą i wytarł dokładnie bawełnianym fartuchem żony, który następnie powiesił przy piecu, aby wysechł. Gdy materiał był już suchy, padła na niego drobna iskierka, od której fartuch buchnął ogniem tak gwałtownie, że w ciągu kilku chwil zgorzał do cna. Zaciekawiony tym powtórzył doświadczenie z innymi kawałkami bawełny, stwierdzając, że pod wpływem mieszaniny kwasów stają się niezwykle łatwopalne. Prędkość spalania tak odkrytej nitrocelulozy była na tyle duża, że można ją było zastosować jako materiał wybuchowy. I faktycznie, pod nazwą bawełny strzelniczej stała się składnikiem prochu bezdymnego, nie powodującego powstawania ogromnych ilości szarego dymu i sadzy, co niejednokrotnie utrudniało prowadzenie bitew. Historia milczy w sprawie prawdopodobnego rabanu, jaki sprawiła mu żona.

Spalanie bawełny strzelniczej

Cóż za smród!
Niektóre związki chemiczne śmierdzą bardzo. Czasem tak, że trudno z nimi pracować - niestety bywa że ktoś mimo to musi, co siłą rzeczy prowadzi do rozmaitych konfliktów z otoczeniem.

Do związków najbardziej smrodliwych należą pochodne organiczne siarki oraz niektóre związki selenu i telluru. Siarkowe merkaptany znane są z silnego zapachu, jako jeden ze składników wydzieliny skunksa. Niejednokrotnie zdarzało się, że zapach nowo otrzymanej pochodnej przekraczał wyobrażenia eksperymentatorów. Gdy w 1936 po raz pierwszy zsyntetyzowano diselenek węgla (analog dwusiarczku węgla, używanego jako rozpuszczalnik) odór był tak silny, że nie tylko ewakuowano laboratorium, ale i pobliską wioskę leżącą po zawietrznej. Praca dotycząca syntezy podobno opisuje tą sytuację bardzo barwnie, ale bez opłat mogłem obejrzeć tylko stronę z abstraktem. aż szkoda.
Gdy w 1889 roku z zakładach chemicznych we Freiburgu próbowano otrzymać tioaceton z cyklicznego trimeru, smród był tak nieziemski, że ewakuowano część miasta, bo mieszkańcy w odległości mili mdleli na ulicach. Zastanawiano się potem jaką właściwie substancję wówczas otrzymano, gdyż produkty były bardziej nawet śmierdzące niż sam tioaceton.[3] Próba powtórzenia doświadczenia doprowadziła do podobnego wypadku w Oxfordzie w 1960 roku. Podobno jedna kropla związku pod dygestorium wystarczała, aby zapach było czuć ćwierć mili od laboratorium.

Merkaptany należą do substancji na które ludzki nos jest najbardziej wyczulony - dla niektórych czułość sięga ilości jednej części na miliard. Ma to uzasadnienie ewolucyjne - powstają podczas gnicia materii organicznej, toteż wyczulenie na nie pozwala wyczuć, że jedzenie jest nieświeże. Wykorzystuje się ten fakt bardzo szeroko do nawaniania gazu ziemnego, który sam w sobie jest bezwonny. to co czuć jako zapach gazu, to w rzeczywistości zapach śladowych ilości tioli. U nas najczęściej używa się do tego tetrahydrotiofenu, na świecie zazwyczaj jest to merkaptan tertbutylowy lub butylotiol. W ilościach używanych do nawaniana zapach nie jest specjalnie nieprzyjemny, natomiast większe ilości potrafią pokazać swą moc. W wyniku wycieku nawaniacza - metylotiolu - z zakładów chemicznych w Rouen, chmura smrodu rozeszła się po całej północnej Francji, zahaczając o Paryż, a po dwóch dniach dotarła do Anglii, będąc wyczuwalną w Londynie.[4] Wedle relacji zapach przypominał połączenie potu, zgniłych jaj i cebuli.
Zresztą może jeden z kolejnych wpisów poświęcę tym najbardziej smrodliwym chemikaliom.

Rozlało się
Praca z niebezpiecznymi chemikaliami wymaga ostrożności a czasem i pewnej ręki. Pół biedy, gdy kropla stężonego kwasu wypali dziurę w fartuchu (zdarzyło mi się kilka razy), a rozbita flaszeczka z roztworem amoniaku zasmrodzi cały pokój, czasem jednak konsekwencje takiego rozlania, mogą być znacznie groźniejsze.
Przekonali się o tym niedawno pracownicy i studenci Politechniki w Hamburgu. Pewnemu studentowi zdarzyło się przewrócić dwa odkręcone pojemniki z rozpuszczalnikiem acetonitrylem, przez co rozlał około ośmiu litrów. Bojąc się konsekwencji zamiast poinformować pracowników i straż, zebrał rozlaną ciecz i wylał do kanalizacji. To czego nie zebrał i to co wydostawało się ze zlewu parowało. A acetonitryl jako bardzo lotny rozpuszczalnik po dostaniu się do organizmu rozkłada się na cyjanek. W efekcie już wkrótce kilku studentów i doktorantów oraz pracowników laboratorium poczuło się źle. Do szpitala trafiło 11 osób, z czego dwóch studentów i czterech doktorantów wylądowało na OIOM-ie.[5]
Gdy kilka lat temu likwidowano jedno z lokalnych laboratoriów SANEPiD-u w bodaj Radzyniu, jedna z pracownic wzięła kilka litrów zbędnego kwasu azotowego, z zamiarem wypalenia chwastów na działce. Kanistry którymi go przewoziła nie były jednak szczelne, toteż w trakcie podróży służbowym samochodem, kwas zaczął chlupotać w bagażniku, przeżerając podwozie.

----------
[1] http://www.ebooksread.com/authors-eng/james-smith/the-panorama-of-science-and-art-tim/page-38-the-panorama-of-science-and-art-tim.shtml
[2] Thomas Midgley Jr. - Biographical Memoir
[3] http://fds.oup.com/www.oup.co.uk/pdf/bt/orgchem/chapter01.pdf
[4] http://www.reuters.com/article/2013/01/22/us-france-gasleak-idUSBRE90L03M20130122
[5] http://www.mopo.de/nachrichten/gift-unfall-an-der-tu-harburg-riesen-schlamperei-im-chemie-labor,5067140,8689786.html

Kilka innych wypadków

Katalityczna synteza kwasu adypinowego

Na jednych z ostatnich w tym semestrze zajęć z Chemii Proekologicznej, u prof. Lipińskiej, zajmowaliśmy się syntezą kwasu adypinowego.

Kwas adypinowy jest organicznym kwasem, zawierającym dwie grupy karboksylowe na końcach czterowęglowego łańcucha węglowodorowego. W niewielkich ilościach występuje w roślinach i mógłby być otrzymywany z buraków cukrowych, gdyby się to opłacało Jako słaby kwas bywa dodawany do żywności jako E 355, czasem też jako składnik roztworów buforowych, jednak głównym zastosowaniem jest produkcja Nylonu i innych podobnych polimerów. Z tego powodu rocznie na świecie produkuje się go 2,5 mln ton.

