Niebieskie spodnie, purpurowe togi i krwawe ofiary

Dżinsy są fajne. Moda na nie chyba przeminęła, ale na dobrą sprawę nigdy nie na tyle, aby całkiem z nich zrezygnowano. Od ponad stu lat niebieskie spodnie z mocnego płótna służą za wygodny ubiór, jednakowy dla wszystkich krajów i płci. Tym jednak czym zajmę się w tym wpisie, nie jest moda, lecz ów intensywny, niebieski barwnik, który ma zaskakująco długą i osadzoną aż w przeszłości historię.

Który to już niebieski barwnik omawiam? Była ultramaryna, był błękit pruski i błękit egipski, zatem czwarty. Jak widać niby jeden kolor, a tyle fascynujących substancji może się pod nim kryć. A więc:

Błękit indygo, bo tak nazywa się ta substancja, to pigment naturalny na pewno znany już w starożytności, pierwotnie otrzymywany z liści krzewu Indygowca barwierskiego. Najstarsze wzmianki o użyciu indygo pochodzą z Indii z IV w p.n.e., ponadto znany był w Chinach i Japonii. Do europy przedostawał się za pośrednictwem kupców, wraz z ultramaryną, będąc znany już w starożytnej Grecji. Grecy nazywali go błękitem indyjskim a ich rzeczownik indicón ( ινδικόν) rzymianie zamienili na łacińskie indocum, skąd za pośrednictwem włoskiego przeszedł do języka angielskiego w formie indigo, skąd bierze się polska wersja. Był to barwnik bardzo drogi, zarazem dosyć trwały, nadający się do nadruków na tkaninach oraz farbowania jedwabiu. Przez następne lata w okresie średniowiecza kontakty z krajami dalekiego wschodu były niezbyt regularne, toteż bardzo trudno dostępne indygo osiągało ceny większe niż złoto.

Urzet barwierski

  Czasem w zastępstwie używano tańszego i bardzo podobnego błękitu z urzetu barwierskiego, stosunkowo pospolitej rośliny rosnącej też w Polsce. Źródła nie precyzują tej kwestii ale wygląda na to, że dopiero w XVII wieku zorientowano się, że indygo z urzetu i z indygowca to ta sama substancja, mimo to te indyjskie było nadal uważane za "oryginalne" i lepsze.
  W każdym razie po wytyczeniu morskich szlaków do Indii, ilość sprowadzanych stamtąd towarów - w tym naszego barwnika - gwałtownie wzrosła, i aż do czasu założenia upraw indygowca w koloniach w Ameryce południowej, były Indie monopolistą. Jeszcze na początku XIX wieku prace pokazujące, że z urzetu można otrzymać barwnik takiej samej jakości były uważane za odkrywcze, bo wszyscy mieli wbite do głów, że indygo jest wyłącznie indyjskie. Jeszcze w połowie tegoż wieku w prasie pisano, że cena indygo z "indyj wschodnich" jest horrendalna i powinno się ją zastąpić innymi roślinami. Mimo to właściwie aż do wynalezienia metod syntezy chemicznej kupowano je głównie z dalekiego wschodu, kontrolowanego wówczas przez anglików promujących swój wyrób jako jedyny prawdziwy.
  Odwrotne działania podjęła Francja. Tam w XVI wieku zakazano używania tego barwnika. Intensywna propaganda mówiła, że do barwienia używa się żrącej mieszanki, dlatego noszenie takiej tkaniny jest szkodliwe, pisano też że indygo jest trujące i nazwano je "błękitem diabła". Identyczne działania podjęto w Niemczech. W obu tych krajach wstrzymanie importu barwnika, który w tym czasie zaczął napływać ze wschodu w większych ilościach, miało na celu ochronę dochodowych upraw urzetu, było więc formą eliminowania konkurencji.

Japońska fabryka indygo

Wieść o żrącej mieszance nie była całkowicie bezpodstawna. Indygotyna, będąca właściwym barwnikiem, ma postać proszku nierozpuszczalnego w wodzie i tłuszczach, toteż zazwyczaj używano jej w charakterze pigmentu do farby, którą pokrywano tkaniny. Pigment rozpuszczał się w stężonych kwasach i w ten sposób można było próbować farbowania tkanin - sposób ten był jednak bardzo niszczący.

Indygotyna będąca właściwą substancją barwiącą, może być traktowana jako dimer pochodnej indolu:

  Silne wiązania wodorowe między wodorem a tlenem bardzo stabilizują cząsteczkę, zaś wiązania międzycząsteczkowe powodują, że związek sublimuje dopiero w temperaturach powyżej 300 stopni, mają także silny wpływ na kolor - to właśnie oddziaływania między cząsteczkami powodują silne przesunięcie batochromowe (a więc maksimum długości pochłanianego światła, przesuwa się w kierunku czerwieni) przez co związek przybiera barwę błękitną. Monomeryczne indygo w stanie gazowym jest nieoczekiwanie czerwone.
  W stanie naturalnym występuje w formie prekursora - beta glukozydu indoksylu. Glukozyd ten musi być rozłożony, co w przypadku dawnych fabryk przeprowadzano przez fermentację - liście rozdrabiano i wsypywano do kadzi, zalewając wodą i odczekując, aż zajdzie proces co w ciepłym klimacie trwało kilkanaście godzin. Po tym czasie liście oddzielano od żółtawego roztworu, który mieszano starając się wzburzyć powierzchnię i napowietrzyć objętość. W trakcie tego procesu uwolniony indoksyl utleniał się i dimeryzował a płyn nabierał głębokiego, błękitnego koloru. Indygo osiadało na dnie, skąd po wybraniu i przesączeniu trafiało do suszenia. Barwnik prasowano do formy kilkufuntowych cegiełek.

