Jak sprawdzić kurkumę?

  Kurkuma to często używana przyprawa azjatycka, będąca składnikiem żółtego curry, ale też używana samodzielnie. Nadaje potrawom żółty kolor, lekko pikantny smak, może tylko zapach nie każdemu odpowiada. Wraz ze światową popularnością pojawiają się jednak problemy - bywa na różne sposoby fałszowana. Najpopularniejsza jak mi mówiono metoda, to chrzczenie mączką ryżową. Jeśli jest zmielona na drobny pył, to ziarenka skrobi zabarwią się od niej i ciężko je będzie wyłapać. Może tylko odcień stanie się jaśniejszy. 

  To jednak nie koniec. W zeszłym roku media doniosły o badaniach, z których wynikało, że mocno rozcieńczona innymi wypełniaczami kurkuma bywa podbarwiana różnymi innymi substancjami o podobnym kolorze.[1] Na przykład pigmentem chromianem ołowiu, który nie jest zbyt zdrowym zamiennikiem. Ponieważ sprawa zrobiła się głośna, pojawiły się propozycje testów na wykrycie fałszerstwa. Niektóre niestety są bałamutne i służą tylko nastraszeniu. 

  Jedną z porad jakie znajduję jest sprawdzenie zmiany barwy pod wpływem zasadowego środowiska. Chromian ołowiu w warunkach alkalicznych ulega przemianom do związków czerwono-brunatnych. Główny problem z tym testem jest taki, że substancja barwiąca przyprawy, kurkumina, także reaguje na zmiany odczynu. I w zasadowym robi się... czerwona. 

 

Kurkuma potraktowana wodorotlenkiem sodu

W istocie więc tak wykonany test jedynie nas nastraszy, bo każda próbka kurkumy zmieni kolor.

  Zastanawiałem się zatem nad tym czy jest jakiś test na tyle prosty, że można go wykonać w domu nie posiadając specjalnych odczynników. I po kilku próbach stwierdziłem, że dobry rezultat daje ten najbardziej oczywisty - usunięcie żółtej kurkuminy w sposób, który nie rusza szkodliwego pigmentu. Kurkumina jest słabo rozpuszczalna w wodzie, natomiast dość dobrze w alkoholu i acetonie. Z kolei chromian ołowiu jest nierozpuszczalny zarówno w wodzie jak i tych rozpuszczalnikach.

  Sposób przetestowałem na próbce kurkumy dobrej jakości - wziąłem kłącze kurkumy w kawałkach. Ciężko wprowadzić nierozpuszczalny pigment do wnętrza kawałka kłącza. W znanych przypadkach zafałszowania korzenie były pokrywane pigmentem z wierzchu. Często bowiem podczas suszenia i przechowywania kawałki korzenia z wierzchu ciemnieją i brązowieją, mogą więc dla nie znającego tego surowca wyglądać nieapetycznie, toteż zabarwienie powierzchni nadaje mu bardziej atrakcyjny wygląd. Użyte w teście kawałki kłącza były szarawe. 

 

Rozdrobniłem je w moździerzu na drobny proszek:

 

  Po czym w małej zlewce zalałem ciepłym alkoholem. Po dokładnym rozmieszaniu odstawiłem naczynie, aby próbka opadła na dno i odlałem żółto zabarwiony roztwór. Po czym znów zalałem osad ciepłym alkoholem. Po trzech razach ostatecznie odsączyłem osad na sączku papierowym, który umieściłem na lejku i przemywałem małymi porcjami ciepłego alkoholu do zaniku zabarwienia odcieku. Użyłem dosłownie odrobinę, około 0,2-0,4g proszku, po to aby nie zużyć zbyt dużej ilości rozpuszczalnika. 

 

  Na sam koniec otrzymałem pozbawioną kurkuminy pulpę o jasnym, kremowym kolorze. Ciemniejsze cząstki okazały się kawałkami kory korzenia, ale pod lupą było widać, że i one nie są zabarwione na żółto. Wniosek - przynajmniej pigmentu chromianu ołowiu badana kurkuma nie zawierała. Zrobiłem więc test na kurkumie w proszku z opakowania przyprawy i efekt wyszedł taki sam. 

  Inne polecane testy są bardziej subiektywne i nie dotyczą wykrywania ołowiu. Przykładowo próba z  z zimną wodą da nam najwyżej informację, czy nie dodano do niej mąki lub barwników rozpuszczalnych. 

  Łyżeczkę przyprawy wymieszać z szklanką zimnej wody i odstawić na 20 minut. Przyprawa powinna opaść na dno. Kurkumina jest na zimno słabo rozpuszczalna, więc roztwór nad osadem powinien być słabo zabarwiony, w zasadzie to zabarwia go drobny pył. Mocny kolor roztworu, zwłaszcza bardziej pomarańczowy niż sama przyprawa, może sugerować użycie syntetycznego barwnika spożywczego. Z kolei długo się utrzymująca jasna zawiesina może wskazywać na domieszkę mąki - ale poza przypadkami skrajnie złej jakości ciężko obiektywnie ocenić, czy wygląd roztworu to już ten podejrzany kolor i mętność, czy tylko efekt mocnego zmielenia z dużą ilością bardzo drobnego pyłu, który dłużej się utrzymuje. Wykrycie któregoś z tych rodzajów fałszerstw nie oznacza, że przyprawa zawiera ołów; może wręcz zmniejszać takie ryzyko, bo jeśli już farbowano ją syntetycznym barwnikiem, to toksyczny pigment staje się niepotrzebny.