Niestety najpowszechniejsza metoda otrzymywania jest też bardzo kłopotliwa.

Podstawowym substratem jest tutaj cykloheksen - sześciowęglowy pierścień z jednym wiązaniem podwójnym. O jego otrzymywaniu już kiedyś pisałem. Rozerwanie tego wiązania i utlenienie węgli przy nim, da nam kwas adypinowy. Jednak z rozerwaniem wiązania, to nie jest taka prosta sprawa. Należy zastosować agresywne utleniacze - na przykład nadmanganian potasu ze stężonym kwasem siarkowym. Zaś metoda najpowszechniej stosowana polega na traktowaniu cykloheksenu stężonym kwasem azotowym.

Samo operowanie stężonym kwasem jest kłopotliwe, zaś w dodatku podczas reakcji powstają szkodliwe tlenki azotu, w tym podtlenek, będący gazem cieplarnianym. Stąd też biorą się próby stworzenia bardziej przyjaznej dla środowiska metody - jedną z nich zajmowaliśmy się na zajęciach.
W tej proekologicznej metodzie* do rozbicia wiązania cykloheksenu i utlenienia węgli wykorzystywany jest łatwo dostępny odczynnik - perhydrol czyli 30 % nadtlenek wodoru, zaś katalizatorem jest wanadan sodu. Jednakowoż taki układ wywołuje jeszcze dodatkową trudność - obie ciecze nie mieszają się ze sobą, a skoro tak, reakcja ograniczy się do wąskiej strefy kontaktu. Aby pokonać tą trudność stosujemy katalizator przejścia fazowego.

Katalizatory przejścia fazowego (PTC) są w większości czartorzędowymi aminami lub fosfinami, z przyłączonymi do atomu azotu lub fosforu długimi łańcuchami węglowodorowymi. Takie indywiduum dosyć chętnie rozpuszczałoby się w fazach oleistych, gdyby było elektrycznie obojętne, zwykle jednak samo w sobie jest dużym kationem organicznym. Dlatego przyłącza sobie z fazy wodnej jakiś anion i już może przejść do drugiej fazy. Jeśli ten anion zareaguje w drugiej fazie z innym substratem, na przykład jako nukleofil przyłączy się do benzenu i odłączy się od katalizatora, to ten, stając się naładowany, powróci do fazy wodnej dopóki nie znajdzie sobie nowego anionu.
W ten sposób katalizator cyklicznie zmieniając rozpuszczalność, przeciąga reagujące ze sobą cząsteczki z fazy do fazy. W tym przypadku był to związek CH3(C8H17)3N - nazywany Aliquat 336 - czyli sól tryoktylometyloamoniowa. Skoro zaś problem z głowy, opiszę pokrótce co też takiego wykonywałem:

Cykloheksen, mający postać bezbarwnej, oleistej cieczy, wlałem do kolby kulistej. Dodałem perhydrol i wanadan sodu - bezbarwny, nie interesujący proszek - do tego kroplę roztworu katalizatora PTC i mieszadełko magnetyczne i połączyłem kolbę z chłodnicą zwrotną. Całość ogrzewałem na łaźni olejowej na mieszadle grzejnym w temperaturze ponad 200 st. C:

Jeśli chodzi o sam proces, reakcja przebiegała bardzo spokojnie, choć obawiałem się, że z powodu nadtlenku może się zawartość kolby nagle zapienić. Jedynie co pewien czas zaglądaliśmy, czy warstwa organiczna jest jeszcze widoczna. Gdy ostatecznie z warstwy cykloheksenu został pierścień przy ściankach:

ogrzewanie przerwałem. Teraz należało ostrożnie oddzielić pipetą warstwę wodną od organicznej, ale starając się przy tym nie zaciągać stałego katalizatora z dna. Kwas adypinowy powinien wykrystalizować w niskiej temperaturze, toteż wziąłem z zamrażalnika lód, ściereczkę i młotek i naprodukowałem mieszaniny ochładzającej:

I rzeczywiście, już po chwili zawartość chłodzonej zlewki zgęstniała od drobnych kryształków produktu:

które pozostawało teraz jedynie odsączyć i wysuszyć. I tak oto powstał nam kwas adypinowy:

Proekologicznym aspektem jest oczywiście ograniczenie szkodliwych reagentów. Wydajność była wysoka, ale już nie pamiętam dokładnie jaka.

.--------
*  Sato K, Aoki M, & Noyori R (1998). A "Green" route to adipic acid: direct oxidation of cyclohexenes with 30 percent hydrogen peroxide Science (New York, N.Y.), 281 (5383), 1646-7 PMID: 9733504

Sól na lód

Temat bardzo zimowy a w pewnym stopniu wiążący się z wcześniejszym wpisem o mieszaninach ogrzewających i krystalizacji. Teraz bowiem będzie nie tylko o topieniu lodu ale i dla równowagi o mieszaninach ochładzających.

Ziarenko soli drogowej w wytopionej przez siebie jamce

Gdy zimą chodniki, drogi, ulice i resztę świata pokrywa śnieg, w miejscach bardziej zdeptanych przeradzający się w lód lub śniegowe błoto, doprawdy bardzo trudno jest się poruszać. Ślizgawica na chodnikach to jeszcze pół biedy, ale na drogach jest nie do pomyślenia. Więc trzeba ten lód rozpuścić. Więc trzeba go posypać solą. Ale dlaczego solą i dlaczego sam piasek nie wystarczy, nie każdy wie.

Topnienie lodu jest przemianą fazową. Faza stała zamienia się bądź to w fazę ciekłą bądź to gazową. Zależy to akurat od warunków - w niskich temperaturach lód może parować w suchym powietrzu, przez co teoretycznie da się wysuszyć pranie na mrozie (tylko kto by tyle czekał?). To w jaki sposób i w jakich warunkach przebiegają przemiany z fazy do fazy, określają równowagi fazowe.
Na to jaka faza, lub układ faz jest akurat trwały, wpływają głównie takie czynniki jak temperatura i ciśnienie - w wysokiej temperaturze lód topnieje, ale pod wysokim ciśnieniem może ponownie zamarznąć. To zrozumiałe. Tak samo jak zrozumiałe jest, że skład substancji wpływa na przebieg równowag - przykładowo woda morska zamarza w zdecydowanie niższej temperaturze.
Teraz na chwilkę się zastanówmy - morze zaczyna zamarzać i na jego powierzchni pojawia się lód. Dla wody w oceanach następuje to w temperaturze -1,9° C. A teraz powiedzmy że temperatura nieco rośnie, do -0,5° C. Pamiętamy że lód topi się w temperaturze 0 stopni. Jest jeszcze za zimno więc - myślimy sobie - lód powinien pozostawać. Tymczasem lód się topi.

