informacje



sobota, 31 grudnia 2016

Kac okiem chemika

Każda przyjemność użyta w nadmiarze, ma swoje skutki, o czym z pewnością przekona się wielu sylwestrowiczów gdy już minie szampańska zabawa. I być może niektórych zastanowi wówczas - skąd bierze się kac? I czy można to jakoś, na przykład chemicznie, uśmierzyć?

Większość połkniętego alkoholu jest wchłaniana w żołądku, choć część już w jamie ustnej. Wchłaniany jest dosyć szybko - już 5-10 minut po wypiciu daje się go wykryć we krwi, oddziałując na układ nerwowy i wpływając na nastrój. Gdy alkohol trafi do wątroby, ta stara się go jakoś przerobić przede wszystkim utleniając do łatwych do wydalenia związków, z których część może być wykorzystana do produkcji energii. Proces ten przeprowadza przy pomocy dwóch enzymów w dwóch etapach, których przebieg i szybkość mają wpływ na późniejsze dolegliwości. A zatem etapami:

Enzym I - z alkoholu w aldehyd
Pierwszym etapem metabolizmu alkoholu jest utlenienie do aldehydu octowego, przy pomocy specjalnego enzymu - dehydrogenazy alkoholowej - i cząsteczki NAD jako dostarczyciela energii:
CH3CH2OH + NAD+CH3CHO + NADH + H+

Dehydrogenaza alkoholowa to prosty enzym białkowy z atomem cynku w roli kofaktora do którego kompleksuje się alkohol. To właśnie szybkość zachodzenia tej reakcji decyduje o tym, czy ktoś ma "mocną głowę", jeśli bowiem enzym ma u danej osoby dużą aktywność to alkohol jest szybko przerabiany. Taka osoba może więc wypić więcej zanim nie osiągnie zupełnego upojenia, choć zarazem działanie alkoholu będzie u takiej osoby krótsze.
Niestety, powstający w reakcji aldehyd octowy jest związkiem bardziej toksycznym niż sam alkohol. Ma działanie drażniące na układ nerwowy i tkanki, źle wpływa na błonę śluzową przewodu pokarmowego. To właśnie on wywołuje ból głowy, mdłości i nadwrażliwość, będące objawami kaca. Jest też podejrzewany o działanie rakotwórcze.

Organizm nie jest jednak taki głupi, aby metabolizm alkoholu kończyć na tym etapie - aldehyd jest przetwarzany dalej.

Enzym II - z aldehydu w kwas
Drugi etap powoduje przetworzenie tak szkodliwego związku w nietoksyczny kwas octowy. Odbywa się to przy udziale drugiego enzymu, dehydrogenazy aldehydowej. Powstający kwas powoduje przejściowe zakwaszenie krwi, co także ma pewien wpływ na późne objawy kaca.
Jonu octanowe mogą być dalej wykorzystane w cyklu Krebsa.

Mocna głowa - mocny enzym
Aktywność dwóch enzymów odpowiedzialnych za przemiany alkoholu, w dużym stopniu zależy od czynników genetycznych. To zaś jak sprawnie i szybko będą działały, ma wpływ na to jakich efektów dozna spożywający. Wolne działanie pierwszego enzymu to wolny przerób alkoholu, w efekcie szybko osiąga on we krwi duże stężenie i człowiek łatwo się upija. O takich osobach mówi się, że mają słabą głowę i mało im trzeba aby je zamroczyło. Zarazem jednak słaby przerób i spożycie mniejszej całkowitej ilości alkoholu, to także słabszy kac, pojawiający się później.

Inna sytuacja dotyczy osób u których pierwszy enzym ma dużą aktywność - alkohol jest przerabiany na bieżąco, w efekcie zanim osiągnie odpowiednie stężenie, użytkownik może wypić więcej. Właśnie tacy mocno-enzymowcy to ludzie o "mocnej głowie". Jest jednak pewien minus - szybki przerób alkoholu to także szybciej pojawiający się kac, a ponieważ ludzie tacy zazwyczaj jeśli już piją, to więcej, toteż i objawy są bardziej nasilone.

Kwestia tego jak długo trwa kac zależy znów od aktywności drugiego enzymu, i tutaj w różnych populacjach panuje duże zróżnicowanie. Jeśli u danej osoby drugi enzym, utleniający aldehyd do kwasu, jest bardzo aktywny, to objawy kaca będą utrzymywać się krócej, jeśli aktywność będzie niska, kac będzie się utrzymywał.
Z tej zmienności wyniknąć mogą cztery różne sytuacje. Najgorsza to oczywiście duża aktywność enzymu pierwszego i niska drugiego. Taka osoba ma "mocną głowę" i może więcej wypić, zarazem jednak alkohol szybko jest przerabiany na aldehyd, który znowu bardzo wolno utleniany jest do kwasu. W efekcie kac osiąga natężenie zatrucia klinicznego.
Przeciwna sytuacja to niska aktywność enzymu pierwszego i duża drugiego. Taka osoba szybko się upija i nie może pić dużo. Zarazem jednak kac pojawia się słaby i krótkotrwały.
Dla dużej aktywności obu enzymów mamy połączenie "mocnej głowy" i krótkotrwałego kaca.  Dla niskiej aktywności obu enzymów zachodzi szybkie upijanie się i słaby ale długotrwały kac.

Większość mieszkańców Europy posiada dość dobrą aktywność obu enzymów, przy czym dla dehydrogenazy alkoholowej zachodzi duża zmienność, związana z tym, że tak na prawdę jest to sześc podobnych enzymów, których wytwarzanie zmienia się zależnie od pochodzenia, wieku i płci. Na terenach środkowej Azji i w Korei rozpowszechnione są natomiast geny produkujące wariant enzymu o dużej aktywności. W przypadku drugiego enzymu - u większości europejczyków ma dobrą aktywność, u dużej części Azjatów występuje mutacja powodująca produkcję enzymu o bardzo małej aktywności.
Podwójnie poszkodowani Chińczycy i Japończycy nie upijają się zatem zbyt chętnie, ale też zarazem rzadziej popadają w alkoholizm, bo każde spożycie okupują przeciągłym kacem, toteż przyjemności nie przeważają nad skutkami. Skutkiem negatywnym jest u takich osób większe ryzyko raka przełyku i żołądka, związane zapewne ze szkodliwym działaniem aldehydu.[1], [2]

Ponieważ rozmieszczenie i czas upowszechnienia tych genów dobrze zgadza się z rozkładem upraw ryżu sądzi się, że jest to wynik specyficznego rodzaju doboru naturalnego. Rolnicy uprawiający ryż, chętnie z jego fermentacji otrzymywali wino ryżowe. Osoby o dużej aktywności drugiego enzymu mogły upijać się bez negatywnych skutków, łatwiej więc wpadały w alkoholizm i mogły mieć problem z dochowaniem potomstwa. Jeśli wytwarzanie i picie wina ryżowego było powszechne, ta sytuacja kulturowa faworyzowała ludzi o genach wariantowych.
W efekcie około połowy Chińczyków i Japończyków źle znosi alkohol. Na dodatek u pozostałych Azjatów rozpowszechniona jest mutacja zmniejszająca aktywność pierwszego enzymu, w efekcie jeśli ktoś nawet nie ma po spożyciu kaca-giganta, to i tak nie może wypić wiele.
W Europie to najwyraźniej nie działało, za pewne z powodu późniejszego zasiedlenia tego terenu po epokach lodowcowych i późniejszego przejścia na kulturę rolniczą.


Wpłynąć na enzymy
Skoro zasadniczo sytuacja z enzymami jest wyjaśniona, powstaje pytanie, czy da się jakoś na to wpłynąć? Poprawić słabo działających enzymów raczej się nie da, ale można któryś z tych dwóch zablokować. Zależnie od tego za który się zabierzemy, będzie to miało różne skutki.

Zablokowanie działania dehydrogenazy aldehydowej, czyli enzymu drugiego, będzie powodowało, że niezależnie od aktywności tego pierwszego, aldehyd octowy będzie się gromadził we krwi. Tym samym efekty toksyczne, a wiec kac, będą osiągały duże natężenie, wręcz niebezpieczne. Ponieważ zaś taka sytuacja raczej zniechęca do picia, inhibitory tego enzymu znalazły zastosowanie w leczeniu alkoholizmu.
Znanym takim środkiem jest Disulfiram, będący zasadniczo lekiem przeciwpasożytniczym. Stosowany w terapii awersyjnej znany jest tez pod nazwą Esperal. Podobne działanie mają niektóre cefalosporyny, pewne antybiotyki i leki antygrzybiczne, oraz wyciągi pewnych roślin. Blokowanie drugiego enzymu jest wywoływane także przez kopryny, zawarte w czernidlaku, dobrym grzybie jadalnym z wyglądu podobnym do nierozwiniętej kani. Efekt utrzymuje się do trzech dni od spożycia, dlatego mówi się o czernidlaku, że jest "jadalny warunkowo" - czyli dobry ale bez popitki.

A odwrotna sytuacja?
Gdyby udało się zablokować pierwszy enzym, ten utleniający alkohol do aldehydu, to kac by się tak szybko nie pojawiał. Taką substancją jest na przykład Fomepizol, stosowany jako lek na zatrucia metanolem i glikolem, który nie jest polecany do zażycia wraz z alkoholem. Powoduje znaczne zmniejszenie objawów kaca, ale też zarazem wzmacnia stan upojenia; w efekcie człowiek robi się mocno pijany  już po niewielkiej ilości alkoholu. Nie słyszałem aby był składnikiem jakiegoś preparatu, dla którego zwalczanie kaca jest głównym celem. Jest stosowany w medycynie ratunkowej w formie zastrzyków.
Ma też wyraźne skutki uboczne, takie jak uszkodzenia wątroby czy bóle głowy, dlatego nie ma tak dobrze.


Czy tylko aldehyd?
Wprawdzie jak się rzekło za większość objawów kaca odpowiada aldehyd octowy, ale wszystko wskazuje na to, że problem jest daleko bardziej złożony. Wszakże nie zawsze taka sama dawka, wywołuje taki sam skutek. Alkohole rafinowane zwykle dają objawy mniej uciążliwe, z kolei tanie alkohole robione z byle czego mogą być bardzo ciężkie do przetrawienia. Dlatego wskazuje się na rolę innych dodatków.
Podczas fermentacji i destylacji oprócz alkoholu etylowego powstaje też pewna ilość alkoholi wyższych, a więc butanolu, pentanolu, heksanolu, alkoholu izoamylowego i ich estry. Te tak zwane fuzle, oddzielane w ostatniej fazie pogonu, odpowiadają za niemiły posmak samogonu. Nie są też oddzielane od niektórych trunków szlachetnych, jak Brandy czy Whiskey.
Ogółem alkohole wyższe są znacznie bardziej toksyczne od alkoholu etylowego. Wprawdzie ten hamuje ich metabolizm, ale gdy już większość zostaje przerobiona, ich utlenianie nabiera znaczenia dla ciężkości objawów późnej fazy kaca. Dlatego

Innym produktem ubocznym fermentacji jest metanol, powstający głównie z moszczu owocowego jako produkt rozkładu pektyny. Powstający po utlenieniu metanolu przez dehydrogenazę alkoholową aldehyd mrówkowy, będący głównym składnikiem formaliny, jest znacznie bardziej toksyczny od aldehydu octowego. Tym samym niewielkie domieszki w napojach mogą pogorszyć objawy.
Ogółem badania sugerują że im "ciemniejszy" i mniej oczyszczony napój, tym gorsze efekty końcowe. [3]

Jak się często wskazuje za niektóre efekty może odpowiadać odwodnienie związane ze zwiększonym wytwarzaniem moczu, oraz wydzielanie czynników zapalnych związane z powstawaniem wolnych rodników, mają one jednak pomniejsze znaczenie.