  Produkcja europejska z urzetu barwierskiego była bardziej kłopotliwa. Liście zbierano i ucierano w kotłach drewnianymi tłuczkami, lub w młynach. Z dobrze roztartej masy ugniatano ręcznie kulki, które suszono i w takiej formie magazynowano. W farbiarniach rozcierano kulki z niewielką ilością wody, po czym masę rozkładano warstwami na półkach w specjalnych pomieszczeniach i co pewien czas zwilżano, tak aby mogła przebiegać powolna fermentacja. Ponieważ podczas tego procesu rozkładowi ulegają też białka, a sam urzet zawiera dosyć dużo związków siarki, podczas fermentacji wydzielał się silny smród, przez co królowa Elżbieta I wydała nawet specjalny zakaz produkcji barwnika bliżej niż 5 mil od miast. Po dwóch tygodniach fermentację przerywano, masę suszono i ucierano na proszek zawierający właściwy barwnik[1]

  Jego strukturę rozwikłano w połowie XIX wieku i zaczęto wówczas czynić usilne próby syntezy. Pierwszy proces wprowadził Bayer w 1878 roku, gdzie utleniano izatynę - naturalną substancję będącą zredukowaną formą indygo. Ponieważ jednak izatynę otrzymywano wówczas z roślin, reakcja była mało wydajna.
  Prawdziwym przełomem było jednak wprowadzenie procesu BASF, do czego zresztą przyczynił się przypadek - jak to już opisywałem, laborant w tej wielkiej firmie chemicznej Karl Neumann zamieszał termometrem w reaktorze z naftalenem. Termometr stłukł się a rtęć utworzyła z kwasem siarkowym sól, będącą katalizatorem utleniania naftalenu do kwasu ftalowego. W ten sposób związek ten stał się nagle bardzo tani i opłacalna stała się pewna odkryta nieco wcześniej droga syntezy indygo:

Kwas ftalowy w reakcji z amoniakiem był zamieniany w imid, ten po hydrolizie w kwas antranilowy; w reakcji z glicyną otrzymywano kwas N-fenyloglicyno karboksylowy, który w warunkach odwadniających cyklizował do znanego już nam indoksylu, a ten utleniał się do indygo.

Ostatecznie najlepszą metodą, stosowaną do dziś dla produkcji barwnika w pełni syntetycznego, jest reakcja Pflegera. Substratem wyjściowym jest N-fenyloglicyna, otrzymywana przez acylowanie aniliny. Stapiana z wodorotlenkiem i z amidkiem sodu ulega dehydratacji przez co przyczepiona cząsteczka glicyny zamyka się w pięcioczłonowy pierścień, tworząc indoksyl; ten, po rozpuszczeniu stopu w wodzie, pod wpływem tlenu z powietrza ulega utlenieniu i dimeryzacji, tworząc właściwy związek:

Metodę wprowadzono w 1901 roku. Już w 1904 roku tylko 4% używanego barwnika pochodziło z upraw.

   Indygotyna jest nierozpuszczalna w wodzie ani tłuszczach. Skoro tak to jak barwi się nią tkaninę? Jeśli zredukujemy barwnik łagodnymi reduktorami, przeprowadzimy go w rozpuszczalną ale bezbarwną pochodną nazywaną leuko-indygo (i.białe). Tradycyjną metodą używaną od dawna przez farbiarzy, było mieszanie zawiesiny barwnika z nieświeżym moczem - zawarty w nim mocznik redukował indygo. Chińczycy natomiast wsypywali barwnik do podgrzewanych kadzi, wewnątrz których rozwijały się beztlenowe bakterie gnilne, wytwarzające silnie redukujące środowisko. Nieco później stwierdzono. że mniej kłopotliwym sposobem jest rozprowadzenie indygo w kwaśnym roztworze z kawałkami aktywnego metalu - żelaza lub cynku - który roztwarzając się wytwarzał wodór, in statu nascendi redukujący dodaną substancję. Użycie takich chemikaliów było jednak kłopotliwe, z uwagi na możliwość zatrucia lub poparzenia pracowników.
  Dopiero w 1880 roku wprowadzono proces glukozowy, gdzie reduktorem jest po prostu glukoza w warunkach alkalicznych. Dzięki temu farbowanie stało się znacznie prostsze, zaś odcień jaki można było uzyskać, był zdecydowanie głębszy.

  Współcześnie na skalę przemysłową używa się jednak ditionianu i metod elektrochemicznych - w kadziach farbowniczych prowadzona jest elektroliza. Na jednej z elektrod wytwarzany jest reduktor, a barwnik jest redukowany, tkanina jest zanurzana w kadzi i przedmuchiwana powietrzem. Po przepłukaniu wodą luźne cząstki barwnika są zawracane do redukcji. Taki proces stosuje się przy produkcji płótna na dżinsy.
  Wielokrotnie zanurzając tkaninę w bezbarwnym roztworze i wystawiając ją na powietrze, powodowano powtórne utlenienie do formy barwnej już wewnątrz włókna, która połączona z włóknami dobrze do nich przylegała

Znamy dziś liczne pochodne indygo, o obiecujących właściwościach. Jedną z częściej spotykanych jest indygokarmin - pochodna z dwiema grupami sulfonowymi, dobrze rozpuszczająca się w wodzie i używana jako barwnik spożywczy. Wbrew nazwie jest to związek intensywnie błękitny. W odróżnieniu od budzącego podejrzenia błękitu brylantowego, nie jest szkodliwy i po spożyciu zostaje w całości wydalony z moczem, przejściowo zabarwiając go na niebiesko-zielony kolor.

*  *  *

  Innym słynnym barwnikiem starożytności była purpura Tyryjska. Wedle legendy odkrywcą jej miał być sam Herkules, a dokładniej jego pies, który podczas nadmorskiego spaceru zaczął gryźć dużego morskiego ślimaka, wyrzuconego na plażę przez falę. Drażniony skorupiak wydzielił śluz o intensywnym, fioletowym kolorze. Wydaje się jednak że ta późna legenda powstała jako kolejna próba mitologicznego objaśnienia znanych faktów - wedle Piliniusza Starszego zbiór barwnika miał rozpoczynać się od wschodu Syriusza, nazywanego Psią Gwiazdą, a więc raczej zimą. Gwiazdozbiór wielkiego psa, w którym znajduje się Syriusz, ma być odpowiednikiem psa Herkulesa, stąd też zapewne źródło mitu.
Tym skorupiakiem od którego wszystko się zaczęło, był Rozkolec, ceniony również z powodu dekoracyjnej muszli. Znaleziska nagromadzeń porozbijanych muszli każą sądzić, że ślimak ten był zbierany - zapewne dla barwnika - już w XVIII wieku p.n.e.