Znana nam temperatura topnienia lodu - 0° C -  nie jest niczym innym jak temperaturą ustalenia się pewnej równowagi fazowej. W tej temperaturze lód i woda znajdują się w równowadze. Dostarczanie energii zmniejsza ilość fazy stałej, zaś jej odbieranie zmniejsza ilość fazy ciekłej, i tak to trwa aż do zaniku jednej z nich - czyli całkowitego stopienia lub całkowitego zamarznięcia. Tyle tylko, że jest to temperatura równowagi dla faz: Lód/woda. Natomiast w morzu lub w kubku ze słoną wodą mamy do czynienia z fazami: Lód/słona woda - a to już całkiem inna sytuacja.

Ogólnie rzecz biorąc substancje rozpuszczone w wodzie obniżają temperaturę jej topnienia - chyba że same krzepną w wyższych od wody temperaturach. Dla przykładu 40% roztwór alkoholu zamarza przy ok. -35-40° C (czysty etanol zamarza dopiero przy -114). Równowagi fazowe przesuwają się zatem w stronę niższych temperatur. Dla układu lód/nasycony roztwór soli temperatura równowagi to ok. -20° C. Skoro tak, łatwo jest już chyba domyśleć się co zachodzi na naszych chodnikach.

Gdy posypiemy lód solą, jej część rozpuści się od samego zetknięcia. Powstanie roztwór soli, który stykając się z lodem stworzy nasz układ. W takim układzie lód może trwale przebywać w zetknięciu z roztworem w temperaturze -18 czy -20 stopni. Jeśli zatem jest -11 czy -5 to dla takiego układu jest za ciepło. Lód będzie się rozpuszczał, uwalniając chodniki i drogi ze swych węgorzych okowów. Dla bardziej rozcieńczonych roztworów takie błoto może jednak zamarzać już przy mniejszych mrozach.
Pojawia się tu jednak szczególne zjawisko - gdy lód się rozpuszcza, cała mieszanka zaczyna wyraźnie się ochładzać. Dla odpowiednich mieszanek soli z lodem spadek temperatury może sięgać -20 czy -22 stopni, co wykorzystuje się niekiedy do chłodzenia. Jeśli więc mieszanka ochładza się aż do temperatury w której mimo to krzepnie, to dlaczego chodnik posypany solą nie zamarza ponownie po chwili?
A no dlatego, że przecież jest za ciepło. Gdybyśmy naszą chłodzącą mieszankę dobrze odizolowali, to miałaby szansę zamarznąć od samego swojego chłodzenia, ale przecież wciąż jest w kontakcie z za ciepłym otoczeniem. Dlatego nie osiąga tego stanu i cały lód topi się. Wszystko to dobrze działa do momentu, gdy mrozy nie są jeszcze zbyt silne, gdy jednak przekraczają tą temperaturę graniczną, zwykła sól nie wystarcza.
Dlaczego jednak taka mieszanina ochładza się?

Lód, topiąc się, pobiera na ten proces dosyć dużo ciepła, wystarczająco aby ochłodzić całość do niskiej temperatury. Tego typu mieszanki są niekiedy używane do chłodzenia. Dla mieszaniny lody i soli w stosunku 2/1 minimalna temperatura to ok. -20 stopni. Dla mieszanki uwodnionego chlorku wapnia z lodem w ilości 1/0,8 można osiągnąć do -40 stopni. Aby osiągać jeszcze niższe temperatury należy użyć suchego lodu, pozwalającego otrzymać temperatury aż do -78 stopni (z acetonem). W mieszance z eterem dietylowym pozwala na osiągnięcie -100 stopni. Dla jeszcze niższych temperatur używa się ciekłego azotu.
Jeżeli temperatura równowagowa innych soli z lodem jest jeszcze niższa niż dla soli kuchennej, to znaczy, że nadają się i one do odladzania. I faktycznie - chlorek wapnia i magnezu są używane do odladzania podczas silnych mrozów. Jeśli zastosuje się związki bezwodne to podczas rozpuszczania będą wytwarzały dość dużo ciepła, jak to już objaśniałem przy mieszaninach ogrzewających, dając dodatkową korzyść.
Jednak wymienione sole, w odróżnieniu od chlorku sodu, są droższe. Chlorek sodu bądź wydobywa się z kopalń, bądź wyodrębnia z zasolonych wód, że zaś w kraju mamy całkiem przyzwoite złoża, jest to materiał tani - Kłodawa sprzedaje ją za 220-280 zł za tonę netto, oferty które znalazłem podawały ceny rzędu 1500-1800 zł/t dla chlorku wapnia i 2200-2500 zł/t dla chlorku magnezu. Dlatego tego typu środki stosuje się u nas głównie w przypadku silnych mrozów.

Używanie soli do odmrażania ma jednak dość istotne wady - po rozpuszczeniu śniegu pozostaje roztwór solanki, który wnika z podłoże. Zasolenie gleby w miastach jest często tak duże, że nic większego od miniaturowych krzaczków nie chce tam rosnąć. Sól wnikająca w drobne pory betonu i asfaltu osłabia ich strukturę gdy w suchszym okresie zaczyna krystalizować, rozsadzając pory. W przypadku betonu prowadzi to do powstawania odprysków i "łuszczenia się" wierzchniej warstwy. W przypadku asfaltu sprzyja pękaniu. Wnikając w elementy żelazobetonu przyspiesza korozję prętów zbrojeniowych, osłabiając konstrukcje. Z tego samego powodu szkodzi samochodom. Pozostawia także osady na nawierzchni i na butach, a wnikając w skórę buta sprzyja jej pękaniu. W dodatku drogowcy sypią sól bardzo hojnie, czasem wręcz można mieć wrażenie, że wolą posypać niż zgarnąć śnieg. Dlatego od dawna szuka się jej zastępstw.