Sposoby na kaca
Generalnie sposoby leczenia nieprzyjemnych skutków po spożyciu, są metodami objawowymi. Nie ma w pełni skutecznych metod zapobiegania - z wyjątkiem oczywiście unikania nadmiaru alkoholu. Często proponowana metoda popijania alkoholu wodą dla zmniejszenia odwodnienia nie ma jednoznacznych skutków - może zmniejszyć takie objawy jak suchość w ustach czy podrażnienie żołądka, ale jak wynika z ostatniego badania na ten temat, nie zapobiega pojawianiu się kaca. Podobnie nie zadziałała też obfita kolacja i zjedzenie czegoś tłustego przez piciem.[4]

Gdy ból głowy już się pojawi, można zwalczać go środkami przeciwbólowymi, z tym zastrzeżeniem, że aspiryna może dodatkowo podrażniać żołądek, a paracetamol obciążać wątrobę. Łączenie tabletek przeciwbólowych z alkoholem lub spożywanie ich gdy alkohol z nas jeszcze nie wywietrzał, może dawać cięższe skutki.
Pewne badania wskazują na zmniejszenie objawów przy użyciu leku przeciwmigrenowego Clotamu, który hamuje wydzielanie czynników zapalnych, ale nie można łączyć go z alkoholem.

W suplementach na kaca pojawia się niekiedy cysteina lub jej pochodna N-acetylowa. Mają one działanie przeciwrodnikowe i prawdopodobnie zmniejszają toksyczne działanie aldehydu, w badaniu na zwierzętach okazały się zapobiegać ciężkiemu zatruciu alkoholowemu. Trudno jednak przełożyć to na działanie przy przeciętnym spożyciu u ludzi.[5]
Ze środków naturalnych często w suplementach spotykany jest wyciąg z opuncji. Tutaj badania wskazują, że wprawdzie samym objawom wyciąg nie zapobiegał, ale zmniejszał nasilenie tych ciężkich[6].
Kawa i kofeina nie wpływają na pojawianie się kaca.
Pozostałe tradycyjne środki jak zsiadłe mleko, wapno czy sok pomidorowy mogą zmniejszać niektóre objawy, ale nie ma na ich temat zbyt wiele danych. Generalnie każdy powinien znaleźć sobie taki środek, który działa na niego.

Raczej nie pomoże
Do ziół często polecanych na kaca należy kudzu, roślina podobna do dzikiej fasoli. Wyciągi z kudzu zawierają składniki o działaniu przeciwzapalnym, dlatego mogą dobrze wpływać na niektóre późne objawy jak uczucie rozbicia czy ból głowy. Z drugiej strony inne składniki hamują działanie drugiego enzymu metabolizującego alkohol, dehydrogenazy ALDH2 eliminującej szkodliwy aldehyd. Zażycie "ziołowych tabletek" z kudzu przed lub tuż po wypiciu alkoholu da więc skutek odwrotny, objawy będą cięższe. [7]
----------
* Przegląd badań na temat kaca:  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3827719/

[1]  http://en.wikipedia.org/wiki/Alcohol_flush_reaction
[2]  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene?Db=gene&Cmd=ShowDetailView&TermToSearch=217
[3] Rohsenow D.J. et al.  Intoxication with bourbon versus vodka: effects on hangover, sleep, and next-day neurocognitive performance in young adults. Alcohol Clin Exp Res. 2010 Mar 1;34(3):509-18
 [4]  Verster, J.C. et al.. The impact of consuming food or drinking water on alcohol hangover. European Neuropsychopharmacology, 25, (pp. 604) (1 p.)
 [5] Wang A. et al.  A dual effect of N-acetylcysteine on acute ethanol-induced liver damage in mice., Hepatology Research, 2006 Mar; 34 (3): 199-206.
[6] Wiese L. et al. Effect of Opuntia ficus indica on symptoms of the alcohol hangover. Arch Intern Med. 2004; (164): 1334/40.
[7] Neil R. McGregor  Pueraria lobata (Kudzu root) hangover remedies and acetaldehyde-associated neoplasm riskAlcohol. 41 (7): 469–478.

wtorek, 20 grudnia 2016

Inteligentne tabletki?




Reklamy środków przeciwbólowych są do siebie bardzo podobne i chętnie stosują ten sam schemat. Zwykle pojawia się tam bądź młoda kobieta oblegana przez wrzeszczące dzieci, starszy pan schylający się po upuszczony przedmiot, ewentualnie mechanik w warsztacie podnoszący coś ciężkiego. Wtem pojawia się ostrzegawczy sygnał - sielankowa muzyka zamienia się w dźwięk syreny, nasi bohaterowie krzywią się jak tylko mogą, a na skroni, dłoni lub plecach wykwita czerwone jądro bólu. Ale to nic, zaraz sięgają po tabletkę X, która na wizualizacjach od razu po wsunięciu w usta przeciska się przez organizm jak karabinowa kula i "dociera do źródła bólu" likwidując go natychmiastowo. Pod tym względem tabletki na ból głowy przebijają chyba tylko reklamy prozdrowotnych jogurtów, z biegającymi po wnętrznościach rycerzami z ochronną tarczą.

Tak przedstawione działanie leku jest jednak zbytnim uproszczeniem.

Gdy połkniemy tabletkę, rozpuści się ona w żołądku i wchłonie, dalsza droga substancji czynnej nie ma jednak zbyt wiele wspólnego z inteligentnym docieraniem do miejsca gdzie boli. Substancja nie wybiera sobie którą tętniczką chce popłynąć i wiedziona intuicją omija wiele innych odnóg by dotrzeć tam gdzie jest potrzebna. Zamiast tego zostaje przypadkowo rozprowadzona po całym organizmie, docierając do bolesnego miejsca w zasadzie przy okazji. Jest natomiast coś z prawdy w sloganie, że substancja z preparatu "działa w miejscu bólu".

Odczuwanie bólu, oprócz tylko podrażniania zakończeń nerwowych, jest powiązane z wydzielaniem czynników prozapalnych w miejscach zmienionych chorobowo lub w miejscu urazu, takich jak cytokiny i prostaglandyny. Środki z grupy niesteroidowych leków przeciwzapalnych, do których należy Aspiryna i Paracetamol, działają głównie przez hamowanie wydzielania tych substancji, odpowiedzialnych za lokalne dolegliwości, ale też na przykład za objawy infekcji. Dlatego też wiele środków przeciwbólowych znosi także objawy grypy i przeziębień. W przypadku lokalnej dolegliwości objawiającej się bólem, cytokiny wytwarzane są tylko tam, dlatego składnik leku hamujący ich wydzielanie faktycznie działa konkretnie w miejscu bólu.

Jednak reklamy mówiące o działaniu substancji czynnej w miejscu bólu poza tym, że upraszczają sprawę, niosą także pewne niebezpieczeństwo. Mianowicie sugerują, że ma ona działanie tylko tam i nigdzie indziej. Ponieważ jednak lek przeciwbólowy rozprowadza się po całym organizmie, może zacząć działać nie tylko w jednym miejscu i czasem może też nam poważnie zaszkodzić.

Leki dostępne bez recepty są generalnie traktowane jako bezpieczne, toteż po zakupie nie wczytujemy się specjalnie w ulotkę, najwyżej szukamy na opakowaniu informacji ile można brać w ciągu dnia. W rzeczywistości jednak nawet spożycie w zalecanej ilości może nieść pewne skutki uboczne. Znane są powszechnie problemy żołądkowe podczas długotrwałego użycia aspiryny. Oprócz hamowania stanów zapalnych powoduje ona także rozrzedzenie krwi i zmniejszenie krzepliwości a także zmniejszenie wydzielania śluzu przez ścianki żołądka. Kombinacja tych czynników może skutkować krwawieniami i owrzodzeniami. Podobne objawy, choć mniej nasilone, wywołuje ibuprofen. Długotrwałe użycie Pyralginy może spowodować spadek poziomu komórek układu odpornościowego, prowadząc do częstych i groźnych infekcji.

Spośród łatwo dostępnych środków najwięcej interwencji medycznych wywołuje jednak paracetamol. Powyżej dziennej dawki 4 g powoduje nieodwracalne uszkodzenie wątroby. A o przedawkowanie wbrew pozorom nie tak trudno, jest bowiem częstym składnikiem preparatów złożonych o różnych nazwach i z zalecanym innym wskazaniem. Jedne tabletki na noc, inne na dzień, jedne bardziej na bóle mięśniowe inne na menstruacyjne. Przy kombinacji różnych dolegliwości konsument może więc nieświadomie zażyć szkodliwą ilość substancji czynnej, sądząc że użył jedynie bezpieczne dawki kilku różnych leków.*

Aż do lat 90. najpopularniejszą u nas była "tabletka z krzyżykiem" zawierająca fenacetynę. Wycofano ją jednak bo przy dłuższym użyciu powodowała uszkodzenia wątroby i nerek. Jednym z jej częstych i paradoksalnym skutków ubocznych, były zmiany krwi powodujące niedotlenienie. Paradoks tkwił w tym, że jednym z pierwszych objawów niedotlenienia był... ból głowy.

Naprawdę inteligentna tabletka

Postęp biomedycyny sprawił, że już wkrótce na rynku pojawić się może tabletka, która rzeczywiście może być nazwana inteligentną. W zeszłym roku firma Philips zaprezentowała prototyp kapsułki zawierającej microchip, czujniki i zbiorniczek z lekiem[1]. Po połknięciu kapsułka wydziela ściśle określone dawki leku w zaordynowanym przez lekarza czasie, a ponadto mierzy temperaturę, kwasowość i wiele innych parametrów w ciele pacjenta, przesyłając je do odbiorników na zewnątrz. Dzięki temu możliwa jest kontrola stanu organizmu i odpowiednia zmiana dawkowania. Pozwala to ominąć częsty problem nieregularnego zażywania leków, zwłaszcza u osób mających problemy z pamięcią. Pytanie tylko czy ktoś odważy się połknąć tabletkę, która mogłaby się okazać mądrzejsza od niego?

[Tekst w nieco przeredagowaniej formie ukazał się w pierwszym numerze kwartalnika Przekrój]
---------------------
* Jednym z najgorszym powikłań nadużywania paracetamolu i innych niesteroidowych leków przeciwzapalnych, jest toksyczna nekroliza naskórka. Nieprawidłowa reakcja organizmu na lek powoduje martwicę, powstawanie pęcherzy i złuszczanie się naskórka dużymi płatami. Wizualnie przypomina to poparzenie drugiego stopnia. Zespół pojawia się nagle po okresie dłuższego, codziennego używania leku, zwykle od tygodnia do sześciu od rozpoczęcia przyjmowania. Cechuje się wysoką śmiertelnością ale na szczęście jest bardzo rzadki.

[1]  http://gadzetomania.pl/45814,ipill-tabletka-z-mikroprocesorem

sobota, 17 grudnia 2016

Alchemia w Przekroju

W przyszłym tygodniu, po trzech latach nieobecności na rynku, ponownie ukazać się ma znane  czasopismo Przekrój. A w nim między innymi mój artykuł.


Ponad miesiąc temu napisał do mnie pan Łukasz Kaniewski, dziennikarz udzielający się w działach naukowych różnych gazet, z propozycją napisania artykułu dla Przekroju. Jakkolwiek możliwość pisania dla innego, inaczej rozpowszechnianego medium była bardzo kusząca, to z początku pozostawałem nieco sceptyczny. Po tym gdy Przekrój zniknął już dwa razy słyszałem o reaktywacji i do niczego ostatecznie nie doszło, a jakoś nie widziało mi się napisać komuś artykuł do publikacji na "być może kiedyś". Redaktor jednak zapewniał, choć choć na razie oficjalnie o wznowieniu wydawnictwa ani słychu, to pierwszy numer ma się ukazać już w grudniu.

Jako temat zaproponował skład proszków do prania z różnokolorowymi kapsułkami, ale to mi trochę nie leżało. Zaproponowałem coś zbliżonego - "inteligentne" tabletki, które wedle reklam docierają do miejsca bólu. Problem z reklamami polega nie tylko na tym, że substancja czynna jest rozprowadzana po całym organizmie a nie tylko w miejscu bolesnym, ale też w związanej z nimi sugestii, że także działają tylko w takim miejscu.
Limit znaków nie pozwolił mi się za bardzo rozpisać, a sugerowany lekki ton skłaniał do pewnych uproszczeń, niemniej artykuł wyszedł i został zaakceptowany. Aczkolwiek redaktor jeszcze go trochę przerobił aby pasował do stylu, w efekcie jakaś 1/4 tekstu to jego dodatki.

