Chemiczne wieści (34)

 Kolejna porcja doniesień chemicznych, które uznałem za ciekawe

Czterotlenki Russela wykryte

   Utlenianie związków organicznych to nie takie hop-siup jak w szkolnych zapisach reakcji, że metan zderza się z cząsteczką tlenu i od razu po strzałce mamy dwutlenek węgla i wodę. Można się tego domyślić już po stechiometrii - z jednej cząsteczki metanu CH4 powstaje jedna cząsteczka dwutlenku węgla CO2 i dwie cząsteczki wody H2O, metan musiał więc doznać reakcji z dwiema cząsteczkami. Te jednak nie reagują na raz obydwoma atomami, więc można rozpatrywać reakcje pękania cząsteczek tlenu i odrywania po kolei po jednym atomie wodoru. Jednak nawet te reakcje pomiędzy pojedynczymi atomami wymagają wymiany elektronów, która najczęściej zachodzi pojedynczo.
   Z prostej sytuacji metanu utleniającego się wewnątrz płomienia, lub też podczas powolnych reakcji w atmosferze bez płomienia, powstaje nam szereg różnych cząsteczek czy jonów, które sumują się wprawdzie do końcowych, ale niekoniecznie po prostej ścieżce. Te alternatywne przebiegi prowadzą niekiedy do produktów nietypowych, wywołując pewne odmiany smogu i różne formy stałych cząstek zanieczyszczających powietrze - stąd potrzeba zbadania co takiego tam zachodzi. 

   W każdej z tych reakcji powstają początkowo wolne rodniki, to jest cząsteczki mające jeden elektron "nie do pary". Zazwyczaj cząsteczki w taki sposób łączą się ze sobą, że wszystkie elektrony są sparowane; ze względu na efekty związane ze spinem, takie układy są trwalsze. Gdy jednak nastąpią reakcje jednoelektronowego utleniania, redukcji czy pęknięcia wiązania na pół, mogą powstać rodniki z jednym elektronem bez drugiego. Taki rodnik jest bardziej reaktywny i ma skłonność tworzyć połączenia z czymkolwiek się da.

 

  Także rodniki, powstające w utlenianiu cząsteczek organicznych, ulegają dalszym przemianom. Najczęściej jest to reakcja z jakąś obojętną cząsteczką, ale często też jest to rekombinacja, w ramach której dwa rodniki łączą się i wzajemnie "wygaszają" przez sparowanie nadmiarowych elektronów. Gdy połączą się dwa rodniki metylowe CH3* powstaje etan CH3-CH3, gdy połączą się dwa rodniki metoksylowe CH3O* powstaje nadtlenek dimetylowy H3COOCH3. Możliwe są egzotyczne reakcje, w wyniku których niedostatecznie natleniony płomień metanu wydziela benzen i wielopierścieniowe związki aromatyczne. Ponieważ z innych badań wynikało, że w tej całej mieszaninie powstają rodniki ponadtlenkowe ROO* to dość oczywistym wnioskiem było uznanie, że wobec tego powinny rekombinować do egzotycznej cząsteczki z łańcuchem czterech tlenów ROOOOR. Taką hipotezę przedstawił G.K. Russel w 1957 zestawiając układ hipotetycznych równań reakcji cząstkowych, w których czterotlenki organiczne stanowiły ważne ogniwo.

  Powstawanie takiej cząsteczki jest jednym z kluczowych etapów wpływających na dalsze przemiany. Ten długi tlenek jest nietrwały i po pewnym czasie rozpada się, najczęściej tracąc obojętną cząsteczkę tlenu. Możliwe inne produkty to rodniki alkoksylowe, cząsteczka alkoholu i aldehydu, oraz cząsteczka nadtlenku organicznego. Obok bezpośredniej rekombinacji rodników RO*  była to w symulacjach   druga główna droga produkująca takie nadtlenki. Ich powstawanie ma wpływ na szybkość dalszych reakcji. 