  Ilość barwnika wydzielanego przez jednego osobnika jest niezmiernie mała. Aby uzyskać porcję zdatną to zafarbowania tkaniny, należało przerobić kilkanaście tysięcy rozkolców. Barwnik był zatem bardzo drogi i szybko stał się wyznacznikiem statusu.W starożytnym Rzymie przywilej noszenia tytułowych "purpurowych tóg" mieli tylko senatorowie. Wbrew jednak popularnym wyobrażeniom, utrwalonym w sztuce, purpurowy był jedynie pas materiału przy rąbku. Znalazłem informację, że toga w całości wybarwiona, była używana tylko do ubrania ofiar rytualnych.
  Barwnik pozwalał otrzymać intensywny kolor, w przybliżeniu będący ciepłym fioletem lub chłodną purpurą, przy czym w pewnym stopniu kolor zależy od warunków - wilgotny jest bardziej niebieski. Sama procedura była jednak niejasna - wiadomo było, że ślimaki były rozbijane i moczone w kadziach na słońcu. Następnie gotowano je, oddzielając tłuszcz i mięso, a pozostały płyn odparowywano powoli przez kilka dni z dodatkiem alkaliów, aż otrzymano czerwoną ciecz, używaną do farbowania. Po wyschnięciu kolor wełny stawał się nieco chłodniejszy, intensywny i intrygujący.
  Podobnie jak w przypadku indygo, purpura tyryjska nie rozpuszcza się w wodzie, toteż barwienie musiało odbywać się z wykorzystaniem formy leuko, nie bardzo jednak wiadomo jak otrzymywano ją w starożytności. Piliniusz, który opisał proces, pisze że płyn z rozgotowanych ślimaków gotowano z alkaliami w ołowianym kotle - nie wiadomo jednak o jakie plumbum mu chodziło - "nigra" czyli właściwy ołów, czy też "alba" czyli cynę. W tym drugim przypadku powstawały sole cyny, które dobrze nadawały się do redukcji purpury. Sugerowano też użycie miodu czy bakterii beztlenowych, ale pozostaje to sprawą niejasną.

  Dawne techniki otrzymywania i używania purpury stopniowo zanikały wraz z upadkiem cesarstwa rzymskiego i Bizancjum. Ostatni historyczny opis pozostawił Wiliam Cole z XVII wieku, piszący na temat farbowania wełny na wybrzeżu kanału brystolskiego. Rybacy łapali żywe ślimaki, po czym drażnili je, skłaniając do wydzielenia płynu zawierającego prekursor. Płyn ten nabierano na palce i rozprowadzano na wilgotnej wełnie. Takie "dojenie" ślimaków było mniej wydajne, ale nie zabijało ich, pozwalając na powtórny odłów. Po wystawieniu na słońce, wydzielina żółkła, zieleniała, przechodziła w chłodny, morski kolor i przez szarawy błękit stawała się purpurowa. Równocześnie wydzielał się charakterystyczny zapach, podobny do czosnku lub nieświeżych ryb, który przestawał być wyczuwalny po kilku praniach, będąc uważanym za oznakę oryginalności tkaniny. Ten sam sposób barwienia od dawna był używany w Ameryce Południowej, gdzie występują podobne ślimaki, a nawet przetrwał do dziś, dzięki czemu możemy obserwować jego przebieg:

   Pierwsze próby zidentyfikowania właściwej substancji były niełatwe. Już w 1879 roku Schunck przerobił 9 tysięcy ślimaków, tnąc je na kawałki i gotując, aż otrzymał zaledwie 7 mg właściwego barwnika. Stwierdził jedynie, że zawiera azot, po czym stracił cierpliwość. Jednak w następnym roku dowiedział się, że barwnikiem o bardzo podobnym wyglądzie, uzyskiwanym z ślimaków, barwi się tkaniny w Nikaragui. Zdobył szmatkę zafarbowaną w ten sposób, po czym gotował ją w różnych rozpuszczalnikach, uzyskując ostatecznie 99 mg barwnika. Jego zdaniem była to ta sama substancja, którą nazwał punicyną.
   Więcej od niego cierpliwości miał Friedlander, niemiecki chemik znany jako odkrywca wielu pochodnych indygo, dobrze nadających się do farbowania na żywe kolory. Udało mu się zdobyć dobre źródło żywych mięczaków, toteż mógł przeprowadzać produkcję na większą skalę. Ze ślimaków wycinał właściwy gruczoł, który rozcierał, odsączając wydzielinę. Płynem nasączano bibułę, którą wystawiano na powietrze i słońce, pod wpływem których ciemniała i zabarwiała papier na fioletowo. Papier następnie macerował w kwasie siarkowym, a po rozcieńczeniu wodą otrzymywał osad, z którego ekstrahował właściwy barwnik, w formie intensywnie zabarwionych kryształków.
  Po kilku tygodniach z 12 tysięcy skorupiaków udało mu się uzyskać 1,4 g właściwego związku. Nie było to więc zbyt wiele, ale najzupełniej wystarczało do analizy elementarnej.
  Wynik był dosyć nieoczekiwany - związek miał skład C16H8Br2N2O2 i wobec tego zawierał dobrze związany brom, co w naturalnych związkach organicznych jest bardzo rzadkie. W dodatku musiał stanowić pochodną dobrze już znanego indygo. Ostateczna struktura zawiązku ma następującą postać:

  Jak widać, jest to indygo podstawione bromem. Tym samym dwa najcenniejsze barwniki starożytności okazują się nieoczekiwanie powiązane.
  Podobnie jak w przypadku indygo, kolor purpury tyryjskiej zależy w dużej mierze od oddziaływań międzycząsteczkowych. W roztworach w rozpuszczalnikach polarnych, substancja jest niebieska - podobny kolor daje się uzyskać na jedwabiu, jeśli do farbowania użyto roztworu o bardzo małym stężeniu. W stanie stałym, lub przy dużym stężeniu, cząsteczki tworzą dimery i większe agregaty o tym charakterystycznym, ciepłym kolorze. W wydzielinie ślimaków występuje w formie prekursora - siarczanu bromoindoksylu. Po wydzieleniu, jest hydrolizowany przez enzym (jeśli jest tu naturalne uwolnienie wydzieliny) lub za sprawą rozkładu i podgrzewania (jak to drzewiej bywało podczas przetwarzania pociętych ślimaków), po czym  utlenia się do zielonej tyriwerdyny. Ta rozkłada się na świetle do dibromoindygo z wydzieleniem niemile pachnącego siarczku dimetylu.