Nie wiem czy uda się nawiązać z pismem jakąś dłuższą współpracę, podejrzewam że dopiero po wyjściu numeru i sprawdzeniu reakcji będą dopinać artykuły na następny. Na razie Przekrój będzie kwartalnikiem.

Gdy artykuł już się ukaże, wrzucę tutaj pierwotną wersję, z pewnymi rozszerzającymi temat przypisami.

sobota, 10 grudnia 2016

Jak otrzymać Daraprim?

Jak głosi uniwersalna zasada, akcja wywołuje przeciwnie skierowaną reakcję. Monopolista drastycznie zwiększa cenę ważnego leku? Uczniowie australijskiej szkoły średniej opracowują zatem na zajęciach tanią metodę otrzymywania, po to tylko aby utrzeć mu nosa.

Toksoplazmoza to dość częsta choroba pasożytnicza wynikła z zarażenia pewnym pierwotniakiem. Pierwotniak może zarażać różne organizmy, ale żywicielem ostatecznym jest zwykle kot domowy. Kontakt z nim może więc skutkować zarażeniem. Na szczęście u większości ludzi choroba zostaje przebyta bezobjawowo lub z objawami grypopodobnymi, u części przechodzi jednak w formę utajoną, mogąc przyjąć postać bezobjawowego nosicielstwa. Są jednak sytuacje gdy choroba przybiera groźną postać.
Jeśli toksoplazmozą zostanie zarażona kobieta w ciąży, może to skutkować urodzinami dziecka obarczonego wadami rozwojowymi, zarówno fizycznymi jak i intelektualnymi, w dużym nasileniu podobnymi do różyczki wrodzonej. Innym problemem są osoby o osłabionej odporności, a więc na przykład osoby po przeszczepach, chorzy na raka a przede wszystkim chorzy na AIDS. W takim przypadku choroba zajmuje węzły chłonne i może przerodzić się w zapalenie mózgu, siatkówki oka, śledziony, serca lub wątroby.

Standardowo w leczeniu toksoplazmozy używane są preparaty zawierające pirymetaminę, czasem skojarzone z sulfonamidami, a najczęściej stosowanym jest preparat Daraprim. Ostatnio jednak pojawiły się istotne problemy z jego dostępnością. W 2015 roku biznesmen Martin Shkreli wykupił prawa do produkcji i obrotu Daraprimem w USA, po czym zwiększył jego cenę o 5000% [1] Tłumaczył przy tym, że chce tylko zwiększyć zyski firmy, na co prawo mu w pełni zezwala, dotychczas bowiem lek był sprzedawany niemal po kosztach produkcji. Dla chorych z USA znaczenie miało też to, że w kraju tym nie są dostępne preparaty generyczne, czyli "tańsze zamienniki" zawierające tą samą substancję czynną. Dopiero w tym roku Shkreli zgodził się łaskawie zmniejszyć cenę o połowę.
Jego decyzja wywołała na świecie wielkie oburzenie, ale zgodnie z prawem nie można było mu nic zrobić. Jedną z reakcji było zwiększenie produkcji generyków w małych fabryczkach w Indiach i Chinach. Inną, mniej znaną, było podjęcie ciekawego projektu badawczego przez uczniów pewnej australijskiej szkoły średniej.

Gdy sprawa podwyżek cen rozpalała emocje, dr Alice Williamson, chemiczka nauczająca w Sidney Grammar School, wpadła na pomysł aby uczniowie otrzymali substancję czynną preparatu w ramach zajęć koła naukowego, aby pokazać jak absurdalna jest to sytuacja. Z przeglądu literatury wynikało, że synteza związku jest względnie prosta. Co więcej, ponieważ związek po raz pierwszy otrzymano w 1958 roku substancja czynna nie było objęta patentem.
Struktura pirymetaminy nie jest specjalnie skomplikowana:


Za punkt wyjścia uczniowie obrali metodę z już nieaktualnego patentu, która była łatwa do odnalezienia, jest bowiem opisana na Wikipedii:

Substratem od którego startuje droga syntezy, jest para-chlorofenyloacetonitryl "1" poddawany reakcji z propionianem etylu "2", estrem o zapachu ananasa używanym do aromatyzowania żywności. Mechanizm reakcji jest dość prosty - w substracie pomiędzy grupą nitrylową -CN a chlorofenylową znajduje się mostek -CH2-. Ze względu na takie właśnie sąsiedztwo, jest kwaśna, czyli łatwiej niż zwykle jest oderwać od niej protony. Podczas reakcji z etanolanem sodu NaOEt zamienia się w karboanion, a więc związek z ładunkiem ujemnym na węglu. Ten chętnie atakuje węgiel grupy karbonylowej estru, który ze względu na polaryzację wiązań ma lekko dodatni charakter. Po przegrupowaniu powstaje 1-(4-chlorofenylo)-1-nitrylo-1-buten-2-ol "3".
Związek ma strukturę enolu to jest posiada grupę OH przy wiązaniu podwójnym, co jest strukturą nietrwałą. Ten reaguje z diazometanem CH2N2, zamieniając się w metyloeter "4". Ostatni etap to kondensacja z guanidyną w warunkach zasadowych, powodująca zamknięcie pierścienia diazynowego.

O ile etap pierwszy i ostatni mogły być przeprowadzone dość łatwo, to problemem stał się ten środkowy. Diazometan to związek bardzo nietrwały, mogący rozkładać się wybuchowo w kontakcie z metalami, pewnymi solami, szkłem o ostrych krawędziach lub zbyt intensywnym światłem. Dodatkowo jest związkiem silnie trującym, wdychanie niewielkich ilości może wywołać zgon w wyniku uszkodzenia płuc. Mimo szczerych chęci uczniowie nie mogli go używać. Postanowili więc obejść tą trudność i znaleźć metodę alternatywną. Musiał być to proces który zmetyluje grupę -OH a nie przereaguje z łatwo ulegającą hydrolizie grupą nitrylową -CN. Dobieranie warunków i odczynników zajęło im kilka miesięcy, aż wreszcie okazało się, że etap jest możliwy do przeprowadzenia przy pomocy odczynników dostępnych na pracowni. Zastosowali starą metodę eteryfikacji kwasowej. Półprodukt "3" poddali reakcji z alkoholem izopropylowym i stężonym kwasem siarkowym, otrzymując eter, który nadawał się do dalszej reakcji.

Po opracowaniu tego etapu cała synteza okazała się dużo prostsza. Z 17 gramów substratu wyjściowego kupionego w firmie chemicznej (cena 36 $/100 g) otrzymali 3,7 grama pirymetaminy. Gdyby zamienić ją na tabletki Daraprimu ta ilość kosztowałaby w USA ponad 100 tysięcy dolarów licząc po nowych, zawyżonych cenach. Sami uczniowie uwzględniając koszty odczynników i wydajność wskazują, że tą metodą można by produkować preparat w cenie 1-2 dolary za dawkę
Ich praca spotkała się z dużym uznaniem na świecie, ale niestety mimo wszystko nie będzie miała zbyt dużego wpływu na sytuację USA, ze względu na dziwaczne przepisy farmaceutyczne.

Producent tańszego zamiennika leku, zawierającego tą samą substancję czynną, musi dla wprowadzenia na rynek wykonać test potwierdzający, że preparat ma porównywalną farmakokinetykę (wchłanianie, czas osiągnięcia maksymalnego stężenia, okres wydalania itp.) do oryginału. Przypisy obowiązujące w USA mówią, że do testu dla porównania musi być użyty oryginalny preparat specjalnie przekazany przez producenta, stanowiący wzorzec. Z drugiej strony producent oryginału nie jest zobowiązany do dostarczenia próbek porównawczych na potrzeby testu. Jeśli firma będąca monopolistą nie chce wprowadzenia na rynek tańszego zamiennika, to po prostu nie dostarcza swoich wzorców porównawczych, co blokuje całą procedurę.[2]

Nowa metoda może się jednak przydać firmom produkującym lek w innych krajach, bowiem ominięcie bardzo toksycznego reagenta zmniejsza związane z produkcją ryzyko i jest bardziej ekologiczne.
 ------------------------
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrimethamine
*  http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/sydney-schoolboys-take-down-martin-shkreli-the-most-hated-man-in-the-world-20161125-gsxcu5

[1]  http://www.biztok.pl/biznes/lek-na-aids-podrozal-jednej-nocy-o-5-tysiecy-procent_a22320
[2] https://www.theguardian.com/science/2016/dec/01/australian-students-recreate-martin-shkreli-price-hike-drug-in-school-lab

wtorek, 29 listopada 2016

Chromatografia czarnych markerów

Czyli o tym, że czerń może się różnić od czerni.

Mając chwilkę czasu w laboratorium, zabawiłem się w rozdzielanie na składniki czarnych markerów, jakie były na stanie pracowni do szkła i plastiku:
W jaki sposób? Techniką jaka posłużyła mi do tego zadania, była chromatografia cienkowarstwowa.

O chromatografii kiedyś już pisałem (artykuł). Jest to technika rozdzielająca mieszaniny na poszczególne składniki, pozwalająca dzięki porównaniu ze wzorcami też na ich oznaczenie. Odkryta na początku XX wieku przez rosyjskiego botanika Cwieta stała się dziś jedną z podstawowych technik analitycznych.
Cały proces opiera się o zachodzenie dwóch przeciwstawnych zjawisk - adsorpcji substancji na powierzchni chłonnego materiału i jej wypieraniu przez cząsteczki rozpuszczalnika. To na ile mocno substancja zwiąże się z podłożem zależy w dużej mierze od tego co to jest za substancja i jakie jest to podłoże.
Na adsorbencie będącym materiałem polarnym, wchłaniającym wodę, łatwiej będą się osadzać substancje polarne, hydrofilowe, zaś aby je dobrze wymyć trzeba użyć także odpowiednio silnego, polarnego rozpuszczalnika. Podobne do podobnego. Siła oddziaływania substancji z podłożem zależy od budowy i wielkości cząsteczki - obecność atomów niemetali z wolnymi parami elektronowymi (tlen, siarka, azot) sprzyja tworzeniu wiązań wodorowych, które mocniej wiążą cząsteczkę. Dla układów gdy podłoże jest niepolarne, tłuste, siłę wiązania zwiększają grupy węglowodorowe. Duża cząsteczka niepolarna może się lepiej wiązać z niepolarnym podłożem niż mała.
Natomiast siła z jaką rozpuszczalnik wymywa substancję zależy od tego jak silnie z nią oddziałuje i od tego na ile silnie wiąże się z podłożem.