Wspomniane chlorki wapnia i magnezu są dobrymi alternatywami - są mniej korozyjne i zużywa się ich mniej, co przekłada się na mniejsze stężenie w glebie. Niestety również pozostawiają osady i mimo to nadal wzbogacają ziemię w chlorki. stąd też szybko pojawiły się pomysły zastąpienia chlorków zupełnie innymi solami, znacznie mniej szkodliwymi dla środowiska. Próbowano tutaj stosować preparaty na bazie mocznika, wykazujące działanie do -10 stopni, te jednak dla odmiany mogłyby wywołać przenawożenie gleb, a ponadto zbytnio zalkalizować środowisko.Bardzo ciekawym pomysłem jest preparat Safecoat produkowany z melasy. Przy produkcji białego cukru, po wykrystalizowaniu go z zalkalizowanego zagęszczonego soku, pozostaje odpadowa melasa. Oczyszczone frakcje znajdują zastosowanie w browarnictwie, zaś z pozostałym szlamem, zawierającym chlorek wapnia i inne sole oraz różne substancje organiczne, nie bardzo jest co robić. Amerykanie wpadli na pomysł aby zmieszać te melasowe odpady z solą i wysypywać na drogi; testuje się ten system w niektórych miejscach [1], podobno rezultaty są nie najgorsze. Byłoby bardo ciekawie wprowadzić to u nas - produkuje się u nas bardzo dużo cukru, a melasy eksportujemy do innych krajów najwięcej w europie, z pewnością więc materiał powinien być wyjątkowo tani.
 Ciekawym pomysłem są sole prostych kwasów organicznych - octowego i mrówkowego - które łatwo utleniają się i są rozkładane w środowisku. Najpowszechniejszy jest tu octan wapniowo-magnezowy (CMA) powstający przez rozpuszczenie dolomitu w kwasie octowym. Nie zawiera jonów chlorkowych i nie jest tak agresywny korozyjnie; działa do temperatury -12° C, a więc jest prawie tak dobry jak zwykła sól. Stosowanie ogranicza niestety cena - jest prawie 20 razy droższy, głównie z powodu kosztów produkcji kwasu octowego. Mniej stosowany jest octan potasu (KAc), także mało agresywny i niestety drogi, ale mający tą zaletę, że działa dobrze aż do -26° C, w mieszance z mocznikiem jest używany do odladzania pasów startowych lotnisk. W Finlandii stosuje się do tego mrówczanu potasu, w dodatku zalecając używać go na drogach przebiegających przez cenne przyrodniczo obszary i rezerwaty, łatwo bowiem rozkłada się, nawet w niskich temperaturach, a więc nie zanieczyszcza środowiska. Nie znalazłem niestety informacji do jakich temperatur działa, ale musi być dobry skoro sprawdza się w Finlandii.
Wszystkie te alternatywy są niestety droższe, być może postępy biotechnologii pozwolą taniej produkować kwas octowy i mrówkowy na skalę przemysłową, co zmniejszy koszty. Stosunkowo nie najgorszym zastępstwem może być popiół drzewny lub powęglowy, choć działa głównie przez polepszenie przyczepności. No i można jeszcze sypać piaskiem.

Z własnych doświadczeń na ośnieżonym parapecie wynikło mi, że pewne słabe właściwości topienia ma kwasek cytrynowy a nawet cukier puder.

Zajmę się tu jeszcze jedną kwestią, która mnie zafrapowała, gdy szukałem jak to jest z dostępem do tych alternatyw. Często natykałem się na artykuły wychwalające Ekologiczną Sól Drogową , mającą być bardziej wydajną i nieszkodliwą, testowaną w wielu częściach kraju a nawet uznawaną przez ministerstwo ochrony środowiska za bezpieczny zamiennik*. Rzecz oczywista zacząłem szukać składu ale nic nie znalazłem, niektóre artykuły stwierdzały wręcz że skład jest zastrzeżony i opatentowany i dlatego producent nie chce go zdradzać. W zamian za to znalazłem długą listę korzyści, niektóre wydawały się wątpliwe (na przykład pisanie, że zwykła sól przestaje działać przy -6 stopniach) ale pozostałe całkiem uzasadnione. Niektóre artykuły marketingowe wspominają tylko, że nie jest to chlorek wapnia ani potasu. Tylko w kilku miejscach jest wspomniane, że zawiera magnez i potas. Więc może to po prostu mieszanka chlorków tych pierwiastków? Niestety znajduję i takie reklamy, w których twierdzi się, że sól nie zawiera chlorku magnezu. No cóż, zajrzałem więc na jednego z oficjalnych blogów firny, i tam jak byk znajduję ogłoszenia o sprzedaży przez tego samego dostawcę... technicznego chlorku magnezu. Lista zalet przy odladzaniu identyczna.
Zaglądam więc na informację techniczną[2]. Składu brak, tylko wzmianka o obniżonej zawartości "związków chlorku" i informacja że jest biodegradowalna co nie jest zbyt zręcznym określeniem** Przy okazji podano takie dane techniczne, jak masa cząsteczkowa (92,21 g/mol) temperaturę topnienia (708° C) i wrzenia (1412° C) na podstawie których, zaglądając do tablic chemicznych, mogę zidentyfikować związek jako stary, dobrze znany chlorek magnezu.
No to się wyjaśniło. Pozostaje tylko pytanie po co robić marketingową tajemnicę ze składu, skoro można się go domyśleć? Skoro podobno jest zastrzeżony i opatentowany, to można to robić, ale skoro chlorek magnezu już jest używany do tego celu przez różne firmy, obawa o ukradzenie pomysłu na jaką powołuje się producent, jest płonna jak musztarda po obiedzie


------
* Jedynym dokumentem na ten temat jaki znalazłem, była interpelacja poselska, w odpowiedzi na którą ministerstwo stwierdziło, że wykorzystanie ESD leży w gestii zarządcy drogi. To chyba nie to samo co poparcie przez ministerstwo.
** Biodegradacja to rozkład w środowisku związków organicznych. Nie dotyczy soli nieorganicznych i nie jest to to samo co nieszkodliwość.

http://en.wikipedia.org/wiki/De-ice
http://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzpunkterniedrigung
http://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_Magnesium_Acetate
[1] http://news.bbc.co.uk/local/wiltshire/hi/people_and_places/newsid_9185000/9185244.stm
[2]  Informacja techniczna: Ekologiczna Sól Drogowa

Poison Story - Cienka Granica (05.)

Dobrze jest być zdrowym. Zdrowym można być, jeśli w odpowiedniej ilości zażywać się będzie ruchu, świeżego powietrza i odpowiedniego jedzenia. Jedzenie jednak nie zawsze, choć smakowite i soczyste, musi być dobre. Dobrze więc jest sobie taką niewłaściwą dietę uzupełniać.
Tak w każdym razie piszą producenci suplementów diety, chcących zapewnić klientów, że ich produkt jest im konieczny do życia i to konkretnie ich. Jak się jednak okazuje, co za dużo to nie zdrowo. A pewien pierwiastek jest pod tym względem szczególnie kapryśny.

Gdy w lutym 2008 roku do jednego ze szpitali we Florydzie zgłosiła się kobieta z nietypowymi objawami, nic nie wskazywało na to, że to początek większej afery. Dolegliwości zaczęły się już wcześniej, od osłabienia, częstych wypróżnień i wypadania włosów. Czy zgłosiła to lekarzowi? Opowiedziała o tym swojemu kręgarzowi, do którego przychodzi od czasu od czasu. On uznał, że to skutek niewłaściwej diety i niedoboru witamin, więc powiedział jej aby ten suplement, który polecił jej wcześniej, zażywała nieco częściej niż dotychczas.
Dodatkowa dawka witamin i mikroelementów wcale jednak nie pomogła. Zaczęły się częste biegunki, bóle głowy i stawów. Sądziła nawet, że to grypa żołądkowa, ale wkrótce zauważyła ciemne plamy na skórze i przebarwienia na paznokciach, więc uznała, że to znacznie bardziej poważna sprawa. Szpital przeprowadził dokładny wywiad medyczny i przesłał wyniki do centralnej bazy danych na temat zachorowań. Wtedy okazało się, że w sąsiednim mieście do lekarza zgłosiła się osoba z takimi objawami jak wypadanie włosów, biegunki, bóle głowy i nieprzyjemny zapach z ust. Objawy zaczęły się już parę tygodni wcześniej. Nie nie zgłosiła się od razu. Najpierw poradziła się swojego kręgarza.