  Jednak pewne procesy ładnie wyglądają na papierze, ale ciężej jest je udowodnić. Przez kolejne lata szybkie metody badające procesy utleniania wykrywały produkty dalszych przemian, których stężenia, skład izotopowy i kinetyka pasowały do hipotezy z czterotlenkami, jednak wyjściowa cząsteczka pozostawała nieuchwytna. 

  W nowym badaniu współpracowników ze Szwecji i USA zastosowano metodę spektrometrii mas z przeniesieniem protonów. To wszechstronna metoda badawcza, w której badane związki najpierw są przeprowadzane w próżni w opary złożone z pojedynczych cząsteczek, następnie te cząsteczki są jonizowane i przepuszczane przez układ, który bądź polem magnetycznym bądź elektrycznym odsiew z par cząsteczki o określonej masie. Ustawienia układu filtrującego zmieniają się w całym spektrum mas a detektor rejestruje czy i jak dużo zostało wykryte cząsteczek o określonej masie. 

  W układnie przepływowym wytworzony został rodnik metyloperoksydowy, który następnie odparowano i wprowadzono do układu spektrometrii mas. Sposób zastosowanej jonizacji powodował powstawanie adduktów z jonem hydroniowym, dzięki czemu podczas nie następował rozpad badanych cząsteczek. Analiza spektrum mas pokazała charakterystyczne piki odpowiadające różnym możliwym jonom molekularnym. Wśród nich występowały takie o stosunku masy do ładunku 131 i 113, odpowiadające składom C2H6O4(H2O)2H+ i C2H6O4(H2O)H+. Ze względu na łagodne warunki jonizacji wykluczono możliwość, że skład ten wywołuje para jonowa, w ramach której ujemnie i dodatnie naładowane fragmenty nadtlenkowe stykają się ze sobą dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym. Brak tych sygnałów, gdy nie były wytwarzane rodniki wykluczał możliwość, że są to dimery jonowe prekursorów. Także użycie związków z izotopem węgla C13 i z deuterem potwierdzały, że obserwowane masy tłumaczy produkt rekombinacji rodników a nie cząstki o innym składzie. 

Z warunków prowadzenia analizy wynika, że czterotlenki są w stanie powstać w temperaturze pokojowej i w zakresie ciśnienia występującego w atmosferze.

* Observing elusive tetroxides in gas-phase radical reactions supports the Russell mechanism  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb6495 https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb6495

Karben stabilny w wodzie i tajemnice witaminy

   Witamina B1, czyli tiamina, była pierwszym odkrytym niestrukturalnym związkiem niezbędnym dla organizmu, którego brak wywoływał choroby. Niedobór tiaminy powodował chorobę beri-beri, a niezbędność substancji dla życia, wraz z faktem, że chemicznie jest to związek aminowy, spowodowały że ten typ substancji zaczęto nazywać witaminami. 

   Przewlekły niedobór witaminy B1 wywołuje postępujące drętwienie kończyn, zaburzenia pracy serca, obrzęki, kwasicę mleczanową, zaburzenia czucia, słyszenia i widzenia, problemy z pamięcią i koncentracją. Choroba wywołana ubogą, monotonną dietą, składającą się głównie z pozbawionego otrąb białego ryżu, została nazwana Beri-Beri od bengalskiego określenia "nie mogę". W Europie częściej obserwuje się ostre niedobory wywołane przewlekłymi wymiotami, niewłaściwie prowadzoną dializą, ale też niestety w większości przypadków przez alkoholizm. Do niedoborów może się przyczynić jedzenie surowego mięsa ryb, świeżego skrzypu lub paproci. Szybki spadek stężenia tiaminy wywołuje zaburzenia neurologiczne, tak zwaną encefalopatię Wernickiego, której częstym skutkiem jest Objaw Korsakowa, w wyniku którego chory traci zdolność do zapamiętywania wydarzeń i pamięta co mu się działo na najwyżej kilka minut wstecz. Ze względu na brak zdolności uświadomienia sobie swojego stanu, chory nie wie ile minęło czasu od ataku choroby oraz wypełnia sobie luki pamięci zmyślonymi historyjkami. Szybkie podanie wlewów z witaminy może w pewnym stopniu cofnąć zarówno encefalopatię jak i problemy z pamięcią, ale zwykle nie do końca. Powtarzające się ciągi alkoholowe z epizodami encefalopatii prowadzą ostatecznie do degradacji tkanki nerwowej. Nie jest to to samo co delirka po odstawieniu alkoholu, choć często wszystkie te trzy rzeczy występują razem.

