Połączone acz nie powiązane

Chemia organiczna jest dziedziną tak obszerną, że można z niej czerpać niemal w nieskończoność.
Toteż i czerpię.

Z pewnością ze szkoły przypominacie sobie że atomy w cząsteczkach mogą być powiązane na trzy podstawowe sposoby - wiązaniami kowalencyjnymi, jonowymi i koordynacyjnymi. Zapewne mówiono tam także o wiązaniach wodorowych, zazwyczaj słabych i pomiędzy różnymi cząsteczkami, choć niekiedy na tyle silnych aby można było uznać powiązane cząsteczki za jeden związek. Oprócz tego istnieje kilka typów słabych wiązań, znanych tylko specjalistom, jak wiązania międzyhalogenowe, oddziaływania Pi-kation i tym podobne.
Jest jednak pewien typ szczególny - związek dwóch cząsteczek, nie związanych żadnym wiązaniem, a mimo to połączonych nierozerwalnie.

Łańcuch
Katenany to związki złożone z pierścieni makrocyklicznych, splecionych ze sobą niczym ogniwa łańcucha. Bez rozrywania prawdziwych wiązań któregoś z pierścieni nie da się oddzielić jednego od drugiego. Najprostsza forma to dwa pierścienie:

[1]

Istnieją oczywiście inne formy, na przykład cząsteczki z wielu połączonych liniowo pierścieni, czyli polikatenany, mające postać łańcucha.
Inny typ nieoficjalnie nazywany pretzelanami, to cząsteczka w której dwa pierścienie połączone są zarówno normalnie jak i przez przeplot:

[2]

Kolejny typ to katenany "kajdankowe" w którym pierścień jednej części jest połączony z dwoma pierścieniami drugiej:

[3]

Pierwsze syntezy takich układów opierały się na przeprowadzaniu reakcji zamknięcia pierścienia w mieszaninie cząsteczek pierścieniowych i liniowych. Z czystej statystyki wynikało, że raz na jakiś czas podłużna cząsteczka wchodzi w otwór pierścienia, i wobec tego czasem może dojść do zamknięcia jej w pierścień w takim położeniu. Wydajność reakcji była tak niska (rzędu 0,0001%) że aby wydzielić rozsądną ilość produktu, przeprowadzono ją w zbiorniku wielkości wanny. Poza potwierdzeniem, że takie związki mogą istnieć, nie pozwalało to na dalsze badania.
Bardziej pomocne okazały się reakcje, w których reagujące cząsteczki były ustawione przed zamknięciem pierścienia przez utworzenie kompleksu, przykładem taka reakcja w której dwie cząsteczki pochodnej fenantroliny z grupami fenolowymi złożono w kompleks z solami miedzi. Geometria kompleksu wymagała aby cząsteczki ustawiły się pod kątem, częściowo zazębiając boczne grupy. W takim ustawieniu można było zamienić je w pierścieniowe etery:

Zmiana warunków usuwająca wiążący atom metalu powodowała oddzielenie splecionych ogniw. W niektórych przypadkach wykorzystanie takich oddziaływań ustawiających cząsteczki przez spierścienieniem pozwala osiągnąć wydajność do 90%

Pierścienie mogą obracać się względem siebie, zwykle w niskich temperaturach ruch jest zablokowany, lecz zmiana warunków uruchamia ruch. Niejednokrotnie geometria powoduje że jeden pierścień obraca się wobec drugiego tylko w jedną stronę. Stąd pomysły zastosowania w maszynach molekularnych.

Turbinka
Drugi typ mechanicznych powiązań, to rotaksany, przywodzące na myśl oś koła przewleczoną przez piastę. Ich cząsteczki składają się z pierścienia nawleczonego na cząstkę podłużną, zawierającą na końcach grupy tak duże, iż pierścień nie może się przez nie przesunąć. I znów bez rozrywania pierścienia lub odrywania końcowych grup nie da się składowych jednostek oderwać od siebie.

Jeśli chodzi o syntezę, to jest tutaj kilka podejść - jedna wersja to nanizanie dziąki oddziaływaniom pierścienia na niedomkniętą oś, po czym zablokowanie drugiego końca. Inna metoda to przewleczenie przez pierścień swobodnej osi i dosztukowanie dużych grup na końcówkach. Kolejna to wykorzystanie zmian wielkości pierścienia w różnych warunkach - miesza się ze sobą podobną do hantli oś i pierścienie, po czym na przykład ogrzewa, pierścień przybiera konformację w której może wsunąć się na oś; po ochłodzeniu kurczy się i już nie może się uwolnić. Można też zamykać pierścień na osi, przytrzymując go za pomocą oddziaływań. Ostatni typ to sprzęganie połówek osi w kompleksie z pierścieniem:

Często oś główna zawiera ugrupowania oddziałujące z pierścieniem w sposób zależny od warunków, przez co przy ich zmianie przesuwa się z jednego położenia w drugie.

 Stąd bardzo obiecujące zastosowanie rotaksanów jako nanoczujników. Inny pomysł to ochrona wrażliwych barwników - w wielu z nich blaknięcie jest wywoływane przez atak utleniaczy na reaktywne ugrupowanie chromofora. Nanizany pierścień przesłania tą część zwiększając trwałość koloru.