Wszystkie te efekty powodują, że różne substancje mają różną siłę osadzania się na materiale chłonnym, czyli różne powinowactwo. Jeśli umieścimy mieszaninę na początku masy adsorbenta i będziemy przepuszczać przez niego rozpuszczalnik, składniki najsłabiej oddziałujące z podłożem popłyną najszybciej, a te najmocniej popłyną najwolniej. Przypomina to sytuację gdy na stadionie sportowym do biegu na kilometr zgłosi się mieszanka młodzików i dobrze wytrenowanych sportowców - ci lepsi szybko oddzielą się od słabszych, tworząc osobną grupkę.
Spróbujmy zrozumieć na czym polega to zróżnicowanie prędkości. Powierzchnia ziaren podłoża jest na tyle duża, że rozpuszczona porcja substancji nie przepływa po prostu kanalikami, tylko zostaje cała skutecznie wyłapana i osadzona. Ale zarazem z tyłu czysty rozpuszczalnik wymywa substancję i przeprowadza przez nasycone ziarna do przodu, gdzie osadza się na jeszcze nie pokrytym podłożu. Bardziej więc przypomina to ruch wydmy gnanej wiatrem niż prosty przepływ. Jeśli substancja lepiej oddziałuje z podłożem, jest słabiej wymywana przez rozpuszczalnik. W efekcie więcej czasu pozostaje związana i zostaje w tyle za lepiej wymywanymi.
W ten sposób skomplikowane mieszaniny kilkunastu czy kilkudziesięciu składników mogą zostać rozdzielone.
Barwne składniki wyciągu z zielonych liści

W moim przypadku podłożem, adsorbentem, była cienka warstwa masy krzemionkowej osadzona na aluminiowej folii. Miałem do użytku na pracowni cały arkusz, który zużywałem przy kolejnych syntezach podczas sprawdzania, czy reakcja zaszła, a gdy został mi na koniec taki nierówno wycięty kawałek, postanowiłem użyć go do opisanego tu doświadczonka.
Na starcie, nad brzegiem płytki, naniosłem kropki czterema czarnymi markerami, jakie akurat miałem dostępne. Jako naczynia użyłem najmniejszej zleweczki i przykrywki od naczynka pomiarowego. Nie pamiętam jaki dokładnie był skład rozpuszczalnika, ale generalnie był to chlorek metylenu z odrobiną octanu etylu, bo tego akurat używałem.
Aby proces chromatograficzny zachodził, należało wytworzyć ruch rozpuszczalnika w materiale płytki, użyłem tu znanego zjawiska podciągania kapilarnego - wlałem do zlewki taką ilość rozpuszczalnika, aby cały dolny brzeg był zanurzony, ale też aby zarazem same plamki mi się w nim nie moczyły, i przykryłem całość nakrywką, aby nie parowało. Zanim płytka nasiąknęła co górnego brzegu minęło kilka minut, toteż film nakręcony podczas procesu trochę przyspieszyłem:



Jak widzicie cztery z pozoru identycznie czarne plamki rozwinęły się w różnokolorowe pasma.

Generalnie rzecz biorąc nie ma czarnych barwników. Czerń powstaje wtedy, gdy substancja pochłania tak dużo światła, że oko nie rejestruje konkretnego koloru. Zwykle jednak po mocnym rozjaśnieniu czerń okazuje się być bardzo, bardzo ciemnym konkretnym kolorem. Mogą istnieć czarne pigmenty, to jest stałe substancje pochłaniające w dużym stopniu wszystkie kolory światła, tu najczęściej używany jest węgiel. Trudno jednak zastosować pigment w farbach wodnych i w flamastrach, w których tusz z wkładu przesiąka do końcówki przez porowaty materiał, działający raczej jak sito dla stałych cząstek.
Producenci używają więc mieszanek różnych barwników o dużej sile barwienia. Gdy na dany barwnik pada światło białe, pochłania on z zakresu pewne kolory a odbija inne. Jeśli dobierzemy barwniki tak, że każdy kolor będzie po trochę pochłaniany, mieszanka będzie wyglądała na czarną. A jak pokazało moje małe doświadczenie, różni producenci lubią też używać różnych, unikalnych mieszanek:
Jak widać markery Granit i BIC mają podobny składnik podstawowy - dość polarny, intensywnie fioletowy barwnik, zostający z tyłu. Zastanawiałem się czy nie jest to aby fiolet krystaliczny, ale nie miałem gencjany do porównania. Jednak dalsze składniki różnią się wyraźnie - w jednym jest to łatwo rozpuszczalny brunatny składnik, w drugim dwa składniki, jeden żółtobrązowy drugi natomiast nieco różowawy. Może być on identyczny ze składnikiem markera trzeciego "Pilot", leżącym na tej samej wysokości. Tam podstawowym barwnikiem jest leżący niżej składnik granatowy.
W przypadku czwartego markera, Pentel Pen, składniki okazały się w układzie na tyle dobrze rozpuszczalne, że bez wyraźnego oddzielenia popłynęły na sam koniec, tworząc czarną plamkę.

Ten obraz poszerzyć może badanie wyglądu płytki w ultrafiolecie, ujawniające składniki nie widoczne gołym okiem. Substancje fluoryzujące świecą własnym światłem:
Jak widzimy pojawia się nam kolejna różnica między dwoma pierwszymi markerami - BIC zawiera dodatkowy składnik świecący w ultrafiolecie na jasno niebiesko. Możliwe, że w mniejszej ilości zawierają go też dwa po bokach, słabo świecące na tej samej wysokości. Takie świecenie na brzegu kolorowej plamy oznacza, że w zastosowanym układzie rozpuszczalników nałożyły się nam na siebie dwie substancje, a więc nie udało się ich zupełnie rozdzielić.
Po co niewidoczny gołym okiem składnik w markerach? Ponieważ świeci w ultrafiolecie, to musi go też pochłaniać, jest to więc zapewne składnik chroniący pozostałe barwniki przed degradacją na świetle, powstrzymujący blaknięcie rysunków.

Różnice w składzie tuszu markerów, ale też tuszu długopisów czy atramentu piór wiecznych mają istotne znaczenie w kryminalistyce, aby wyryć czy badane dokumenty, na przykład testament, nie były później uzupełniane. Jeśli sprawca użył innego długopisu, różny skład potwierdzi dopiski. Oczywiście nie wkładamy w tym celu dokumentu do naczynia z rozpuszczalnikiem aby spojrzeć na powstające kolorowe plamki. Bądź pobiera się drobną próbkę z dokumentu i bada którąś do dokładnych technik chromatograficznych, jak wysokosprawna cieczowa, bądź wyznacza technikami nieinwazyjnymi, jak spektroskopia Ramana czy UV-Vis

A jak wykonać podobne doświadczenie u siebie w domu? Specjalistycznych płytek TLC nie trzeba kupować. Za cienki materiał chłonny wystarczy arkusz grubej bibuły, na przykład gęsty filtr do kawy, można też próbować ze sztywnym, kredowym papierem. Mi kiedyś udało się to z papierem do kserowania.
Wycinamy z papieru pasek o takiej szerokości aby zmieściły się nam kropki wszystkich flamastrów jakie chcemy zbadać, długi na kilka centymetrów. Znajdujemy wysokie naczynie o płaskim dnie, może to być słoik, szklanka, opakowanie po czymś, tak aby nasz pasek się w nim mieścił.
Teraz kwestia rozpuszczalnika - dość dobrymi, mocno wymywającymi, jest spirytus i zmywacz do lakieru do paznokci. Jeśli okażą się zbyt mocne i podczas próby wszystkie kolory od razu pójdą do góry, możemy spróbować domieszać jakiegoś słabszego składnika, może to być na przykład jakiś rozpuszczalnik do usuwania tłustych plam. Jeśli badamy markery nierozpuszczalne, pomocne może być dodanie odrobiny wody - wprawdzie jest bardzo polarna, ale gdy składniki barwne się w wodzie słabo rozpuszczają, woda może pogorszyć ich wymywanie z papieru i spowolnić. Tu już trzeba sobie poeksperymentować.

Przygotowaną mieszankę wlewamy na dno naszego naczynia, wkładamy pasek papieru z naniesionymi u dołu kropkami markerów tak aby opierał się o ściankę. Ponieważ nasiąkający papier traci sztywność, aby się nam nie przewrócił i nie wpadł możemy bądź zawinąć górny brzeg na brzegu naczynia, lub użyć spinacza do papieru, ewentualnie przewlec nitkę przez otwór w papierze i podwiązać. Pasek nie powinien przylegać do ścianki naczynia, rozpuszczalnik będzie wówczas podsiąkał w szczelinie między nimi i całość się rozmyje. Naczynie czymś przykrywamy aby rozpuszczalnik nie parował i czekamy aż cały pasek nasiąknie.

wtorek, 15 listopada 2016

Ostatnio w laboratorium (53.)

Z zajęć na temat krystalochemii - kryształy paracetamolu pod mikroskopem:

Nie zupełnie foremne i z inkluzjami. Miały długość około 1 mm.

niedziela, 30 października 2016

Dlaczego osm jest najgęstszym pierwiastkiem?

Witam po dłuższej przerwie.

Jak to mamy możliwość obserwować na co dzień, substancje i materiały różnią się między sobą między innymi tym, że podobnej wielkości kawałki mają różny ciężar. Klocki drewna rzucone na wodę pływają łatwo, bryły lodu wynurzają nad powierzchnię tylko końcówki a kamień tonie. Miarą tej właściwości jest gęstość, czyli masa mieszcząca się w danej objętości. Na gęstość wpływają różne cechy, na przykład porowatość potrafiąca znacznie zmniejszyć gęstość materiału (niektóre aerożele są niemal tak lekkie jak powietrze), zawartość wody, ale w większym stopniu rodzaj substancji.

Najgęstszym materiałem na ziemi jest metaliczny osm, metal szlachetny podobny do platyny. Jego gęstość to ok. 22,65 g/cm3, co oznacza, że kostka o boku 10 cm waży 22,5 kg. Jest dwa razy gęstszy od ołowiu, który już jest uważany za bardzo ciężki. Gęstością dorównuje mu tylko iryd (niektóre pomiary pokazują nawet nieco większą gęstość irydu ale to już zależy od sposobu pomiaru). W związku z tym rodzi się oczywiste pytanie - dlaczego osm jest aż tak ciężki?

Jedną z oczywistych przyczyn, jest jego wysoka masa atomowa - 190,23 u. Jego atomy są więc ciężkie i ta sama ich ilość waży więcej niż dla wielu innych metali. Jednakowoż nie jest osm wcale najcięższym pierwiastkiem, większą masę atomową (207 u) ma choćby ołów, który ma przecież dwa razy mniejszą gęstość

Kolejnym czynnikiem warunkującym jest promień atomowy, czyli wielkość atomu liczona do ostatniej powłoki elektronowej. Im mniejsze są atomy tym więcej może się ich zmieścić w tej samej objętości. W układzie okresowym dają się zauważyć dwie ogólne reguły wielkości atomów - pierwsza jest dość oczywista - w dół wielkość atomów rośnie, mają bowiem coraz bardziej dodatnie jądro, coraz większą ilość elektronów a w związku z regułami ich upakowania w przestrzeni, coraz więcej sięgających dalej powłok na których mogą się pomieścić.
 Druga jest natomiast mniej intuicyjna - wzdłuż okresu, od lewej do prawej, atomy się zmniejszają, mimo że krąży wokół nich coraz więcej elektronów. Wynika to stąd, że w okresie nie przybywają nowe zewnętrzne powłoki elektronowe, a elektrony zapełniają jedynie odpowiednie dla danego bloku podpowłoki, najpierw s, potem p, a dla cięższych pierwiastków też d i f. Natomiast ze wzrostem masy jądra rośnie ładunek przyciągający elektrony, co zmniejsza całkowitą średnicę atomu.
 Efekt ten najwyraźniejszy jest w górnych okresach. W dolnych okresach zmniejszanie się średnic atomów jest nawet większe niż by to wynikało z samego zwiększenia ładunku jądra. Tłumaczy się to bardzo słabym osłanianiem ładunku jądra przez orbital f, przez co najbardziej zewnętrzne elektrony czują przyciąganie nieco silniej.

Osm znajduje się w najniższym okresie z trwałymi pierwiastkami, mając w sobie także słabo ekranujący orbital f, jest zatem bardzo masywnym atomem, którego średnica nie jest tak duża jak to by można oczekiwać. Tyle tylko, że jeszcze mniejsze atomy ma wspomniany ołów, więc musi tu dokładać się jeszcze dodatkowy efekt.

