Chemiczne Wieści (32.)

Ostatnie w tym roku chemiczne  newsy, które uznałem za na tyle ciekawe, że warte krótkiego omówienia. 

Wyniki programu AI do  przewidywania zachowania białek niezbyt wiarygodne

Problem złożenia białek i oddziaływania cząsteczek z tak utworzoną strukturą, to ważny temat w badaniach podstawowych. Białka są niciami aminokwasów, które nie pływają jako proste nitki, lecz wskutek wewnętrznych oddziaływań skręcają się w różnego typu sprężynki, kłębki i pętelki. Na podstawie znanych podobieństw można przewidywać w pewnym stopniu, że w strukturze białka będzie zawarty pewien znany motyw, ale przewidzenie najbardziej prawdopodobnego kształtu w organizmie to trafienie w jedną z bardzo wielu fizycznie możliwych kombinacji.
Białko skręcone w odpowiedni kształt w organizmie pełni swoją funkcję, czy to enzymu, czy to receptora, czy to elementu strukturalnego. Mutacje powodują zmianę tego kształtu i wpływają na skuteczność działania, z kolei leki łączą się z tymi skręconymi białkami w sposób zależny od dopasowania struktur. Metody obliczeniowe przewidujące jak prawdopodobnie pofałduje się białko o znanej sekwencji zajmują dużo czasu obliczeniowego i wymagają skomplikowanych algorytmów uruchamianych na rdzeniach o dużej mocy obliczeniowej.

Dlatego narzędzia takie jak Alpha Fold, obiecujące, że ich AI nauczyło się na podstawie setek tysięcy przykładów jak działają białka i teraz odgaduje prawidłowy kształt dużo szybciej, zostały bardzo ciepło przyjęte. Rok temu twórcy programu otrzymali Nagrodę Nobla.

Teraz jednak pojawiła się publikacja zawierająca więcej wątpliwości. Czego tak naprawdę nauczyła się AI na wielu przykładach z bazy i czy rzeczywiście rozumie o co chodzi w fizyce oddziaływań? 

Nowe wersje tych programów obiecują uproszczenie ważnego problemu dokowania ligandów, czyli sposobu i siły wiązania drobnych cząsteczek z białkiem. Jakie to ma znaczenie? - Oddziaływanie białka z substancją to podstawa do wyszukiwania leków, bo lek powinien ostatecznie zadziałać na jakiś enzym czy receptor i wywołać skutek. Bardzo dokładne modelowania tego typu wymagają obliczeń na superkomputerach. Obecnie na najważniejszych klastrach obliczeniowych biochemicy liczący struktury i dynamikę długich białek walczą o czas obliczeniowy z fizykami symulującymi supergromady galaktyk. Programy takie jak Alpha Fold czy Rosetta Fold miały robić to samo prościej w oparciu o podobieństwa strukturalne i ogólną logikę i albo dawać mniej precyzyjne ale wystarczające do szybkiego przeglądu dane, albo przygotować dane wstępne do symulacji, co skraca czas obliczeniowy.

Profesor Marcus Lill z University of Basel zajmuje się podobną tematyką i skuteczne narzędzie tego rodzaju byłoby bardzo pomocne, jednak gdy przeglądał udostępnione przez producenta informacje o skuteczności przewidywania struktur zaczął nabierać wątpliwości. Obliczenia miały dawać podejrzanie wysokie statystyki odtworzenia znanych już struktur, jak na program opierający się na ilości przykładów do nauki dużo mniejszej niż wcześniejsze bazy struktur białek generalnie. Można było oczekiwać, że dokładność modelowania będzie mniejsza. 

Aby przetestować fizykę modelów zadał im do rozwiązania problem dokowania ligandów do białka dzikiego, białka zmodyfikowanego tak aby miejsce wiążące działało słabiej i  białka zmienionego tak bardzo ze miejsce wiążące przestało być wiążące. Ogólny kształt białka był podobny ale kluczowy rejon, z którym lek tworzył powiązanie miał na przykład aminokwasy zastąpione odpowiednikami o przeciwnej jonizacji. Mimo to program tworzył bardzo podobne rozwiązania, nie zauważając, że w zmodyfikowanej wersji białka coś jest nie halo. Podobnie modyfikacja cząsteczki ligandu nie wiele zmieniały - cząsteczka o podobnym kształcie ale nie zawierająca grup wiążących nadal dokowała się do białka tak jak prawdziwy ligand. Programowi nie przeszkadzały oczywiste konflikty geometryczne, np. umieszczał cząsteczkę w miejscu białka, gdzie w dzikiej wersji była kieszeń o odpowiedniej wielkości, a w zmienionej wersji tej kieszeni właściwie nie było.

Wniosek był więc taki, że programy nauczyły się ogólnych zasad geometrycznego ułożenia ligandów obok białek, tak na prawdę nie rozumiejąc o co chodzi w fizyce i chemii oddziaływań i dlatego nie zauważają, ze ich rozwiązania są niemożliwe fizycznie. 

https://phys.org/news/2025-10-ai-drug-physics-1.html

Kwas ortowęglowy jednak istnieje 

Kwas ortowęglowy to ostatni kawałek w układance możliwych przemian utlenionych związków węgla, a jego istnienie było przewidywane od tak dawna, że chemicy odetchnęli z ulgą, gdy w końcu udało się potwierdzić jego istnienie. Można przedstawić pewien ciąg coraz bardziej utlenionych pochodnych metanu - metanol z jedną grupą OH, metanodiol, nazywany też hydratem formaldehydu, z dwiema grupami OH. Znane są pochodne estrowe kwasu ortomrówkowego z trzema grupami OH i kwasu ortowęglowego z czterema - jednak wolne kwasy tych estrów nie były przez długi czas możliwe do wykrycia i zastanawiano się, czy takie połączenie będzie w ogóle możliwe.

Wolny kwas ortomrówkowy wyizolowano w roku 2024 przez napromieniowanie zamrożonej mieszaniny metanolu i tlenu i odparowanie produktów, dlatego kwas ortowęglowy wydawał się w zasięgu. Teoretycznie powinien powstawać w wyniku hydratacji kwasu węglowego, ten zaś daje się izolować w stanie czystym. Jednak kwas węglowy w kontakcie z wodą preferencyjnie ulega rozpadowi na wodorowęglan, a także kwas ortowęglowy powinien być wrażliwy na reakcje z wodą i na reakcje sam ze sobą. W utworzeniu związku przeszkadza też napięcie steryczne wprowadzane przez osiem niewiążących par elektronowych wszystkich tlenów, które silnie się odpychają, mając tendencję do odchodzenia jako rodniki hydroksylowe, dlatego pojawiały się wątpliwości czy związek z czterema wiązaniami węgiel-hydroksyl istnieje, czy może stanowi kompleks rodników.

Grupa badawcza z USA i Chin wykonała jednak symulacje, z których wynikało, że w niskich temperaturach w fazie gazowej cząsteczka ortowęglanu powinna posiadać barierę energetyczną umożliwiającą utrzymanie się cząsteczki. Warunki musiały stanowić w zasadzie wysoką próżnię aby ograniczyć kontakt z czymkolwiek z czym kwas mógłby wejść w reakcje. Obliczono teoretyczne energie jonizacji, które okazały się różne od energii jonizacji kwasu węglowego i ortomrówkowego, i wiedząc to wszystko zaprojektowano eksperyment.

Mieszanina lodu wodnego i stałego dwutlenku węgla została umieszczona w wysokiej próżni i naświetlana elektronami. Wybite z powierzchni cząsteczki tworzyły parę, którą naświetlano światłem o częstotliwościach odpowiadających wyliczonym energiom jonizacji. Spektroskopia czasu przelotu pokazała pojawienie się jonów, które nie pojawiały się bez zastosowania tego światła, zatem powstały wskutek fotojonizacji cząstek w fazie gazowej. Użycie znakowanego węglem C-13 dwutlenku i deuterowanego lodu pokazało, że masy rejestrowanych jonów zmieniły się zgodnie z przewidywaniami ilości węgla i wodoru. Ostatecznie potwierdziło to, że jonizującą się cząsteczką w fazie gazowej musiał był kwas C(OH)4, a zatem cząsteczka taka tworzy się. 

Kwas ortowęglowy był przewidywany jako istotny związek pośredni w chemii węgla, tlenu i wodoru w kosmosie, a jego istnienie jako etapu pośredniego umożliwia zajście pewnych reakcji prowadzących do skomplikowanych związków organicznych - w tym tych stanowiących cegiełki budulcowe potencjalnego życia. Wykrycie jaka jest energia rozpadu, ile energii jest potrzebne do jego utworzenia i jaki jest czas półtrwania, pozwala doprecyzować obliczenia ilościowe zagęszczenia dalszych produktów reakcji w mgławicach. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c02637

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12260057/ 

Największa cząsteczka aromatyczna wykryta w kosmosie

Koronen to wielopierścieniowy węglowodór aromatyczny (WWA) o szczególnej, regularnej budowie. W zasadzie jest to struktura utworzona przez sześciokątny pierścień benzenowy otoczony sześcioma takimi pierścieniami. Ze względu na symetrię i silnie wyrażone właściwości aromatyczne, jest jednym z częstych produktów reakcji zwęglania, częściowego spalania czy kondensacji par węgla w próżni. 

Koronen

Ponieważ podejrzewa się, że WWA stanowią znaczną część wolnego węgla we wszechświecie, poszukiwane są cząsteczki dające na tyle charakterystyczne sygnały, żeby można było je wykryć i na tej podstawie oszacować ile węgla ogółem jest w danym miejscu kosmosu. W nowym doniesieniu badaczy z Green Bank Observatory informują oni, że wytypowali jako możliwą taką cząsteczkę 1-koronenonitryl, to jest koronen z jedną grupą cyjankową. Jony lub rodniki CN stanowią częsty składnik obłoków molekularnych zawierających wegiel i azot i mogą podstawiać inne cząsteczki. Powstałe tak nitryle powinny wykazywać charakterystyczne sygnały w widmie światła przechodzącego przez obłok, inne niż sygnały związków wyjściowych.