Węzeł pierścieni
Kolejny interesujący typ to połączenie przynajmniej trzech pierścieni, spełniających zasady węzła Boromeuszy. Taki układ polega na tym, że z trzech pierścieni dwa nie są ze sobą splecione ani połączone, ponieważ jednak splatają się z trzecim, bez rozrywania go nie mogą być oderwane. Otrzymano kilka takich przykładów, tworząc pierścienie z cząsteczek liniowych ułożonych w przestrzeni za pomocą kompleksowania sześciu atomów metalu:

Pierścienie można połączyć na kilka różnych sposobów, czasem łącząc katenany i węzły, tu znalazłem jeszcze dwa ciekawe:

[4]

Nazwa bierze się od elementu na herbie rodu Boromeuszy, przedstawiającego trzy splecione w taki sposób pierścienia, zapewne naramienniki. Podobny kształt znany jest z rzeźbień i sztuki przedchrześcijańskiej Skandynawii, przedstawiając trzy splecione trójkąty. Uznając ich związek z rytuałami pogrzebowymi współcześni badacze nazwali go vallknuta to jest węzeł umarłych, zaś niekiedy neopoganie uznają go za symbol wiary, choć właściwie nie bardzo wiadomo co znaczył.

Czy da się stworzyć coś jeszcze? Z pewnością tak, zresztą wyobraźnia przestrzenna chemików potrafi wyprodukować na prawdę dziwaczne pomysły, które nieraz z samej tylko ciekawości są realizowane. Ja na przykład wymyśliłem sobie połączenie "pułapka na małpy" - jedna część w kształcie czaszy z otworem, wewnątrz cząsteczka podłużna, wystająca poza otwór, wewnątrz posiadająca zgrubienie większe niż otwór czaszy. Nazwa bierze się z indyjskich pułapek na małpy robionych ze skorup lub glinianych garnków, w których kładziono smakowity orzech. Małpa wsuwała łapę w wąski otwór, zaciskała pięść na orzechu i nie mogła jej ze środka wyjąć nie wyrzucając orzeszka. Jak donosili podróżnicy małpa mocowała się tak długo aż jej nie pochwycono.
Może kiedyś coś takiego zsyntetyzuję?
-----------
*http://www.org-chem.org/yuuki/catenane/catenane_en.html

[1] Patent  Anticancer agent EP 1724265 A1
[2]  Yi Liu , Scott A. Vignon , Xiyun Zhang , K. N. Houk and J. Fraser Stoddart, Conformational diastereoisomerism in a chiral pretzelane, DOI: 10.1039/B507679J (Communication) Chem. Commun., 2005, 3927-3929
[3]  http://www.xtl.ox.ac.uk/diamond-annual-review.html
[4]  David B. Amabilino and Lluïsa Pérez-García, Topology in molecules inspired, seen and represented, DOI: 10.1039/B806114A (Tutorial Review) Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1562-1571

Chemik robi galaretki, czyli historia pewnego pomysłu

Pewnego razu wracając z zajęć do akademika zauważyłem w holu kolorowy plakat. Konkurs - brzmiał duży napis. Napój Nowej Generacji - dopisano poniżej. Oczywiście się zainteresowałem.

Konkurs organizowany przez uniwersytet i firmę spożywczą z Siedlec był skierowany do studentów, i kusił całkiem niezłą nagrodą pieniężną, zaś przedmiotem było wymyślenie i zaprezentowanie dodatku do napoju. To mogło by być coś w sam raz dla chemika - uznałem. I zapomniałem o sprawie. Dopiero gdy zostało kilka dni do końca terminu zgłaszania ruszyło mnie, że coś trzeba by spróbować, bo głupio by było nie wystartować.
Regulamin nie określał szczegółowo co ma być tematem konkursu - musiał być to dodatek do napojów, w formie pływających stałych cząstek lub dodatku smakowego. Tylko co też takiego wymyślić, aby było to zarazem oryginalne i łatwe do zrobienia? Pomysłów miałem od groma, jednak jednym z etapów konkursu była prezentacja wykonanego dodatku, więc takie pomysły jak błonnikowe kwiaty rozchylające płatki po położeniu na powierzchni napoju czy musujące kulki nadmuchiwane pianą po zamoknięciu, musiały pójść w odstawkę - w kuchni bym tego nie zrobił.

Plakat konkursowy nasuwał na myśl jakieś kulki, może żelowe. Faktycznie, kuchnia molekularna opierająca się na kulinarnych zastosowaniach zdobyczy nauki potrafi łatwo produkować żelowe kulki nazywane sztucznym kawiorem, z płynnym nadzieniem i twardą powłoczką. Tyle, że jeśli jest to tak znana sprawa, to wielu może wpaść na coś takiego, a przecież pomysły nie powinny się powtarzać - myślałem. Jak nie kulki to co? Po odrzuceniu kostek i trójkątów zdecydowałem się na gwiazdki.
Ale jakie? Powinny mieć ciekawy smak i coś charakterystycznego. Z ćwiczeń z rozpoznawaniem tworzyw sztucznych przez różną pływalność pamiętałem, że gdy gęstość stałego materiału jest podobna do gęstości cieczy, to unosi się on swobodnie wewnątrz cieczy. Zarazem jednak płaskie płatki materiału mają skłonność do układania się poziomo, jak opadający liść. Gdyby zatem - pomyślałem - ustawić je pionowo i równocześnie zawiesić swobodnie, to patrzący z boku na szklankę napoju widziałby dobrze kształt gwiazdki. A to już by było coś.