Metale w stanie stałym nie stanowią po prostu atomów ułożonych jeden obok drugiego. Są połączone wiązaniami poprzez uwspólnione elektrony, związane na tyle słabo. że przeskakują z atomu na atom, tworząc zdezorganizowany "gaz elektronowy". To dzięki nim metale przewodzą prąd i ciepło, oraz dobrze odbijają światło. Połączenie dwóch atomów wiązaniem przybliża je do siebie, i to tym bardziej im większa jest energia tego wiązania. Na to więc jak dużo masy możemy zmieścić w objętości, będzie wpływała długość wiązania metalicznego.
Osm znajduje się w układzie okresowym w bloku D, co oznacza że zewnętrzne elektrony walencyjne pochodzą z orbitalu d mieszczącego 10 elektronów w 5 powiązanych parach. Podczas tworzenia wiązań z innymi atomami w metalu tworzą się orbitale molekularne, na które wchodzą elektrony, odchodząc od stanu podstawowego. W kolejnych, coraz cięższych atomach, na orbital molekularny wchodzi coraz więcej elektronów, przez co wzrasta uśredniona siła wiązania. Jednak po minięciu połowy pojemności orbitalu, w cięższych atomach elektrony zaczynają tworzyć pary co zmniejsza ich zdolność do wiązania. W efekcie najsilniej związane są atomy w metalach leżących w połowie bloku D a najsłabiej te leżące na początku i końcu. Silniej związane atomy leżą bliżej siebie i więcej się ich zmieści w danej objętości.
Miarą tych oddziaływań jest energia kohezji, która wzrasta w dół grupy i do środka bloku. Największą energię kohezji ma wolfram, zaraz za nim tantal, ren, osm i iryd, potem energia dość szybko spada. Przekłada się to wprost na temperatury topnienia i wrzenia - najtrudniej topliwym metalem jest wolfram, po nim ren, tantal i osm.

Podsumowując
Spróbujmy więc podsumować wszystkie efekty - osm leży w dość daleko w układzie okresowym i ma wysoką masę atomową, ale ze względu na wysoki ładunek jądra wielkość jego atomów nie jest tak duża. Znajduje w najniższym okresie z trwałymi pierwiastkami i tuż za środkiem bloku D, co przekłada się na wysoką energię kohezji i krótkie wiązania metaliczne. W związku z tym w danej objętości zmieścić się może dużo jego masywnych atomów. Wprawdzie są pierwiastki o większej od niego energii kohezji, ale po pierwsze o nieco mniejszej masie atomowej a po drugie o nieco większej średnicy atomów w stanie podstawowym. Są też pierwiastki o dużo mniejszych atomach i większej masie, ale wyraźnie mniejszej energii kohezji.
Po prostu trzy funkcje regulujące gęstość pierwiastków przebiegają tak, że ich suma osiąga minimum dla tego pierwiastka. Dla któregoś musiało się trafić. Ze względnie dużej, mimo pewnego spadku, energii kohezji korzysta jeszcze iryd, który jest drugim najgęstszym pierwiastkiem.

Czy to już koniec? Nie stworzymy jeszcze gęstszych materiałów? Cóż, sztucznie otrzymaliśmy jeszcze cięższe pierwiastki, uzupełniające 7 okres. Jeśli powyższe prawa stosują się do nich tak samo, to pierwiastki pośrodku okresu powinny być bardzo ciężkie i z wysoką energią kohezji. Teoretyczne obliczenia pokazują, że metaliczny has (Hs) o liczbie atomowej 108, który leży w układzie okresowym pod osmem, powinien mieć gęstość 41 g/cm3, a więc dwa razy większą. Jednak ze względu na bardzo krótki okres półtrwania, wynoszący około minuty dla najtrwalszych izotopów, zmierzenie tego bezpośrednio jest niemożliwe.

ed.
Gęstość metali rośnie wraz ze spadkiem temperatury. Dla irydu współczynnik objętościowej kurczliwości temperaturowej jest nieco większy niż dla osmu, a ponieważ ich gęstości są zbliżone pojawiają się przypuszczenia, że w bardzo niskich temperaturach, rzędu 50 K iryd może jednak wyprzedzać osm.[1] Pomiar gęstości w tak niskich temperaturach jest jednak nieco kłopotliwy i nie wiele było takich badań a teoretyczne wartości na tyle się zbliżają, że różnica staje się mniejsza niż granica błędu. Kto wie, może jednak przy dokładniejszych badaniach okaże się, że osm jest najgęstszy tylko w pewnym zakresie temperatur?
------------
[1]  John W. Arblaster, Is Osmium Always the Densest Metal?, Johnson Matthey Technol. Rev., 2014, 58, (3), 137 doi:10.1595/147106714x682337

*  https://en.wikipedia.org/wiki/Lanthanide_contraction
* https://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Inorganic_Chemistry/Metals_and_Alloys:_Structure,_Bonding,_Electronic_and_Magnetic_Properties
* https://www.itp.tu-berlin.de/fileadmin/a3233/upload/SS12/TheoFest2012/Kapitel/Chapter_6.pdf
http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ct500532v

wtorek, 13 września 2016

Chemiczne wieści (9.)

Reakcja w kroplach nad rozgrzaną blachą
Efekt Leidenfrosta jest jednym z tych ciekawych zjawisk fizycznych, jakie z pewnością każdy miał okazję obserwować, tylko nie specjalnie zastanawiał się nad jego przyczyną. Upuszczenie kropli wody na bardzo rozgrzaną blachę, kuchenkę elektryczną czy patelnię powoduje, że zamiast zwyczajnie odparować przez pewien czas szybko śmiga niczym mały poduszkowiec.
Odpowiednio duża różnica temperatur powoduje, że rozgrzewanie całej kropli jest wolniejsze niż odparowanie porcji najbliżej blachy. Powstająca para wodna ma ciśnienie wystarczające, aby unieść nad gorącą powierzchnię całą kroplę, która nie ma bezpośredniego kontaktu, spowalniając wyparowanie kropli wielokrotnie.

Zespół amerykańskich naukowców z Purdue University wykorzystał ten efekt, tworząc z kropelek mikroreaktory do przeprowadzenia reakcji. Wcześniej znany był już efekt przyspieszania reakcji w kropelkach powstających przy rozpryskiwania roztworów techniką elektrospreju.  Prawdopodobnie na granicy faz następowała adsorpcja naładowanych reagentów, które wobec tego były tylko częściowo solwatowane przez rozpuszczalnik. Niecałkowita otoczka solwatacyjna obniżała energię aktywacji reakcji między składnikami roztworu. Ze względu na mikroskopijne rozmiary powstających kropelek, stosunek objętości do powierzchni był bardzo korzystny. Z drugiej strony efekt obserwowano w bardzo niewielkiej ilości mieszaniny reakcyjnej, przez co trudno bylo zjawisko w jakiś sposób zastosować.

Tutaj pomysł był podobny, tylko kropelki większe, bo otrzymywane przez efekt Leidenfrosta. Za modelową reakcję posłużyła kondensacja ketonu z pochodną hydrazyny. Reagenty rozpuszczono w rozpuszczalniku i upuszczono po kropli na rozgrzane szkiełko zegarkowe, utrzymując kropelkę przez dwie minuty w stanie lewitacji. Po zbadaniu roztworu stwierdzono, że reakcja zachodziła z nawet pięćdziesięciokrotnie większą szybkością. Tą metodą można poddawać reakcji miligramowe iloci reagentów, możliwe, że nawet większe jeśli udałoby się zbudować układ w którym krople mogłyby odpowiednio długo wędrować jedna za drugą. [1]


Najsilniejszy niefluorowy utleniacz
Utlenianie to w rozumieniu chemików reakcja polegająca na odebraniu reagującemu atomowi elektronów (dezelektronacja). Tlen i zawierające go związki są dość dobrymi utleniaczami, ale nie jedynymi, przykładowo gazowy chlor reagując z metalicznym sodem odbiera mu elektron, utleniając do kationu sodowego; sam redukuje się więc do anionu chlorkowego i tworzy związek chlorek sodu, czyli sól kuchenną.

W roli utleniacza zadziałać może też elektroda z przyłożonym odpowiednim napięciem. W procesie elektrolizy jedne składniki roztworu są utleniane a inne redukowane, lecz materiał elektrody nie ulega w tych procesach przemianom, jest jedynie przekaźnikiem elektronów które są przez potencjał elektryczny bądź wyciągane bądź wpychane w reagującą cząsteczkę. Oczywiście aby doszło do reakcji i aby elektron przeskoczył z miejsca na miejsce, należy użyć odpowiednio dużej energii, a w tym przypadku przyłożyć do elektrody odpowiednio duże napięcie, poniżej którego reakcja nie zajdzie.
Dzięki temu badając napięcie przy którym na elektrodzie następuje dana reakcja, można porównać związki i ich skłonności do oddawania lub przyjmowania elektronów, a tym samym moc różnych reduktorów lub utleniaczy. Zajście reakcji utlenienia przy pomocy danego utleniacza, to odpowiednik potencjału X woltów. Stąd biorą się tabele potencjałów standardowych, jakie zapewne widzieliście w podręcznikach. Z tego jaką wielkość mają potencjały dwóch substancji i jaka jest między nimi różnica, można zgadnąć czy zajdzie nimi reakcja redoks i w którą stronę. Ten który ma potencjał bardziej dodatni, będzie utleniaczem, ten który będzie miał potencjał bardziej ujemny będzie reduktorem. Im większy jest między nimi odstęp, tym energiczniej zachodzi reakcja, a więc tym chętniej.
Dla układów pośrodku skali potencjałów (standardowo za 0 przyjmuje się potencjał reakcji redukcji kationów wodorowych), substancje zależnie od tego z czym się spotkają mogą być utleniaczami lub reduktorami. Na dodatnich i ujemnych krańcach skali znajdują się związki i jony pierwiastków, które zwykle traktuje się po prostu jak utleniacze lub reduktory zawsze, bo na przykład osiągnęły maksymalną wartościowość której już nie zwiększą albo nie bardzo mają okazję przereagować z czymś silniejszym (ale czasem mają - nadtlenek wodoru, generalnie utleniacz, w reakcji z jonami srebra redukuje je do obojętnego metalu, a sam utlenia się do... tlenu).

Generalnie w takim ujęciu za utleniacze silne uznaje się już układy o potencjale standardowym powyżej +2 V. Utleniaczem silnym jest więc na przykład nadsiarczan sodu (E0= +2 V), od niego silniejszy jest pierwiastkowy fluor (E0= +2,8 V), kwas ksenonowy (+2,5 V), i różne układy oparte o fluor lub chlor. Do najsilniejszych należy rodnik fluorowy, który w reakcji z kationem wodoru utlenia go z potencjałem +3,87 V i difluorek kryptonu KrF2 o potencjale +3,27 V.
Fluor pojawia się tutaj nieprzypadkowo - pierwiastek ten ma wysoką elektroujemność, co oznacza że trudno go zjonizować, oraz ze chętnie przyciąga elektrony. Najsilniejsze znane utleniacze są więc związkami fluoru. Przynajmniej aż do teraz.

Grupa badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego opublikowała niedawno wyniki eksperymentów z otrzymaniem bardzo silnego utleniacza, jakim okazały się kationy srebra II. Jest to dla srebra stan utleniania bardzo nietrwały, stąd duża energiczność reakcji dzięki której może przejść w bardziej trwały kation srebra I. W specyficznych warunkach stężonego oleum, które wpływają na przebieg reakcji, utlenienie przy pomocy srebra II osiąga potencjał standardowy +2,9 i jest najwyższą znaną wartością dla utleniaczy nie zawierających fluoru. Prawdopodobnie kationy metalu są solwatowane przez cztery cząsteczki kwasu, co ma duże znaczenie dla potencjału utleniania. Utleniacz o takiej sile mógłby być użyty do rozkładu niektórych trudnych do przetworzenia zanieczyszczeń.[2]

Niskotemperaturowa synteza amoniaku
Jednym z najbardziej znanych procesów przemysłowych, wykorzystywanym na gigantyczną skalę, jest synteza amoniaku z azotu, pozwalająca na otrzymanie związków azotowych, zużywanych potem głównie do produkcji nawozów sztucznych. Najpospoliciej stosowaną obecnie jest metoda Habera-Bosha, polegająca na reakcji wodoru i azotu pod ciśnieniem kilkuset atmosfer i temperaturze 500 stopni, z użyciem katalizatora żelazowego. Mimo tych ekstremalnych warunków metoda jest opłacalna. Wcześniej próbowano takich reakcji jak otrzymywanie azotku magnezu i rozpuszczanie go w kwasach, czy hydroliza cyjanamidu wapniowego (tzw. azotniak).

Jednak ostatnia praca chińskich badaczy z Dalian Institute of Chemical Physics pokazuje że potencjalnie możliwe jest przeprowadzenie tego procesu w bardziej łagodnych warunkach.