Kręgarz, jak się okazało ten sam, faktycznie stwierdził, że niektórzy jego pacjenci - około dziesięciu osób - zgłaszali objawy osłabienia; uznał że to niedobór witamin i polecił im suplement. The Total Body Formula w wersji o smaku brzoskwiniowym i pomarańczowym, to komplementarny suplement w formie płynnej. Zawierał 16 witamin, 12 makro i 50 mikroelementów, oraz 18 aminokwasów, trzy nienasycone kwasy tłuszczowe, spirulinę, koenzym Q-10 i przeciwutleniacze herbaciane - jak zatem widać miał pomagać na niedobór wszystkiego. Objawy zatrutych konsumentów, których liczba wzrastała w zastraszającym tempie, były wprawdzie mało specyficzne, ale po wykluczeniu metali ciężkich pozostawała tylko jedna możliwość - zatrucie selenem. Badania kupionego suplementu wskazały że istotnie zawierał on ten pierwiastek, jednak w ilości wyższej niż przedstawiała to etykieta. No cóż, każdemu może się coś tam lejnąć, parę kropli w tą czy tamtą to nie tak wiele, jednak w tym przypadku pomyłka była kolosalna - suplement zawierał 200 razy więcej selenu niż powinien! Szybko okazało się, że chorych jest zdecydowanie więcej...

Dlaczego należy zażywać wraz z z dietą selen? Po co jest potrzebny naszemu organizmowi? I dlaczego nie można z nim przesadzać? Aby to objaśnić wdam się, jak zwykle, w historyczno-chemiczną dygresję. (dla leniwych podsumowanie na samym dole)

Selen czarny i czerwony

Selen to niemetaliczny pierwiastek chemiczny, w układzie okresowym leżący tuż pod siarką i mający do niej bardzo zbliżone właściwości. Na tyle bliskie, że bardzo chętnie występuje wraz z nią w minerałach i formie pierwiastkowej, i tam też został po raz pierwszy odkryty. Szwedzki chemik Jacob Berzelius należy z pewnością do najwybitniejszych naukowców wszech czasów - wprowadził używany do dziś system zapisu związków chemicznych, odkrył cztery pierwiastki (a jego asystenci dalsze dwa) a ponadto obdarzony był bardzo specyficznym poczuciem humoru. W tej historii występuje jednak dlatego, iż był przyjacielem Johana Gahna, innego chemika, który zajmując się rozwojem raczkującego przemysłu chemicznego był właścicielem fabryki kwasu siarkowego na Gripsholm. W stosowanej tam komorowej metodzie produkcji kwasu używano pirytów z kopalni w Falun, które prażono, zaś powstający dwutlenek siarki utleniano dalej tlenkami azotu. Na dnie komór reakcyjnych osadzał się wówczas czerwony osad, tworzący z resztkami kwasu niepożądany szlam.
Gahn zwrócił się do Berzeliusa z prośbą, aby sprawdził, czy przypadkiem nie da się tego osadu na coś przerobić, podejrzewał że jest to jakiś związek arsenu lub rtęci. Osad ten był palny, wydzielając ostry zapach, nieco podobny do zapachu arsenu ale jednak inny. Niewiele lat wcześniej w minerałach siarczkowych odkryto Tellur, który także dawał podobny zapach, uznano więc, że to jakiś związek telluru. Berzelius dla dokładności sprawdził oryginalne piryty i nie znalazł w nich telluru. Zaczął więc oczyszczać osad, wyodrębniając substancję bez wątpienia prostą, nie będącą żadnym ze znanych pierwiastków i w 1818 roku ogłosił odkrycie kolejnego już na swoim koncie pierwiastka, nazwanego selenem. Była to analogia do podobnego telluru - "tellus" znaczy "ziemia" zaś "selene" znaczy "księżyc".

Jego właściwości chemiczne są, jak się rzekło, bardzo zbliżone do siarki. Elektroujemność, czyli skłonność do przyciągania elektronów podczas wiązania, jest prawie identyczna. Tworzy selenki z metalami; tlenek rozpuszczony w wodzie daje mocny kwas selenowy. Podobnie jak wiele niemetali występuje w licznych odmianach alotropowych. Selen czerwony to odmiana najłatwiej dostępna, ma postać szaro-czerwonego proszku, o odcieniu zależnym od rozdrobnienia i sposobu otrzymania. Składa się z podobnych do siarki ośmioatomowych pierścieni oraz powstałych przez ich połączenie pierścieni zawierających od 20 do 100 atomów. Ma trzy odmiany krystaliczne - alfa, beta i gamma, różniące się gęstością. Podobnie jak siarka jest izolatorem i rozpuszcza się w dwusiarczku węgla.
Przy podgrzejemy go przez dłuższy czas do temperatury powyżej 180 stopni, pierścienie popękają i utworzą długie, nieco skręcone łańcuchy selenu szarego. Ta odmiana ma wygląd zbliżony do grafitu, choć mniej połyskliwego i częściowe właściwości metaliczne - słabo przewodzi prąd elektryczny. W połowie XIX wieku zauważono, że przewodnictwo selenu szarego wzrasta gdy zostanie oświetlony i to proporcjonalnie do natężenia światła, dlatego już w 1874 roku fotokomórki z selenem znalazły zastosowanie komercyjne. Wkrótce Bell, znany jako wynalazca telefonu, zastosował go w fotofonie, przekazującym dźwięk za pomocą modulowanej wiązki świetlnej. Ostatnią odmianą alotropową jest selen czarny, o szklistej strukturze, otrzymywany przez szybkie ochłodzenie stopu.