Aby to zweryfikować chemicy zsyntezowali nie opisany wcześniej związek i poddali go warunkom podobnym do próżni kosmicznej aby zbadać jak oddziałuje ze światłem. Następnie poszukali wykrytych cech widma w świetle nadbiegającym z obłoku. Twierdzą , że dzięki trafianiu tych sygnałów w mało zaszumione rejony częstotliwości światła, mogą potwierdzić wykrycie związku ze stopniem pewności 17 sigma, czyli naprawdę bardzo dużym. Czy twierdzenie to wytrzyma próbę krytyki zobaczymy później, niedawne doniesienie o wykryciu "sygnatury życia" w atmosferze obcej planety jest podważane właśnie ze względu na statystyki prawdopodobieństwa identyfikacji. 

https://greenbankobservatory.org/front-page-news/cosmic-chemistry-breakthrough-largest-aromatic-molecule-found-in-deep-space/ 

Używanie śrutu ołowiowego zostawia mikrocząstki w dziczyźnie

Mimo stopniowej akcji wycofywania ołowiu z pocisków używanych przez myśliwych, nadal nie wszyscy się przestawili, a pozyskane w ten sposób mięso pojawia się na rynku. Ryzyko zdrowotne połknięcia śrucin jest znane od dawna i notowano zatrucia ołowiem od połknięcia nawet jednej w swojskiej dziczyźnie. Aby zmniejszyć to ryzyko przepatruje się tuszę i wycina kawałki z uszkodzeniami, niektóre zakłady przetwórstwa prześwietlają mięso. Może to być jednak za mało dokładne. Jak pokazały wcześniejsze analizy z użyciem żelatyny balistycznej, mimo stosunkowo małej twardości kulka ołowiana wbijająca się w materiał tworzy rozpryski, które mogą rozchodzić się także na boki. Nowa analiza z użyciem promieniowania synchrotronowego, umożliwiająca zbadanie mięsa z ultra wysoką rozdzielczością pokazuje jednak, że cząstki ołowiu mogą być tak drobne, że możliwe do przeoczenia standardowym sprzętem.

W fragmencie piersi jelenia postrzelonego kulą ołowianą, przy pomocy medycznego rentgenu możliwe było znalezienie kilkunastu fragmentów. Synchrotron ukazał w mięsie 1800 fragmentów, z czego 1600 o średnicy poniżej 150 mikrometrów. W piersi pardwy pobranej z polowania, sześć śrucin przeszło przez mięsień na wylot a rentgen medyczny nie pokazał odłamków. Synchrotron pokazał 160 rozsianych wokół kanałów postrzałowych odłamków oddalonych o pół centymetra od postrzału. 

https://www.nature.com/articles/s41598-025-20285-2

Prawdziwy kolor błękitnego gazu

Większość znanych gazów jest bezbarwna lub lekko żółtawa a odcień staje się zauważalny w grubej warstwie lub po skropleniu. Gazów mających wyraźny kolor jest nie tak wiele - żóltozielony chlor, brązowy brom, pomarańczowy tlenek azotu, fioletowe pary jodu. Jednym z tych wyjątków jest też bardzo reaktywny i rzadko do czegoś wykorzystywany trifluoronitrozometan, gdzie niebieski kolor nadaje mu grupa nitrozowa. Trzy fluory przy węglu skutkują niskimi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi, dzięki czemu związek o niskiej masie cząsteczkowej wrze w warunkach kriogenicznych (wyjściowy nitrozometan i analog trichlorowy są w warunkach normalnych cieczą).  

Anglojęzyczna Wikipedia obrazowała kolor gazu zdjęciem kolby w uderzająco granatowym kolorze. Jednak chemik i youtuber z kanału Advanced Thinkering szukający informacji o tym gazie, podczas sprawdzania danych zdjęcia na wiki odkrył z rozczarowaniem, że zdjęcie to tak na prawde wizualizacja, otrzymana przez zmianę koloru na zdjęciu kolby z chlorem. Nie znalazł też w żadnej publikacji innego zdjęcia tego gazu, co oznaczało, że poza pamięcią nielicznych badaczy nikt nie może powiedzieć jaki właściwie ma on kolor. 

Dlatego postanowił go zsyntezować a otrzymaną próbkę sfootografować i udostępnić na Wikipedii na wolnej licencji. Polecam filmy na ten temat, bo jest tam pokazany kawałek niezłej pracy laboratoryjnej.

I nowszy:

"Struktura DNA" - Co takiego namalował Dali?

   

  Na ten ciekawy przypadek natrafiłem przeglądając artykuły o twórczości Salvadora Dalego, jednego z moich ulubionych malarzy. Najszerzej znane jego dzieła, jak "Płonąca żyrafa" czy "Trwałość pamięci" pochodzą z początkowych lat kariery. Miał tę karierę jednak bardzo długą i w ostatnich dwóch dekadach zaczął tworzyć kolażowe zestawienia obiektów z różnych obiektów, czerpiąc inspirację z komercyjnych produktów, zdjęć, filmów. A także z wynalazków i osiągnięć nauki. Dali interesował się odkryciami naukowymi, korespondował z naukowcami i prenumerował czasopisma. Tematy związane z odkryciami i wynalazkami pojawiały się w obrazach z lat 70 i później, aż do końca jego życia, w tym też tematyka związana z odkryciami biologii i chemii [1]. Wśród tematów jakie szczególnie często go zastanawiały była fizyka jądrowa, nowoczesna matematyka i odkrycia biologii. Żywo zareagował na doniesienia o odkryciu struktury DNA, której regularna, helikalna symetria wyglądała fascynująco, mistycznie. Już w 1957 umieścił schemat podwójnej helisy na obrazie "Krajobraz motyli". Malarz miał zresztą okazję poznać Watsona, jednego z badaczy proponujących model DNA, więc temat nie był mu obcy. [2]

  Artykuły omawiające naukowe inspiracje artysty często jednym tchem wymieniają ten obraz wraz z późnym dziełem "Structure of DNA", będącym parą obrazów stereoskopowych, które według wielu opisów mają przedstawiać zgodnie z tytułem strukturę DNA. Poszukałem tych obrazów i dobrze się im przyjrzałem. Cóż, można wybaczyć krytykom sztuki, że wzięli tytuł za dobrą monetę, ale mnie jako chemikowi trudno nie zauważyć, że struktura na obrazach w niczym nie przypomina DNA.

  Para obrazów z 1975 roku zatytułowana "Structure of DNA" była stworzona z myślą o oglądaniu stereoskopowym. Należy spojrzeć na oba na raz tak, że jedno oko patrzy na jeden a drugie na drugi i oba nakładają się na siebie w przestrzeni. Można to osiągnąć patrząc przez odpowiednie okulary zakrzywiające obraz, oglądając zdjęcia w stereoskopie lub fotoplastikonie, ale zdecydowanie najczęściej ogląda się takie obrazy robiąc lekkiego zeza, tak aby półprzezroczysty obraz z jednej strony nałożył się na drugi, tworząc sumę, która jest odbierana jak obiekt 3D. 

  Tak więc przy odpowiednim spojrzeniu zaczniemy dostrzegać namalowane obiekty przestrzennie i zobaczymy, że najbliżej znajduje się czarna cząsteczka na dole, która jest skierowana ku nam trójdzielną grupą. W kolejnej warstwie są dwie, równoległe fioletowe (po lewej) lub żółte (po prawej), a nad nimi jedna biała/żółta. Jeden z atomów czarnej cząsteczki zostaje częściowo przesłonięty atomem jednej z fioletowej/żółtej, z kolei jeden z atomów górnej cząsteczki częściowo przesłania pierścień cząsteczki pod nim. Wszystko to tworzy ciekawą kompozycję przestrzenną. Tylko, że to nie ma za bardzo związku z DNA.

  Przekonanie, że te obrazy przedstawiają DNA zgodnie z ich tytułem jest chyba dość powszechne - pojawia się w krótkim liście zamieszczonym w publicystycznej części czasopisma The Nature z 2003 roku. [3] Jan Domaradzki w artykule z 2015 roku omawia przykłady biologicznych inspiracji Dalego i wymienia tam te obrazy, opisując je jako przedstawiające różnokolorową podwójną helisę.[4] No ciekawe gdzie on tam widzi helisy?  

  Na co właściwie patrzymy na obrazach? Są to modele cząsteczek związku chemicznego, a konkretnie są to cztery oddzielne cząsteczki, nie tworzące żadnej helisy, przedstawione na tle szkieletu sześcianu. Atomy mają zdeformowany kształt mniej lub bardziej wydłużonego jajka. Oznacza to, że jest to model wykorzystujący elipsoidy termiczne. 

Cząsteczka kompleksu samaru z pracy:
Inorganic Chemistry 2003 42 (21), 6682-6690

  Atomy w strukturze cząsteczki w krysztale ulegają drganiom termicznym, wpływa to na rozmycie przestrzenne sygnałów rejestrowanych metodami krystalografii. Można z tego rozmycia wydobyć informacje o tym jak bardzo atom drga w trzech prostopadłych kierunkach przestrzeni. Graficznym przedstawieniem tego zakresu drgań jest obła bryła będąca elipsoidą obrotową, a więc bryłą której przekrój jest eliptyczny wzdłuż, w poprzek i na płask. Kształt ten jest w różnych stylach rysowania podkreślany prostopadłymi liniami, lub wcięciem. Im mocniej drga atom w strukturze cząsteczki, tym bardziej wydłużona jest jego elipsoida. Atom wykonujący wiele złożonych drgań w trzech kierunkach przestrzeni jest w takim ujęciu większy od atomu bardziej statycznego. 

Przedstawianie struktur krystalicznych jako pary obrazów stereoskopowych jest znane od dawna - pomagało zrozumieć innym badaczom szczegóły struktury. Zanim jeszcze pojawiły się elektroniczne wydania czasopism naukowych, w których można umieścić plik filmowy z obracającym się modelem lub plik do programu wizualizującego, gdzie możliwe jest obracanie sobie struktury jak się chce, trójwymiarowe modele cząsteczek i wzajemnych powiązań mogły być drukowane w taki sposób, i czasem nadal są. Było więc na czym się wzorować a Dali mógł strukturę przerysować z czasopisma lub poprosić naukowca o wykonanie jakiejś dla przykładu. 

Struktura z publikacji Beck J. et al. Zeitschrift für Naturforschung B, vol. 61, no. 2, 2006, pp. 123-132. https://doi.org/10.1515/znb-2006-0202

  Przedstawione cząsteczki nie przypominają żadnej ze składowych cząsteczki DNA, nie mogą stanowić jakiegoś bliskiego fragmentu tej struktury i jestem bardzo zdziwiony, że przez tyle lat nikt nie zwrócił na to uwagi.  Czym mogą być te cząsteczki? Nie są narysowane całkiem poprawnie, co wyjaśnię później, ale ogólne pierwsze wrażenie jest takie, że to mogło być wzorowane na rysunkach struktury krystalicznej para-ksylenu. 

  Pierścień w cząsteczkach ma sześciokątny kształt i jest płaski, co pasuje do aromatycznego pierścienia w p-ksylenie, jeśli w rysunku pominięto wodory przy pierścieniu. Pochodne cykloheksanu byłyby bardziej wygięte. Natomiast wygląd dwóch grup odstających od pierścienia pasuje do grup metylowych z pokazanymi pozycjami trzech wodorów. Dużo większe i wydłużone poprzecznie do dłuższej osi cząsteczki elipsoidy termiczne protonów to częsta cecha tych właśnie grup. To, że Dali mógł się wzorować na rysunkach tej właśnie  struktury nie jest niemożliwe, bo w jego czasach już taką ją opisano. Tylko może być ciężko to dowieść. 
  Pierwsza publikacja na temat struktury krystalicznej p-ksylenu pochodzi jeszcze z 1960 roku (Indian J. Phys.(1960), 34, 263-271 ), ale w 1986 ukazała się nowa analiza, wykazująca między innymi, że dane podane w tamtej starej publikacji są niepoprawne. Biorąc jednak pod uwagę czas wykonania obrazów, musiały opierać się na rysunkach struktury z tej starszej publikacji. [5] 

W nowszych publikacjach można znaleźć rysunki takiej struktury i sposób w jaki cząsteczki układają się w przestrzeni (na jodełkę) rzeczywiście bardzo przypomina strukturę Dalego. Jest to typowy układ dla prostych pochodnych benzenu wynikający z efektów magnetycznych pierścienia aromatycznego.