   Skoro więc skutki niedoboru są tak drastyczne, to co takiego witamina robi w organizmie? Przede wszystkim łączy się z enzymami metabolicznymi i wspomaga ich pracę. Katalizuje metabolizm kwasu pirogronowego, co stanowi ważny etap procesów wytwarzania energii w komórkach, a także metabolizm aminokwasów rozgałęzionych. Reakcje w których uczestniczy wiążą się z przeniesieniem grup acylowych na koenzym-A i dekarboksylacją. 

   Stwierdzono, że także poza organizmem tiamina katalizuje wiele reakcji między związkami karbonylowymi, takie jak koncensacja acyloinowa. Z analizy produktów wynikało, że tiamina musi tworzyć pośrednie addukty z węglem karbonylowym pod wpływem słabych zasad, co kontrastowało z niekatalizowanymi wersjami wykorzystującymi takie agresywne środki jak metaliczny sód. Powstawało pytanie jaki jest mechanizm tych reakcji i czemu witamina B1 tak silnie aktywowała cząsteczki.  W 1958 Ronald Breslow z Columbia University zaproponował, że reaktywność związku można wyjaśnić zakładając, że etapem pośrednim reakcji jest karben powstający w wyniku usunięcia protonu z węgla pomiędzy azotem i siarką. Wniosek wynikał z zachodzenia podstawienia atomu wodoru deuterem, gdy tiamina była poddana warunkom alkalicznym w ciężkiej wodzie. Samo zachodzenie takiej zmiany i szybkość tego procesu wskazywały na reaktywny etap pośredni.

https://en.wikipedia.org/wiki/Persistent_carbene

   Kiedyś już miałem długi wpis tłumaczący temat "Czy Kaczor Donald odkrył karbeny?" więc teraz wyjaśnię krótko: większość związków organicznych opiera się o węgiel na czwartym stopniu utlenienia, który tworzy cztery wiązania pojedyncze. Czasem tworzy wiązania podwójne i potrójne, ale krotność wiązań sumuje się do 4. Jest to dla niego najtrwalszy stopień utlenienia. Karbeny to związki zawierające atom węgla na stopniu utlenienia 2, który tworzy dwa wiązania, zaś nie wykorzystane elektrony są obecne obok jako niewiążąca para elektronowa.

   Struktura ta jest nietrwała i cząsteczki takie są bardzo reaktywne, łatwo reagują z czymkolwiek innym byle powrócić do stanu z czterema wiązaniami. Większość cząsteczek karbenowych to krótkotrwałe produkty pośrednie, których istnienie można wywnioskować z przebiegu reakcji, nie da się ich wyizolować bo albo z czymś przereagują, albo kondensują same ze sobą. Pomysł Breslowa tłumaczył dobrze produkty powstające z mieszanin witaminy z innymi związkami w warunkach alkalicznych; jednak właśnie ta wysoka reaktywność budziła wątpliwości, czy w warunkach żywego organizmu witamina pozostaje w tej formie wystarczająco długo aby coś faktycznie zrobić. 

  Jednak w latach 60. zaczęto odkrywać karbeny o podwyższonej stabilności, będące pochodnymi imidazolidyny - związku z pięciokątnym pierścieniem, w którym dwa atomy azotu są oddzielone jednym węglem. Atomy wodoru połączone z tym węglem stają się bardzo kwaśne, a reaktywność cząsteczki sugerowała powstawanie karbenów. W dalszych badaniach próbowano podstawić azoty grupami organicznymi różnej wielkości aby hamować reakcje uboczne. Tym sposobem stworzono najpierw karben na tyle długo stabilny w rozpuszczalnikach, że można go było potwierdzić spektroskopowo, potem związek na tyle wolno reagujący sam ze sobą, że dawał się wyizolować do gęstej cieczy, w końcu pojawił się związek, który można było wykrystalizować, i który można było odważać na powietrzu. 