  Doniesienia z Indii podają, że tym często używanym barwnikiem spożywczym, którym fałszują też szafran, jest żółć metanilowa, barwnik azowy. Oprócz lepszej rozpuszczalności w wodzie można go zidentyfikować na podstawie zmian koloru w bardzo kwaśnych warunkach. Jeśli ktoś ma dostęp do trochę mocniejszych kwasów, na przykład 10% kwasu solnego, może sprawdzić czy zabarwiony roztwór znad kurkumy zmienia kolor z żółtego na czerwony. Dla żółci metanilowej następuje to poniżej pH 2. 

  A jak wykryć, że próbka przyprawy w ogóle zawiera kurkuminę a nie jest tylko farbowaną czymś innym mąką? Nie sądzę aby komuś coś takiego się trafiło, ale można się pobawić z pewną charakterystyczną reakcją. Proponuję zrobić alkoholowy roztwór jak w pierwszej opisanej próbie.        Do niezbyt stężonego dodać roztwór kwasu borowego, łatwego do nabycia w aptece, jest łagodnym środkiem ściągającym i odkażającym skórę. Kurkumina zawiera w cząsteczce dwie grupy ketonowe lub alkoholowe blisko siebie. Związki o takiej budowie łatwo tworzą z kwasem borowym związek kompleksowy spiro-boran. W przypadku kurkuminy powstały kompleks, rozocyjanina, ma różowo-czerwony kolor, trwały też w warunkach lekko kwaśnych. W praktyce wykorzystuje się to do oznaczania kwasu borowego w wodzie; reakcja jest bardzo czuła. 

 

Barwy kurkuminy - pośrodku roztwór alkoholowy. Po lewej pomarańczowy kompleks z kwasem borowym, po prawej czerwone zabarwienie w środowisku alkalicznym.

Rozocyjanina

Oczywiście ostatecznie jeśli mamy do przyprawy dużo wątpliwości lub mamy interes w tym aby kupiona kurkuma była dobrej jakości, to najlepiej wysłać próbkę do laboratorium analizy żywności.

-----

[1] https://foodfakty.pl/falszowanie-kurkumy-chromianem-olowiu

Chemiczne wieści (18.)

Najcięższy porfirynoid
Porfiryna to naturalny związek pierścieniowy, składający się z czterech mniejszych pierścieni pirolu, połączonych mostkami. Jej motyw jest zawarty w wielu ważnych biologicznie cząsteczkach, w tym w chlorofilu, hemoglobinie czy witaminie B12.  Przez lata poznano wiele cząsteczek o analogicznej budowie, czasem też podobnych właściwościach. Teraz poznano najcięższy analog.
Badacze z Uniwersytetu w Marburgu donoszą o odkryciu dokonanym metodą syntezy jonotermalnej. W wyniku rozkładu tellurortęcianu sodu ( Na2[HgTe2] ) powstały kryształy, w których warstwach pojawia się skomplikowany jon nieorganiczny  [Hg8Te16]8−  o strukturze naśladującej pierścień porfiryny.

Związek nie ma charakteru aromatycznego, jak jego organiczny odpowiednik, jedynie pięciokątne pierścienie składowe wykazują lokalną sigma-aromatyczność. [1]

Nano-Saturn
Japońscy chemicy otrzymali związek o na prawdę nietypowym kształcie - fullerenowa kula wewnątrz płaskiego dysku, przypominająca Saturna z pierścieniami.

© Wiley-VCH

Podobne układy już próbowano wytwarzać, ale wówczas pierścień był zwykle dość szeroki. Strukturę starano się stabilizować przez oddziaływania pi-pi. W tym przypadku najzupełniej wystarczające okazały się oddziaływania między elektronami pi fullerenu a wodorami pierścienia (jest to jedna z odmian wiązania wodorowego). Powstały kompleks supramolekularny okazał się dość trwały, udało się go nawet wykrystalizować, dzięki czemu potwierdzono strukturę przy pomocy rentgenografii strukturalnej.[2]

Nanografen z młyna
Jedną z przeszkód w stosowaniu grafenu i podobnych mu cząstek jest trudność w otrzymaniu cząstek o odpowiedniej, pożądanej wielkości. Frakcjonowanie zawiesin otrzymanych z rozwarstwionego grafitu jest nieco kłopotliwe, zwłaszcza przy większej skali, a powstałe fragmenty mogą mimo identycznej masy wyraźnie różnić się kształtami. Dlatego chemicy najchętniej zastosowaliby po prostu syntezę fragmentów grafenu ze związków organicznych.
Ostatnio niemieccy chemicy z politechniki w Dreźnie opisali jeden z takich przypadków. Syntezowali fragment grafenopodobny (w zasadzie była to cząsteczka dużego WWA), poprzez sprzęganie sześciofenylobenzenu, to jest związku w którym sześciokątny pierścień benzenowy jest podstawiony kolejnymi sześcioma takimi pierścieniami. Wystarczy połączyć podstawniki ze sobą aby otrzymać płaską cząsteczkę złożoną z 13 sprzężonych pierścieni. Jeśli z kolei te boczne grupy fenylowe same byłyby podstawione takimi grupami, poprzez sprzężenie można otrzymywać fragmenty grafenowe o większych rozmiarach i ściśle określonych kształtach.