Crystal Growth & Design 2022, 22, 6, 3862-3869

  Z tym rozwiązaniem jest jednak ten problem, że Dali najwyraźniej przenosił rysunki struktury na obraz niedokładnie i ostateczny wynik zawiera dużo błędów. Najważniejsza kwestia jest taka, że pomimo sześciokątnego  kształtu pierścieni, te na obrazach składają się z ośmiu a nie sześciu atomów. Jednak pierścienie cząsteczek organicznych złożone z ośmiu atomów nie mogą być płaskie - cyklooktan układa się w przestrzeni w kształt łódeczki, jego annulen cyklooktatetraen jest antyaromatyczny i także wygina się przestrzennie. 

   Można by to zwalić na licencję artystyczną, ale mi to wygląda na błąd przerysowania lub na celowe zepsucie cząsteczki dla gęstszego układu. Niektóre inne zmiany mają uzasadnienie i są zamierzone - brak atomów wodoru przy pierścieniach zmniejsza nakładanie cząsteczek i poprawia rozróżnianie atomów. Dolna grupa metylowa górnej cząsteczki ma zaznaczony tylko jeden wodór, ten bliżej nas (biały owal na niebieskiej wersji), pozostałe zasłaniałyby cząsteczkę z tyłu. Jednak wycinanie nadmiarowych atomów nie do końca się powiodło, i tak na niebieskiej wersji grupa metylowa fioletowej cząsteczki po lewej ma towarzyszące jej cztery atomy zamiast trzech. Nadmiarowa elipsoida jest bliżej nas niż cząsteczka. Widać to dobrze porównując cząsteczkę lewą z prawą lub sprawdzając wygląd na wersji brązowej, gdzie tego dodatkowego atomu nie ma. Skąd się tam wziął? Z grupy metylowej górnej cząsteczki. 

  Na prawej, brązowej wersji obrazu widać dobrze, że grupa ta ma tam zaznaczony tylko jeden wodór, bliżej obserwatora. Na niebieskiej wersji zapewne też tak miało być, ale podczas uzupełniania wstępnego szkicu położenia cząsteczek doszło do błędu, i elipsoida atomu wodoru, który w drugiej wersji pominięto aby nie zasłaniał, w tej wersji została przypisana lewej cząsteczce i pokolorowana na fioletowo. Widać tą tożsamość gdy nałoży się na to miejsce będącą w tym samym położeniu grupę metylową czarnej cząsteczki poniżej.

Czemu więc po skrupulatnym oddaniu na płótnie struktury krystalicznej jakiegoś prostego związku organicznego, Dali zatytułował obrazy "Struktura DNA"? Możliwe, że takie było jego początkowe założenie, że namaluje naukową strukturę tego związku, ale okazała się zbyt skomplikowana więc wziął coś innego. A może uznał, że taki tytuł będzie brzmiał lepiej niż "Struktura kryształu niepoprawnie narysowanego para-ksylenu"?

Można gdybać. 

-------

[1] https://www.elespanol.com/ciencia/20180331/dali-genio-pintura-dejo-boquiabierto-severo-ochoa/295221428_0.html

[2] https://xn--archivoespaoldearte-53b.revistas.csic.es/index.php/aea/article/view/968/1001 

[3] https://www.researchgate.net/publication/10690668_Dali_and_the_double_helix

[4] https://www.researchgate.net/publication/290142479_DNA_jako_kod_kulturowy

[5] https://journals.iucr.org/paper?S0108768186097847

Wkrój marchewkę do kolby, dolej piwa... O zdecydowanie nietypowych reagentach.

Marchewka i inne warzywa
Użycie warzyw jako reagentów ma już pewną tradycję, choć nadal jest to raczej margines. Pomysł opiera się o występowanie w tkankach roślinnych różnych enzymów, które katalizują pewne przemiany chemiczne. Odpowiednio dobierając reagenty można przeprowadzić określoną reakcję w wyniku działania enzymów, które nie są z warzywa izolowane.
Przykładem może być ta reakcja asymetrycznej redukcji ketonu do alkoholu, w której użytym reagentem była drobno pokrojona marchewka [1].

W innej publikacji przebadano więcej substratów i więcej roślin. Związki rozpuszczone w wodzie poddawano reakcji z pulpą ze świeżo zmiksowanych warzyw w fiolkach w wytrząsarce mechanicznej. Asymetryczna redukcja acetofenonu do chiralnego alkoholu była najlepiej katalizowana przez marchewkę i rzodkiewkę, w przypadku 4-chloroacetofenonu najlepszy okazał się ogórek, a dla 4-chloroacetooctanu etylu najlepiej wypadała cebula. Badano czasy reakcji 50 i 100 godzin, otrzymując wydajności dochodzące do 79% i stereoselektywność do 98% ee. [2]

Koktail z robaków

W tym badaniu płynny ekstrakt ze zmielonych dżdżownic był testowany jako katalizator w reakcji kondensacji aldolowej

W początkowej fazie badań sprawdzono też aktywność białka jaj, serum płodowego i enzymu lumbrokinazy, który jest ekstrahowany właśnie z dżdżownic. O dziwo surowy ekstrakt dawał najlepszą wydajność, do 78%. Sprawdzono też aktywność ekstraktu gotowanego z mocznikiem w 100 stopniach, co powinno wywołać całkowitą denaturację wszystkich enzymów - wydajność była niska, choć nie zerowa (37%) co sugerowało, że przynajmniej część aktywności nie wynikała z działania aktywnych katalitycznie białek. Ta sama reakcja bez dodatków nie zachodziła lub powstawały śladowe ilości produktów. [3]

Ekstrakt z dzdżownic katalizuje też inne reakcje. Tu podano przykład dla trójskładnikowej reakcji kaskadowej typu Mannicha-Michaela. [4]

Reakcja w kubku herbaty...

Zespół pod przewodnictwem znanego chemika organika Phila S. Barana opublikował bardzo interesujące doniesienie o znalezieniu nowego odczynnika do podstawiania metodą sprzęgania krzyżowego naturalnych związków aromatycznych bogatych w azot. W tej reakcji podstawienie tworzące nowe wiązanie C-C zachodziło w łagodnej temperaturze i w warunkach wodnych. Reakcję rodników alkilowych z pierścieniem aromatycznym z odszczepieniem protonu katalizował organiczny sulfinian cynku, będący rozpuszczalną w wodzie solą.[5]

A jako przykład łagodnych warunków reakcji pokazane zostało, że uzyskano podstawienie kofeiny w kubku z gorącą herbatą. 

 

...oraz w piwie.
Niektóre reakcje zachodzą tak łatwo i dobrze, że mogłyby pójść w czymkolwiek. Z tą myślą zespół szwajcarsko-włoskich chemików postanowił przetestować modelową reakcję o wysokiej wydajności w nietypowych rozpuszczalnikach.  W przedstawionej pracy reakcja addycji Michaela podstawionych aldehydow do nienasyconych nikroalkanów była prowadzona w rozpuszczalnikach organicznych, lub w wodzie lub w mieszaninie wody z alkoholem etylowym, dając po czasie od kilkunastu godzin do dwóch dni produkt z wydajnością do nawet 95%, zastosowany asymetryczny katalizator prowadził do otrzymania jednego, przeważającego stereoizomeru. [6]

W dwóch jednak przypadkach w charakterze rozpuszczalnika użyto nieco bardziej skomplikowanych roztworów - w jednym przypadku było to piwo Heineken, w drugim białe wino francuskie z Jury. Dziesiątki różnych substancji obecnych w takich roztworach najwyraźniej nie przeszkodziły właściwym reagentom - otrzymano produkt z wydajnością 89%.

A także w moczu, krwi i serum płodowym
Podobną drogą poszły badania czeskiego zespołu, który badał zachodzenie syntez katalizowanych rutenem w płynach pochodzenia biologicznego. Zbadanymi roztworami był płyn otrzymany przez lizę bakterii, mocz szczura, osocze krwi ludzkiej i serum płodowe cieląt. [7]

Nie mam pojęcia czemu akurat taki zestaw. Chyba to było autorom dostępne.

Coca-cola jako rozpuszczalnik i reagent

Chińscy badacze przetestowali napój jako odczynnik w procesie rozdzielenia warstw siarczku wolframu, interesującego materiału 2D będącego analogiem grafenu. Zadziałał. Zaproponowali, że może to być wydajny i tani odczynnik, rynkowa cena litra napoju była w ich kraju mniejsza niż cena laboratoryjnego metanolu.[8] Wcześniej zresztą testowano napój w eksfoliacji warstw grafenu. [9]

 Z materii organicznej zawartej w napoju można otrzymać aktywowany węgiel o właściwościach absorpcyjnych. [10]

-------

Źródła:

[1] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ol8029214

[2]  https://academic.oup.com/jimb/article/35/9/1047/5997739?login=false

[3]  http://journals.sagepub.com/doi/10.1177/2472555217724437

[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040402015008947?via%3Dihub

[5] https://www.nature.com/articles/nature11680

[6] https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ol801772p

[7] http://cccc.uochb.cas.cz/74/7/1023/

[8] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468023022006484

[9] sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884221014292/pdfft?md5=a632add4f5ddf9ec1c92b39eb5b365ab&pid=1-s2.0-S0272884221014292-main.pdf

[10] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622317301586

Chemia na komary

Jeśli pryskamy się czymś na komary, to jaka w tym siedzi chemia? I czy można ją zastąpić czymś naturalnym?

DEET
N,N-dimetylo-m-toluamid to stosunkowo prosty związek chemiczny, będący najpopularniejszym i prawdopodobnie najdłużej działającym odstraszaczem komarów.