Zespół pierwotnie zajmował się badaniem materiałów do pochłaniania i przechowywania wodoru. Podczas cykli wygrzewania oprócz wodoru powstawały też pewne ilości amoniaku, wskutek niepożądanej reakcji ubocznej. Dość przypadkowo, podczas symulacji sprawdzających przebieg tej reakcji, badacze stwierdzili że proces uwodornienia azotu jest sam w sobie dość obiecujący. Zachodzące podczas syntezy procesy obejmują adsorpcję azotu na metalu, aktywizację cząsteczki, przyłączenie wodoru i dysocjację. Idealny katalizator powinien dobrze aktywować azot ale też słabo wiązać aktywowaną cząsteczkę. niestety w przypadku metali przejściowych dobre wiązanie i aktywizowanie azotu wiązało się też z trudnym odłączaniem zaktywizowanej formy. Właśnie konieczność odłączenia cząsteczki od katalizatora powodowała, że potrzebna była tak wysoka temperatura.
Pomysł Chińczyków był generalnie dość prosty - należy użyć dodatkowego katalizatora. Tym katalizatorem okazał się wodorek litu.

Centrum reakcyjne ma postać drobnych plamek wodorku litu na powierzchni katalizatora metalicznego. Cząsteczka azotu przyłącza się w pobliżu, w związku z utworzeniem wiązania azot-metal zostaje zaktywizowana. Pobliski wodorek litu jest reduktorem, oraz odszczepia bardzo reaktywny anion wodorkowy. W efekcie pobliska cząsteczka azotu zostaje zredukowana i odszczepiona, równocześnie z przyłączeniem wodoru. Powstający amidek litu reaguje z wodorem, odnawiając wodorek litu i odłączając amoniak.
Taki podwójnie katalizowany proces może być przeprowadzony w dużo łagodniejszych warunkach. Dla katalizatora żelaznego z domieszką wodorku litu proces zachodził wydajnie już w temperaturze 150 stopni Celsiusza. [3]

Rośliny oczyszczają domowe powietrze
Powietrze w domach i mieszkaniach różni się od tego napływającego z zewnątrz. Nie dość, że dostają się do niego związki wydzielane przez nas samych, uwalniane podczas gotowania czy codziennej toalety, to jeszcze swoje dokładają lotne składniki farb, materiałów budowlanych, mebli i elementów wystroju wnętrz. Niektóre z nich mogą mieć działanie szkodliwe, dlatego dobrze jest co jakiś czas wietrzyć mieszkanie. Zaleganie toksycznych oparów w pomieszczeniach, uwalnianych przez ściany i sprzęty domowe, jest niekiedy wiązane z "zespołem chorego budynku" powodującego różne, często trudne do określenia dolegliwości, jak bóle głowy, alergie, napady astmy, uczucie zmęczenia.
Do sposobów unikania tego zjawiska należy polepszenie wentylacji i napływu powietrza z zewnątrz lub stosowanie filtrów pochłaniających. Znane były też badania sugerujące, że pewne związki mogą pochłaniać z powietrza rośliny doniczkowe.

Zespół amerykańskich badaczy postanowił precyzyjniej porównać zdolności oczyszczania powietrza przez różne gatunki w tej samej przestrzeni. Wzięto pięć gatunków często używanych jako rośliny doniczkowe i sprawdzano jak ich obecnośc wpływa na stężenia lotnych związków w specjalnie przygotowanej komorze. Były to: zielistka, dracena, bromelia guzmania, grubosz (znany też jako drzewko szczęścia) i kaktus Consolea.
Przetestowano ich aktywność na ośmiu przykładowych związkach, stwierdzając że pewne gatunki mają wyjątkowo dużą skłonność do wchłaniania niektórych. Przykładowo dracena wchłaniała 90% acetonu obecnego w powietrzu. Najlepszą z badanych okazała się bromelia, która dla sześciu lotnych związków eliminowała 80% obecnej ilości.[4]


Prosta i tania metoda otrzymywania
Wiele substancji znajdujących ciekawe zastosowania bądź występuje w naturze zbyt rzadko aby możliwe było tanie ich pozyskanie, bądź nie występuje w niej w ogóle. Dlatego trzeba je otrzymywać przy pomocy metod syntetycznych. Jednak w przypadku niektórych skomplikowanych cząsteczek, synteza przestaje być tak dobrą alternatywą, jeśli jest złożona z wielu etapów w których zużywa się wiele różnorodnych reagentów, tym bardziej, że im więcej etapów pośrednich tym mniejsza wydajność końcowa. 10 etapów o wydajności 80% przekłada się na wydajność całkowitą 10%
Dlatego też chemicy szukają sprytnych sposobów aby konstruować cząsteczki w mniejszej ilości etapów, szybciej i z mniejszą ilością reagentów. Takimi prostymi skokami omijającymi parę etapów są reakcje wieloskładnikowe, gdy to reakcję przeprowadzamy na mieszaninie kilku składników, które w trakcie tego samego procesu reagują ze sobą w określonej konfiguracji; reakcje kaskadowe gdy odpowiednio skonstruowana cząsteczka ulega serii wewnętrznych przekształceń, oraz reakcje rednoreaktorowe (one pot) gdy kolejne etapy są dokonywane dolewając następne reagenty do mieszaniny po poprzedniej reakcji, bez często żmudnego procesu izolowania czystych produktów pośrednich.

Przykładem może być praca jaka wpadła mi w oko, opisująca nową metodę syntezy (-)-ambroksanu, terpenoidu będącego głównym składnikiem zapachowym naturalnej ambry. Ta naturalna jest rzadka i droga i nie sposób zwiększyć jej pozyskania*, dlatego główny pachnący związek otrzymuje się syntetycznie.
Związkiem wyjściowym jest sklareol, otrzymywany z olejku eterycznego szałwii muszkatołowej, bo to najtańsze źródło. Cząsteczka jest generalnie bardzo podobna do ambroksanu, należy jedynie zamknąć trzeci pierścień w formie eteru i odrzucić niepotrzebne dwa węgle, ale bez zmiany konfiguracji jednego centrum stereogenicznego:
Opisano kilka metod przeprowadzenia takiej reakcji, które są wykorzystywane w przemyśle, mają one jednak tą wadę, że są przeprowadzane w kilku etapach. Czyli substancja wyjściowa jest poddawana reakcji, po której półprodukt jest oddzielany i używany do następnego etapu. Każdy taki proces następuje ze skończoną wydajnością, sumą kilku procesów jest bardzo mała wydajność końcowa, do tego dochodzą koszty zużytych w każdym etapie odczynników. Dlatego nowa metoda w której używa się tylko dwóch odczynników a całą reakcję przeprowadza się w jednym etapie bez oddzielania związków pośrednich z pewnością wzbudzi zainteresowanie przemysłu.

Sklareol jest rozpuszczany w dioksanie, dodawany jest utleniacz czyli 30% nadtlenek wodoru i katalizator będący fosfomolibdenianem alkiloamoniowym, mieszanina jest ogrzewana najpierw przez dwie godziny w temperaturze 70 stopni a potem godzinę w 90 stopniach. I tyle.  Wydajność to nieco ponad 20%, jest więc jedynie nieco wyższa niż w poprzednich metodach, ale być może da się to jeszcze usprawnić.
Reakcja przebiega prawdopodobnie poprzez utworzenie epoksydu, który cyklizuje i ulega przegrupowaniu.[5]


------
* Ambra to grudki masy będącej zastygniętymi wymiocinami kaszalota, który najadł się zbyt dużo kałamarnic olbrzymich żyjących w głębinach oceanów. Jak na razie nikomu nie udało się ich pod tym kątem tresować.

[1] Bain RM, Pulliam CJ, Thery F, Cooks RG. Accelerated Chemical Reactions and Organic Synthesis in Leidenfrost Droplets, Angew Chem Int Ed Engl. 2016 Aug 22;55(35):10478-82
[2] Połczyński P.,Jurczakowski R., Grochala W., Stabilization and strong oxidizing properties of Ag(II) in a fluorine-free solvent, Chem. Commun., 2013,49, 7480-7482
[3] Peikun Wang et al, Breaking scaling relations to achieve low-temperature ammonia synthesis through LiH-mediated nitrogen transfer and hydrogenation, Nature Chemistry (2016).
[4] https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2016/august/selecting-the-right-house-plant-could-improve-indoor-air-animation.html
[5] Yang, S. et al. One-pot synthesis of (−)-Ambrox. Sci. Rep. 6, 32650; doi: 10.1038/srep32650 (2016).

wtorek, 23 sierpnia 2016

Chemiczne wieści (8.)

Naturalne kompleksy szkieletowe
To akurat odkrycie nie było dla mnie zaskakujące, bo od dawna sądziłem że do niego dojdzie - geolodzy znaleźli na Syberii minerał będący naturalną formą metalo-organicznych szkieletów (MOF) materiałów o dużej porowatości na poziomie cząsteczkowym, o ciekawych właściwościach katalitycznych.

MOFy to interesująca grupa materiałów, będąca w zasadzie usieciowanymi kompleksami wielordzeniowymi - kationy metalu stanowią zworniki sieci tworzonej przez ligandy mogące łączyć się z nimi na dwóch lub więcej końcach. Między nimi powstają puste przestrzenie o zdefiniowanej, określonej wielkości i kształcie, stąd użycie MOFów jako absorbentów do gazów, ale też katalizatorów. Dotychczas wytwarzano je wyłącznie laboratoryjnie.

Przebadanie nowymi technikami rentgenowskimi słabo dotychczas poznanych minerałów stepanowitu (stepanovite) i żemczużnikowitu (zhemchuzhnikovite)* , znalezionych w syberyjskich kopalniach już w latach 60. ujawniło, że są takimi właśnie naturalnymi MOFami. Chemicznie są to mieszane szczawiany żelaza i magnezu, z występującymi w wolnych przestrzeniach jonami sodu i domieszką innych metali; w żemczużnikowicie pewna ilość jonów trójwartościowego żelaza jest wymieniona na podobne wielkością jony glinu[1]
Strukturę potwierdzono dokonując syntezy kryształów o takim składzie.



Najlżejsza cząsteczka pi-aromatyczna
Aromatyczność to szczególny przykład stabilizowania cząsteczki przez rezonans struktur elektronowych.  Wolne pary elektronowe tworzą w takich cząsteczkach płaski, pierścieniowaty orbital na którym ładunek jest równomiernie rozprowadzony, a elektrony wirują jak po karuzeli. Najlepiej przebadana jest aromatyczność związków węgla, natomiast słabiej przebadane są tego typu połączenia zbudowane wyłącznie z innych pierwiastków.

W szeregu węglowodorów aromatycznych najmniejszą cząsteczkę miał kation cyklopropenyliowy, ze zdelokalizowanym układem dwóch elektronów na trójkątnej cząsteczce. Wykazano, że podobny układ mogą tworzyć też inne pierwiastki, krzem, fosfor, glin

Obecnie odkryto prawdopodobnie najlżejszy możliwy taki układ - kation borocyklopropyliowy stabilizowany lekkimi ligandami. Badania spektroskopowe oparów boru poddanych działaniu lasera w obecności odpowiednich gazów, wykazały istnienie względnie stabilnych kationów [B3(NN)3]+ i  [B3(CO)3]+ . Ze względu na małą masę atomową boru, mniejszą niż dla węgla, i małą masę stabilizujących ligandów, są to najlżejsze cząsteczki pi-aromatyczne. [2]

Nieco wcześniej utworzono stabilne kompleksy zawierający pierścień triborocyklopropyliowy, zobojętnione kationami sodu, ale ligandy były dość rozbudowane a pierścienie tworzyły dimer w formie kompleksu kanapkowego, przez co powstała molekuła była dużo cięższa.[3]


------------
* Nazwa minerału Zhemchuzhnikovite pochodzi od angielskiej transkrypcji nazwiska mineraloga Żemczużnikowa, polska transkrypcja nazw rosyjskich jest inna ze względu na istnienie w języku tych samych głosek.