© Sven Grätz

Problemem w tym przypadku było jednak dobranie warunków reakcji. Silnie podstawione pochodne benzenu (heksa-trifenylo-fenylo-fenylo...) miały formę ciała stałego, które nie bardzo chciało się w czymkolwiek rozpuszczać. Ciężko więc było przeprowadzać reakcję sprzęgania w typowych warunkach reakcji w roztworze. Skoro tak, to należało użyć warunków nietypowych.
Sprzężenia dokonano przy pomocy reakcji Scholla, wytwarzającej wiązania między pierścieniami aromatycznymi przy pomocy chlorku żelaza jako katalizatora. Do przeprowadzenia syntezy użyto młyna kulowego, w układzie bez dodawanych żadnych rozpuszczalników. Podczas mieszania i mielenia, kule młyna uderzają w ziarna mieszaniny, zderzając je z siłą tak dużą, że możliwe jest zajście reakcji normalnie wymagających bardzo wysokich temperatur. Równocześnie intensywne mielenie zapewnia dobre wymieszanie składników. Tego typu reakcje mechanochemiczne są w ostatnich latach intensywnie badane.
W tym przypadku reakcja zaszła z zadowalającą wydajnością, prowadząc do powstania węglowodorów grafenopodobnych tak dużych, jak trójkątna cząsteczka złożona z 60 węgli w układzie 19 sprzężonych pierścieni.[3]

Niezwykłe klastry borków
Natomiast chińscy badacze donoszą o otrzymaniu ciekawych klastrów boru z lantanowcami. Lantanowce zawierają na powłoce walencyjnej f dość dużo elektronów, mogą więc tworzyć wiązki o wysokich liczbach koordynacyjnych. W tym przypadku otrzymano klastry o wzorze ogólnym Ln2B8, w którym atomy boru tworzą pierścień ośmiokątny i są połączone z dwoma atomami lantanowca po przeciwnych stronach, tworząc bipiramidę ośmiokątną. Jest to rzadka symetria. Ze względu na pewne podobieństwo do kompleksów kanapkowych, nazwano cząsteczkę "odwróconą kanapką".
 Tak powstała cząsteczka ma interesujące właściwości magnetyczne i może posłużyć do budowy molekularnych magnesów.[4]

© Wang Lab/Brown University

-----------
[1] Carsten Donsbach, Kevin Reiter ,Prof. Dr. Dage Sundholm, Priv.‐Doz. Dr. Florian Weigend, Prof. Dr. Stefanie Dehnen; [Hg4Te8(Te2)4]8−: A Heavy Metal Porphyrinoid Embedded in a Lamellar Structure ;Angew. Chem. Int. Ed Volume57, Issue28 July 9, 2018 Pages 8770-8774

[2] Yuta Yamamoto Dr. Eiji Tsurumaki Prof. Dr. Kan Wakamatsu Prof. Dr. Shinji Toyota; Nano‐Saturn: Experimental Evidence of Complex Formation of an Anthracene Cyclic Ring with C60, Angew Chem Int Ed. Volume 57, Issue 27 Pages 8199-8202

[3] Sven Grätz, Doreen Beyer, Valeriya Tkachova, Sarah Hellmann, Reinhard Berger, Xinliang Feng, Lars Borchardt. The mechanochemical Scholl reaction – a solvent-free and versatile graphitization tool. Chemical Communications, 2018; 54 (42): 5307

[4] Wan-Lu Li, Teng-Teng Chen, Deng-Hui Xing, Xin Chen, Jun Li, Lai-Sheng Wang. Observation of highly stable and symmetric lanthanide octa-boron inverse sandwich complexes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201806476

Chemiczne wieści (13.)

Nieorganiczny plastik
O związkach boru i azotu naśladujących strukturalnie związki organiczne wspominałem już w jednym z artykułach o anegdotach chemicznych (link). Atom boru zawiera jeden elektron walencyjny mniej niż węgiel, a azot jeden więcej. Po połączeniu w stosunku 1:1 tworzą związki izoelektronowe ze związkami węgla, wykazując takie cechy jak delokalizacja czy aromatyczność.

W tym roku doniesiono o jeszcze jednym  takim naśladownictwie - polimerach z powtarzalnymi członami -(BH2-NH2)-. Ich węglowym odpowiednikiem jest polietylen a z podstawnikiem fenylowym polistyren, będący głównym składnikiem styropianu. Udało się je otrzymać z mieszaniny borowodoru z amoniakiem przy pomocy katalizowanej związkami irydu reakcji sprzęgania połączonego z odwodornieniem. Powstały w ten sposób polimery krótkołańcuchowe mające na razie formę drobnego proszku. Potencjalnie poprawa warunków reakcji powinna pozwalać na otrzymanie cząsteczek o długich łańcuchach w formie ciała stałego.

Borazynowe polimery powinny mieć dobre właściwości mechaniczne, być odporne na czynniki chemiczne oraz co ważniejsze odporne termicznie i niepalne. Możliwe też, że odpowiednio podstawione i usieciowane będą nadawać się do magazynowania wodoru. [1]

Prosty test na fluorki
Zanieczyszczenie wód fluorkami jest problemem w wielu częściach świata, zwłaszcza w górniczych rejonach Indii, Tanzanii i niektórych stanach USA. Wynika to z obecności w glebie minerałów fluorkowych i wymywania ich przez zaburzone wody podziemne. Nadmierne spożycie związków fluoru doprowadza z czasem do chorób szkliwa i nadmiernej kruchości kości, zaś utwardzenie elementów chrzęstnych u rosnących dzieci, prowadzi do zaburzeń rozwoju i deformacji. Najprostszym sposobem zaradzenia temu jest znaleźć niezanieczyszczone źródło wody pitnej. I tu pojawia się problem - jak łatwo poznać, że woda z danej studni nie jest zanieczyszczona?