*   *   *

Na koniec pozostał nam jeszcze trzeci składnik niniejszego wpisu - błękit Majów.

   Majowie stanowią okrutny paradoks kultury. Wysoko rozwinięta cywilizacja, która potrafiła budować niesamowite kamienne budowle, dobrze opanowała matematykę i astronomię czy wreszcie stworzyła wielkie imperium, równocześnie dosłownie wykrwawiała się przez głęboko w niej zakorzeniony kult bogów żądnych ofiar. Krew to symbol życia i siły. Bogowie w wierzeniach południowej ameryki byli istotami nieustająco podtrzymującymi prawidłowe działanie świata, ale podobnie jak ludzie, męczyli się. Dlatego trzeba było ich karmić krwią.
   Nie będę się tu jednak wdawał w opisy makabrycznych praktyk, lecz skupię się na intrygującym elemencie ich cywilizacji, jakim są doskonale zachowane malowidła, oczywiście zachowane tylko wówczas, gdy zostały odkryte już w naszych czasach, gdy chrześcijanie o inkwizycyjnych zapędach nie mogli ich już zniszczyć. Jedną z charakterystycznych cech tych przedstawień, było chętne - zwłaszcza dla przedstawień o charakterze religijnym - używanie intensywnego, błękitnego pigmentu, nazywanego błękitem majańskim. Pełnił on w ich sztuce rolę równie ważną, co ultramaryna w średniowiecznej sztuce europejskiej, stanowiąc składnik tła na którym rozgrywają się ważne sceny. Lecz i tu objawia się religijny wtręt - wedle dawnych zachowanych relacji w wielu miejscach składano ofiary z ludzi i cennych przedmiotów, które po pomalowaniu na niebiesko, wrzucano do lejów krasowych nazywanych cenote. W niektórym takich lejach na dnie znaleziono kilkumetrowe warstwy niebieskiego mułu, przemieszanego z kośćmi.
   Jedną z rzeczy, jakie od początku uderzały archeologów, był niezwykle intensywny kolor, zachowany pomimo kilku wieków w wilgotnym środowisku. Gdzieniegdzie rysunki wykonane błękitem majów, zachowały się nawet na powierzchniach zewnętrznych. Nie blaknie od światła, jest odporny na działanie rozcieńczonych kwasów, a i w stężonych roztwarza się opornie. Można by rzec - pigment idealny. Zdecydowanie lepszy od znanej w Europie ultramaryny, której dzieje i procesy niszczące kolor opisałem dawno temu.

Wiadomo, że był używany przez Majów, i prawdopodobnie Azteków przez kilka wieków aż do przybycia Europejczyków. Wraz ze zniszczeniem dawnej kultury, zastosowanie pigmentu zmniejszyło się, jednak bywał używany w niektórych malowidłach chrześcijańskich. Od czasu do czasu pojawiał się w późniejszych czasach, aż do XIX wieku, gdy to sprowadzany z meksyku pigment używany do fresków stał się słynny jako błękit kubański, tam bowiem chętnie używano go w budynkach kolonialnych.

   Nic dziwnego, że substancja o tak ciekawych właściwościach, zainteresowała naukowców i malarzy. Początkowe badania dawały wyniki co najmniej zaskakujące - pigment najwyraźniej nie był naturalnym minerałem, lecz został wytworzony sztucznie, równocześnie zaś nie zawierał w swoim składzie metali przejściowych, których jony nadają zwykle barwę substancjom nieorganicznym. Głównym składnikiem wydawał się pałygorskit - biała glinka o włóknistej strukturze, i dobrych właściwościach chłonnych, używana w Ameryce południowej jako lek odtruwający, działający podobnie do węgla lekarskiego. Zagadkę rozwiązały dopiero badania spektroskopowe w podczerwieni, dzięki którym ustalono, że pigment składa się z glinki połączonej z pochłoniętym w nią... indygo.

   Źródłem barwnika był w tym przypadku południowoamerykański gatunek indygowca indigofera suffruticosa, natomiast metoda wytwarzania wiązała się z podgrzewaniem mieszaniny barwnika i glinki do wysokich temperatur. Na dobrą sprawę dopiero niedawno odkryto w jaki sposób proces ten mógł być prowadzony. W 2008 roku archeolodzy odnaleźli misę na kadzidło, zawierającą pozostałości błękitnego osadu, będącego popiołem pokadzidlanym. Prawdopodobnie więc Majowie sporządzali kadzidła z kopalu, zmieszanego z glinką zafarbowaną indygo. Podczas spalania, w trakcie obrzędów poświęconych bogowi deszczu, wytwarzająca się temperatura około 200 stopni powodowała wnikanie barwnika w głąb struktury minerału. Niewykluczone że w taki właśnie sposób przypadkowo odkryto tą substancję.
   Inne techniki jakimi udało się odtworzyć ten pigment, polegały na zmieszaniu roztworu ze zmacerowanych liści indygowca, zawierającego nieutlenioną formę, z glinką i napowietrzaniu przez bełtanie. Indygo wytrącało się wewnątrz ziaren glinki, i po odsączeniu było wraz z nią wypalane.
Interesującą kwestią jest wewnętrzna struktura substancji - cząsteczki krzemianów tworzą mikroskopijne pory o dobrych właściwościach chłonnych i jonowymiennych, podobnie jak zeolity. Gdy cząsteczka indygo zostanie wchłonięta, podczas wypalania glinka zmienia strukturę, tracąc część wody, zaś w powstałe miejsce wpasowuje się barwnik. Najdrobniejsze pory pomiędzy poszczególnymi resztami kwasu krzemowego  tworzą klatkowatą strukturę, dobrze chroniącą związek organiczny przed czynnikami zewnętrznymi.