Jako materiał wybrałem sobie agar, głownie dlatego, że galaretka żelatynowa miewa niekiedy pewien posmak który nie każdemu pasuje, a także dlatego, że agar bardzo szybko zastyga i ma dobrą wydajność (łyżeczka na litr wody). Potem na pierwszym etapie tłumaczyłem też komisji, że taka galaretka byłaby wegetariańska na co coraz więcej osób zwraca uwagę. Tak więc gwiazdki z agaru, ale o jakim smaku? Postanowiłem spróbować czegoś nietypowego - smaku ostrego, konkretnie zaś imbiru. Smak kojarzył się z kolorem czerwonym, stąd projekt czerwonych-ostrych gwiazdek.  Na podobnej zasadzie powstały inne typy: zielony-kwaśny i żółty-ananasowy. A jak z tym ustawieniem w zawieszeniu? Najprościej byłoby sprawić, że kształt będzie miał nie równo rozłożony ciężar. Postanowiłem zalewać żel tak, by z jednej strony płat był cieńszy, dzięki temu powinny się ustawiać cięższą połową w dół.

Ale miałem wrażenie, że to może być za mało. Trzeba było dodać do tego coś jeszcze, takiego fajnego, molekularnego a najlepiej chemicznego, żeby się coś działo w tej szklance. Może barwnik który nabiera koloru podczas wytrząsania w shakerze? Albo coś z zapachem? Albo może jeszcze... Pomysł który przyszedł mi do głowy na sam koniec był na tyle ciekawy, że postanowiłem zgłosić go osobno. Były to płatki galaretki, które po wrzuceniu do napoju zmieniają kolor na całkiem inny.
Wiele jest łatwo dostępnych i jadalnych substancji o właściwościach wskaźnika kwasowo-zasadowego. Większość napojów i soków owocowych ma odczyn kwaśny. Postanowiłem zatem przygotować twardą galaretkę zabarwioną takim wskaźnikiem z niewielkim dodatkiem alkalizującej sody oczyszczonej. Po wrzuceniu do napoju żel zakwaszałby się, zmieniając kolor.
Jest kilka takich kuchennych wskaźników. Najlepszym jest wywar z czerwonej kapusty, który zależnie od kwasowości przybiera kolor zielony w mocniejszych, niebieski w słabszych zasadach, w roztworach obojętnych lub lekko kwaśnych fioletowy a w kwaśnych różowy i czerwony. Płat galaretki barwionej kapustą przybierałby więc różne kolory zależnie od rodzaju napoju, stąd też jeden typ dodatku zachowując się różnie dawałby szeroki wachlarz efektów. Sami zresztą zobaczcie:

 

Płatki niebieskie to kolor surowego żelu o alkalicznym odczynie, różowe wyciągnąłem z soku pomarańczowego parę minut po dodaniu. Różnica koloru jest bardzo wyraźna.
Inny typ byłby zabarwiany wywarem z czarnych jagód, tutaj próbka:

Zielone płatki przed wrzuceniem, różowe po wyciągnięciu z napoju. Jeszcze inny typ byłby zabarwiany hibiskusem, który zmienia kolor w taki sam sposób.

Tak więc pomysł miałem a pierwsze próby pokazały, że się sprawdza. Teraz należało wysłać zgłoszenie. Zrobiłem to w ostatnim dniu terminu, tuż przed zamknięciem poczty i z zaaferowania wpisałem błędny adres. Tak to niestety ze mną jest że wiele robię na ostatnią chwilę, nie mogąc przedtem się zmobilizować. List jakoś jednak doszedł na miejsce i na tydzień przed pierwszym etapem, w połowie stycznia, dostałem zawiadomienie gdzie to i o której mam się prezentować. Przygotowałem prezentacje multimedialne, po czym zakasałem rękawy i zabrałem się do wyrobu. Najpierw sporządziłem wywar ze świeżego imbiru, a gdy był dostatecznie szczypiący, dodałem torebkę herbaty hibiskusowej. Gdy się naciągnęła dosypałem agaru.
Agar kupiłem w sklepie ze zdrową żywnością. Miał postać kremowego proszku bez smaku, nie rozpuszczalnego w zimnej wodzie i powoli w gorącej.
Następnie wylałem roztwór na plastikowy talerzyk, lekko go przechylając. Żel zastygł w krótkim czasie, praktycznie zaraz po ochłodzeniu, dzięki czemu w jeden wieczór wykonałem kilka prób z różnym składem.

W zasadzie największy problem sprawiło mi wycięcie gwiazdki, nie mam bowiem zbyt dużych zdolności manualnych, jakoś sobie jednak poradziłem.
W podobny sposób zrobiłem żel zabarwiany kapustą, tylko bez imbiru. Ciekawe zresztą jak czuły okazał się wskaźnik - barwa zmieniała się po dodaniu cukru, zawierającego alkaliczne domieszki, jak i po dodaniu agaru, będącego substancją lekko kwaśną (agar zawiera 0,3% grup sulfonowych i stanowi naturalny kationit). Małe próbki zapakowałem w pojemniki aby pokazać na pierwszym etapie.
Jak to wyglądało? Całkiem spokojnie, wręcz kameralnie. Uczestnicy, których było około dziesięciu, po kolei prezentowali się przed komisją w pustej sali. Następnie powiedziano nam że w razie czego dostaniemy informację i tyle. W sumie podszedłem do tego na luzie. Więc czekałem.

Informacja o drugim, finałowym etapie, pojawiła pod koniec lutego. Termin wyznaczono na 11 marca, do finału zakwalifikowało się pięć osób, w tym ja. Fajnie. Przygotowywałem się przez ten czas, a w przeddzień, oczywiście bardzo późną nocą więc na ostatnią chwilę, przygotowałem jeszcze raz gwiazdki i zmiennobarwne płatki.