Istnieje kilka metod analitycznych wykrywających fluorki, ale dla zastosowana na biednych rejonach daleko od cywilizacji mogą się okazać nieprzydatne, albo wymagają użycia kilku odczynników i w razie zanieczyszczenia innymi fluorowcami będą dawać fałszywe wyniki, albo wymagają użycia sprzętu, który kosztuje i może być dostępny tylko w dużym mieście. Dlatego w ostatnio opublikowanej pracy opisano interesujący test kolorymetryczny - roztwór pewnego estru boronowego z dołączoną grupą azulenową, pod wpływem jonów fluorkowych zmienia kolor z niebieskiego na żółty. Zmiana barwy staje się wyraźna przy stężeniach przekraczających dopuszczalne poziomy 1,5 mg/l. Zaletą odczynnika jest to, że jest tani oraz bardzo selektywny, więc nie przeszkadzają mu inne jony zawarte w wodzie. Potencjalnie możliwe byłoby stworzenie testera w formie pytki lub pasków.

Glinen
Po raz pierwszy udało się otrzymać związek glinu z wiązaniem podwójnym Al=Al. Jest to ostatni trwały pierwiastek z grupy Borowców dla którego otrzymano taki związek. Borowce generalnie niechętnie tworzą takie połączenia, głównie ze względu na deficyt elektronów, naprężoną geometrię oraz nietrwałość związków na I stopniu utlenienia, a taki jest konieczny aby dwa pozostałe elektrony walencyjne mogły zająć się tworzeniem wiązań.
Prosty kompleks chlorku glino-silanu z dużym ligandem organicznym został potraktowany silnym reduktorem grafitkiem potasu (KC8). Po odjęciu dwóch jonów chlorkowych atomy glinu utworzyły wiązanie podwójne, zaś sam związek przybrał postać proszku o nietypowej dla tego pierwiastka purpurowej barwie. [3]

Palladowa pianka sprytnym sposobem
Nanopianki metaliczne to kolejny ciekawy materiał nad którym w ostatnich latach prowadzi się wiele badań. Jest to materiał porowaty, o pustych porach wielkości poniżej 100 nm i podobnej wielkości elementów struktury. Najchętniej stosowaną obecnie metodą jest wypalanie proszku pewnego kompleksu metalicznego, który rozkłada się z wydzieleniem gazów i pozostawieniem nanostruktur z czystego metalu, które splecione tworzą trójwymiarową piankę.
Powstały wówczas metalowy aerożel może osiągać gęstość do 0,01 g/cm3 oraz powierzchnię struktury do 250 m2/g. Dzięki temu staje się bardzo efektywną formą katalizatorów do reakcji w stanie gazowym lub ciekłym.

Jednak metoda ta bywa nieco kłopotliwa, głównie przez brak dobrej kontroli nad strukturą oraz konieczność użycia toksycznych reagentów i wysokich temperatur. W najnowszej publikacji wskazano zaskakująco prostą metodę z użyciem zdecydowanie łagodniejszych warunków.
Badacze z University od California użyli palladowych nanoprętów, możliwych do otrzymania drogą syntezy. Zostały one zawieszone w wodzie i mieszane przy pomocy ultradźwięków, które wprowadzając mieszaninę w drgania zapobiegały opadaniu dość ciężkich pręcików. Powstała dynamiczna struktura palladowego "błotka" utrzymywanego w luźnej postaci dźwiękami, została następnie bardzo szybko zamrożona poprzez zanurzenie w ciekłym azocie. Powstały w takich warunkach lód szklisty zachował luźną strukturę.
Zamrożoną próbkę umieszczono w próżni, dzięki czemu lód odsublimował, pozostawiając już tylko pustą strukturę splecionych ze sobą nanoprętów. Powstała w ten sposób nanopianka jest jeszcze lżejsza i ma bardziej optymalny stosunek masy do powierzchni.[4]

© Dustin Gilbert and Kai Liu, UC Davis

Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp

------
[1] D A Resendiz-Lara et al, Chem. Commun., 2017, 53, 11701
[2] Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp

Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp

Simon E. Lewis "Azulene-boronate esters: colorimetric indicators for fluoride in drinking water", Chemical Communications, 2017

Read more at: https://phys.org/news/2017-11-simple-crippling-bone-disease.html#jCp

[3] Bag P, Porzelt A, Altmann PJ, Inoue S, A Stable Neutral Compound with an Aluminum-Aluminum Double Bond. J Am Chem Soc. 2017 Oct 18;139(41):14384-14387
[4]  Kai Liu et al. Tunable Low Density Palladium Nanowire Foams. Chemistry of Materials, 2017

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

Chemiczne wieści (3.)

Tlen na komecie
Misja Rosetta badająca kometę 67/P Churymov-Gerasimenko budzi dziś mniejsze zainteresowanie, zwłaszcza od czasu nieszczęśliwie przedwczesnego końca lądownika, niemniej instrumenty sondy wciąż wysyłają ciekawe dane. Najnowsza publikacja Nature donosi o wykryciu w gazach wytryskujących z powierzchni jądra kometarnego molekularnego tlenu.