   Wynaleziony w latach 40. z myślą o ochronie żołnierzy walczących w warunkach tropikalnych, wprowadzony do cywilnego obrotu w latach 50. Patenty na różne metody syntezy dawno wygasły, dlatego produkuje go wiele firm i stanowi podstawowy składnik wielu środków na odstraszanie komarów, moskitów, gzów i kleszczy, a nawet pcheł i innych owadów gryzących.
  Mechanizm działania nie jest do końca jasny. W wysokich stężeniach działa jak środek owadobójczy, ale nie tłumaczy to odstraszania. Sądzono, że blokuje u komarów wyczuwanie dwutlenku węgla lub innych substancji zapachowych skóry, po których wyczuwają one swe ofiary. Wyniki eksperymentów na owadach są niespójne - w jednych stwierdzono, że DEET zmniejsza lotność skórnych substancji zapachowych, ale są też eksperymenty wskazujące na to, że u części gatunków komarów środek ten jest wyczuwany jako nieprzyjemnie, drażniąco pachnący, i skłania do odlatywania dalej od opryskanych miejsc. Część gatunków prawdopodobnie jest jedynie zniechęcana do żerowania podczas kontaktu z pokrytymi środkiem powierzchniami, a więc tracą ochotę na gryzienie gdy usiądą na opryskanym miejscu.
  Niemniej eksperymenty potwierdzają, że DEET zapobiega ugryzieniom komarów i innych owadów niezależnie od mechanizmu. Czas ochrony zależy od warunków, rodzaju powierzchni i stężenia środka z preparacie. Przy stężeniach 50% i większych czas ochrony skóry to nawet 12 godzin, niższe  skracają ten czas do około 3 godzin przy stężeniu 20%.

  Jeśli chodzi o szkodliwość, to substancja jest stosunkowo bezpieczna. Wchłanianie przez skórę nie jest zbyt szybkie. Dawka wywołująca toksyczność ostrą LD50 to 1100 mg/kg m.c. w zasadzie więc poza przypadkami niezamierzonego lub celowego wypicia preparatu nie obserwuje się ciężkich zatruć. Efekty częstego narażenia na dawki typowe przy zwykłym zastosowaniu są bardziej subtelne i czasem trudno określić co właściwie jest ich przyczyną. Przykładem może być często cytowane badanie na temat pracowników Parku Narodowego Everglades, na bagiennych terenach Florydy, którzy stosując repelenty zawierające DEET codziennie podczas pracy, zgłaszali takie objawy jak senność, bóle głowy, podrażnienia skóry. Kwestią sporną jest w tym przypadku to, że repelenty zawierają jeszcze inne substancje, niż ta główna czynna i objawy równie dobrze mogą wynikać z innych przyczyn niż samo DEET. Częściej rejestruje się negatywne skutki przy niewłaściwym stosowaniu. Producenci odstraszaczy zwykle radzą aby napryskiwać preparat na dłonie i rozsmarowywać na odsłonięte części ciała. Pryskanie bezpośrednio na twarz lub opryskiwanie całego ciała w pomieszczeniach, narażają użytkowników na wdychanie aerozolu i lotnych rozpuszczalników.

Nie wykazano, żeby związek działał mutagennie czy rakotwórczo. Analiza związku wykrytego stężenia we krwi na czynniki zapalne nie wykazała wpływu. 

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7410448/

Jedną z wad DEET jest też pozostawianie tłustej warstwy oraz działanie jak rozpuszczalnik niektórych tworzyw sztucznych. Zgłaszano już rozpuszczanie szkiełek zegarkowych, okularków pływackich, uszkadzanie lakierów czy przedmiotów z polistyrenu (sprzęt turystyczny, styropianowe opakowania na żywność). Zastosowany na odzież może osłabić materiał ze sztucznej wiskozy, stroje sportowe lycra/spandex. Jest to jednak problem, który pojawia się też u niektórych alternatyw, olejki eteryczne z cytrusów także dobrze rozpuszczają polistyren i różne lakiery. 


Ikarydyna
Kolejny syntetyczny środek, stosunkowo nowy - wprowadzony na rynek europejski w 2001 roku, dlatego mniej popularny. W odróżnieniu od DEET ma dużo mniejsze wchłanianie przezskórne oraz słabsze działanie podrażniające, dlatego jest uważany za bezpieczniejszy przy użyciu bezpośrednio na ciało. Substancja prawdopodobnie blokuje u komarów odczuwanie zapachu, przez co nie może on namierzyć ofiar. Ma też pewien stopień odstraszania gzów, kleszczy.

W testach porównujących DEET i Ikarydyne w stężeniu 20% nie było różnicy w działaniu. DEET wygrywał w preparatach o wyższym stężeniu, ale te są mniej popularne. Preparaty z tą substancją nie powinny rozpuszczać tworzyw sztucznych. 

IR3535 

Pod względem chemicznym to bardzo prosta cząsteczka - butylo-acetylo-aminopropionian etylu

  Jest to więc amina trzeciorzędowa, w której do atomu azotu podłączone są trzy grupy: czterowęglowa butylowa, acetylowa czyli reszta kwasu octowego i ester etylowy kwasu propionowego. Można go też traktować jak pochodną aminokwasu beta alaniny. 

Prawdopodobnie działa jako zapach nieprzyjemny dla komarów. Przy stężeniu 20% działa do 5 godzin. Dla ludzi jest prawie bezwonny. Ma szerokie spektrum działania, oprócz typów komarów roznoszących choroby, działa też na kleszcze, meszki i wszy. Prawdopodobnie to najmniej toksyczny repelent. Jest słabo ale jednak rozpuszczalny z wodzie, więc w wilgotnych warunkach lub pod wpływem potu może się szybciej zmywać. 

Za zaletę uznaje się też to, że w środowisku łatwo ulega biodegradacji, więc nie staje się kumulującym zanieczyszczeniem. 

Złocień, pyretoidy i spirale
Znane wszystkim spiralne kadzidełka przeciwko komarom to wynalazek japoński, który co ciekawe często produkowany jest z roślin.

 

Od wieków na bliskim wschodzie znane były owadobójcze właściwości pyretrum - wyciągu otrzymywanego z drobnej rośliny z rodziny astrowatych, której klasyfikacja botaniczna zmieniała się kilka razy. W języku polskim najlepiej znana jest jako złocień dalmatyński, czasem jako chryzantema , w nowszych ujęciach opisuje się ją jako wrotycz starcolistny. Roślina była palona cała aby okadzać pomieszczenia, a proszek z niej używany do wcierania i przesypywania ubrań przeciwko pchłom i wszom. Najwięcej toksyn zawierają nasiona, z których możliwe jest wyekstrahowanie brunatnej oleożywcy. Przez długi czas pyrethrum było głównym towarem eksportowym Kenii, gdzie prowadzono duże uprawy. 

W XIX wieku w Japonii znane było kadzidło oparte o proszek pyrethrum, trociny i różne dodatki, formowane w różne kształty. Jeden z wytwórców takich kadzideł, Eiichro Ueyama,  skupiał się na otrzymaniu produktu palącego się możliwie jak najdłużej. Dodawał do masy dodatki spowalniające palenie, zwiększał grubość pałeczki i wydłużał ją aż niestety rozmiar stał się niewygodny. Pracująca z nim żona Yuki zaproponowała w końcu, że długie pałki kadzidła będą się mieściły w mniejszej przestrzeni jeśli się je skręci w kółko. Dalsze próby i testy doprowadziły do powstania kadzidełka w formie spirali, który to kształt otrzymywano skręcając wilgotny pręcik ręcznie. Pierwsze ich spirale na komary pojawiły się na rynku w 1902 roku. 

Głównymi substancjami czynnymi pyrethrum są podobne związki Pyretryna, Cyneryna i Jasmolina o bardzo podobnej budowie, z charakterystycznym motywem trójkątnego pierścienia cyklopropanowego połączonego z resztą cząsteczki przez wiązanie estrowe: 

Są to środki owadobójcze działające na układ nerwowy. W mniejszych stężeniach działają na owady drażniąco i odstraszają je od pomieszczeń. W wyższych stężeniach działają porażająco, w mniejszym stopniu zabijająco. Działanie na układ nerwowy ssaków jest dużo słabsze ze względu na szybki metabolizm. Naturalne pyretryny mają niską trwałość, rozkładają się pod wpływem światła słonecznego, wilgoci i bakterii glebowych - co w pewnych zastosowaniach jest zaletą - przez co czas działania nie jest długi. Aby poprawić ich właściwości zaczęło tworzyć związki syntetyczne o podobnej budowie, Pyretroidy. I często to one, obok mniejszej domieszki naturalnego pyrethrum, są dziś składnikami spiral na komary, sprejów i nasączanych moskitier.

Najszerzej stosowana jest chyba permetryna, stosowana w sprejach, wkładkach zapachowych, dtfuzorach, maściach, szamponach i innych preparatów. Pojawia się w preparatach leczniczych ze względu na działanie na świerzb i wszy. Moskitiery są czasem nią nasączane. Pojawia się w obrożach przeciw pchłom u psów. Stanowiąca jeden z pierwszych pyretroidów alletryna jest dziś znana też jako główny składnik spreju Raid. Metoflutryna została dopuszczona w UE jako składnik waporyzatorów elektrycznych wkładanych do gniazdka. W opryskach do stosowania wokół domu, na trawę i ściany, na komary, meszki i wszy pojawia się często Cyflutryna, 

Syntetyczne pyretroidy nie działają przez odstraszenie owada - działają na niego szkodliwie, może poczuć wpływ po dotknięciu spryskanej powierzchni lub wskutek par w powietrzu. Mniejsze dawki dezorientują owada, są odbierane nieprzyjemnie, zniechęcają do żerowania. większe porażają układ nerwowy - ale jeśli owad spadnie na podłogę i nie zostanie wymieciony, po jakimś czasie się ocknie. Odpowiednio duże stężenia działają owadobójczo.

Pyretroidy choć zwykle szybko metabolizowane, nie są zupełnie obojętne. Narażenie na preparaty do oprysków z wyższym stężeniem mogą powodować pieczenie i podrażnienie skóry, wdychanie aerozolu może wywołać nudności i zwroty głowy, rzadziej duszności czy osłabienie. Fenotryna będąca składnikiem preparatów na wszy działa antyandrogennie, co może być czasem kłopotliwe przy wysokim narażeniu. Zanotowano wyraźnie zwiększoną częstość ginekomastii, spadku libido i zmian owłosienia u migrantów z Thaiti, którzy byli traktowani w ośrodkach dla uchodźców szamponem przeciw wszom, oraz regularnie spryskiwani po ciele i po pościeli sprejem o takim działaniu - oba środki zawierały ten sam składnik czynny. Może to mieć znaczenia o osób o już niskim wyjściowo poziomie testosteronu. Przypadkowe wypicie preparatów może wywołać ostre zatrucie, z wymiotami, drżeniem mięśni, śpiączką, obrzękami

Na różnego typu pyretroidy szczególnie wrażliwe są koty. Zdarzały się przypadki śmiertelnego zatrucia po założeniu kotu obroży przeciw pchłom dla psów. U większości ssaków związki tego typu są metabolizowane i usuwane dzięki enzymowi glukuronylotransferazie, który u kotów zwykle nie działa lub ma niska aktywność; dlatego środki na komary kumulują się w ich organizmie i wywołują porażenie układu nerwowego (ten sam brak enzymu powoduje nadwrażliwość na paracetamol).