Z gwiazdkami był zresztą problem. Gdy w kuchni dobierałem dla nich gęstość, miałem na podorędziu jeden sok, nieco mętny, przez co efekt był słabo widoczny:

Więc idąc na konkurs kupiłem drugi sok, przezroczysty. Był też jednak gęstszy i gwiazdki w nim pływały po wierzchu. Musiałem rozcieńczyć. Od przygotowania stanowiska do właściwej prezentacji pomysłu minęła prawie godzina, przez ten czas gwiazdki straciły część barwnika, zarazem wchłaniając z napoju więcej cukru i teraz dla odmiany opadły na dno. Musiałem więc odlewać i dolewać żeby złapać gęstość dzięki której unosiły się swobodnie pośrodku szklanki

Jak wyglądały prezentacje innych? Pozostali uczestnicy właściwie skupili się na wymyśleniu nowego napoju a nie dodatku. Martyna Chromińska studiująca dietetykę zaproponowała ciekawy sok warzywny, zawierający głownie buraka ćwikłowego i słodzony wyciągiem ze Stewii, który jest znacznie bardziej słodszy od cukru, nie dorzucając jednak kalorii. Takie połączenie było więc zarówno smacznie dzięki słodyczy zabijającej ziemiste posmaki warzyw, ale zarazem bez cukru, stanowiąc bardzo dobry pomysł.
Bardzo dobra była też propozycja Joanny Szczepańskiej z pedagogiki, aby stworzyć koktajl warzywno-owocowy, zawierający brokuły, ale też jabłko, marchewkę, szpinak i sok pomarańczowy, dając tym samym nietypowe połączenie. Na tym etapie konkursu należało zareklamować produkt przed publicznością, nijako sprzedać swój pomysł, kiedy więc na swej prezentacji opisała jak to podczas praktyk w przedszkolu wpadła na pomysł aby dzieci zjadały więcej warzyw, gdy opisała jak to mali wychowankowie po kilku łyczkach zielonego napoju prosili o więcej i gdy wreszcie próbowała włączyć filmik pokazujący z jaką radością i ochotą dzieci wypijają unikalną mieszankę ze zmiksowanymi brokułami - szczerze mówiąc aż skręcało mnie w środku bo prezentowało się to bardzo dobrze i obawiałem się, czy aby ta propozycja nie będzie tą najlepszą.
Kolejny był pomysł matematyczki Barbry Rozwadowskiej, polegający na nalewaniu syropu miętowego na dno szklanki ze Sprite i dodawaniu kolorowej posypki. Cząstki posypki opadały aż do granicy faz, pojawiały się na nich pęcherzyki gazu, które podnosiły je do góry. W ten sposób w szklance następowała ciągła cyrkulacja kolorowych cząstek. Piąta uczestniczka z trzema propozycjami nie przyszła, nie wiem nawet jakie były jej pomysły.

Po prezentacji obejrzeliśmy krótki dokument na temat sponsorującej konkurs firmy spożywczej, potem wysłuchaliśmy krótkiego wykładu pani profesor Chruściel o nanocząstkach w żywności, az przyszło do ogłoszenia wyników.

Piąte miejsce zajął pomysł napoju ze stewią, dla pocieszenia uczestniczka dostała nagrodę publiczności. Czwarte miejsce dostał napój z kolorowa posypką. Trzecie miejsce... Nie chcę wyjść na samochwała, ale trzecie miejsce otrzymałem ja, za pomysł zmiennobarwnych płatków.
Drugie miejsce zdobył tak zachwalany pomysł napoju brokułowego, tymczasem jeśli chodzi o pierwsze, to tu się zdziwiłem - pięć miejsc i tylko czterech uczestników? Czyżby zatem... I choć wydawało się to niemożliwe, pierwsze miejsce zająłem ja. Czego jak czego ale dwóch nagród się nie spodziewałem.
W sumie trochę zaskakujące że najbardziej spodobały się gwiazdki a mniej zmiennobarwne kwadraciki, gdy tymczasem to z tymi drugimi wiązałem większe nadzieje.

I co dalej? Cóż, ja odbiorę nagrodę zaś prawa do produkcji przejmie firma i być może wdroży, kto wie zatem czy za jakiś czas nie zobaczycie w sklepach czegoś co zaprojektowałem.Dwa lata temu w konkursie wygrała propozycja jogurtu z suszonymi pomidorami i podobno niedługo ma być wypuszczony na rynek.

Kiedyś w laboratorium (38.)

Kiedyś po odparowaniu roztworu na wyparce, stwierdziłem że odbieralnik jest już prawie pełen, i należy zlać powstałą tam mieszankę różnych rozpuszczalników. Gdy zamieszałem odbieralnikiem, stwierdziłem że wśród wykroplonych tam rozpuszczalników znalazł się też jakiś niemieszalny z całą resztą ale o podobnej gęstości. Swobodnie unosząc się utworzył obły kształt załamujący światło:

Był to chyba dioksan, którego używany przy reakcjach Buchwalda-Hartwiga.
Obecnie bardziej pilnujemy tego aby zbierać z wyparki czyste mieszanki.

Ciekawe czy dałoby się w taki sposób otrzymać idealną kulę?

Superglue + wata = ?

O superkleju już tu kiedyś pisałem w artykule na temat ujawniania odbitek linii papilarnych, teraz na krótko powrócę do tej substancji aby opowiedzieć o nietypowej reakcji.

Z pewnością wielu bądź widziało bądź choćby słyszało o tym filmie:

Wata polana superklejem zapala się? Czy to możliwe?