Jednym z instrumentów badawczych sondy jest spektrometr masowy ROSINA-DFMS. Przyrząd ten jonizuje gazy i wykrywa masy składających się nań cząsteczek, wykorzystując skłonność jonów do ruchu w polu elektrycznym z prędkością zależną od stosunku masy do ładunku. Dzięki temu możliwa jest szybka identyfikacja składu.
Dzięki niemu wiadomo było, że większość składu gazów emitowanych przez jądro kometarne (do 95%) stanowiła para wodna oraz tlenek i dwutlenek węgla. Bardziej interesujące okazały się składniki stanowiące resztę. Głównym okazał się być cząsteczkowy tlen, po nim elementarna siarka i metanol, ponadto ślady tlenków azotu i hydrazyny.

Skąd jednak tlen na komecie?
Jego zawartość porównano ze stężeniem dwutlenku węgla, tlenku i pary wodnej, wykazując że tylko w tym trzecim przypadku zachodzi wyraźna korelacja stężeń. Jeśli stężenia tlenu są powiązane ze stężeniami wody, to widocznie gazy te uwalniane są razem. Najprawdopodobniej promieniowanie ultrafioletowe wywołuje radiolizę lodu wodnego na powierzchni komety, powodując powstanie tlenu, który miesza się z lodem i wraz z nim sublimuje. Zachodzenie takiej reakcji potwierdzono zresztą eksperymentalnie. [1]

Fraktalne trójkąty
Fraktale to struktury samopodobne. Matematycznie ujmując, strukturę opisuje pewien prosty algorytm, którego nieskończone iteracje tworzą coraz mniejsze elementy, zachowujące podobieństwo do całości. Ta prostota sprawiająca, że rozległy i wydawałoby się skomplikowany wzór da się wywieść z kilku powtarzanych wciąż reguł sprawia, że struktury fraktalne bardzo często pojawiają się w przyrodzie, jako podstawa dla na przykład organizacji kolonii, układu żyłkowania liści, rozkładu pierzastych listków paproci czy form krystalicznych.

Jednym z pierwszych opisanych matematycznie fraktali, jest trójkąt Sierpińskiego. Ten polski matematyk zaproponował w 1915 roku figurę, otrzymaną wedle następującego algorytmu:
- Weź trójkąt równoboczny i łącząc środki boków podziel go na cztery mniejsze trójkąty
- Usuń trójkąt w środku
- Podziel w taki sam sposób trójkąty które pozostały
- Usuń trójkąciki po środku
- Powtórz operację w nieskończoność.

Wydawałoby się że w takiej sytuacji nic na z tego trójkąta powinno nie pozostać, w rzeczywistości jednak, ponieważ operujemy tutaj matematycznie na figurach teoretycznych, po nieskończonych podziałach i usuwaniach trójkątów otrzymamy zbiór punktów matematycznych o charakterystycznym, stałym układzie, który powtarza się w kolejnych powiększeniach w dowolnym miejscu tego trójkąta. Pole takiej figury jest zerowe.

Później wymyślono jeszcze inne podobne figury, jak dywan Sierpińskiego oparty o kwadraty, czy też bardziej dziś znane drzewkowate fraktale używane do tworzenia pięknych grafik komputerowych.

Ale co to ma wspólnego z chemią?  Otóż chemicy od dawna zastanawiali się nad produkcją materiałów o strukturze fraktalnej. Jednym z rozwiązań są dendrymery, czyli cząsteczki o wielu rozgałęzieniach, które rozgałęziają się na mniejsze rozgałęzienia a te na jeszcze mniejsze i tak dalej dopóki tylko atomy gałązek jeszcze się w kolejnej warstwie mieszczą. Cząsteczki takie mają formę kulek, których modele przypominają nieco skonfundowanego jeża. Ta oparta jest o etylenodiaminę i amid kwasu propanowego:

Dendrymery bada się obecnie intensywnie pod kątem użycia jako nośniki leków, zewnętrzna warstwa gałązek tworzy bowiem powłoczkę z małymi porami, lecz wewnątrz pojawiają się znaczne, puste przestrzenie w których umieścić można pewną ilość potrzebnej substancji, jaką należy przetransportować w organizmie w pewne określone miejsca.
Tym ciekawsze są próby stworzenia płaskiej cząsteczki o strukturze Trójkąta Sierpińskiego.

Pierwszym takim doniesieniem była obserwacja struktur w pewnym stopniu podobnych do tego fraktala w agregatach DNA na odpowiednim podłożu. Fragmenty DNA ukształtowane w formie molekularnych płytek łączyły się końcami tworząc wzór, który badano mikroskopem sił atomowych.[2]
W zeszłym roku dwaj badacze z UMCS przedstawili symulacje, pokazujące że struktury Trójkąta Sierpińskiego powinny powstawać w warstwach zawierających sztywne cząsteczki organiczne zgięte pod odpowiednim kątem i łączące się na obu końcach za pośrednictwem jonów metalu, jako wynik spontanicznej samoorganizacji.[3]
Pomysł ten okazał się chyba bardzo obiecujący, skoro wyraźnie opierają się na nim najnowsze doniesienia. Najpierw podano informację o tym, że kompleksy terpirydyny z jonami miedzi tworzą struktury stanowiące fragment trójkąta Sierpińskiego.[4] W marcu pojawiła się praca chińskich chemików opisujących tworzenie się rozległych płatów fraktalnego wzoru w wyniku osadzania na powierzchni srebra dwóch podstawowych "cegiełek" - pochodnej terfenylu, z trzema pierścieniami benzenowymi połączonymi wiązaniem w zagiętą cząsteczkę i dwoma atomami bromu na końcach; oraz pochodnej kwaterfenylu zawierającej jeden pierścień benzenu więcej. Cząsteczki te łączyły się ze sobą przez oddziaływania między bromem a wodorem.[5]
Najnowsza praca opisuje płaty kompleksów dwunitrylu terfenylu z niklem na powierzchni srebra, w których pojawiają się płaty wzoru Trójkąta Sierpińskiego. [6]