Choć selen wykryto w ludzkim organizmie już dawno, dopiero w połowie XX wielu uświadomiono sobie, że musi pełnić w nim jakąś ważną rolę, skoro obecność mikroskopijnej ilości tego pierwiastka, jest zdecydowanie korzystna. Mimo to wielkim zaskoczeniem było odkrycie, że jest składnikiem dotychczas nieznanego aminokwasu - selenocysteiny ( Sec lub Se-Cys). Jest to analog cysteiny, w której siarka zastąpiona jest selenem.
Ciekawą kwestią jest to, że choć występuje w enzymach produkowanych przez organizm, selenocysteina nie jest kodowana w DNA. W normalnej sytuacji każdym trójkom zasad w kodzie genetycznym (na przykład AAG czy TCT) odpowiada któryś z aminokwasów, zaś ciąg takich trójek jest dla komórki instrukcją łączenia aminokwasów w białka. Gdy odczytujący rybosom dochodzi do trójki UGA, oznacza to dla niego STOP, gen się kończy i białko jest odcinane. Inaczej jest w przypadku genów opisujących enzymy z selenem - pojawiający się tam kodon UGA jest tłumaczony na Se-Cys za pomocą specjalnego czynnika biologicznego nazywanego SECIS, który zapobiega kończeniu białka w tym miejscu. Aby czynnik zadziałał, selen już musi być obecny w organizmie.
Aminokwas ten jest niezbędnym składnikiem wielu ważnych enzymów, w tym wielu peroksydaz - enzymów neutralizujących rodniki tlenkowe i nadtlenkowe. W efekcie, choć sam selen nie ma właściwości reduktora, jego obecność sprzyja zmniejszeniu ilości szkodliwych wolnych rodników. Najważniejszym enzymem w którym jest zawarty jest peroksydaza glutationowa - enzym ten rozkłada nadtlenek wodoru i nadtlenki organiczne, powstające w reakcjach metabolicznych i należące do najbardziej szkodliwych reaktywnych form tlenu (powszechnie nazywanych wolnymi rodnikami), wywołując uszkodzenia komórek.
Odbywa się to w sposób następujący (duży obrazek):

 Nadtlenek utlenia grupę selenolową w enzymie i zamienia się w wodę. Utleniony enzym reaguje z glutationem, tworząc z nim połączenie przez mostek Se-S. Druga cząsteczka glutationu regeneruje enzym tworząc dimer z mostkiem siarczkowym. Dimer jest redukowany przez koenzym NADPH.

A co gdyby ten niezbędny pierwiastek nie był obecny w organizmie?
Wbrew pozorom przy normalnej, zrównoważonej diecie niedobór selenu jest bardzo rzadki - jeśli jest niezbędny dla wszystkich organizmów, to i we wszystkim występuje, zdarzają się jednak niższe lub wyższe poziomy zawartości.
Na szerokich areałach Chin, gdzie lessowa gleba jest bardzo uboga w selen, stosunkowo częsta jest choroba Keshan, nazwana od stolicy regionu najbardziej dotkniętego. Niedobór selenu połączony z zakażeniem zazwyczaj nieszkodliwym wirusem coxsackie, często wywołującym wysypki u dzieci, wywołuje w tej chorobie schorzenia układu krążenia, z przerostem serca, martwiczymi zawałami i niewydolnością, oraz obrzęk płuc, a także częste udary i zaćmę (objawy występują łącznie). Uzupełnienie niedoboru prowadzi do samoistnego wyleczenia.
Ponieważ selenocysteina jest składnikiem enzymów odpowiadających za aktywność hormonów tarczycy, niedobór selenu połączony z niedoborem jodu może wywołać niedoczynność tarczycy. Wiadomo także, że suplementacja poprawia stan chorych w chorobie Hashimoto - autoimmunologicznym zapaleniu tarczycy[1] - chociaż mu nie zapobiega. Co do tego na ile niedobór wpływa na choroby serca i nowotwory nie ma zgody - teoretycznie wymiatając wolne rodniki powinien im w jakimś stopniu zapobiegać. Z kilku badań wynikałoby, że u osób z wyższym stężeniem we krwi, ryzyko raka pęcherza jest niższe[2], zaś u osób z niską ilością Se w diecie ryzyko raka płuc jest wyższe[3] - aczkolwiek nie działało to w drugą stronę i dla zawartości wyższych niż norma nie następował dalszy spadek zachorowalności. Badania na większej populacji są jednak bardzo niejednoznaczne. W niedawnym gigantycznym badaniu 295 tysięcy mężczyzn w USA nie wykazano aby zażywanie multiwitamin wpływało jakoś na zachorowalność raka prostaty, natomiast u osób nadużywających takich preparatów (więcej jak 7 całodziennych dawek na tydzień) stwierdzono z tego powodu wyższą śmiertelność - największy wzrost dotyczył suplementów z selenem i cynkiem[4]. Wygląda to dziwnie, zachorowalność się nie zwiększyła ale wykrywane przypadki były cięższe, co sugeruje raczej, że osoby nadużywające suplementów później zgłaszały się do lekarza, na zasadzie "biorę pigułki więc na pewno jestem zdrowy".
W innym dużym badaniu 60 tysięcy pielęgniarek nie stwierdzono korelacji między ilością selenu w organizmie a zachorowalnością na raka w jakiejkolwiek formie[5]. Ponieważ zaś dokładnie przeciwny wynik dało badanie na 50 tysiącach pielęgniarzy[6] i był on wywołany właśnie różnicami w zachorowalności na raka prostaty (której kobiety nie mają) wydaje się że jest to jedyny typ nowotworu któremu selen w jakiś sposób zapobiega.

Pierwiastek ten dosyć powszechnie występuje w jedzeniu - najlepszymi źródłami są ryby i skorupiaki morskie, dalej mięso, wątroba, nerki , jajka, produkty zbożowe i rośliny strączkowe. Z tego też powodu zróżnicowana dieta jest najzupełniej wystarczająca aby zaspokoić zapotrzebowanie. Z tego co wiem, jedynie specyficzne diety ubogie jak fruktarianizm mogą doprowadzać do jakiegoś niedoboru, wystarczy jednak wzbogacić je o rośliny obfite w selen - najwięcej zawierają go orzechy brazylijskie. Zmniejszone wchłanianie pojawia się także przy alkoholizmie, stosowaniu niektórych leków zawierających siarkę, czy uporczywych biegunkach. Dlatego też w zasadzie silny niedobór Se jest rzadkością. Bardzo trudno jest też go przedawkować przez samo jedzenie, stąd praktycznie wszystkie takie przypadki dotyczą nadużywania suplementów.