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

Eukaliptus cytrynowy

Olejek eteryczny z liści australijskiego drzewa Corymbia citrodora, nazywanego eukaliptusem cytrynowym, często wymieniany jest jako trzeci polecany środek, zaraz po wymienianych tu syntetykach. Jego skuteczność i trwałość jest dosyć wysoka. Olejek z liści jest bogaty w cytronellol, związek o zapachu cytrynowym, który już sam w sobie odstrasza komary. Odkryto jednak, że głównym składnikiem czynnym jest występujący w zaledwie kilku procentach para-mentano-3,8-diol czyli PMD (czasem stosowana jest nazwa dihydroksycytrol). W handlu dostępny jest olejek rafinowany o zawartości PMD do 70%. Czysta substancja czynna ma zapach miętowy.
Skuteczność odstraszania komarów jest wysoka. Przy stężeniach rzędu 20-30% chroni skórę przed większością gatunków komarów, zależnie od warunków i obecności w preparacie utrwalaczy zmniejszających lotność, nawet do 4 godzin.
Mechanizm działania nie jest jasny, w jakiś sposób PMD zniechęca komary do żerowania nawet jeśli usiądą na skórze, natomiast raczej nie odstrasza ich, co zresztą sam na sobie obserwowałem (gryzły tylko w miejsca nieposmarowane). Owady narażone na ten związek były mniej chętne żerować
https://www3.epa.gov/pesticides/chem_search/reg_actions/registration/fs_PC-011550_01-Apr-00.pdf
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6023277/ 

Czyli środki z PMD to zamienniki syntetycznych, i są preparatami zawierającymi w pełni naturalną substancję czynną? Cóż, trochę tu się przyczepię. Na opakowaniach preparatów można znaleźć dość skomplikowaną formułę, mówiącą o olejku eterycznym cyklizowanym, zgodnie ze zmienionym nazewnictwem. Jeśli coś zostało cyklizowane, to znaczy że coś bez pierścieni zamieniło się w coś z pierścieniami. A zatem została dokonana jakaś przemiana.

Rzecz w tym, że stanowiący główny składnik olejku cytronellol może w warunkach kwaśnych ulegać cyklizacji z wytworzeniem właśnie PMD. I taka reakcja następuje biochemicznie w eukaliptusie, gdzie jednak przemianie ulega tylko kilka procentów.  Dlatego można olejek docyklizować dalej poddając go reakcji z jakimś kwasem. Powstały produkt jest więc przetworzony dla zwiększenia zawartości cennego składnika, ale nie został wcześniej oczyszczony. Olejek cyklizowany jest więc w najlepszym razie surowcem pół-syntetycznym. 

P
Olejki i zioła

Substancji aromatycznych mogących przydać się przeciwko komarom jest wiele, ale nie każda jest tak samo dobra. Popularne portale przypisują jak widzę zdolność odstraszania komarów dowolnym roślinom o wyraźnym zapachu, często bez dowodów lub z dowodami anegdotycznymi.  Niektóre substancje jedynie zabijają zapach naszego ciała, inne wykazują bardziej specyficzne działanie, różne dla różnych komarów.

W analizie aktywności składników kopru włoskiego stwierdzono, że 5% fenchol wykazuje aktywność odstraszającą na poziomie 82-94% działania DEET w podobnym stężeniu, przy czym fenchol działał na skórze przez pół godziny a DEET przez godzinę. Zwiększenie stężenia DEET pozostawiało olejek daleko w tyle. [f] Pewien stopień odstraszania wywoływały olejki z kocimiętki, bazylii, rozmarynu, mirtu cytrynowego, niepokalanka, pieprzu czarnego czy kurkumy, z czasem działania wahającym się od 1 do 3 godzin zależnie od stężenia i formy preparatu. 

Wanilina, składnik ekstraktów z wanilii, ma pewien stopień działania, ale zwykle dość krótki. Dodana do innych olejków lub do syntetycznych repelentów zwiększa ich skuteczność.

Cytronellal, Cytronellol, Geraniol 

Trzy podobne do siebie, i często współwystępujące składniki olejków eterycznych, które też wykazują pewien stopień odstraszania komarów, działają na skórze do 3-4 godzin. Ponieważ są odbierane jako przyjemne zapachy, są częstym składnikiem antykomarowych opasek, świec i kadzidełek. . Najbardziej obfitują w nie olejek geraniowy, z trawy cytrynowej, z limonki, palmorozowy, różany, neroli, w mniejszym stopniu cytrynowy ze skórki

Witamina B.

Witamina B1 czyli tiamina ma charakterystyczny zapach, przez wielu kojarzony z zapachem "leków w aptece". Po zażyciu większej dawki witaminy, zapach może być wyczuwalny w pocie. To też spowodowało, że według reguły "cokolwiek co pachnie" zaczęto polecać nacieranie się roztworem witaminy przeciwko komarom.

Przegląd badań z 2022 roku pokazuje jednak, że to mit - witamina B nie odstrasza komarów

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35199632/ 

----

[f] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jf020504b

Wiązanie jednoelektronowe w związku organicznym możliwe

To odkrycie nie było specjalnym zaskoczeniem, bo teoria przewidywała wcześniej, że powinno być możliwe. 

Typowe formy wiązań opierają się o uwspólnienie dwóch elektronów przez oba wiązane atomy. Ich ładunki przyciągają wtedy jądra atomowe z dwóch stron, zagęszczenie ładunku ekranuje odpychające się, dodatnie ładunki jąder i tak powstaje struktura liniowa o różnych właściwościach. W wiązaniu kowalencyjnym te elektrony są rozłożone mniej więcej pomiędzy łączonymi atomami, w wiązaniu jonowym są silnie przesunięte na jeden. Parzystość elektronów w wiązaniach wynika ze spinu, przez który elektron wytwarza niewielkie dipolarne pole magnetyczne i przez to podczas tworzenia par te przeciwne spiny neutralizują się i tworzą bardziej stabilny układ. Są jak dwa magnesy sztabkowe, które ustawione końcami N/S będą się przyciągać, a ustawione tymi samymi biegunami będą się odpychać. Cząsteczka z elektronem "nie do pary" staje się reaktywna i jest nazywana wolnym rodnikiem.

Nie był to jednak jedyny teoretyczny model wiązań. Znane są układy, w których elektronów jest więcej lub mniej niż teoretycznie powinno, jak choćby znane przykłady wiązań trójelektronowych między trzema atomami, gdzie w normalnej sytuacji dwa kolejne wiązania potrzebowałyby czterech elektronów wiążących. Już bardzo wcześnie w historii chemii zaproponowano, że powinno być możliwe utworzenie wiązania złożonego z jednego elektronu, na zasadzie: jak nie ma nic innego, to musi wystarczyć i to. W taki sposób tłumaczono istnienie wykrywanego we wczesnych pomiarach spektroskopii mas rodnika H 2 •+, który musiał jakoś się trzymać. 

W późniejszych badaniach znaleziono struktury, dla których postulowano wiązanie jednoelektronowe w adduktach rodników z obojętnymi cząsteczkami, najczęściej między heteroatomami. Były to dość słabe i długie wiązania, niewiele było takich przykładów a w części równie prawdopodobną alternatywą była para jonowa lub kompleks oddziaływań słabych. Natomiast wiązanie tego typu między dwoma atomami węgla pozostawało nieuchwytne i opisywane tylko jako koncepcja. Elektronowy "klej" jednego elektronu jest dość słaby i im większe atomy mają być tak łączone, tym mniej trwałe jest takie połączenie, zaś dla rozbudowanych związków znaczenia nabierają reakcje przegrupowania i migracji protonów, zamieniające niezbyt trwały rodnik w jakąś lepiej znaną formę. Spekulowano, że taki typ połączenia ma znaczenie jako etap pośredni w niektórych reakcjach, jak przegrupowanie Cope'a.

Autorzy badania opublikowanego w roku 2024, pochodzący z japońskich uniwersytetów, wpadli na pomysł wykorzystania szczególnej geometrii pochodnej heksafenyloetanu, znanej z tego, że duża zawada steryczna powoduje wydłużenie normalnego wiązania pojedynczego ponad normę. W prototypowym związku z trzema odpowiednio podstawionymi pierścieniami fenylowymi przy każdym węglu, wiązanie między nimi ma długość 167 ppm wobec 154 ppm dla wiązania swobodnego. W specjalnie skonstruowanej cząsteczce zawierającej grupy spiro-dibenzoheptatrienowe zastępujące dwa fenyle, i połączone z grupą acenaftylenową, gdzie geometria cząsteczki wymuszała rozsunięcie się podstawników, uzyskano kilka lat temu najdłuższe normalne wiązanie sigma w obojętnym węglowodorze, o długości 1,806 ppm.

Pomysł był stosunkowo prosty - należy wykorzystać tę rekordową cząsteczkę i selektywnie utlenić jej długie wiązanie zabierając z niego tylko jeden elektron. Przewidywana normalna długość takiego wiązania dobrze pasowała do tej cząsteczki, otoczenie dużymi grupami chroniłoby rodnik przed przereagowaniem, no i sztywna część trzymająca atomy zapobiegałaby, że zdysocjują i każde poleci w inną stronę. 

Łatwo opisać, trudniej zrobić. Ostatecznie udało się utlenić cząsteczkę odpowiednią formą jodu i wykrystalizować związek w niskiej temperaturze, aby potwierdzić strukturę wiązania krystalografią rentgenowską. I okazało się, że pomysł się sprawdził - jest jednoelektronowe wiązanie między dwoma węglami:

----------

* Takuya Shimajiri, Soki Kawaguchi, Takanori Suzuki & Yusuke Ishigaki; Direct evidence for a carbon–carbon one-electron σ-bond, Nature volume 634, pages347–351 (2024) 

Niemożliwy alken możliwy

   Złamanie stuletniego prawa naukowego to coś, co nie przydarza się często. Choć też zazwyczaj są to mniej ostre przypadki - znalezienie ogólnej zasady umożliwiającej wyjątki i wykazanie, że prawo jest ograniczone do części przypadków i nadal działa.  Tak jest z ostatnim doniesieniem o syntezie olefin anty-bredtowskich.

  Wiązania pojedyncze w cząsteczkach zwykle pozostawiają pewną swobodę rotacyjną. O ile grupom po obu stronach nie przeszkadzają w tym inne zazębiające się przestrzennie atomy, lub nie jest to wiązanie będące częścią pierścienia, dwie części cząsteczki wokół pojedynczego wiązania mogą się obracać. W przypadku wiązań podwójnych lub potrójnych nie ma takiej swobody. Występuje opór i do przekręcenia części cząsteczki potrzebna jest dodatkowa energia lub specyficzne warunki. W zabawkowych modelach tworzonych z kulek i prętów jest to zobrazowane tym, że wiązanie podwójne to dwa pręty osadzone osobno w atomach po obu stronach, w związku z czym obrót wokół jednego jest hamowany przez mocowanie drugiego. 