Barwnik z ery jurajskiej
Skamieniałości dawnych zwierząt i roślin w większości wyglądają jak specyficznie ukształtowana skała, są szare, białe, niekiedy opalizują jak perła. Dlatego zachowanie się pewnych barwników sprzed milionów lat stanowi ciekawy przypadek. Tak jest ze skamieniałościami wymarłych jurajskich alg Solenopora o wapiennych skorupkach, które tworzyły gąbczaste kolonie, z czasem kamieniejące, z przerastającymi rocznymi warstwami. W przypadku niektórych okazów daje się zauważyć wyraźne różowe zabarwienie, będące najwyraźniej pozostałościami pierwotnego pigmentu. W niedawno opublikowanej pracy zbadano właściwości tego barwnika, stwierdzając że to bardzo nietypowa substancja.

Barwnik otrzymany ze skamielin Solenopora jurassica sprzed około 150 milionów lat, składa się z dwóch fragmentów węglowodorowych, stanowiących najwyraźniej nie znaną pochodną antybiotyku klostrubiny A (clostrubin A) i połączonych przez atom boru ugrupowaniem spiroboranowym. Związki organiczne zawierające bor są w naturze ogółem dosyć rzadkie.
Klostrubina jest antybiotykiem wykazującym aktywność przeciwko wielu szczepom odpornych drobnoustrojów i dlatego wzbudza duże nadzieje. Jest substancją poznaną całkiem niedawno, wyizolowaną w zeszłym roku z bakterii z rodzaju Clostridium.  Duże podobieństwo struktur nowego antybiotyku i cząsteczki skamieniałego barwnika, nazwanego borolitochromem (czyli dosłownie borowym barwnikiem kamieni) jest o tyle ciekawe, że dotyczy różnych grup organizmów. Najwyraźniej geny odpowiedzialne za syntezę od dawna krążą w ekosystemie, gdzieniegdzie ujawniając się wyraźnie.
[7]

Borolitochrom i skała z której go otrzymano.

Ile atomów tworzy metal?
Wraz z przyjęciem i potwierdzeniem atomowej teorii budowy materii, chemicy i fizycy o bardziej filozoficznym zacięciu zaczęli zastanawiać się nad w sumie dość oczywistym pytaniem - ile potrzeba atomów bądź cząsteczek, aby z materii utworzyć materiał? Pojedynczy atom węgla ma inne właściwości niż choćby najmniejszy diament, trudno jest jednak wskazać moment, gdy następuje to przejście. Jest to swoisty odpowiednik "paradoksu łysego" - dwa stany skrajne, to jest łysina i pełne owłosienie, są od siebie bardzo wyraźnie różne; zarazem jednak jeśli osobie o pełnym owłosieniu zaczną pojedynczo wypadać włosy, trudno będzie nam wyznaczyć dokładną granicę od kiedy można już mówić o łysinie a kiedy jeszcze jest to tylko przerzedzenie włosów.
Ostatnie badania klastrów atomów metali pokazują jednak, że granicę naszej niepewności można w dużym stopniu zawęzić.

Metale to substancje stałe charakteryzujące się obecnością swobodnych elektronów poruszających się po sieci krystalicznej i tworzących wspólną, dużą chmurę elektronową. Właśnie dlatego metale dobrze przewodzą ciepło i elektryczność oraz odbijają światło ze srebrzystym, metalicznym połyskiem. Odpowiednio duże skupiska atomów metali też będą tworzyły swoją chmurę elektronową ale już pozostałe właściwości metaliczne niekoniecznie mogą być realizowane. Bardzo małe klastry zachowują się jak cząsteczki jakiegoś związku, często wykazując dość nieoczekiwane właściwości, przykładowo klastry 13 atomów glinu zachowują się jakby były atomem halogenku, mogąc oddawać elektrony i tworzyć aniony.

Fińscy chemicy z Uniwersytetu Jyväskylä badali takie właśnie graniczne klastry atomów złota, sprawdzając w jaki sposób reagują ze światłem. Klastry małe, mniejsze niż 102 atomy, zachowywały się jak cząsteczki. Pod wpływem fotonów przybierały pewne stany energetyczne obejmujące cały klaster, a wypromieniowanie i rozproszenie energii następowało stosunkowo (jak na atomową skalę) wolno. Grupy powyżej 144 atomów zachowywały się tak jak makroskopowe kawałki metalu, to jest szybko rozpraszały energię padającego światła, odbijały je zgodnie z prawem odbicia od lustra i nie przyjmowały ogólnoklastrowych stanów energetycznych.
Różnica była dość drastyczna - klastry większe o 42 atomy rozpraszały energię fotonów 100 razy szybciej. Natomiast klastry o wielkościach pośrednich wykazywały pośrednie własności, szybko zmieniające się z dodawaniem kolejnych atomów.
Tym samym w pewnym stopniu możliwe staje się wyznaczenie granicy między światem praw kwantowych a światem zjawisk fizyki klasycznej.[8]