[1] Tomislav Friščić, Minerals with metal-organic framework structures, Sciences Advances,  Vol. 2, no. 8, e1600621, DOI: 10.1126/sciadv.1600621
[2] Gernot Frenking et.al. The [B3(NN)3]+ and [B3(CO)3]+ Complexes Featuring the Smallest π-Aromatic Species B3+Angew. Chem. Int. Ed. Volume 55, Issue 6, Pages 2078–2082
[3] Holger Braunshweid et.al The Triboracyclopropenyl Dianion: The Lightest Possible Main-Group-Element Hückel π Aromatic, Angew. Chem. Int. Ed. Volume 54, Issue 50,  Pages 15084–15088

niedziela, 17 lipca 2016

Reakcja w warunkach ekstremalnych

Otrzymanie odpowiednich wyników w trakcie doświadczenia chemicznego bywa bardzo trudne. Nieraz aby reakcja przebiegła w zamierzony sposób należy stworzyć specyficzne, ściśle określone warunki. Nikomu jednak nie przyszłoby do głowy, że czasem, aby wytworzyć ładne kryształy, należy wyskoczyć z samolotu z próbówką w ręku.
Bardzo emocjonujący eksperyment © University of Melbourne
Chemicy z Uniwersytetu w Melbourne w Australii badający właściwości metaloorganicznych materiałów porowatych (MOF), po sprawdzeniu wpływu jaki wywierają na ich formowanie i krystalizację temperatury, ciśnienia i wielu innych zmiennych, postanowili sprawdzić jaki wpływ może tu mieć zmiana czynnika, przyjmowanego dotychczas za stały - siły ciążenia.

Metal-Organic Frameworks czyli MOFs, co można przetłumaczyć jako "metaloorganiczne szkielety" czy rusztowania, to szczególny rodzaj materiału łączącego właściwości kryształów i ciał porowatych. Są to w zasadzie usieciowane kompleksy, w których jony metalu stanowią zworniki dla regularnej sieci utworzonej przez łączące je ligandy organiczne. Kształt, ilość miejsc wiązania i wielkość ligandów ale też rodzaj i wielkość kationu determinują kształt utworzonej sieci, mogącej przybierać wiele form na podobieństwo zeolitów.
MOFy są obecnie intensywnie badane jako niezwykle obiecujące materiały. Dzięki ogromnej porowatości na poziomie molekularnym mogą być użyte jako pochłaniacze zanieczyszczeń, magazyny gazów, nośniki leków; inne stanowią katalizatory, reaktywne filtry unieszkodliwiające zanieczyszczenia, mogą stanowić elementy czujników. Obecnie co roku publikuje się kilkaset prac na temat nowych przebadanych kombinacji i nowych metod ich otrzymywania.

Znane były już wcześniej pewne efekty grawitacyjne na szybkość krystalizacji. Grawitacja wywołuje opadanie zarodków krystalizacji na dno, gdzie proces jest hamowany w powodu ograniczenia od jednej strony dnem. Powoduje także pojawienie się prądów konwekcyjnych wokół rosnącego kryształu, w związku ze zmianami stężenia a więc i gęstości, co często ma skutek pozytywny. W szczególnych przypadkach może utrudniać powstawanie kryształów dużych molekuł powodując deformowanie się powstającej sieci.
Badacze z Australii przypuszczali, że efekty te będą wpływać także na wielkość kryształów MOFów wytrącających się z nasyconego roztworu, dlatego postanowili sprawdzić jak przebiegać będzie krystalizacja w trzech warunkach - grawitacji normalnej, obniżonej i zwiększonej.

Ten trzeci efekt był akurat dosyć prosty do sprawdzenia - rolę zwiększonej grawitacji pełni siła odśrodkowa. Mieszaninę substratów odwirowywano w wirówce poddając ją przeciążeniu kilkunastu g. Otrzymane w wyniku procesu kryształy były wyraźnie mniejsze od tych dla warunków normalnych.Natomiast uzyskanie obniżonej grawitacji było wyraźnie trudniejsze.

Początkowo badacze zrzucali próbówki z mieszaniną reakcyjną z dachu kilkunastopiętrowego budynku, otrzymując 2-3 sekundy stanu nieważności.
Wyjaśnię tutaj pokrótce, że ciała spadające swobodnie paradoksalnie nie odczuwają ciążenia. Jest to konsekwencją praw dynamiki - grawitacja jako siła działająca na ciało powoduje jego przyspieszenie, toteż ciało spadające swobodnie przyspiesza co sekundę o ok. 10 m/s2. Jednakże przyspieszenie, nie będące ruchem jednostajnym, wzbudza opór czyli bezwładność. Gdy ciało spada swobodnie obie siły się równoważą w efekcie nie czuje ono ciążenia, mimo że siła ciążenia na nie działa, wszak spada. Wykorzystuje się ten efekt w specjalnych samolotach testowych, które wykonują lot nurkowy z prędkością na tyle dużą, że ludzie na pokładzie zaczynają odczuwać nieważność i przez kilkanaście sekund poczuć się mogą jak w kosmosie.
Tak więc w zrzuconych z dachu próbówkach przez pewien czas następowało istotne zmniejszenie grawitacji (nie całkowite zniesienie przez opory aerodynamiczne miękkiego opakowania), mierzone zresztą przez badaczy przy pomocy akceleatora w telefonie komórkowym. Wpływ tego stanu na kryształy był niewielki, ale zauważalny - powstawały większe i czystsze. Jednak z powody bardzo krótkiego czasu efekt był bardzo mały.
Naukowcy zaczęli więc szukać sposobu na wydłużenie okresu małograwitacyjnej krystalizacji. Musiało być to coś sprytnego ale zarazem taniego.  O wysłaniu eksperymentu na międzynarodową stację kosmiczną ani nawet w lot paraboliczny, nie było mowy. Był też pomysł aby zrzucić próbówki z balonu na gorące powietrze albo użyć drona, ale w przypadku lotów dostępnych komercyjnie wysokość była zbyt mała, natomiast w przypadku drona nie dało się rozpocząć procesu w momencie opadania. Po podliczeniu wszystkich kosztów najtańszą opcją okazało się zrzucać badaczy z samolotu.
Czegoś trzeba trzymać się © University of Melbourne

Trzech ochotników: Mattias Bjornmalm, dr. Fabio Lisi i Matthew Faria skoczyło w tandemie z instruktorem z wysokości 4 kilometrów, ściskając w ręku specjalnie przygotowane próbówki - po wyskoku wcisnęli górną część próbówki wstrzykując jeden substrat do drugiego i zapoczątkowując krystalizację w trakcie opadania. Przez pewien czas opadali prawie swobodnie, potem instruktorzy otworzyli spadochrony, ale opadanie ze spadochronem także stanowiło okres o pewnym zmniejszeniu odczuwanego przez kryształy ciążenia. Dla Farii był to pierwszy skok ze spadochronem w życiu.
  Później co prawda okazało się że niektóre próbówki wcisnęły się przedwcześnie a w innej substraty się nie zmieszały, ale udało się odzyskać trzy próbki które krystalizowały podczas lotu. Jak się okazało zmniejszona grawitacja zauważalnie wpłynęła na wielkość kryształów - powstały większe i z mniejszą ilością wad.
Po lewej - kryształy w warunkach normalnego ciążenia; po prawej - hodowane podczas skoku.  © Dr Joseph Richardson et. al
Dla pewnych zastosowań, jak katalizatory czy pochłaniacze gazów, większe i bardziej regularne kryształy MOFów są bardziej przydatne, toteż możliwe że w przyszłości pewne procesy technologiczne będą wykonywane na orbicie (lub w lotach parabolicznych). Do innych zastosowań, jak nośniki leków, lepsze są drobniejsze kryształki, toteż odkrycie że wielkość można regulować przy pomocy wirówek może szybko znaleźć zastosowanie.

------------
* Joseph J. Richardson et al. Controlling the Growth of Metal-Organic Frameworks Using Different Gravitational-Forces, European Journal of Inorganic Chemistry (2016). 

środa, 13 lipca 2016

Chemiczne wieści (7.)

Bateria z jajka
Każdy kto często spożywa jajecznicę wie, że skorupki są odpadem nieco kłopotliwym. Od wewnętrznej strony skorupka jest pokryta białkową błoną. Białko to chętnie gnije po wyrzuceniu do kosza i dorzuca do woni śmieci specyficzny, zgniłojajeczny aromat. Fakt ten jest też zresztą przeszkodą w przetwarzaniu odpadowych skorupek - zarówno przy przerabianiu na suplement diety jak i na dodatek wapnujący do gleby należy oddzielać błonkę, zwykle za pomocą odpowiednich chemikaliów.

Chemicy z Wayne State University w Detroit znaleźli natomiast sposób jak wykorzystać nieoczyszczoną skorupkę do syntezy materiału na elektrody do baterii litowych.


Metoda jest bardzo prosta - nie rozgniecioną skorupkę z jajka umieścili w naczyniu z roztworem wodorotlenku sodu, do środka skorupki dodali natomiast roztwór soli kobaltu. Skorupka posłużyła tu za porowatą, półprzepuszczalną przegrodę, przez którą powoli do wnętrza dyfundowały aniony hydroksylowe OH-. Na podściełającej skorupkę błonie wytrącała się warstewka amorficznego wodorotlenku kobaltu pokrywająca włókna białka.
Po czterech dniach skorupkę wyjęto i wysuszono, po czym już suchą poddano wyprażaniu bez dostępu powietrza w temperaturze 650 stopni. Włókna białkowe uległy wówczas zwęgleniu uwalniając siarkę, która reagowała z kobaltem, tworząc nanopręty siarczku kobaltu osadzone na włóknach węglowych.
Materiał ten może być potem przetworzony na porowatą elektrodę w pewnym typie baterii jonowych, chociaż nie znalazłem w pracy oryginalnej szczegółów na temat oddzielania włókien od skorupki.

Autorzy spekulują, że metoda mogłaby być zastosowana dla wykorzystania skorupek jaj rozbijanych maszynowo, gdzie jest to raczej odsysanie zawartości niż rozbicie, toteż po procesie zostają skorupki w dużym stopni całe.[a]

Imiona nowych pierwiastków
Zaledwie w styczniu oficjalnie uznano istnienie czterech nowych pierwiastków (o czym już pisałem) a już pojawiają się bardziej konkretne propozycje nazw. Grupy badaczy uznane za odkrywców mogą zgłosić własne propozycje nazw, które będą potem brane pod uwagę podczas podejmowania decyzji. Mogą być to nazwy odnoszące się do mitologii, do miejscowości lub minerałów, krajów lub regionów, charakterystycznej własciwosci pierwiastka lub honorujące jakiegoś znanego naukowca. Wedle tych zasad zespoły odkrywców zaproponowały:

- Zespół Riken z Japonii, uznany za odkrywców pierwiastka 113, proponuje nazwę "Nihonium" (Nh) od słowa "nihon" będącego jedną z dwóch nazw Japonii w języku japońskim.

- Zespół z Dubnej w Rosji który odkrył pierwiastek 115 proponuje nazwę "Moscovium) (Mv) od zlatynizowanej nazwy Moskwy.

- Ponieważ zarówno pierwiastek 115 i 117 odkryty został w ramach współpracy ośrodków w Dubnej w Rosji i w Oak Ridge w USA, dla tego drugiego zaproponowano nazwę Tennessine (Tn) od nazwy stanu w którym znajduje się kilka ośrodków badań jądrowych

- Pierwiastek 118 odkryto w ramach współpracy ośrodka w Dubnej i w Berkley, a jako nazwę zaproponowano Oganesson dla uczczenia profesora Jurija Oganessaja, pioniera badań nad poszukiwaniami transuranowców.