  W ujęciu chemii kwantowej są to jednak chmury elektronowe różnego kształtu osadzone także w chmurach elektronowych powłok wokół atomów, więc ograniczenie rotacji wynika z reguł kształtu orbitali i zachowania pewnej korzystnej energetycznie geometrii. Dla wiązania podwójnego korzystna geometria to płaskie ustawienie wiązań - dwa wiązania odchodzące od obu atomów węgla przy wiązaniu podwójnym są ustawione w tej samej płaszczyźnie i odchylone od siebie i wiązania podwójnego o 120 stopni. 

Model cząsteczki etylenu jako stereogram

  Ta skłonność cząsteczek do utrzymywania pewnej geometrii powoduje, że kształty odbiegające od najbardziej korzystnych są nietrwałe, a same cząsteczki bardziej reaktywne. Czasem nietrwałość pewnego układu jest tak duża, że dana cząsteczka się podczas reakcji nie tworzy a przebieg reakcji odbiega od teoretycznych możliwości, jakie można rozpisać na papierze. W końcu przy wyjątkowo niekorzystnych układach możemy dojść do wniosku, że taka cząsteczka jest niemożliwa do zaistnienia, bo natychmiast by się rozpadła. Tak było z alkenami badanymi na początku XX wieku przez niemieckiego chemika Juliusa Bredta. 

  Zajmował się on cyklicznymi terpenoidami i przykładowo jako pierwszy poprawnie określił strukturę kamfory. Terpenoidy zwykle są związkami nasyconymi, ulegającymi reakcjom podstawienia i eliminacji. Podczas eliminacji odejmującej dwa sąsiednie atomy, na przykład dehydratacji (utrata wodoru i grupy hydroksylowej) między atomami powstaje wiązanie podwójne. Do niego można następnie dołączyć kolejne grupy więc ten rodzaj przekształcenia jest wygodny do otrzymania różnych pochodnych. Pracując z różnymi typami cząsteczek Bredt zauważył, że pewnych możliwych produktów nie dało mu się otrzymać. 

  W związkach bicyklicznych dwa pierścienie łączą się na atomie nazywanym zwornikowym, od którego odchodzą trzy wiązania tworzące dalej pierścienie. I o ile reakcje prowadzące do powstania wiązania podwójnego gdzieś z boku, na dalszych częściach pierścienia, zachodziły z mniejszą lub większą łatwością, jaką można było można było wyjaśnić znanymi regułami - to gdy to wiązanie podwójne miało łączyć się z atomem zwornikowym, to związek nie chciał powstać. Albo któryś pierścień pękał, albo wiązanie podwójne powstawało w innym miejscu, omijając ten punkt. Wyglądało zatem, że jakieś powody uniemożliwiają powstawanie takich układów. A skoro tak, to zaproponowano aby nazwać tą zasadę regułą Bredta. 

Dalsze badania nad regułą pokazały, że za nietrwałość brakujących izomerów odpowiada skręcenie wiązania podwójnego. Popatrzmy na rysunki - w niedozwolonych formach dalsza część cząsteczki po jednej stronie wiązania podwójnego jest przekręcona w bok a po drugiej stronie do góry i nie tworzą razem jednej płaszczyzny. Im mniejszy jest pierścień tym większe musi być to odchylenie. Reguła Bredta dotyczyła więc klasy cząsteczek, w których klatkowata forma zawiera fragmenty, których nie da się tak przekręcić, żeby trzy kolejne wiązania leżały na tej samej płaszczyźnie. Jeśli cząsteczka ma takie fragmenty, to nie może w nich powstać wiązanie podwójne, bo byłoby to niekorzystne. W przypadku niektórych podczas tworzenia w takim fragmencie wiązania podwójnego, reszta cząsteczki ulega zdeformowaniu, umożliwiając wypłaszczenie otoczenia wiązania. 

Mimo że reguła przyjęła się i przydała się do wyjaśnienia niektórych mechanizmów, podejmowano próby syntezy związków z nią sprzecznych. Nieliczne wyjątki obejmowały cząsteczki o dużych pierścieniach, gdzie stopień skręcenia wiązania nie był duży. Związek naturalny krispolid, składnik wrotyczu, ma wiązanie podwójne przy atomie zwornikowym układu bicyklicznego, ale drugi pierścień jest bardzo duży i tak skręcony, że otoczenie wiązania jest niemal płaskie.  

W publikacji "Rozwiązanie problemu syntezy olefin anty-bredtowskich" grupa badawcza z USA donosi o znalezieniu ogólnej metody wytwarzania zabronionych alkenów zwornikowych. Zastosowano układ w którym przy zwornikowym węglu znajdowała się dobra grupa opuszczająca - reszta kwasu triflatowego. Przy sąsiednim natomiast grupa silanowa. Jako czynnik promujący eliminację zastosowano źródło aktywnego fluoru. Fluor ma dość dużą skłonność do łączenia się z krzemem i to napędza reakcję. Po odszczepieniu silanu, grupa przy węglu zwornikowym odchodziła i powstawało wiązanie podwójne - w tym właśnie zabronionym miejscu. Jednak tej cząsteczki nie dało się wyizolować, szybko ulegała przegrupowaniom. Aby udowodnić, że w ogóle powstaje, dodano do mieszaniny czynnik, który powinien zareagować z pośrednią olefiną dając charakterystyczne produkty. W przypadku pokazanym na poniższym rysunku jest to antracen. Cząsteczka ta ma reaktywność dienu i reaguje z dienofilową olefiną w addycji Dielsa Adlera, dając produkt, którego struktura wskazuje, że musiało tutaj znajdować się wiązanie podwójne. 

Reakcję powtórzono dla kilkunastu pochodnych norbornenu oraz dla kilku cząsteczek sprzegających, uzyskując wydajności dochodzące do 90%. Pozbycie się tego pokręconego, naprężonego stanu dawało taki wkład energetyczny w reakcje, że udawało się uzyskać cykloaddycję 2+2, rzadko osiąganą bez udziału światła. Tym samym stworzona została ogólna metoda syntezy olefin niezgodnych z regułą Bredta, przynajmniej jako związków pośrednich. 

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq3519

Żeby jednak nie było tak słodko, przeglądając publikacje innych badaczy o wyjątkach od prawa Bendta zastanawiam się na czym właściwie polega nowość w tej publikacji. Na ogłoszeniu, że się je złamało? Znalezienie ogólnego typu reakcji, który można zastosować w wielu układach jest odkryciem, ale przykłady reakcji, w których takie stany pośrednie musiały powstać, na co wskazują produkty dalszych przemian, były już wcześniej opisywane. W pracy z roku 2015 Khan i współpracownicy donoszą o takiej ogólnej reakcji umożliwiającej utworzenie zwornikowego alkoholu z pochodnych norbornenu. Podobnie jak w omawianej tu publikacji, anty-brendtowski związek pośredni nie był izolowany tylko wnioskowano o nim ze skutków

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/chem.201500131

W komentarzu pod artykułem Reinhard Keese zauważa ze zdziwieniem, że zacytowana została jego stara praca sprzed 50 lat jako dowód powszechnego uznawania alkenów anty-bendtowskich za niemożliwe, tymczasem powinny być łatwe do znalezienia inne publikacje jego zespołu, w których wykazali, że muszą one powstawać w reakcjach. "Rozwiązaliśmy problem zwornikowych wiązań podwójnych już 50 lat temu".  

Więc - to złamanie starego prawa nauki, znalezienie szczególnego przypadku, czy powtórzenie wyników, które już istniały, ale nie były ogłaszane od taką szumną nazwą? 

Chemiczne wieści (30.) - Beethoven zatruł się ołowiem - ale nie to go zabiło

Beethoven w 1804 roku. Wikipedia.pl

 

   Gdy niemiecki kompozytor Ludvig van Beethoven umierał w 1827 roku, miał już za sobą długą historię przewlekłych chorób i postępującej głuchoty, co dla człowieka żyjącego wszak z muzyki, było ogromną tragedią. Zauważył problemy ze słuchem pod koniec XVIII wieku, pogorszeniu słyszenia towarzyszył przeszkadzający szum uszny. I choć wbrew popularnej opinii pod koniec życie nie był "głuchy jak pień" bo rozróżniał wysokie i niskie tony, a w grze na fortepianie pomagało mu wyczuwanie wibracji, w ostatnich latach często  porozumiewał się pisemnie. W miarę upływu czasu do jego problemów dołączyła żółtaczka, reumatyzm i nawracająca gorączka. W ostatnich tygodniach nasiliły się obrzęki, musiano mu drenować wodobrzusze, pojawiły się objawy ogólnej niewydolności, ostatecznie zmarł po kilku dniach nieprzytomności w wieku 56 lat. Ponieważ tuż przed śmiercią leżał bez sił, ostatnie zapamiętane słowa wypowiedziane parę dni wcześniej dotyczyły błahej sprawy - gdy doniesiono mu, że wydawca partytur przysłał w prezencie butelki wybornego wina, mruknął "Szkoda, za późno".

  Śmierć wielkich ludzi z przeszłości, a zwłaszcza śmierć o nie do końca oczywistej przyczynie, to zawsze ciekawy temat do dociekań dla biografów czy lekarzy, dlatego na temat przyczyn choroby i śmierci Beethovena wysunięto wiele przypuszczeń. W autopsji stwierdzono u niego daleko posuniętą marskość wątroby, zwapnienie nerek i zwapnienie i zwężenie wielu tętnic, w tym też tych w okolicy ucha środkowego, spuchnięcie śledziony, zapalenie trzustki oraz krwawy płyn w jamie brzusznej. Problemów co nie miara.

  Co do wątroby dość szybko pojawił się pogląd, na który można było znaleźć potwierdzenie w listach i wspomnieniach, że do marskości doprowadził nadmiar wypijanego alkoholu; wina i inne trunki stanowiły zauważalną część przesyłanych mu prezentów. Leków na bazie alkoholu używał jego osobisty lekarz, co zapewne tylko pogorszyło sytuację. Od niewydolności wątroby powstało wodobrzusze, którego drenowanie przy ówczesnym poziomie medycyny wywołało bakteryjne zapalenie otrzewnej, i to w połączeniu z resztą problemów dobiło go ostatecznie. 

  Problemy ze słuchem i zwapnienie nerek próbowano tłumaczyć kiłą ale nie ma dowodów żeby na nią chorował W ostatnich dziesięcioleciach coraz większą popularność zyskiwało przypuszczenie, że dużą część jego problemów zdrowotnych może wyjaśnić przewlekłe zatrucie metalami ciężkimi, zwłaszcza ołowiem, z którym mógł mieć styczność przez ówczesne leki czy wino przechowywane w metalowych naczyniach. Zatrucie ołowiem wywołuje uszkodzenie nerek, rozstrój żołądka, zaniki pamięci i rozdrażnienie nerwowe, co zgadza się z cechami kompozytora pod koniec życia.