-------------------
Źródła:
[1] A Bieler et al, Nature, 2015, DOI: 10.1038/nature15707
[2] Paul W K Rothemund, Nick Papadakis, Erik Winfree; Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles. PLoS Biol 2004 Dec 7;2(12):e424. Epub 2004 Dec 7. [Open Acces]
[3] D. Nieckarz, P. Szabelski; Simulation of the self-assembly of simple molecular bricks into Sierpiński triangle,  Chem. Commun., 2014,50, 6843-6845
[4] Rajarshi S. et al.;  One-step multicomponent self-assembly of a first-generation Sierpiński triangle: from fractal design to chemical reality. Angew Chem Int Ed Engl 2014 Nov 11;53(45):12182-5.
[5] Shang J. et al.; Assembling molecular Sierpiński triangle fractals, Nature Chemistry 7, 389–393 (2015) 
[6] Sun Q. et al.; On-surface construction of a metal–organic Sierpiński triangle, Chem. Commun., 2015,51, 14164-14166
[7] Klaus Wolkenstein et al. Structure and Absolute Configuration of Jurassic Polyketide-Derived Spiroborate Pigments Obtained from Microgram Quantities, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (42), pp 13460–13463 (2015).[Open Access]
[8] Mustalhi S. et al.; Molecule-like Photodynamics of Au₁₀₂(pMBA)₄₄ Nanocluster, ACS Nano, 2015, 9 (3), pp 2328–2335

Jeszcze garść anegdot

A oto kilka kolejnych anegdot o chemikach, których nie umieściłem w poprzednich wpisach, bo na przykład wówczas o nich nie wiedziałem albo mi nie pasowały. Tym razem bez jednolitego tematu.

Chaos twórczy
Wynalazków dokonuje się w głowach. Nawet gdy dopomaga nam szczęśliwy zbieg okoliczności, trzeba uwagi aby w przypadku dostrzec nowe zjawisko. Często jednak wynalazek jest jedynie końcowym produktem dłuższego procesu, zaczynającego się w umyśle od myśli "a może by tak spróbować inaczej". Istnieją rozbudowane teorie innowacyjności, mające dopomóc w pomyśleniu o problemie na tyle niestandardowo, aby znaleźć dlań nowe rozwiązanie. Systematyczne i logiczne rozpatrywanie wszystkich możliwości, nawet tych najbardziej banalnych i z pozoru nieużytecznych, powinno doprowadzić wynalazcę do celu.
A gdy logika zawodzi, trzeba pomóc szczęściu. Mieszając, bałaganiąc, bawiąc się...

Robert H. Wentorf Jr. był amerykańskim chemikiem, zajmujący się głównie tworzeniem nowych materiałów. Już w latach pięćdziesiątych zwrócił na siebie uwagę pracami na temat przemian fazowych grafit/diament, w których stwierdził, że dla odpowiednio dużych ciśnień grafit stanie się diamentem dzięki katalizatorom w postaci stopionych metalów przejściowych. W kolejnych latach opracował technologię otrzymywania dużych kryształów, nadających się do użytku technicznego, jednak jego największe odkrycie dotyczyło czegoś innego.
Grafit jest polimorficzną odmianą węgla, będącą sześciokątną siatką tworzącą cienkie płaszczyzny, trzymające się siebie dosyć luźno za sprawą oddziaływań międzycząsteczkowych. Strukturę taką można porównać do stosu kartek papieru, w którym kartka składa się ze ściśle powiązanych włókienek, tworzących mocną strukturę, zaś poszczególne arkusze nie rozsypują się tylko za sprawą tarcia. Wentorf udowodnił, że stosując duże ciśnienie można sprawić, że te płaszczyzny zbliżą się do siebie na odległość podobną do tej, w jakiej znajdują się dobrze powiązane atomy w płaszczyźnie, i dzięki odpowiednim warunkom płaszczyzny scalą się, przechodząc w ścisłą i litą strukturę diamentu.

Gdy później szukał informacji na temat podobnych struktur, zwrócił uwagę na azotek boru. Jest to ciekawa substancja, o właściwościach zaskakująco podobnych do węgla. Bor i azot leża po dwóch stronach węgla w układzie okresowym - ten pierwszy ma o jeden elektron walencyjny mniej niż węgiel, a ten drugi jeden więcej. Jeśli połączyć je ze sobą w strukturę naprzemienną, to cała cząsteczka będzie miała tyle samo elektronów, co jej węglowy analog. Borazyna, będąca sześciokątnym pierścieniem z trzema azotami i trzema borami jest na tyle podobna do węglowego analogu, że bywa nazywana nieorganicznym benzenem.

Borazowym analogiem grafitu jest azotek boru - materiał składający się z warstw sześciokątnych siatek, powiązanych tylko oddziaływaniami międzycząsteczkowymi, mający postać miękkiej masy podobnej do wosku.