Jeśli nazwy zostałyby przyjęte przez IUPAC, to prawdopodobnie zostałyby spolszczone do "nihon", "moskow", "tennesyn" i "oganess". Nie brzmi to zbyt dobrze.[b]

Wystarczy jeden atom
Platyna od dawna znana jest ze swych świetnych właściwości katalitycznych i jest na dużą skalę używana w przemyśle, ale też na przykład jako składnik katalizatorów samochodowych. Poza łatwością zatruwania od pewnych domieszek ma platyna pewną istotną wadę - jest droga. Dlatego też chemicy od dawna starają się jak mogą zmniejszać jej ilość w katalizatorze przy zachowaniu zdolności do przyspieszania reakcji. W zasadzie nie używa się już czerni platynowej to jest jej bardzo drobnych cząstek, lecz raczej różnych materiałów porowatych pokrytych drobnymi ilościami platyny na powierzchni.
Ostatnia praca badaczy z Singapuru pokazuje, że można pójść jeszcze dalej.

Zastosowany przez nich katalizator składał się głownie z porowatego węgla na którego powierzchni osadzono klastry kwasu polifosforanomolibdenowego z przyłączonym jednym atomem platyny (PMo12O403−) Pt . Z jego użyciem możliwe było przeprowadzenie reakcji uwodorniania takich związków jak nitrobenzen, cykloheksanon czy styren, z nienajgorszymi wydajnościami (30-40%) przy stosunkach ilości platyny do substratu od 1:100 do 1:2000, a przy przedłużeniu czasu reakcji udało się nawet niemal całkowicie uwodornić substrakt przy stosunku 1:8000. [c]

------------
[a] X. Meng and Da Deng. Trash to Treasure: Waste Eggshells Used as Reactor and Template for Synthesis of Co9S8 Nanorod Arrays on Carbon Fibers for Energy Storage. Chem. Mater., 2016, 28 (11), pp 3897–3904 DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b01142
[b]  http://iupac.org/iupac-is-naming-the-four-new-elements-nihonium-moscovium-tennessine-and-oganesson/
[c] B. Zhang et.al. Stabilizing a Platinum1 Single-Atom Catalyst on Supported Phosphomolybdic Acid without Compromising Hydrogenation Activity, Angew. Chem. Int Ed. Volume 55, Issue 29
July 11, 2016 Pages 8319–8323


czwartek, 16 czerwca 2016

Wczoraj w laboratorium (52.)

Wczoraj w laboratorium zająłem się destylacją tiofosgenu - strasznie śmierdzącego i trującego odczynnika.
Tiofosgen to formalnie rzecz biorąc podwójnie zchlorowana grupa tiokarbonylowa. Jego tlenowy analog fosgen był kiedyś używany jako bojowy gaz duszący, co daje już jakieś pojęcie o własnościach.

Zapach nie jest taki zły, jak oczekiwałem sądząc po obecności siarki. Jest ostry, drażniący a przede wszystkim duszący, podobny do innych prostych chlorków kwasowych.

Po co mi on? Do syntezy tiokarbonylodiimidazolu, a ten z kolei jest mi potrzebny do dalszych syntez. Po przeliczeniu wyszło mi, że taniej będzie otrzymać TCDI z tiofosgenu niż zamawiać gotowy. O ile uda się go w końcu zrobić bo już trzy razy próbowałem i powstawały różne dziwne produkty.


czwartek, 2 czerwca 2016

Co to jest ksylitol?

Czyli parę tajemnic, o jakich nie powiedzą wam w sklepikach ze zdrową i naturalną żywnością...

Na pomysł tego wpisu naprowadziły mnie pastylki na kaszel. Gdy przeglądałem dostępne w aptece znalazłem też takie, które chwaliły się że nie zawierają cukru. Zajrzałem więc na skład gdzie jako główny środek słodzący wymieniono ksylitol. To, samo w sobie, nie było jeszcze zaskakujące, jednak producent uznał za potrzebne uspokojenie klienta, tak aby nie zaniepokoił się tą trudną nazwą i w nawiasie wyjaśnił "ekstrakt z kory brzozy". I w tym problem, że składnik ten jest akurat takim ekstraktem, jak wódka sokiem...

Zacznijmy może od najbardziej podstawowej rzeczy - ksylitol nie jest cukrem. Więc pisanie wszędzie, we wszystkich reklamach, że to "cukier brzozowy" jest błędem. Na właściwy trop powinna naprowadzać nas już nazwa - końcówka -ol jest właściwa dla alkoholi, i faktycznie, ksylitol należy do grupy alkoholi cukrowych.
Typowy cukier to cząsteczka nasycona będąca łańcuchem węglowodorowym w którym każdy (lub prawie dla cukrów deoksy) węgiel jest przyłączony z grupą -OH, stąd wzór ogólny Cx(H2O)y i nazwa węglowodany, wydaje się bowiem sądząc po tym wzorze, jakby składały się z węgla i wody. Tym co odróżnia je od alkoholi wielohydroksylowych jest obecność grupy aldehydowej lub ketonowej, a więc z podwójnym wiązaniem węgiel-tlen C=O. Grupa ta wpływa na ich reaktywność oraz umożliwia im występowanie w formie pierścieniowej po utworzeniu hemiacetalu.




Jeśli teraz zredukujemy cukier tak, aby także tą grupę aldehydową lub ketonową zamienić w kolejną grupę -OH otrzymamy alkohol polihydroksylowy. Ze zredukowania glukozy powstaje sorbitol, także znany jako środek słodzący, ze zredukowanej mannozy mannitol. Możliwe jest też selektywne redukowanie wielocukrów. Ogółem różnym alkoholom cukrowym poświęcę jakiś osobny wpis, ale teraz zajmę się tym jednym. Natomiast ksylitol to produkt zredukowania ksylozy.

Ksyloza to cukier prosty zawierający pięć atomów węgla; glukoza i fruktoza zawierają ich sześć. W przyrodzie rzadko występuje swobodnie, najczęściej jest składnikiem hemiceluloz, będących budulcem ścian komórkowych roślin. Wiele połączonych cząsteczek ksylozy, czasem też arabinozy, tworzy łańcuchy nie tak długie i silnie połączone jak celuloza, stanowiące raczej spoiwo. Głównym wyróżnikiem jest łatwa rozpuszczalność w rozcieńczonych zasadach, dzięki czemu można je oddzielić od celulozy.
Hemicelulozy są w świecie roślinnym wszechobecne, spotykamy je w tkankach, szczególnie dużo w tych łykowatych i drewniejących. Są też obecne w drewnie zwłaszcza młodych drzew, przy czym im ich więcej tym bardziej jest miękkie i skłonne do pęcznienia, najwięcej bo do 30% zawiera ich drewno brzozy i buka. Aby otrzymać z tkanek ksylozę, najpierw trzeba oddzielić od nich hemicelulozy.
Rozdrobione tkanki roślinne traktuje się rozcieńczonymi zasadami, w których dobrze się rozpuszczają. Następnie zakwasza i poddaje hydrolizie bądź w warunkach silnie kwaśnych, bądź enzymatycznej. Po oczyszczeniu i wykrystalizowaniu otrzymujemy ksylozę. W czasie wojny Finowie pozbawieni dobrych źródeł cukru stosowali jako zamiennik właśnie ksylozę, która wprawdzie nie jest tak bardzo słodka jak cukier stołowy, ale w kraju gdzie burak cukrowy nie urośnie było to zawsze coś.
W Europie zwykle produkuje się ksylozę z drewna, mamy bowiem dość dobre źródła, natomiast na świecie są to łykowate części roślin, zwłaszcza łodygi kukurydzy, ale także wytłoki trzciny cukrowej, słoma z owsa lub ryżu a nawet łuski nasion bawełny. Często ksyloza jest spotykana pod nazwą cukru drzewnego, ale niekoniecznie brzozowego.

No dobra. Mamy już ksylozę. Co zrobić aby otrzymać z niej ksylitol? A no zredukować.
W przemyśle stosuje się głównie uwodornianie na katalizatorze niklowym [1] Robi się też próby z redukcją mikrobiologiczną przy pomocy pewnych gatunków drożdży lub pleśni, ale te nie mają takiego znaczenia.

Jako zamiennik cukru ksylitol ma zbliżoną słodkość do sacharozy i nie ma nieprzyjemnego posmaku, co zaś najważniejsze ma bardzo niski indeks glikemiczny a więc w bardzo małym stopniu przyczynia się do uwalniania insuliny i może być użyty w żywności dla diabetyków.
U niektórych zwierząt wykazuje wręcz przeciwne działanie - podany psom wywołuje na tyle silne wydzielenie insuliny, że może im grozić śmierć z powodu hipoglikemii; wystarczy już dawka rzędu 100 mg/kg psa. Było to dawniej przyczyną problemów z wprowadzeniem na rynek, ale dopiero potem badania pokazały że u ludzi ma zupełnie odmienny metabolizm i nie jest dla nich szkodliwy.

Jest dość wolno wchłaniany z jelita i większość jest przetwarzana przez bakterie jelitowe do krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych. W takiej formie metabolity ksylitolu mogą być wchłaniane i zużywane, w związku z czym wbrew temu co piszą niektóre strony nie jest to związek "bez kalorii"; wartość energetyczna to około 70% kaloryczności glukozy. Słabe wchłanianie w jelitach ma też swoje złe strony, może bowiem w zbyt dużych ilościach wywołać biegunkę osmotyczną, związaną z wydalaniem wody do treści jelit dla wyrównania stężenia, jednak organizm stopniowo adaptuje się do wchłaniania dzięki czemu po pewnym czasie można spożyć nawet kilkadziesiąt gramów bez złych skutków. Ponadto bakterie jelitowe mogą przetwarzać go nazbyt ochoczo doprowadzając do wzdęć.
Jak wykazują badania ze względu na to że nie jest metabolizowany przez bakterie w jamie ustnej nie przyczynia się do rozwoju próchnicy a nawet w pewnym stopniu ją hamuje wpływając na mineralizację szkliwa.

Czym więc nie jest ksylitol? Na pewno nie jest "ekstraktem z kory brzozy" - w tym przypadku producent pojechał po bandzie. Problematyczne są też reklamy opisujące, że jest otrzymywany z brzozy bez uściślenia w jaki sposób. W efekcie wielu ludzi wyobraża sobie, że występuje w drewnie, liściach lub soku i stamtąd jest po prostu wymywany, parę razy widziałem domysły, że krystalizuje się go z soku brzozowego w związku z czym sok taki propaguje się przypisując mu jego właściwości, a nawet domysły, że to po prostu wysuszony sok z brzozy (w rzeczywistości sok brzozy zawiera głownie sacharozę i glukozę[2]). W dodatku producenci skrzętnie omijają w reklamach inne źródła, jak wspomniane łodygi kukurydzy czy słoma owsiana, bo brzoza budzi lepsze skojarzenia, brzmi bardziej dziko i naturalnie.
Inny problem to reklamy opisujące że ksylitol jest składnikiem "występującym w naturze" czy wręcz "naturalnym" - faktycznie, występuje w naturze, szczególnie dużo (ok. 1%) jest go w owocach jagodowych i niektórych warzywach, ale nie stamtąd się go otrzymuje. A akurat ten sprzedawany z sklepach jest otrzymywany z drewna które go nie zawiera po dwuetapowym procesie, więc w najlepszym razie jest produktem półsyntetycznym. Niestety kult naturalności i przekonanie że wszystko co sztuczne musi być złe powodują, że dla większych zysków producenci starają się mniej lub bardziej oszukać klientów.

Jako ciekawostkę dodam na koniec, że po znitrowaniu można z ksylitolu zrobić całkiem niezły materiał wybuchowy. To tak a'propos argumentacji "to musi być złe bo ma złe zastosowania".
-------------
Źródła:
* https://en.wikipedia.org/wiki/Xylitol
https://www.dcnutrition.com/miscellaneous/Detail.CFM?RecordNumber=695
* http://www.danisco.com/fileadmin/user_upload/danisco/documents/products/2e_XIVIA_White_Paper.pdf

[1] http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-66322003000300006
[2] http://luczaj.com/publikacje/2014%20Luczaj%20Bilek%20Stawarczyk.pdf

Polecam obszerny artykuł na temat ksylitolu, nie znalazłem go gdy szukałem informacji do swojego a dużo uzupełnia:
 http://pinkcake.blox.pl/2015/02/Ksylitol-bialy-oczyszczony-nienaturalny.html