  Aby sprawdzić tę teorię, w roku 2000 zbadano zawartość ołowiu w zachowanym kosmyku włosów. Wynik był porażający - stężenie toksyczne, które z pewnością powinno wywołać śmierć. Od tego czasu doniesienie rozprzestrzeniło się w mediach i często nadal jest powtarzane. Jednak naukowcy nie nawykli ufać pojedynczym wynikom. W kolejnych latach wykazano, że zbadany wtedy kosmyk włosów należał do kobiety, więc nie mówił nam nic na temat kompozytora. W 2010 roku zbadano zachowane po przenoszeniu szczątków do innego grobowca fragmenty kości czaszki, stwierdzając zawartość ołowiu zbyt małą aby świadczyło to o ołowicy.[1]

  Z kolei z zapisów na temat diety wynika, że wino jakie pił było dobrej jakości i raczej nie powinno mieć styczności z metalem.

  W nowej publikacji [2] międzynarodowego zespołu podsumowano badania kosmyków włosów, których autentyczność potwierdzono genetycznie. Porównując kosmyki przypisywane mu znaleziono kilka z różnych lat o tych samych cechach genetycznych i tak ustalono jego linię genetyczną, na podstawie której zidentyfikowano kosmyki prawdziwe. Dla ciekawych - miał haplotyp mitochondrialny H1b1 + 16,362C, ze specyficzną mutacją  C16,176T. 

  W dwóch kosmykach z lat 1826-27 wykryto istotnie podwyższoną zawartość ołowiu. Odpowiada stężeniu we krwi 69 do 71 µg/dl , co może już wywoływać dolegliwości żołądkowo-jelitowe i zaburzenia pracy nerek. Ale wciąż jest zbyt niskim poziomem aby wywołać ciężką chorobę i śmierć. ołowiowi towarzyszył też arsen i rtęć, z którymi mógł mieć styczność z podobnych przyczyn. 

  Odkrycie więc z jednej strony dorzuca trochę wiarygodnych informacji na temat możliwych przyczyn niektórych przypadłości, z drugiej jednak podważa pogląd o przyczynie śmierci jaki zdążył się już trochę zakorzenić.

------ 

[1]  https://www.sciencedaily.com/releases/2010/06/100603155929.htm 

[2] https://academic.oup.com/clinchem/article-abstract/70/6/878/7651113

Ostatnio w laboratorium (90.)

 Po tym jak kilka lat temu miałem wątpliwą przyjemność pracować z tiofosgenem liczyłem na to, że już nie będę potrzebował go używać. Ale los jest złośliwy i właśnie pomagam przy jego produkcji. 

Tiofosgen to jeden ze związków w kategorii: bardzo szkodliwy ale jednak potrzebny i ktoś go musi produkować. Można go opisywać jako chlorowaną pochodną monosiarczku węgla. Między węglem a siarką wiązanie podwójne a do węgla doczepione jeszcze dwa chloru. Jest cięższym analogiem fosgenu zawierającego tlen zamiast siarki, który był używany jako gaz bojowy. Ma od fosgenu mniejszą lotność i niższą toksyczność więc w pewnych zastosowaniach może go zastępować. Widoczny tu produkt końcowego etapu ma czystość 99% i jest oleistą, ciemnowiśniową cieczą o ostrym,duszącym zapachu. Nic przyjemnego.

Ps. To 350 wpis na blogu i cieszę się, że nie ostatni choć z motywacją było ostatnio ciężko.

Nieoczekiwana cyklizacja

Ten przypadek pokazuje, że wiele jest jeszcze mechanizmów chemicznych, które nie przyszły nam wcześniej do głowy. Oraz, że nawet Noblista się myli, ale w tym przypadku wynikło z tego coś dobrego.

Credit: Angewandte Chemie Int Ed. 

  Duża część przydatnych związków organicznych daje się opisać jako po prostu podstawione pochodne benzenu. Nieraz podstawniki są bardzo skomplikowane, ale pomiędzy nimi jest tylko zwykły sześciowęglowy pierścień. Z tego też powodu nowe reakcje cyklizacji, pozwalające otrzymać pochodne z określonymi grupami w kontrolowanej pozycji, są zawsze w cenie. 

  Laureat Nagrody Nobla w chemii za rok 2021, Benjamin List, próbował opracować taką właśnie nową reakcję. Pomysł był interesujący. Prosty aldehyd zawierający interesującą nas grupę boczną reaguje z 1,3-cyklopentadienem, reaktywnym związkiem w formie pięciowęglowego pierścienia z dwoma wiązaniami podwójnymi. Zachodi między nimi addycja podobna do reakcji Knoevenagla. Produktem  jest fulwen, to jest związek w którym do opisanego już pierścienia dołącza się kolejne wiązanie podwójne, odchodzące zwornikowo. Powstaje więc zwarta struktura trzech blisko położonych wiązań podwójnych, która może ulegać różnym reakcjom. 

To nie było nic nowego, taką reakcję już znano.

Prototypowy fulwen

  I tu wchodził genialny pomysł noblisty. Pod wpływem światła ultrafioletowego  miało nastąpic stworzenie nowego wiązania w pięciowęglowym pierścieniu. Powstałby układ podobny trochę do domka z dziecięcego obrazka - kwadrat i trójkąt. A ze szczytu trójkąta podwójne wiązanie. Ten układ miał ulegać reakcji z katalizatorem platynowym do wytworzenia struktury z dwoma kwadratowymi pierścieniami z wiązaniami podwójnymi. A ta struktura jest już znana w chemii jako "benzen Dewara". W połowie XIX wieku trwała debata na temat struktury benzenu, w którym sześć atomów węgla łączyło się z sześcioma wodorami i nie dało się tego opisać znanymi wtedy modelami zakładającymi tylko wiązania pojedyncze między atomami. Kilku badaczy zaproponowało wtedy różne rozwiązania i Dewar zgłosił aż siedem różnych wersji, z czego jedna zawierała dwa kwadraty. Strukturę tę zsyntezowano w latach 70. kończąc dyskusje czy związek może istnieć. Jest ona nie płaska i przypomina prosty daszek:

  Dla nas i dla Lista najciekawsze jest w niej to, że ze względu na znaczne odkształcenie przekształca się ona spontanicznie w benzen, i atomy przestawiają się w taki sposób, że da się przewiedzieć w jakiej pozycji znajdą się podstawniki. Skoro więc odpowiednim przegrupowaniem zamienimy fulwen w pochodną benzenu Dewara, ta zamieni się samorzutnie w benzen "normalny" i tak mamy oczekiwaną pochodną z pierścieniem sześciokątnym. I koniec syntezy.

  Tak że patrząc na to z boku - świetny pomysł, byłoby świetnie, gdyby go zrealizować. Tak więc rozpoczęto prostą, modelową reakcję, otrzymany fulwen poddano naświetlaniu UV aby wyizolować związek pośredni do reakcji z platyną... Po czym okazało się, że większość fulwenu zamieniła się w coś zupełnie innego. 

Głównym produktem reakcji był podstawiony spiro-[2,4]-heptadien, z więc związek w którym opisywany już pierścień pięciokątny ma jeden róg wspólny z trójkątnym. 

  Sama w sobie taka struktura jest interesująca, była już znana wcześniej, ale metody jej syntezy były ograniczone do szczególnych przypadków. Tutaj musiało zajść coś intrygującego. Poprzez dalsze symulacje komputerowe a następnie drogą badania pochodnej deuterowanej rozwikłano interesujący mechanizm. 

  Po naświetleniu związku ultrafioletem, jedno z wiązań wiązania podwójnego pękało, tworząc parę wolnych rodników. Dalsze zachowanie się tych niesparowanych elektronów wynikało już z różnej trwałości rodników. Jak to wiele razy tłumaczy się studentom podczas omawiania rezonansu, rodniki alkilowe mają trwałość zależną od rzędowości. W przypadku pośredniej cząsteczki dirodnika fulwenu, jeden niesparowany elektron siedzi w wygodnym dla niego miejscu, na zworniku pierścienia pięciowęglowego, od którego odchodzi nie pęknięte jedno wiązanie. Trwałość rodnika na węglu trzeciorzędowym jest zdecydowanie większa niż dla innych przypadków.  

  Drugi niesparowany elektron siedzi w mniej wygodnym miejscu, na węglu teraz już drugorzędowym. Ale zaraz obok mamy węgiel trzeciorzędowy, w miejscu rozgałęzienia podstawnika. Następuje więc przesunięcie rodnika tam, a na jego miejsce wskakuje atom wodoru z rozgałęzienia. Taka roszada.

Powstaje więc cząsteczka z dwoma rodnikami na dwóch trzeciorzędowych miejscach, które dzięki temu mają większą trwałość. A skoro tak już się umiejscowiły, to mogą ze sobą zareagować, odtwarzając wiązanie, ale teraz już między innymi atomami. Rekombinacja niszczy stan rodnikowy i tworzy trójkątny pierścień. Wszystkie te przesunięcia są na tyle korzystne energetycznie, że końcowy spiro-heptadien powstaje z zadowalającą wydajnością dochodzącą do 70-98% w niektórych przypadkach. 

  Reakcja po ustaleniu przebiegu została przetestowana na szeregu innych związków, w tym takich, w których trójkątny pierścień cyklopentanowy ma na drugim końcu rozbudowane podstawniki lub kolejny pierścień. Otrzymywanie takich rozbudowanych pochodnych z trzema pierścieniami spiro innymi metodami nie jest takie łatwe i mało było na ten temat publikacji, więc spodziewać się teraz możemy fali kolejnych badań na temat tego typu związków, skoro pojawiła się zupełnie nowa metoda otrzymywania.

-------

* Benjamin List et.al. Toward a Formyl-to-Phenyl Conversion: An Unexpected Photochemical Fulvene Rearrangement, Angew. Chem.Int. Ed.2023, e202303119 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202303119

Chemiczne wieści (28.)

Gazowy mocznik w atmosferze

Nowe obserwacje pozwalają domknąć cykl obiegu zredukowanego azotu i wyjaśnić źródła soli amonowych na obszarach ubogich w materię. 

 

Od dawna wiadomo, że związki azotu w morzach, niezbędne do syntezy białek, występują głównie w formach utlenionych - azotany i azotyny, i zredukowanych, jako amoniak i jony amonowe. Dość ważną formą pośrednią jest mocznik, syntezowany z amoniaku i dwutlenku węgla. Może powstawać w oceanie lub być spłukiwany z lądów, a wzrost jego stężenia koreluje z późniejszymi zakwitami glonów. [1] Jednym z głównych źródeł mocznika w morzach jest metabolizm bakterii, które przetwarzają na niego inne źródła azotu [2]

Jednak gdy badano przepływ azotu różnymi drogami, zawsze pojawiał się pewien mały procent niewyjaśnionego przepływu. W oceanach o małej produkcji biologicznej i oddalonych od lądu, jak ocean arktyczny, problem był dość wyraźny, bo tam mocznik stanowi nawet 50% rozpuszczonej formy azotu.[3] Wyglądało na to, że mocznik jest produkowany na przykład w osadach dennych po czym nieznane procesy wynoszą go na powierzchnię z takiej ilości jak obserwowana bez zużywania. Rozważano też transport w aerozolu kropelek wody unoszonych wiatrem, ale mierzymy średnie stężenie takich kropelek oraz znamy ogólny czas przebywania kropelki w powietrzu i cykl się nie domykał do końca, zostawało trochę azotu poza tymi strumieniami. 