   Właśnie dlatego pigment nie rozkładał się nawet w stężonych kwasach, choć cząsteczka barwnika by tego nie przetrzymała. Siłę związania barwnika z glinką zwiększały wiązania wodorowe z grupami Si-OH i wodą związaną w tych samych porach. Przypomina mi to trochę strukturę ultramaryny - stanowiąca o kolorze nietrwała cząsteczka anionorodnika trójsiarczkowego, zamknięta w klatkach struktury sodalitu, okazywała się wystarczająco trwała aby przetrzymać kilka wieków na murach Kaplicy Sykstyńskiej.
Ponadto część związku utleniała się do dehydroindygo, tworzącego kompleks z glinem, a powstałe połączenie jest nawet nieco silniej zabarwione, niż by to wynikało z ilości wchłoniętego związku.[2][3]
Duża trwałość tego połączenia, nietoksyczność związków wyjściowych i wreszcie brak metali ciężkich powodują, że pigment ten, i jego pochodne o innych kolorach, mogą znaleźć zastosowanie jako ekologiczne składniki farb.

Taka mała cząsteczka, a taką ciekawą ma historię...
-------

[1] http://www.botgard.ucla.edu/html/botanytextbooks/economicbotany/Isatis/
[2] Polette-Niewold, L., Manciu, F., Torres, B., Alvarado, M., & Chianelli, R. (2007). Organic/inorganic complex pigments: Ancient colors Maya Blue Journal of Inorganic Biochemistry, 101 (11-12), 1958-1973 DOI: 10.1016/j.jinorgbio.2007.07.009
[3] Chiari, G., Giustetto, R., & Ricchiardi, G. (2003). Crystal structure refinements of palygorskite and Maya Blue from molecular modelling and powder synchrotron diffraction European Journal of Mineralogy, 15 (1), 21-33 DOI: 10.1127/0935-1221/2003/0015-0021
* Christopher J. Cooksey, Tyrian Purple: 6,6’-Dibromoindigo and Related Compounds, Molecules 2001, 6, 736-769
* http://traditionsmexico.phanfare.com/2402728#imageID=38400562 - farbowanie purpurą w Meksyku
* http://www.azulmaya.com/
* http://www.chriscooksey.demon.co.uk/tyrian/mollusc.html
* http://www.denimsandjeans.com/denim/manufacturing-process/dyes-used-for-denim-dyeing-a-description/ 
* http://woad.wordpress.com/  - blog poświęcony farbowaniu urzetem
* http://www.woad.org.uk  - Strona poświęcona urzetowi
* http://backreaction.blogspot.com/2008/03/cookies-palygorskite-and-maya-blue.html - zabawny artykuł objaśniający strukturę błękitu majów za pomocą ciasteczek i dropsów

Otrzymywanie i skraplanie amoniaku

Tak więc jestem już na czwartym roku studiów i zaczynam przygotowywać się do czekającego mnie pisania pracy magisterskiej. Wybrałem sobie na promotora dr. Wolińską, zajmującą się syntezą asymetryczną (a dokładnie syntezą katalizatorów do tych syntez), w związku z czym możecie się spodziewać w przyszłym roku większej ilości wpisów okołosyntetycznych.
Zanim jednak dojdę do pracy w laboratorium, otrzymuję pobieżne przeszkolenie w co ważniejszych technikach, w formie przedmiotu Techniki pracy laboratoryjnej. Każdy otrzymuje jakiś temat, który następnie ma omówić teoretycznie oraz zaprezentować praktycznie. Tak się akurat trafiło, że mi dostał się temat Praca z cieczami niskowrzącymi - a tą cieczą którą miałem za zadanie pokazać, był ciekły amoniak.

Amoniak, inaczej azan, będący połączeniem azotu i wodoru, stanowi gaz o silnym, nieprzyjemnym zapachu, w mniejszych stężeniach podobnym do moczu (w dużych stężeniach poraża węch). Nic zresztą dziwnego - powstaje w wyniku rozkładu mocznika w moczu, stanowiącego sposób w jaki nasz organizm stara się wydalić nadmiar amoniaku powstającego przy rozkładzie aminokwasów. Zaburzenia tego procesu, w wyniku mutacji genetycznych, wywołują ciężkie choroby. Pod normalnym ciśnieniem w temperaturze pokojowej jest bezbarwnym gazem, dopiero w temperaturze -33 ^o C skrapla się do postaci bezbarwnej cieczy, silnie załamującej światło.
Jego cząsteczka ma postać trójkątnej piramidy, z trzema wodorami skierowanymi w jedną stronę azotu, za sprawą odpychania wolnej pary elektronowej. Powoduje to, że cząsteczka ma mocny moment dipolowy, podobny jak cząsteczka wody. Podobnie jak woda ulega autodysocjacji wedle równania:

 2NH3 ↔ NH4 ⁺ + NH2 ^-

 W efekcie ciekły amoniak może stanowić rozpuszczalnik zastępujący wodę w sytuacji, gdy rozpuszczane substancje reagują z nią. Takie też jest jego zastosowanie w laboratorium.
Inną cenną cechą jest jego skłonność do roztwarzania metali. Może się to odbywać na dwa sposoby. Gdy metal alkaliczny, na przykład sód, zostanie wrzucony do ciekłego amoniaku wraz z dodatkiem katalizatora (azotan żelaza III), reaguje z nim tworząc amidek, będący bardzo silnym reduktorem. Jego roztwór lub zawiesina w tymże samym rozpuszczalniku stanowi właściwe medium reakcyjne.
Znacznie ciekawiej przebiega reakcja gdy nie dodamy katalizatora - rozpuszczanie przebiega wówczas bardzo powoli, a roztwór przybiera intensywny, błękitny kolor. Podczas rozpuszczania następuje dysproporcjonacja - atomy metalu dzielą się na kationy, kompleksowane przez amoniak, i swobodne elektrony, natychmiast otaczane przez cząsteczki amoniaku. Takie zsolwatowane elektrony stanowią najlżejsze możliwe aniony a w odpowiednich sytuacjach mogą nawet tworzyć sole.

Trzecią korzystną właściwością amoniaku jest lotność - wystarczy lekko podnieść temperaturę aby odparował, pozostawiając suche produkty reakcji, a że wrze w bardzo niskich temperaturach, można w ten sposób uzyskać związki wrażliwe na ogrzewanie.