Superkleje opierają swe działanie na samorzutnej polimeryzacji cyjanoakrylanu metylu bądź etylu.
Jest to ester o specyficznej budowie - przy węglu alfa (pierwszy przy grupie karboksylowej) znajduje się grupa nitrylowa i jest on połączony z następnym węglem wiązaniem podwójnym. Zarówno grupa karboksylowa jak i nitrylowa mają skłonność do wyciągania elektronów, toteż wiązanie podwójne zostaje bardzo w nie zubożone. Przekłada się to na zwiększenie kwasowości protonów przy końcowym węglu. W tym przypadku skłonność do oddawania tych protonów jest na tyle duża, iż wystarcza bardzo słaba zasada by je oderwać. Gdy to następuje, zapoczątkowana zostaje reakcja łańcuchowa:

Nukleofilowa zasada odrywa protony na końcu, wiązanie podwójne pęka a na zwornikowym węglu w cząsteczce pojawia się silny ładunek ujemny. Taka cząsteczka sama staje się zasadą i atakuje drugą cząsteczkę. Po utworzeniu wiązania w drugiej cząsteczce pęka wiązanie podwójne, powstaje ładunek ujemny i następuje atak na trzecią cząsteczkę... I tak dalej aż utworzy się nam stała masa splątanych długich łańcuchów.

Zasadą zapoczątkowującą reakcję jest zwykle woda ze śladów wilgoci, bądź substancje klejonych powierzchni. Co jednak zachodzi po nasączeniu klejem bawełny?
Bawełna to celuloza, będąca długimi łańcuchami połączonych cząsteczek glukozy, te zaś posiadają grupy hydroksylowe, w łańcuchu cztery wolne. Własności nukleofilowe tych grup w celulozie są wprawdzie słabe, ale wystarczą do inicjowania reakcji. Duża powierzchnia włókien w kłębku w połączeniu z dużą ilością kleju powoduje zapoczątkowanie polimeryzacji o razu dużej masy akrylanów. W miarę powstawania kolejnych łańcuchów reakcja przyspiesza. Ponieważ jest samorzutna, w jej przebiegu wydziela się energia toteż zaklejony kłębek rozgrzewa się.
Czy jednak aż tak bardzo by zapłonąć? Karty charakterystyki klejów zwykle ostrzegają przed egzotermiczną reakcją z bawełną, czasem wspominając o możliwości zapłonu. Nie tak dawno SciFun wykonał własne pomiary, i maksymalna temperatura w dobrze odizolowanym kłębku wyniosła 115 stopni C, w otwartym ponad 80 stopni. To jednak za mało aby doszło do samozapłonu celulozy, bo na to potrzeba 400 stopni, zatem jego zdaniem kłębek został przez autora podpalony.
Moim zdaniem mogło jednak zajść coś trochę innego - kłębek był przecież cały oblany klejem. Wprawdzie temperatura samozapłonu cyjanoakrylanu to prawie 480 stopni[1], ale już temperatura zapłonu opar kleju to 85 stopni. Jest to temperatura w której opary zmieszane z powietrzem zapalają się po zainicjowaniu. A ponieważ opary te w postaci białego dymu pojawiły się nieco wcześniej, przebieg był zapewne taki - kłębek rozgrzał się do takiej temperatury, że wydzielił intensywne opary, było to temperatura w której opary zapalały się w zetknięciu z ogniem. Wystarczyło zapalić zapałkę w pobliżu kłębka a zapalał się nawet bez przykładania ognia, po prostu od zapłonu unoszących się par. Zastanawia mnie czy w takich warunkach wystarczająca mogłaby być iska elektryczności statycznej.

Podobna egzotermiczna reakcja następuje też z wełną i materiałami skórzanymi. Szansę na samozapłon miałaby w sprzyjających warunkach nitroceluloza dla której graniczna temperatura to 160-170 C, a także tłusta surowa bawełna dla której podaje się wartość 120 stopni. Znalazłem też informacje, że silnie rozgrzać może się spoina gdy próbuje się skleić tym plexiglas, co nie jest chyba tak zaskakujące zażywszy że pleksi to polimer akrylowy i powinien zawierać jeszcze ślady polimeryzatorów. Nie wywołuje to zapalenia ale materiał może się nadtopić. Już większe niebezpieczeństwo sprawia schnący pokost - nie raz zdarzało się że szmaty zabrudzone pokostem lub farbami olejnymi zapalały się od szybkiej reakcji utlenienia.

Myślę że warto tu dodać jeszcze jeden ciekawy przykład. Majsterkowicze czasem używają superkleju do uzupełnienia ubytków w przedmiotach, Mieszają wówczas klej z proszkiem do pieczenia czyli wodorowęglanem sodu. Mieszanka rozgrzewa się i puchnie, szybko jednak twardniejąc w lekką ale mocną masę. Jak łatwo się domyśleć, soda jest dobrą zasadą odrywającą protony i wywołującą szybką reakcję polimeryzacji. Równocześnie następuje częściowy jej rozkład, głównie chyba z powodu połączenia z oderwanymi protonami, może też od ciepła. Ponieważ masa szybko twardnieje zamiast pianki tworzy się lekka masa zwierająca mieszankę kleju, stałej, nieprzereagowanej sody i drobnych bąbelków dwutlenku węgla, która dobrze wypełnia ubytek przylegając do porowatych powierzchni.

Zatem prawdopodobnie klej wylany na bawełniany materiał nie wywoła zapłonu, mimo wszystko jednak rozgrzeje się wystarczająco mocno aby poparzyć. Powstające wówczas białe opary są szkodliwe dla płuc.
------
* Opis chemii i nietypowych zastosowań kleju

[1] http://apps.echa.europa.eu/registered/data/dossiers/DISS-9e9bc392-29b8-523e-e044-00144f67d031/AGGR-5815fa25-4c2c-4942-a8ff-6477f4252fb0_DISS-9e9bc392-29b8-523e-e044-00144f67d031.html

Rodział jonów niklu i kobaltu - chromatografia jonowymienna

Przegrzebując fotograficzne archiwa dotarłem do pierwszego roku studiów, na którym mieliśmy zajęcia z chemii nieorganicznej, i tam znalazłem kilka zdjęć dokumentujących pewne stare ćwiczenie, które chyba warto tu omówić.