Jeśli zatem selen ma takie dobroczynne właściwości, to co robi w tej historii?
Wieki temu przemądrzały lekarz Paracelsus stwierdził paradoksalnie "Wszystko jest trucizną i nie jest nią". Każda substancja wpływa jakoś na organizm, a to czy wpływ będzie szkodliwy, leczniczy czy obojętny zależy tylko od dawki (i sposobu podania). Woda jest nam niezbędna do życia, ale wypicie na raz zbyt dużej ilości zaburza równowagę elektrolitów, w rzadkich przypadkach wywołując śmiertelnie groźne zatrucie wodne. A zdecydowanie mniejsza ilość dostawszy się do płuc może spowodować zachłyśnięcie.
To na ile bezpieczna jest dana substancja określają dwa czynniki - dawka śmiertelna a dla substancji leczniczych rozpiętość między dawką leczniczą a toksyczną. Taki na przykład siarczan miedzi zasadniczo uważany jest za lekko trujący, choć dawka śmiertelna dla niego to kilkanaście gramów - więcej niż dla niektórych leków. Dla ibuprofenu dawka terapeutyczna to ok. 10mg/kg ciała, zaś toksyczna, przy której już pojawiają się negatywne objawy, to ok. 180mg.kg[7] - zakres bezpieczeństwa jest więc szeroki bo lek staje się trujący w ilości 18 razy większej niż normalna.
Jak rzecz wygląda dla selenu? Zalecana dawka dzienna to 55-70 µg (0,000055-0,00007 g)  zaś toksyczna to 400 µg/dzień - tylko 8 razy więcej. W dodatku pamiętajmy że mówimy o dawkach rzędu milionowych części grama, przy takich odrobinach nie trudno o przekroczenie dawki. Łatwiej nieświadomie zażyć za dużo selenu niż połknąć 8 tabletek. Wprawdzie selen jest koniecznie potrzebny do produkcji enzymów, ale tylko do nich, a organizm nie będzie ich produkował dopóki mu starczy materiału, a tylko tyle ile mu trzeba. Nieprzereagowany selen rozprasza się po organizmie, próbując wbudować się gdzieś zamiast siarki. Zastępuje ją w kreatynie, budującej włosy i paznokcie, jednak czyni to nieudanie - takie zselenowane białko ma niewłaściwą budowę, stąd zmiana struktury włosów i szare pasma na paznokciach; działanie toksyczne na komórki macierzy paznokciowej wywołuje ich zniekształcenia a nawet wypadanie.

Pasma Meesa przy selenozie

Powróćmy tu to Ameryki - gdy zorientowano się że źródłem zatrucia jest suplement, starano się dotrzeć do wszystkich, którzy go kupili. Na podstawie danych ze sklepów odnaleziono 226 osób w dziewięciu stanach, które kupiły feralną partię. Objawy zatrucia stwierdzono u 201 osób. Dzięki ankietom i kwestionariuszom ustalono przebieg i objawy zatrucia, uzyskując całkiem sporą ich rozpiętość. I tak u większości pojawiały się biegunki, ogólne zmęczenie, wypadanie włosów (po ok 70%) bóle stawów, zniekształcenia i przebarwienia paznokci (50-60%) bóle głowy, cuchnący oddech i zmiany skórne; co czwarty stwierdził gorączkę. U wielu z nich objawy utrzymywały się jeszcze w trzy miesiące po zatruciu. Późno ujawniły się takie objawy, jak pogorszenie pamięci, zmiany nastroju i osłabienie mięśni.
Spośród tych którzy tracili włosy u kilkunastu dotyczyło to całkowitego wyłysienia głowy a u jednej osoby  utraty wszystkich włosów na ciele. U doświadczających zniekształceń paznokci co trzeci utracił część paznokci. Był to największy w USA przypadek zatrucia suplementem diety od czasu afery z trującym tryptofanem.
Innym obszernym przypadkiem zatruć selenem są endemiczne selenozy w środkowych Chinach. To geologiczny paradoks, że w jednej części kraju ludzie chorują od niedoboru a w innej od nadmiaru tego pierwiastka w glebie. W pięciu wsiach w okolicach Enshi, w prowincji Hubei, na początku lat 60. niemal dwustu mieszkańców doznało biegunek, wypadania włosów i paznokci, choroby układu nerwowego, choroby skóry i zębów. Jedna osoba zmarła. Źródłem była gleba powstała na płytkich złożach węgla, zawierających rekordową ilość 0,08% selenu. Długotrwała susza zniszczyła uprawy ryżu, więc mieszkańcy przerzucili się na kukurydzę i warzywa strączkowe, gromadzące selen w dużych ilościach[8]

Problemy z selenem pojawiają się też na dużych obszarach zachodnich Stanów Zjednoczonych - przewlekła selenoza u zwierząt hodowlanych powoduje tam wypadanie sierści, zniekształcenia i rozszczep kopyt, zwiększa ilość deformacji płodów. Po przedostaniu się do wód staje się toksyczny dla ryb - notowano takie drastyczne deformacje jak dwugłowe pstrągi. U ptaków wywołuje deformacje dziobów i wypadanie piór.

Tak na prawdę bardzo trudno jest doznać zatrucia ze źródeł naturalnych, nawet zajadając się orzechami brazylijskimi, dlatego też praktycznie wszystkie znane przypadki są związane ze stosowaniem suplementów. Jednym z nielicznych łatwo dostępnych produktów, zawierających dużo tego pierwiastka, jest preparat do zimnej oksydacji stali, zawierający mieszankę soli miedzi i selenianu sodu. Po wtarciu mieszanki w oczyszczoną powierzchnię stalową, tworzy się na niej ciemna powłoczka tlenków i selenków miedzi o lekko niebieskawym kolorze. Tego typu preparaty są używane do konserwowania broni, dlatego w takich krajach jak USA są łatwo dostępne. Nic też więc dziwnego, że tam właśnie notuje się dużo zatruć.
Znalazłem co najmniej dwadzieścia przypadków zgonu w wyniku przypadkowego lub samobójczego wypicia takich preparatów. Ilości które wywołały zatrucie wahały się od 11 ml (u dwuletniego chłopca) do 90 ml, przyczynami zgonu były najczęściej rozległe krwotoki wewnętrzne, martwica wątroby, obrzęk płuc lub zawał jelita.[9] Dawka śmiertelna dla selenianu sodu to zaledwie 5 -7 mg/kg masy ciała - dwa razy mniej niż dla cyjanku.

Wobec tego wydaje się dziwne, że natknąłem się na informację o tylko jednej przypuszczalnej próbie zabójstwa selenem. W 1989 roku pewien 49-latek trafił do szpitala z wodnistą biegunką i wymiotami, które jednak minęły po kilku dniach. Tydzień później objawy powróciły z jeszcze większym natężeniem, dodatkowo zaczęły mu wypadać włosy, stracił na wadze i doznawał skurczów mięśni. Paznokcie zabarwiły się na fioletowo-czerwono. Pojawiła się lekka żółtaczka i zapalenie jelit. Choroba minęła po dwóch tygodniach ale powróciła po trzech dniach spędzonych w domu. Badania toksykologiczne wykluczyły tal i arsen, dające podobne objawy. Lekarza zajmującego się nim zastanowił jednak wyraźny, czosnkowy zapach z ust, nie pasujący do metali ciężkich, co naprowadziło go na myśl, o zatruciu selenem.
 Faktycznie, stężenie w próbkach moczu i krwi przekroczyło wszystkie normy. Po trzech miesiącach objawy cofnęły się, zaś na badaniach kontrolnych pacjent ujawnił, że niedawno rozstał się z dziewczyną. Odeszła od niego zabierając znaczną sumę z jego konta. Wcześniej gotowała mu, zaś ostre objawy pojawiały się po zjedzeniu posiłków. Po jej odejściu choroba nie powróciła - śledztwo wykazało, że w tym okresie kupiła dosyć dużo preparatu do konserwowania broni, zawierającego kwas selenowy. Z braku zachowanych próbek jedzenia nie dało się jej niczego udowodnić.[10] Natknąłem się jeszcze na przypadek Richarda Overtona, który próbował otruć swoją pierwszą żonę, oraz otruł drugą przy pomocy selenku i cyjanku, ale nie wiem która z tych trucizn spowodowała śmierć.