   Odkrycie ogłoszone w tym roku (link) stanowi kolejny etap rozwoju tej linii. Na podstawie widocznego powyżej związku z dużymi grupami amandanylowymi przygotowano związek, w którym atomy azotu podstawione są bardzo dużymi grupami karboranowymi, stanowiącymi klatkowe klastry złożone z jednego atomu węgla i dziewięciu atomów boru. Po całkowitym podstawieniu wszystkich protonów chlorem powstał związek, który w warunkach zasadowych staje się karbenem, który po rozpuszczeniu w wodzie nie reaguje z nią i pozostaje stabilny w roztworze. (nr.7 na ilustracji) I jest to rzeczywiście duże, ciekawe osiągnięcie.

   Media już gdzieniegdzie podchwyciły tezę z abstraktu pracy, że oto dokonano przełomu w sprawie działania witaminy B1, ale dla mnie przełomem jest tylko to, że odkryty karben jest stabilny niemal w nieskończoność w roztworze wodnym, dzięki temu być może pojawi się nowy wygodny odczynnik do reakcji deoksygenacji, co pociągnie za sobą poprawę pewnych syntez. Przy czym związek ten nie ma struktury podobnej do tiaminy, brak w nim siarki. I nie wiem skąd teza, że dopiero teraz wykrycie związku stabilnego w wodzie potwierdza hipotezę Breslowa. Nikt nie twierdził, że karbenowa forma tiaminy jest w organizmie przechowywana w takiej postaci, a tylko, że powstaje jako forma pośrednia, zdolna przetrwać choćby kilkadziesiąt femtosekund w niesprzyjającym środowisku aby zaszła reakcja, którą katalizuje. I akurat wykazanie, że taka forma tiaminy jest w stanie powstać nie jest zupełnie nowe. 

Dwa lata temu opisano kompleks złota z karbenową formą tiaminy, który katalizowal pewną reakcję multikomponentową w wodzie. Skompleksowanie ciężkim metalem to jedna z metod utrwalenia struktur karbenów.

https://pubs.rsc.org/gc/article-abstract/25/5/1920/770336/Thiamine-carbene-liganded-gold-i-chloride?redirectedFrom=fulltext 

Wcześniej był znany karben, którego hydroliza w wodzie następuje stosunkowo powoli, pozwalając na wykrycie i przeprowadzenie reakcji.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022328X00007658?via%3Dihub

Więc śmiałe twierdzenia autorów publikacji - podchwycone przez media - że oto po latach w końcu potwierdzono starą teorię, są przesadą. Dokonano bardzo ciekawego odkrycia trwałego w wodzie karbenu, jednak dużo wcześniej już udowodniono, że zarówno tiamina może tworzyć formy karbenowe, jak i to, że niektóre takie związki nie reagują z wodą natychmiast. Czyli wszystkie elementy układanki już zostały dawno odkryte, a nowa publikacja niczego od siebie nie dodaje w tej kwestii.  

* Confirmation of Breslow’s hypothesis: A carbene stable in liquid water

  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9681 https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9681

Zakaz bisfenolu A

Na mocy rozporządzenia Komisji Europejskiej 2024/3190, od 20 lipca w EU nie będą dozwolone opakowania żywności zawierające bisfenol A. Składnik żywic, poliwęglanów oraz plastyfikator w innych tworzywach, jest podejrzewany o negatywny wpływ na płodnośc i hormony. 

Koncern chemiczny BASF w reakcji na to prawo wprowadził do oferty odmianę swoich tworzyw sztucznych nie zawierającą bisfenoli. Na razie chwalą się tym w przypadku politereftalanu butylu.