Kobalt i Nikiel są pierwiastkami należącymi do raczej dziś już historycznej triady żelazowców. Wszystkie trzy wraz z żelazem charakteryzują się bardzo podobnymi właściwościami chemicznymi, podobieństwo w okresie jest większe niż w grupie. To metale, ferromagnetyki, chętnie występujące na +2 i +3 stopniu utlenienia. Właściwości ich soli są na tyle podobne, że rozdział metodami fizycznymi i chemicznymi jest trudny - o ile można to jeszcze przeprowadzić dla żelaza, to już kobalt i nikiel reagują tak samo.

Na samym początku przygotowaliśmy roztwory chlorku kobaltu II i chlorku niklu II, o różnych kolorach:

i zmieszaliśmy je ze sobą. Otrzymana mieszanka miała kolor brunatny. I co też tu teraz zrobić? A no napełnić kolumnę kationitem.

Substancje jonowymienne to bądź minerały i materiały ceramiczne bądź tworzywa sztuczne zawierające przyłączone do powierzchni grupy kwasowe lub zasadowe. W pewnym stopniu można je uznać za nierozpuszczalne kwasy i zasady. Przykładem może być choćby żel krzemionkowy, zawierający na powierzchni reszty kwasu krzemowego, albo polimer styrenowy z resztami kwasu siarkowego. Te "stałe kwasy" w odróżnieniu od takich nierozpuszczalnych substancji jak wolne kwasy tłuszczone, mają jednak specyficzną właściwość - chętnie dysocjują, zwłaszcza gdy mogą wymienić jony wodoru na jakieś inne kationy. Taki kationit zachowuje się w roztworach soli jak kwas siarkowy w proszku - zakwasza roztwór i tworzy sole, przy czym są to oczywiście sole przytwierdzone o podłoża polimerowego. Kation przyłącza się do podłoża i uwalnia jon wodorowy, który sam uwalnia się trudno.
Jest to cenna właściwość i korzysta się z niej wówczas, gdy potrzebne jest zakwaszenie ale nie potrzebne wprowadzanie nowych jonów pochodzących od reszt rozpuszczalnego kwasu. Bywa używany w modyfikacji klasycznej reakcji estryfikacji kwasu z alkoholem. Najczęstsze zastosowanie, z jakim co niektórzy mogą się spotkać w życiu codziennym, to zmiękczanie wody - po dodaniu kationitu z przyłączonym sodem, jony wapniowe i magnezowe przyłączają się do niego.

Szczególnym przypadkiem jest otrzymywanie wody dejonizowanej - wówczas woda przepuszczana jest przez bęben z wypełnieniem kationitu, który wyłapuje kationy, a potem przez bęben wypełniony anionitem, który pochłania aniony. Uwolnione kationy wodorowe i aniony hydroksylowe zobojętniają się i powstaje nam czysta, pozbawiona soli woda, jest to szybsze i bardziej energooszczędne od wielokrotnej destylacji.

Zużyty jonit można zregenerować - ten kwasowy przemywając roztworem mocnego kwasu, ten sodowy przemywając stężonym roztworem soli (tak właśnie zmywarki do naczyń regenerują kationit zmiękczający i do tego potrzebna jest sól do zmywarek).

Jak jednak ma się to do rozdziału jonów?
Do podłoża przyłączać mogą się różne jony, przy czym siła tego wiązania zależy od właściwości jonu. Powinowactwo kationu metalu do grupy sulfonowej w dużym stopniu zależy od ładunku, toteż kationy dwudodatnie jak Ca²⁺ będą przyłączane chętniej niż jednododatnie jak Na⁺ . W przypadku jonów o tym samym ładunku znaczenie ma też siła tego ładunku zależna od liczby atomowej i wielkości jonu, co wpływa na zagęszczenie ładunku. Jon silniej wiążący się z podłożem, będzie  wypierał jon słabiej związany. Wypieranie następuje też gdy jon słabszy występuje w dużym stężeniu.

Jak to wszystko ma się do rozdziału pierwiastków?
Nasze pierwiastki, kobalt i nikiel, leżą obok siebie w układzie okresowym, ich atomy mają podobną wielkość, jednak między kationami występuje niewielka różnica - kation niklu jest większy. Wobec tego ładunek na zewnątrz kationu jest mniej zagęszczony a sam kation jest słabiej wiązany do kationitu. Różnica jest niewielka, ale wystarczająca. Gdy nałożymy mieszankę obu pierwiastków na kolumnę kwaśnego żelu i będziemy przemywali ją kwaśnym roztworem, wymywającym kationy przez wypieranie, słabiej związany nikiel będzie po pierwsze bardziej wymywany przez eluent a po drugie nieco bardziej wypierany przez silniej wiążący kobalt. Ta niewielka różnica doprowadzi do tego, że kation niklu oddzieli się od kobaltu i będzie szybciej przepływał przez wypełnienie. Dzięki temu dokona się rozdział.