Dosyć ciekawą kwestią są interakcje między selenem a metalami ciężkimi - zarówno on jak i arsen, rtęć czy kadm, gromadzą się w tych samych organach i najwyraźniej często łączą się w nietoksyczne selenki, co w pewnym stopniu sprzyja detoksykacji. Działa to też w drugą stronę - odtrutką na ostre zatrucie Se jest arszenik (i odwrotnie, ale ilość selenu potrzebna do detoksykacji arsenu byłaby na tyle duża, że pacjent zatrułby się nim właśnie).[11] Z tego powodu niektórzy próbują zażywać ten pierwiastek przy zatruciach rtęcią, zarówno faktycznych jak i domniemywanych. Szczególnie zajmujący się medycyną alternatywną polecają takie preparaty osobom z amalgamatowymi plombami, co niestety doprowadziło już do kilku zatruć. Niedawno 54-latka z Hamburga za radą dentystki wymieniła wszystkie plomby, poddała się akupunkturze a gdy bóle szczęki nie ustępowały, otrzymała receptę na suplement. Po zażyciu połowy przepisanej ilości trafiła do szpitala z martwicą wątroby. W podobnym przypadku z 2001 roku, wlew z 100 mg selenianu sodu mający na celu usunąć rtęć z amalgamatów, zabił pacjenta w ciągu kilku godzin. [12]

Podsumowanie

Dla tych, którym nie chciało się czytać. 

Selen jest niezbędnym mikroelementem, potrzebnym naszemu organizmowi do produkcji enzymów usuwających wolne rodniki. Jego niedobór zwiększa zachorowalność na raka i inne choroby. Niestety nadmiar jest trujący, a przekroczyć dawkę toksyczną jest bardzo łatwo. Ponieważ trudno jest to zrobić poprzez jedzenie które go zawiera, praktycznie wszystkie znane przypadki dotyczą stosowania suplementów, czy to w nadmiarze czy też omyłkowo zbyt silnych.
Jest to dosyć charakterystyczny przypadek - zbyt mała ilość w diecie sprzyja chorobom, za zbyt duża je wywołuje. Podobnie bywa z witaminami. Dlatego najlepiej trzymać się złotego środka.
-----
źródła:

*  MacFarquhar, J. (2010). Acute Selenium Toxicity Associated With a Dietary SupplementAcute Selenium Toxicity With a Dietary Supplement Archives of Internal Medicine, 170 (3) DOI: 10.1001/archinternmed.2009.495
 
 http://en.wikipedia.org/wiki/Selenium
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selen
 http://sv.wikipedia.org/wiki/Selen
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selenose
 http://en.wikipedia.org/wiki/Selenium_deficiency
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selenmangel

[1] Toulis KA, Anastasilakis AD, Tzellos TG, Goulis DG, & Kouvelas D (2010). Selenium supplementation in the treatment of Hashimoto's thyroiditis: a systematic review and a meta-analysis. Thyroid : official journal of the American Thyroid Association, 20 (10), 1163-73 PMID: 20883174
 
[2] Hurst, R., Hooper, L., Norat, T., Lau, R., Aune, D., Greenwood, D., Vieira, R., Collings, R., Harvey, L., Sterne, J., Beynon, R., Savovic, J., & Fairweather-Tait, S. (2012). Selenium and prostate cancer: systematic review and meta-analysis American Journal of Clinical Nutrition, 96 (1), 111-122 DOI: 10.3945/ajcn.111.033373 [3] Zhuo H , Smith AH , Steinmaus C . Selenium and lung cancer: a quantitative analysis of heterogeneity in the current epidemiological literature.  Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2004 May;13(5):771-8
[4] Lawson, K., Wright, M., Subar, A., Mouw, T., Hollenbeck, A., Schatzkin, A., & Leitzmann, M. (2007). Multivitamin Use and Risk of Prostate Cancer in the National Institutes of Health-AARP Diet and Health Study JNCI Journal of the National Cancer Institute, 99 (10), 754-764 DOI: 10.1093/jnci/djk177
[5] Garland M, Morris JS, Stampfer MJ, Colditz GA, Spate VL, Baskett CK, Rosner B, Speizer FE, Willett WC, & Hunter DJ (1995). Prospective study of toenail selenium levels and cancer among women. Journal of the National Cancer Institute, 87 (7), 497-505 PMID: 7707436
[6] Yoshizawa, K., Willett, W., Morris, S., Stampfer, M., Spiegelman, D., Rimm, E., & Giovannucci, E. (1999). Study of Prediagnostic Selenium Level in Toenails and the Risk of Advanced Prostate Cancer The Journal of Urology, 161 (4) DOI: 10.1016/S0022-5347(01)61692-6
[7]  http://www.swiat-zdrowia.pl/artykul/lekarstwa-przeciwgoraczkowe-paracetamol-ibuprofen-infekcje
[8] Yang GQ, Wang SZ, Zhou RH, & Sun SZ (1983). Endemic selenium intoxication of humans in China. The American journal of clinical nutrition, 37 (5), 872-81 PMID: 6846228
[9]  Kern L. Nuttall, Evaluating Selenium Poisoning Ann Clin Lab Sci Autumn 2006 vol. 36 no. 4 409-420

[10] Ruta, D., & Haider, S. (1989). Attempted murder by selenium poisoning. BMJ, 299 (6694), 316-317 DOI: 10.1136/bmj.299.6694.316
[11] Levander, O. (1977). Metabolic Interrelationships between Arsenic and Selenium Environmental Health Perspectives, 19 DOI: 10.2307/3428469  
[12]  http://www.news.at/articles/0227/10/37705/steirerin-selenspritze-haftstrafe-arzt

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3225252/

Kiedyś w laboratorium (20.)

W zeszłym roku na zajęciach z chromatografii zajęliśmy się między innymi analizą cukrów. Na płytki nanosiliśmy po kropli cukrów: rybozy, mannozy, laktozy, glukozy i kroplę analizowanej mieszaniny X. Niektóre płytki były wcześniej modyfikowane przez nasycenie kwasami organicznymi. O ile dobrze pamiętam użytym roztworem rozdzielającym była mieszanina octanu etylu i izopropanolu z wodą. Następnie płytki wysuszyliśmy i spryskaliśmy wywoływaczem - kwaśnym acetonowym roztworem difenyloaminy. I wtedy okazało się, że ćwiczenie nie wyszło - plamki ledwie drgnęły. Jako tako wyszła tylko jedna płytka rozdzielana w jednym układzie, została jednak źle spryskana i po wywołaniu zamiast plamek ujrzeliśmy marmurkowaty deseń:

Bywa i tak.