Badacze stosujący mobilny przyrząd FAAM Airborne Laboratory umieszczony w samolocie, gromadzili dane na temat składu aerozolu i ogólnie związków organicznych w powietrzu nad północnym Atlantykiem. I trochę nieoczekiwanie wykryli tam mocznik. Ale nie w kropelkach, lecz gazowy. Pary mocznika mogą być unoszone z wiatrem na większe odległości, zapewniając transport dodatkowych porcji nawet bez silnego wiatru. Teraz będzie trzeba to uwzględnić w modelach transportu a może i w modelach zmian klimatu. [4]

Czasopisma zmieniają wymagania co do analizy elementarnej

Ważna wiadomość dla wielu chemików. Wymagania dotyczące stopnia dokładności analizy elementarnej w publikacji naukowej, mogą zostać poluzowane.

Analiza elementarna to stara i ważna w historii chemii metoda badania składu pierwiastkowego związków organicznych. Związek jest odpowiednimi technikami spalany całkowicie a ze spalin wyłapywane są produkty utlenienia - dwutlenek węgla, para wodna, tlenki azotu i siarki itd. Jeśli pozostanie popiół, to on także jest badany. Końcowym wynikiem obliczeń ilości moli produktów jest wtedy wzór sumaryczny mówiący jaki jest stosunek wagowy pierwiastków w tym związku. Powinien się on zgadzać ze stosunkiem wyliczonym ze wzoru. Brak tej zgodności może oznaczać, że związek nie był dostatecznie czysty lub że to inny związek.

Nic więc dziwnego, że metoda zaczęła być wykorzystywana do rozstrzygania, czy chemik otrzymał to co zamierzał, i w czasach zanim zaczęto badać strukturę cząsteczek spektroskopowo, była w zasadzie podstawową metodą potwierdzenia tożsamości. Skoro tak, to czasopisma naukowe zaczęły wymagać dostarczenia wyników z takiej analizy przy zgłoszeniu o otrzymaniu nowego związku. Jeśli chemik otrzymał tą cząsteczkę jaką postuluje, to skład powinien się zgadzać z teoretycznym.

Ale w 2022 roku pojawiła się publikacja, w której autorzy podważają niektóre przyjęte w czasopismach standardy. Zwłaszcza dość częsty wymóg, aby odchylenie składu wyliczonego z analizy od teoretycznego nie było większe niż 0,4%. Co oznacza, że do analizy należy dawać próbkę o czystości 99,6% a w praktyce dużo większej ze względu na naturalne błędy dokładności metody analizy.  Jedna wartość błędu dla wszystkich związków oznaczałaby też założenie, że wszystkie metody określenia produktów powinny być podobnego rzędu precyzyjne. A tak nie jest - dla części pierwiastków metody badania ich zawartości w spalinach są mniej dokładne ze względu na właściwości tego pierwiastka. Z drugiej strony dla niektórych pierwiastków błąd plus minus 0,4% jest całkiem spory. 

I tutaj badacze zadali dość oczywiste pytanie - no a czemu błąd ma wynosić do 0,4%? Niby podstawowa sprawa, ale wypytanie redaktorów czasopism i przegląd literatury pokazał, że taką granicę błędu kiedyś przyjęto i tak zostało bez uzasadnienia. Chm... No to może po prostu to granica dokładności, którą wszyscy spełniają i dlatego jest tak wyśrubowana? Postanowiono to sprawdzić.

 Podczas testu sprawdzającego jak z próbką tego samego związku zawierającego tylko proste pierwiastki C H N O o czystości 99,9% poradzą sobie różne laboratoria stwierdzono, że 10% wyników ma większe odchylenie niż przyjęty standard. Czyli to nie jest granica, którą łatwo przekroczyć i w rzeczywistości badacz mający ultraczysty związek może przypadkiem otrzymać wynik analityczny nie spełniający wymagań. Trochę słabo. A jeśli robił syntezę w małej skali i miał tego swojego związku miligramy, które w większości zużył podczas różnych analiz, to może się okazać, że musi powtarzać reakcję drugi raz, aby tym razem wynik był dobry. Wnioskiem badaczy było to, że przyjęte standardy nie mają uzasadnienia i powinny być zmienione na standard zależny od statystyk dokładności oznaczania dla różnych pierwiastków. [5]

Po roku od ukazania się tej publikacji niektóre czasopisma zaczęły zmieniać wymagania. Część magazynów z grupy wydawniczej Willey zaczęła wymagać po prostu "zadowalającej dokładności" a to czy ta akurat wystarczy ocenią zapewne recenzenci. Royal Society of Chemistry pracuje nad zmianą zaleceń idącą w podobnym kierunku. [6]

Starożytne rzymskie perfumy 

W roku 2019 podczas badań archeologicznych, w Carmonie pod Sewillą w Hiszpanii, znaleziono dobrze zachowane mauzoleum, z popiołami sześciu osób. Główna komora była niezwykle dobrze zachowana. W niszach stały jeszcze nie uszkodzone urny z popiołami i innymi darami grobowymi, których nie naruszyli rabusie. W jednej z nisz znajdowała się ołowiana skrzynka a w niej kwarcowe naczynie, zawierające spopielone szczątki oraz resztki płóciennego woreczka zawierającego bursztynowe paciorki i małą buteleczkę z dmuchanego szkła. Z jakąś zawartością. Na podstawie nielicznych podobnych buteleczek znanych z innych miejsc podejrzewano, że zawiera pachnidło  na bazie oleju z pochłoniętym aromatem. Tego typu aromatyczne oliwki lub maści były znane w tym czasie, gdy jeszcze nie była znana destylacja olejków eterycznych; przykładowy opis pachnidła podawał Piliniusz.

Buteleczka wyglądała na porządnie zamkniętą dopasowanym koreczkiem, dzięki czemu nie docierała do niej wilgoć. Zawartość przez tysiąclecia zestaliła się do szarej masy. O ile tego typu naczynek znamy już z pochówków bardzo dużo, to te z oryginalnym zamknięciem są dość rzadkie. Często zatyczki ampułek, buteleczek i amfor wykonywano z korka lub drewna, które są materiałem nietrwałym. W innych przypadkach odkopane naczynie było pęknięte. 

Analizy korka pokazały, że jest zrobiony z dolomitu, a więc trwałego materiału. Po jego wyjęciu stwierdzono na szyjce pozostałości jakiejś ciemnej substancji uszczelniającej. Okazało się, że był to bitumin, lepiszcze węglowodorowe, znane z literatury jako uszczelniacz do statków i amfor. Znalezienie go jako uszczelnienia zatyczki takiej buteleczki to zatem pierwszy taki przypadek. 

Oczywiście najbardziej interesujące były analizy zawartości. Metodami spektroskopii ramanowskiej, FT-IR i chromatografii gazowej z analizatorem mas wykazano, że do zawartości przeszła część bituminu z korka, ale poza tym skład substancji był zgodny z opisami Piliniusza - bazę stanowił olej roślinny, po którym pozostały kwasy tłuszczowe oleinowy, stearynowy i linolenowy oraz roślinne sterole. Nie dało się określić nic dokładniejszego, ale ogólne proporcje tych trzech kwasów pasują do oliwy z oliwek. 

Po składniku aromatycznym pozostały niektóre terpeny i seskwiterpenoidy: seszelen, alfa-kopaen-8-ol, alloaromandren, kubenen i kariofilen, ale przede wszystkich charakterystyczne paczulenol i paczulen. Rzymianie nacierali więc więc olejem o zapachu paczuli!

 

 

Autorzy chcieli jednak sprawdzić, czy czasem za ten skład nie odpowiadają pozostałości po olejku nardowym, którego używanie opisywały starożytne źródła. W zasadzie to rzymscy autorzy opisywali dwa surowce - jeden był nazywany po prostu nardem, a drugi "liściem nardu" i mogło tu chodzić o jakąś inną roślinę. Wśród podejrzewanych przez historyków była także paczula, ale brakowało dowodów na to, że kontaktami handlowymi dotarła do Europy tak wcześnie. Kupili komercyjny olejek nardowy (jest drogi) i sprawdzili jego skład. Obawy o pomylenie tych dwóch surowców były słuszne, bo niektóre składniki się powtarzały - także paczulol, i kubeben. Były jednak pomniejszymi składnikami a zasadniczo w olejku dominował alfa-kopaen i kariofilen. Stosunek ilości najważniejszych składników nie pasował więc do resztek z buteleczki i pozostawała tylko pierwsza hipoteza - to była paczula, nic innego. [7]

Pierwszy związek z wiązaniem Beryl-Beryl

Beryl to czwarty pierwiastek w układzie okresowym, mający wiele ciekawych zastosować technicznych. Jego właściwości chemiczne także są badane i właśnie jednemu z zespołów chemików udała się sztuczka, która dotychczas była niemożliwa. Wczesne obliczenia wskazywały, że powinien być możliwy związek międzymetaliczny z wiązaniem między dwoma atomami berylu. Dla wielu innych pierwiastków się to udało, więc dlaczego beryl by był wyjątkiem? 

Próby jednak nie wychodziły, a badania utrudniała toksyczność berylu. 

Mówią w dużym skrócie, wykorzystano znany już wcześiej taki związek z pokrewnym berylowi magnezem. Był to dimagnezocen, związek kanapkowy, w której dwa przyciągane przez pierścienie aromatyczne atomy magnezu oddziaływały ze sobą. Poddano go reakcji z odpowiednio skonstruowanym organicznym związkiem berylu, który chętnie uwalniał metal. Nastąpiła reakcja wymiany i tak dwa magnezy zamieniły się w dwa beryle. A pomiędzy nimi pojawiło się zdefiniowane wiązanie chemiczne. I tak diberylocen stał się faktem. [8]

------

 

[1] https://www.int-res.com/abstracts/ame/v59/n1/p67-88/

[2] https://academic.oup.com/femsec/article/12/1/51/547804

[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0198014985900159

 

[4]  Emily Matthews et al, Airborne observations over the North Atlantic Ocean reveal the importance of gas-phase urea in the atmosphere, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2218127120 

[5]  Rupert E. H. Kuevke et al, An International Study Evaluating Elemental Analysis, ACS Cent. Sci. 2022, 8, 7, 855–863

 

[6] https://www.chemistryworld.com/news/first-publisher-abandons-impractical-elemental-analysis-standard-as-journals-eye-next-move/4017596.article

[7] Cosano, D.; Román, J.M.; Lafont, F.; Ruiz Arrebola, J.R. Archaeometric Identification of a Perfume from Roman Times. Heritage 2023, 6, 4472-4491. https://doi.org/10.3390/heritage6060236 

 

[8]  https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh4419