I to w zasadzie tyle, od strony teoretycznej. Teraz czas na praktyczną stronę ćwiczenia.
Ciekły amoniak do zastosowań laboratoryjnych można uzyskać z butli, tak przechylając ją, aby zlać ciekłą frakcję sprężonego gazu. Niestety tak się złożyło, że akurat pracownia nie miała butli na składzie, w związku z czym amoniak należało wywiązać. Najprostszym sposobem jest podziałanie stężoną zasadą na dowolną sól amonową - w moim przypadku był to chlorek amonu, nazywany salmiakiem:

NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O

Powstający gazowy amoniak należało skroplić w bardzo niskiej temperaturze, więc zaraz na początku dnia udałem się do pomieszczenia z butlami gazowymi, i w sposób już tu szerzej opisywany, uzyskałem skrzynkę suchego lodu:

Wsypałem do naczynia Dewara aby tak szybko nie sublimował i odważyłem 3 gramy chlorku amonu:

Które wsypałem do dwuszyjnej kolbki kształtem przypominającej serduszko. Odważyłem następnie wodorotlenek potasu w płatkach i rozpuściłem w minimalnej ilości wody aby uzyskać 50% roztwór. Gdy wreszcie zebrała się grupa, wlałem stężony ług do kolbki podłączonej do aparatury o następującym wyglądzie:

Od lewej: Kolbka reakcyjna, płuczka ze środkiem suszącym, kolbka zanurzona w łaźni z suchym lodem, chłodnica wypełniona mieszaniną suchego lodu z acetonem. Chłodnica miała formę pustego płaszcza, jak w naczyniu Dewara, w który wprowadzało się pary, i wgłębionego "palucha" do którego dodawało się mieszaniny chłodzącej. Suchy lód dodany do acetonu, mającego za zadanie  przewodzić ciepło, pozwala osiągnąć temperaturę - 78 stopni C.

Aby przyspieszyć wydzielanie gazu ogrzewałem łagodnie kolbkę dmuchawą przypominającą suszarkę, ale ogrzewającą strumień powietrza powyżej stu stopni. Zawartość kolby burzyła się:

Zaś amoniak nie chciał się skraplać. Po kwadransie zaczęliśmy sądzić, że coś mogło się nie udać, że na przykład płuczka susząca ma za dużą objętość, albo chłodnica za słabo chłodzi. Aż wreszcie po starciu gromadzącego się na kolbce szronu zauważyłem że u wylotu rurki tworzą się bąbelki - jest zatem jakaś ciecz. Potem pozostawało tylko przerwać ogrzewanie i podnieść kolbkę, aby pokazać obecnym kilka centymetrów bezbarwnej cieczy, silnie załamującej światło:

I to było to.
Dodać sodu dla pokazania wyglądu roztworu zapomnieliśmy.

Synteza dwuetapowa I : otrzymywanie 2,4,6-tribromoaniliny

Ponieważ tą syntezę przeprowadzałem w dwóch etapach, również dwuczęściowa będzie notka na ten temat. Celem tej syntezy, było przeprowadzenie Aniliny w 1,3,5-tribromobenzen, przy czym reakcja została rozbita na dwie części:
I - otrzymanie z Aniliny jej tribromopochodnej
II - otrzymanie z produktu poprzedniej reakcji, tribromopochodnej benzenu
Musiałem tak dobrać ilości reagentów, aby otrzymać około 1 g końcowego produktu. Zanim jednak opowiem jak do tego doszło, omówię wyjściowe związki:

Anilinę omawiałem już pokrótce w notce o otrzymywaniu benzylidenoaniliny, jednak powtórzę: jest to najprostsza amina aromatyczna, w której do jednego z węgli pierścienia benzenowego przyłączona jest grupa -NH2 . Ma postać bezbarwnej cieczy o zapachu nieświeżych ryb. Jest toksyczna, powoduje rozpad czerwonych krwinek, i łatwo wchłania się przez skórę - dlatego podczas pracy z nią nosiłem rękawiczki. Jednak dla chemika najważniejsza jest jej reaktywność.
Anilina jest pod tym względem podobna do fenolu, gdyż i tutaj zachodzi zaktywowanie pierścienia i ułatwienie ataku elektrofilowego w reakcjach substytucji. Wskutek efektu mezomerycznego, wolna para elektronowa z atomu azotu grupy aminowej może przechodzić na pierścień, tworząc trzy możliwe struktury, w których nadmiarowy ładunek ujemny pojawia się w trzech pozycjach:

Struktury mezomeryczne aniliny

dlatego też podstawniki podstawiają się w tych miejscach, tworząc orto i para pochodne. Jednak anilina jest w reakcjach znacznie bardziej reaktywna. Gdy nitrowałem fenol, musiałem potraktować go stężonym kwasem i przez dłuższy czas mieszać, również dla bromowania wymagane są specjalne warunki, a i tak najpierw otrzyma się monopochodne a dopiero przy dalszym bromowaniu powstaną pochodne bardziej podstawione. Natomiast w przypadku aniliny od razu otrzymujemy pochodną podstawioną w trzech miejscach i nie musimy stosować agresywnych reagentów - natomiast otrzymanie pochodnej z jednym podstawnikiem wymaga całkiem innych niż tu przedstawione, specyficznych reakcji .

Brom

Brom to niemetaliczny pierwiastek chemiczny z grupy fluorowców, mający w temperaturze pokojowej postać brunatnej, łatwo lotnej cieczy - jako drugi pierwiastek po rtęci - wydzielającej cięższe od powietrza, brązowe opary o ostrym, niemiłym zapachu. Stąd zresztą wywodzi się jego nazwa - łacińskie bromos znaczy "smród". Osobiście nie kojarzyłem tego zapachu z niczym konkretnym, był ciężki, nieprzyjemny, ostry niczym chlor ale nie tak świdrujący w nosie. Nawąchałem się go podczas pracowni, aż zaczęło mi się kręcić w głowie - nic zresztą dziwnego, jest bowiem równie jak chlor trujący, a w postaci ciekłej powoduje ciężkie, trudno się gojące oparzenia skóry, stąd praca w rękawiczkach i pod wyciągiem.

