Anegdoty o chemikach i ich odkryciach

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

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

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

Wiktoriańska suknia barwiona moweiną

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

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

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

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

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

Karteczki nasączone LSD

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Alternatywne struktury C6H6

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

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