 Przeprowadził więc w umyśle analogię - jeśli azotek boru jest tak strasznie podobny do grafitu, z którego można zrobić diament, to czemu nie dałoby się zamienić go w borazowy analog diamentu? Idąc tym tropem szedł dalej "logiczną" ścieżką. Eksperymentował z wysokimi ciśnieniami, i stosował katalizatory z metali przejściowych, odpowiednie strukturą do struktur zamierzonych. Próbował zmieniać rozpuszczalniki, szybko zmieniać temperaturę, słowem - robił wszystko to co sprawdzało się w przypadku diamentów. I nic.
Postanowił zatem użyć innej metody, którą określał zasadą "Zrób jak najszybciej dużo błędów, a potem nie popełnij ani jednego". Chodziło zatem o wprowadzenie w proces twórczy chaosu i przypadkowych czynów,  których jednak potem należy wyłuskać rysującą się zasadę prowadzącą do celu. Zaczął więc wrzucać do reaktorów różne przypadkowe rzeczy - śrubkę, monetę, jakiś drucik leżący na stole...
Gdy przeprowadził kolejną syntezę zauważył że na powierzchni drucika pojawiło się kilka ciemnych ziaren, które mogły zarysować szkło. Dalsze badanie wykazało, że jest to poszukiwany materiał o twardości zbliżonej do diamentu. Sukces!
Ale jaką drogą? Drucik wrzucony do reaktora był wykonany ze stopu magnezu. Podczas rozpuszczania drucika w kwasie, aby oddzielić go od ziaren produktu, dawał się wyczuwać zapach amoniaku. Dla chemika stało się jasne, że magnez zareagował z obecnym w mieszaninie amoniakiem, tworząc azotek magnezu, ten zaś okazał się katalizatorem przemian strukturalnych. Dzięki takiemu katalizatorowi udało się produkować materiał, nazywany Borazonem, o twardości podobnej do diamentu, ale znacznie większej odporności chemicznej i termicznej.[1]

Pomysł tak głupi, że aż dobry
Z powyższą historią wiąże się jeszcze inna.
Jak to już napisałem, grafit składa się z warstw węgla ułożonego w sześciokątne pierścienie. Za sprawą idealnie aromatycznej struktury takich warstw, w jej obrębie materiał wykazuje wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne. Wiązania w takiej warstwie są ponadto bardzo trwałe, a ona sama bardzo mocna, stąd też po sukcesie z produkcją fullerenów i nanorurek, próbowano uzyskać takie monowarstwy. Niestety przez wiele lat bez rezultatu.
Aż do roku 2004 gdy dwóch  naukowców zaczęło bawić się w pracy. Jak tłumaczyli potem, między poważnymi pracami, od czasu do czasu zajmują się sprawdzaniem luźnych, głupich pomysłów. Jednym z nich było pytanie, czy warstwy grafitu można rozdzielić mechanicznie? I to tak, aby otrzymać jak najcieńszy kawałek?
Wzięli więc kawałek czystego grafitu i przylepili do niego taśmę klejącą, którą potem zerwali. Wraz z taśmą odkleił się kawałek grafitu. Przykleili więc drugi kawałek taśmy do otrzymanego kawałka, i rozdzielili ponownie. Po kilku takich rozrywaniach otrzymali małe kawałki grafitu, które prześwitywały. Badanie wykazały, że składają się z od jednej do kilku warstw. Nowo otrzymany materiał, nazwany grafenem, okazał się mieć na tyle niezwykłe właściwości, że zespoły badawcze zaczęły prześcigać się w metodach tworzenia go w większych ilościach. Naukowcy - Andre Geim i Konstantin Nowoselow otrzymali w 2010 roku Nagrodę nobla, a rolka taśmy klejącej i kawałek grafitu trafiły do muzeum.

Bo źle napisali
W 1886 roku dwaj lekarze Kahn i Hepp zajmowali się badaniem, czy naftalen, znany jako składnik naftaliny odstraszającej mole, będzie dobrym środkiem odrobaczającym przewód pokarmowy. Kupili naftalen w aptece i niespecjalnie przejmując się ostrożnością, podawali różnym pacjentom. Akurat na pasożyty związek pomagał bardzo słabo, ale pacjenci stwierdzili, że po zażyciu proszku ich dolegliwości bólowe się zmniejszyły, a jeśli mieli gorączkę to obniżała się. Zachęceni tym sukcesem doktorzy zaczęli czynić starania nad stworzeniem z tej substancji leku, jednak gdy dokładniej sprawdzili swój surowiec coś ich tknęło. Naftalen ma charakterystyczny zapach, natomiast to co oni posiadali, było bezwonne.
Apteczna etykieta na słoiku okazała się być zapisana tak niewyraźnym, "lekarskim" pismem, że trudno było ją odczytać. Oczywiste stało się więc, że testowali na pacjentach jakąś inną, nieznaną im substancję, przyniesioną im przez pomyłkę. Po analizie chemicznej okazało się, że był to acetanilid - acetylowa pochodna aniliny. [2]
Po dalszych testach substancję wprowadzono na rynek w tym samym roku, pod nazwą Antifevrin. Był to pierwszy lek przecowbólowy nie oparty na salicylanach. Niestety okazało się że wywołuje niedotlenienie i zatrucie, dlatego zastąpiono go mniej szkodliwa fenacetyną. Ta, znana jako składnik popularnej "tabletki z krzyżykiem" też okazała się szkodliwa, dlatego dziś stosuje się już tylko kolejną pochodną aniliny - paracetamol.
Ale o historii odkrycia paracetamolu napiszę za kilka dni....


------
[1] http://www.winstonbrill.com/bril001/html/article_index/articles/51-100/article61_body.html
[2] http://portails.inspq.qc.ca/toxicologieclinique/historique-de-lacetaminophene.aspx