Brom ma postać cząsteczek dwuatomowych, lecz chętnie tworzy aniony. Stąd pytanie - skoro tworzy aniony, a więc postać obdarzoną ładunkiem ujemnym, to dlaczego reaguje w substytucji elektrofilowej? Powinien przecież chętniej oddawać jeden nadmiarowy elektron, niż przyjmując podczepiać się do czegokolwiek. Gdy się tak zastanowić, jest to pytanie jak najbardziej słuszne. Gdy nitrowałem fenol, kwas azotowy i siarkowy reagowały ze sobą, dając nietrwały ale dodatnio naładowany kation nitroniowy (NO2+), tutaj natomiast wykorzystywał będę praktycznie tylko sam brom. Otóż jak już pisałem, tworzy on cząsteczki dwuatomowe. Gdy taka cząsteczka zbliży się do pełnego elektronów pierścienia benzenowego, nastąpi jej częściowa polaryzacja - na jednym atomie pojawi się mały ładunek ujemny a na drugiej mały ładuneczek dodatni. To wystarcza, aby jeden atom bromu mógł podstawić się do miejsc z zagęszczonym ładunkiem ujemnym, wypychając wodór, który z drugim bromem utworzy bromowodór, ogółem zatem reakcja przebiegnie tak:

Bromowanie aniliny

I tak oto powstaje nasz półprodukt.

U Vogla* pojawiają się dwie metody prowadzenia syntezy. Pierwsza wymagała złożenia aparatury złożonej z dwóch kolb dwuszyjnych. W jednej kolbie znajduje się brom, zaś rurka odchodząca od bocznego wylotu tej kolby, prowadzi do drugiej, gdzie zanurzona jest w roztworze aniliny w kwasie octowym lodowatym. Boczny wylot drugiej kolby połączony jest z pompką wodną wytwarzającą podciśnienie. Ogółem zatem rzecz miała wyglądać następująco: w kolbie z bromem, włożonej do miski z ciepłą wodą powstają opary gazowego pierwiastka, które następnie są zasysane i wprowadzane bezpośrednio do aniliny w drugim naczyniu. Reakcja miałaby być prowadzona aż do zażółcenia mieszaniny w drugiej kolbie. Byłby to proces trwający około 2 - 3 godziny (przy przepisowej ilości składników) i z wydajnością 63%. Nie mam nigdzie rysunku aparatury i mam nadzieję, że czytelnik jakoś rzecz sobie wyobraził. Nie mam też zdjęcia, bo tego przepisu nie realizowałem, zająłem się drugim podawanym sposobem, będącym znacznie prostszym, szybszym i wydajniejszym. A zatem:

Rozpuściłem w zleweczce odpowiednią ilość aniliny w czterokrotnej objętości stężonego kwasu octowego, służącego za rozpuszczalnik. Z kwasem octowym wymieszałem też płynny brom i umieściłem we wkraplaczu. Do zlewki wrzuciłem mieszadełko magnetyczne, włożyłem ją do krystalizatora napełnionego wodą z lodem i postawiłem na mieszadle. Moja nieskomplikowana aparatura wyglądała zatem tak:

Aparatura

Teraz należało zatem włączyć mieszadło, odkręcić kurek wkraplacza i po wlaniu całej ilości odczekać jakiś kwadrans aż całość się dobrze rozmiesza, przyjmując postać brązowo-pomarańczowej pasty:

Miesza się

Po zakończeniu reakcji zawartość zlewki wylałem na dużą ilość wody a następnie całość przesączyłem pod zmniejszonym ciśnieniem przez lejek Buchnera, kilkukrotnie przemywając wodą dla usunięcia resztek bromu.

Po wysuszeniu tribromoanilina miała postać miałkiego, białego proszku, przypominającego talk:

2,4,6-trobromoanilina

Zaletą tak prowadzonej reakcji, oprócz krótkiego czasu i łatwości przeprowadzania, jest też wydajność - składniki reagują ze sobą ilościowo, co oznacza że cała użyta anilina powinna zostać zbromowana. I rzeczywiście, otrzymałem tyle produktu ile wynikałoby z obliczeń a nawet i trochę więcej, co przypisuję temu, że mając na uwadze małą wydajność moich poprzednich syntez, zaokrąglałem ilości reagentów gdy je odmierzałem.

I tak z głową ciężką od smrodliwego bromu, skończyłem pierwszy etap syntezy. A jak to było z drugim etapem i po co to całe zamieszanie, objaśnię w następnym wpisie.
----
Źródła:
* Vogel Arthur Israel, Preparatyka organiczna, WNT 1984, s. 592-3

Zdjęcia moje. Co do rysunku mezomerii aniliny - nie znalazłem dobrego w internecie, więc przerobiłem w Paincie rysunek mezomerii fenolu, który wykorzystałem w poprzednich wpisach

Otrzymywanie benzylidenoaniliny

Mimo pewnych zaległości udało mi się zrobić kolejny preparat. Oczywiście udokumentowałem ten fakt, aby móc sporządzić nową notkę. Tym razem wytworzyłem Benzylidenoanilinę.

Benzylidenoanilina, czy też dokładniej N-benzylidenoanilina, to związek organiczny, należący do klasy Imin, a więc związków w których atom azotu, połączony jest wiązaniem podwójnym z atomem węgla, tworząc analog grupy karboksylowej. W odróżnieniu od tlenu, azot jest trójwiązalny i wiąże jeszcze jeden podstawnik, którym może być wodór, lub grupa alkilowa - w tym ostatnim przypadku, Iminy nazywane są też zasadami Schiffa.
Zasady Schiffa są zasadami w sensie Lewisa, jako że azot posiada wolną parę elektronową, mogą zatem stać się ligandami silnie zabarwionych kompleksów z metalami ciężkimi, co pozwala wykorzystać je w kolorymetrycznym oznaczaniu tych pierwiastków.

Iminy łatwo można wytworzyć w reakcji kondensacji aldehydów lub ketonów z aminami pierwszorzędowymi. Znalazłem, że ten typ reakcji powinien być nazywany z angielska "Alkylimino-de-oksy-bisubstitution", ale w języku polskim nazwa najwyraźniej nie jest używana i nie ma swego odpowiednika[1].