Tak więc na początek napełniłem szklaną kolumnę sypkim wypełnieniem, i przepłukałem wodą destylowaną, następnie przepłukałem kolumnę zasadowym buforem cytrynianowym mającym za zadanie zdeprotonować powierzchnię i usunąć wszystkie kationy. Przemywałem kolumnę tak długo aż odczyn wycieku stał się obojętny. Teraz przepłukałem ją ponownie ale roztworem kwasu, był to chyba rozcieńczony kwas solny, aby sprotonowac wszystkie grupy. Całość należało teraz przemywać wodą tak długo, aż wyciek będzie obojętny. Żel podczas tych manipulacji to puchł to kurczył się. Taka kolumna była już gotowa do użytku:

Na szczyt kolumny nalałem mieszankę soli, które zostały silnie zaabsorbowane, tworząc brunatną warstewkę:

Pochłonięte kationy dosyć dobrze związały się z podłożem, dlatego kolumnę przemyłem jeszcze wodą, aby odmyć aniony, po czym zacząłem przepłukiwać ją kwaśnym roztworem. Kationy ruszyły w dół i zaczeły rozdzielać się na szybsze zielone i wolniejsze różowe pasmo.

 

Teraz należało obserwować kolor wycieku i podstawić w odpowiedniej chwili odbieralniki, najpierw na frakcję zieloną:

a potem na różową:

I tak dwa bardzo podobne pierwiastki zostały oddzielone.

W praktyce używa się tej techniki do rozdziału lantanowców - bardzo cennych pierwiastków mających zastosowanie w technice i elektronice (na przykład neodym), o praktycznie identycznych właściwościach fizycznych, występujących na raz w tym samym minerale. Można też w ten sposób rozdzielać związki organiczne, na przykład aminy w formie kationów amoniowych.

Pomiar skręcalności optycznej

Jednym z prostych pomiarów fizykochemicznych, które być może były omawiane w szkołach, jest pomiar skręcalności optycznej substancji. Podobny wykonuję też i ja na pracowni, ale sprzętem nieco dokładniejszym. Tylko po co to wszystko?

 U początków wielkiej naukowej debaty o prawdziwej naturze światła zwrócono uwagę na zjawisko polaryzacji. Przezroczyste kryształy szpatu islandzkiego podwajały obraz jaki przez nie obserwowano, a wpuszczony w nie promień światła rozdzielał się na dwa - normalny, biegnący zgodnie z wartością załamania, i nadzwyczajny o silniejszym załamaniu.

 Jeszcze zaś dziwaczniej zachowywały się dwa takie kryształy położone na sobie - w pewnej wzajemnej orientacji pozostawały przezroczyste, po obróceniu o 90 stopni wygaszały obraz. Zjawisko to nazwano polaryzacją i niespecjalnie się nim potem przejmowano, gdy tymczasem trwał spór między fizykami - czy światło to promień czy może wiązka przenikliwych cząstek? Istniało wiele zjawisk które udawało się łatwo wytłumaczyć modelem cząstkowym i on w zasadzie był powszechnie przyjmowany aż do 1801, gdy Thomas Young zaproponował doświadczenie z dwoma szczelinami.
Weźmy źródło światła i ujednolićmy je przepuszczając przez mały otwór. Teraz przepuśćmy nasze spójne światło przez dwa małe otworki, wielkości nakłuć końcem igły, położone blisko siebie. Zgodnie z teorią cząstkowa, powinniśmy zobaczyć dwie jasne plamki. Zamiast tego obserwowano jasną plamę pośrodku i rząd rozchodzących się po bokach mniejszych, kolorowych plamek oddzielonych plamami cienia. W sposób cząstkowy wyjaśnić się tego nie dało. Chyba że światło jest jednak falą:

Dwie szczeliny tworzą dwa źródła rozchodzących się fal, które nakładają się na siebie raz wzmacniając raz wygaszając. Young zainspirował się tu obserwacją fal na powierzchni wody, przy czym z występowania tego zjawiska wynikało, że jeśli już światło faluje, to poprzecznie do kierunku ruchu.

Późniejsza teoria powiązała światło z zaburzeniami w rozprzestrzeniającym się polu elektrycznym i magnetycznym. Pole magnetyczne które zmienia natężenie i kierunek powoduje wygenerowane pola elektrycznego, ale także o zmiennym kierunku. Zmienne pole elektryczne z kolei generuje zmienne pole magnetyczne. Te dwa wzajemnie się indukujące pola łączą się ze sobą tworząc promieniowanie elektro-magnetyczne. Wektor pola magnetycznego jest prostopadły do wektora pola elektrycznego a obydwa do kierunku rozchodzenia się promieni.:

Późniejsza teoria kwantowa zmodyfikowała ten model, wprowadzając podwójną falowo-cząstkowa naturę światła.

W każdym razie gdy Young udowodnił falową naturę światła, znane wcześniej zjawisko polaryzacji stało się zrozumiałe - po postu wektory pól zajmują w przestrzeni jakieś płaszczyzny względem kierunku rozchodzenia, ale w świetle zwykłym są one przemieszane. Gdy światło zostanie spolaryzowane, kierunki te porządkują się :

 i wszystkie wektory spolaryzowanego światła leżą w jednej płaszczyźnie. Wyjaśnienie dwójłomności szpatu islandzkiego, powodującej podwojenie obrazu jest w tym kontekście ciekawe - prędkość światła w takim krysztale zależy od kierunku polaryzacji pól składowych. Różnica prędkości światła między kryształem a powietrzem jest przyczyną załamania światła, zatem zależnie od polaryzacji światło będzie się załamywało pod różnym kątem
 Gdy wpuścimy do kryształu promień, zostanie on rozdzielony na dwa o połowę słabsze - jeden, normalny, będzie miał jedną polaryzację, a drugi, nadzwyczajny, polaryzację obróconą pod kątem prostym do polaryzacji tamtego. Każdy z promieni ma nieco inny kąt załamania dlatego oddzielają się od siebie:

Niedługo potem Malus odkrył że światło częściowo polaryzuje się przy odbiciu, zaś William Nicol wpadł na pomysł, jak za pomocą dwójłomnego kryształu uzyskać pojedynczą wiązkę spolaryzowanego światła. Wziął on rombowy kryształ szpatu islandzkiego i przeciął na ukos, otrzymując dwa pryzmaty. Połączył je ze sobą cienką warstwą przezroczystego kleju. Wiadomo było wówczas, że promień biegnący wewnątrz przezroczystego materiału może zostać całkowicie odbity, jeśli padnie na jego ścianę pod odpowiednim kątem - z tego prawa korzystają światłowody - połączenie tego z dwójłomnością pozwoliło na oddzielenie powstających dwóch promieni.
Cięcie między dwoma pryzmatami zostało poprowadzone pod takim kątem, że niewiele brakuje aby promień biegnący przez kryształ odbił się całkowicie. Wpuszczamy w kryształ promień zwykłego światła - promień rozdziela się na dwa załamane pod różnym kątem. Mniej załamany normalny biegnie dalej, silniej załamany promień nadzwyczajny odbija się całkowicie i wypada bokiem. Przechodząca wiązka zostaje spolaryzowana.

Dzięki temu urządzeniu można było badać właściwości światła spolaryzowanego, na przykład zabarwianie się minerałów i tworzyw sztucznych wykazujących choć niewielką dwójłomność.
Tym jednak co najbardziej mnie interesuje, jest odkrycie, że po przejściu przez pewne substancje, polaryzacja światła może się zmienić. Aby wygasić całkowicie liniowo spolaryzowane światło, należy umieścić na jego drodze filtr bądź drugi układ pryzmatów, ale obrócony o 90 stopni. Jednak jeśli między nie wsuniemy próbkę jakiejś substancji, jak na przykład roztwór cukru, okaże się że światło już nie jest całkowicie pochłaniane, i aby znów uzyskać ten efekt trzeba obrócić układ o jeszcze pewien kąt.

Zdolność do zmiany płaszczyzny polaryzacji światła to skręcalność optyczna, a substancje które tak robią nazywany czynnymi  optycznie. Czynność ta jest związana z budową cząsteczki o asymetrii polaryzacji a co za tym idzie, asymetrią budowy. W związkach organicznych możliwa jest sytuacja, że cząsteczka może posiadać dwie formy przestrzenne, podobne do siebie jak lustrzane odbicia. Są to cząsteczki chiralne. Szersze wytłumaczenie jak to zachodzi i jakie ma znaczenie, już omawiałem w pewnym artykule.
Gdy światło spolaryzowane przejdzie przez roztwór substancji czynnej optycznie, płaszczyzna w której sytuują się wektory fali elektromagnetycznej, przekręci się o pewien kąt. Ilościowa zdolność do skręcania płaszczyzny to skręcalność, zależna od grubości roztworu, rozpuszczalnika, długości fali świetlnej i stężenia.
Własności te znalazły bardzo szerokie zastosowanie do szybkiego mierzenia zawartości cukru w sokach roślinnych. I takie też ćwiczenie wykonywałem kiedyś na pracowni jeszcze w technikum.

Wzięliśmy jabłko, z którego odważyliśmy określoną ilość miąższu, a ten po rozgnieceniu zalaliśmy odmierzoną ilością wody i zagotowaliśmy:

Po odsączeniu wyciągu wlaliśmy go do polarymetru widocznym na pierwszej fotografii - to bardzo proste urządzenie. Lampa sodowa daje intensywne światło o określonej długości fali, wpadające do urządzenia przez wstępny filtr polaryzacyjny. Następnie przechodzi przez szklaną rurkę w tubie przyrządu gdzie wlany został nasz sok. Na jego drodze staje następnie prostokąt drugiego filtru polaryzacyjnego, o polaryzacji takiej samej jak pierwszy. Gdy w urządzeniu była nieaktywna woda, w okularze widać było jednolity krążek światła:

Jednak zawierający czynne optycznie cukry sok jabłkowy skręcał płaszczyznę światła spolaryzowanego przez pierwszy filtr. Takie światło było więc częściowo zatrzymywane przez drugi filtr i na tle jasnego krążka pojawiał się ciemniejszy prostokąt:

Teraz należało przekręcić małą tarczę przy okularze tak, aby obrócić drugi filtr zgodnie z polaryzacją o pewien kąt. Ten kąt to właśnie skręcalność roztworu. Z boku obiektywu przez małą lupę można było obserwować skalę podającą z jednej strony kąt skręcenia a z drugiej stężenie cukru w roztworze.

Podobne pomiary wykonuję czasem na pracowni. Zasadniczy temat pracy magisterskiej polega na wytworzeniu ligandów do asymetrycznej reakcji Henry'ego. W takiej reakcji powinienem otrzymać mieszaninę chiralnych beta nitroalkoholi z przewagą jednej, pożądanej formy

Ale jak poznać z jak dużą przewagą? Każda forma skręca płaszczyznę polaryzacji światła o taką samą wartość ale w przeciwne strony. Mieszanina 1:1 jest wobec tego nie czynna, zaś każda przewaga którejś z form objawia się jakąś skręcalnością wypadkową. Mając porównanie z danymi literaturowymi, gdzie obie formy oddzielono i ustalono konfigurację, i gdzie podana została skręcalność mieszaniny o ustalonym stosunku, mogę przez własny pomiar w identycznych warunkach określić skład swojej otrzymanej mieszaniny wyrażony w jednostce nadmiaru enancjomerycznego - czyli procentowej nadwyżki jednej z form nad drugą.

Jak na razie najlepszy wynik jednej reakcji to nadmiar 88% ee, ale czekam na więcej.

ps. to mój 150 opublikowany wpis.