Reakcja przebiega dwuetapowo:

Pierwszym etapem jest addycja nukleofilowa do węgla w grupie karbonylowej. Ponieważ tlen jest znacznie bardziej elektroujemny od węgla, następuje polaryzacja wiązania między nimi, tak, że na tlenie pojawia się cząstkowy ładunek ujemny a na węglu cząstkowy ładunek dodatni.
Aminy pierwszorzędowe posiadają wolną parę elektronową na atomie azotu, stanowiąc nukleofil - a więc odwrotnie od już omawianych elektrofili, chętnie oddające ładunek ujemny.
Następuje atak nukleofilowy na węgiel grupy karbonylowej:


Tworzy się nietrwały produkt pośredni, w którym następuje przegrupowanie z przeniesieniem aminowych atomów wodoru na tlen. Powstaje grupa HOH będąca dobrą grupą opuszczającą.
A teraz następuje drugi etap, czyli eliminacja powstałej cząsteczki wody. I tak mamy iminę.

Synteza, którą przeprowadzałem na zajęciach, przebiegała właśnie w ten sposób. Substratami reakcji był aldehyd benzoesowy i anilina. Co to za substancje?

Aldehyd benzoesowy, inaczej benzaldehyd to żółtawa, oleista ciecz o intensywnym zapachu migdałów. Nic zresztą dziwnego - występuje w naturze w pestkach owoców i w migdałach, w formie pochodnej glikozydowo-cyjankowej zwanej Amigdaliną która ulega powolnej hydrolizie, na benzaldehyd, glukozę i cyjanowodór, który zresztą - co ciekawe - również pachnie migdałowo. Rozkład ten następuje także w organizmie, na przykład w żołądku, przez co zjedzenie zbyt dużej ilości gorzkich migdałów, może mieć negatywne następstwa zdrowotne.

Anilina to najprostsza amina aromatyczna. Grupa aminowa, będąca w zasadzie cząsteczką amoniaku pozbawianą jednego z wodorów, jest połączona bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym. Przez obecność na azocie wciąż wolnej pary elektronowej anilina ma właściwości zasadowe (w ujęciu Lewisa), mogąc przyjąć proton, stąd też łatwo tworzy sole amoniowe (np. chlorowodorek aniliny). Ma postać bezbarwnej cieczy o niemiłym zapachu (specjalnie nie wąchałem, ale podobno śmierdzi rybami). Jest silną trucizną, powodującą rozpad czerwonych krwinek, może wchłaniać się przez skórę.

Gdy uczyłem się jeszcze w lubelskim technikum chemicznym, prowadząca zajęcia opowiadała nam historię uczennicy, która zajmowała się destylacją aniliny. Podczas rozbierania sprzętu niechcący oblała sobie spodnie resztką destylatu z chłodnicy, ale tylko wytarła to fartuchem i nic nie powiedziała. Dopiero w domu poczuła się słabo, a jej rodzice zauważyli, że zsiniały jej usta, co jest jednym z objawów zatrucia. Oczywiście ją odratowano. Jestem pewien, że każdy nauczyciel ma na podorędziu takie umoralniające opowieści, mające przestrzegać przed zapominaniem o regulaminie. Niektóre mogą być nawet prawdziwe.
Reakcja przebiega wedle omawianego już schematu w następujący sposób:

Anilina + Benzaldehyd = Benzylidenoanilina

A teraz czas na właściwą relację:

Odmierzyłem anilinę i benzaldehyd wedle przepisu[2]:

Benzaldehyd

Oba płyny wlałem do kolbki kulistej na 50 ml, po czym mieszałem przez kwadrans. Zawartość kolby przybrała kolor żółty, mętniejąc od wydzielającego się produktu. Równocześnie mieszanina zagrzała się, zaparowując kolbkę, co wyglądało tak:

Podczas syntezy

Gdy minęło przepisowe 15 minut, zawartość kolby przelałem do zlewki ze spirytusem rektyfikowanym, w którym rozpuściła się, tworząc żółty roztwór. Zlewkę chłodziłem w krystalizatorze z wodę i mieszałem, czekając aż wykrystalizuje. Czekałem, aż wykrystalizuje i mieszałem i mieszałem, aż dorzuciłem do krystalizatora lodu i dalej mieszałem. Mieszałem i czekałem, i w końcu zaniepokoiłem się, że może coś nie wyszło, bo produkt dalej nie krystalizował. W końcu postanowiłem zdrapać, trąc o brzeg zlewki, osad jaki pojawił się na bagietce w miejscu gdzie krople roztworu wyparowały, i wrzucić te okruchy jako zarodki krystalizacji. Pomysł okazał się dobry, bo gdy tylko zamieszałem, zawartość zgęstniała niczym kaszka z mlekiem.

Wykrystalizowany produkt

Teraz pozostawało tylko przesączyć to przez lejek Buchnera, otrzymując lekko żółtawą "kaszę":

Benzylidenoanilina

Benzylidenoanilina to ciało stałe, o gęstości 0,956 g/cm³, nierozpuszczalną w wodzie. Działa drażniąco na skórę i błony śluzowe. inna metodą otrzymywania, może być redukcja N-benzylo-N-nitrozoaminy, co jest jednak procesem długotrwałym i mało wydajnym.[3]
Oprócz zastosowań specyficznych, np. do syntezy kompleksów, służy do otrzymywania innych związków benzylowych. Natknąłem się również na opis ekstrakcyjnego oddzielenia mikrośladów Renu z mieszanin z innymi metalami szlachetnymi, za pomocą benzyloaniliny zmieszanej z chloroformem, jako rozpuszczalnika. [4]

Edit:
Gdy po tygodniu wyjąlem preparat z szafki, okazało się, że zbrązowiał:
co mu się podobno może zdarzyć. Wydajność jednak wyszła mi dość niska, bo 50% teoretycznej, mimo to prowadzący zajęcia był zadowolony, bo związek był mu akurat potrzebny do czegoś innego.
Teoretyczna temperatura topnienia to 52 stopnie, mi zaś wyszedł przedział 49-51, co jest jeszcze dobre. Przy okazji zauważyłem, że brązowa warstewka topi się już w 46 stopniach.
---
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Alkylimino-de-oxo-bisubstitution
[2] Mieczysław Mąkosza "Synteza organiczna" PWN, Warszawa 1972r
[3] www.lookchem.com/N-Benzylideneaniline/
[4] M.M.Khosla & S.P.Rao, Analytical separation of rhenium by extraction with n-benzylaniline in chloroform from sulphuric acid media, Analytika Chimika Acta - podobną metodą ekstrahuje się inne rzadkie pierwiastki
* http://pl.wikipedia.org/wiki/Amigdalina
*http://en.wikipedia.org/wiki/Imine