Kiedyś w laboratorium (84.)

 Krystalizacja aminokwasów metodą wiszącej kropli.

Aby przy pomocy krystalografii zbadać substancję, należy ją dobrze wykrystalizować. Ale to bywa czasem trudne - rozbudowane, asymetryczne cząsteczki trudno odnajdują jakiś porządek w trójwymiarowej sieci. Mogą wytrącać się jako osady amorficzne, niekiedy mają skłonność do tworzenia oleistych cieczy przechłodzonych. Czasem substancja może tworzyć warstewkę na powierzchni naczynia z powodu adhezji, lub koncentrować się wokół nierówności. Dlatego wymyślono wiele metod krystalizacji, które czasem pozwalają na otrzymanie nowej formy krystalicznej, jaka w innych warunkach nie powstaje.

W metodzie wiszącej kropli wykorzystywane są niewielkie objętości roztworu substancji, co jest korzystne, gdy mamy jej akurat bardzo niewiele. Wykorzystywane jest to w zasadzie proste zjawisko zatężenia roztworu przez odparowanie, ale szybkość procesu jest kontrolowana. 

Przygotujemy roztwór badanej substancji, na przykład białka, w rozpuszczalniku. Dla biomolekuł jest to zwykle któryś z buforów. Przy pomocy pipety umieszczamy kroplę na spodniej stronie nakrywki, tak aby z niej zwisała ale nie mogła skapnąć. Nakrywamy tym ostrożnie naczynka zawierające taki sam roztwór ale o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonych. Czyli na przykład na nakrywce jest roztwór białka w 0,1M buforze, a w naczynku bufor o stężeniu 0,5M. Po zamknięciu naczynka roztwory będą dążyły do pewnej równowagi - parowanie z mniej stężonego roztworu będzie bardziej intensywne, zaś ten bardziej stężony będzie w efekcie pochłaniał rozpuszczalnik i się rozcieńczał. W efekcie stężenie substancji w kropi będzie rosło, aż do przesycenia.

Ze względu na to, że powstające kryształy nie będą opadały na podłoże, co wynika z odwróconej pozycji, kryształ zawiesi się blisko spodniej powierzchni kropli. Ogranicza to zaburzenia wywołane oddziaływaniem kryształu z podłożem, jak na przykład spłaszczenie z powodu odcięcia jednej strony, która przylgnęła do dna. Odpowiednio dobierając różnice stężeń między roztworem w kropli i roztworem na dnie, można proces zatężenia przyspieszyć lub spowolnić, mogąc ustawić go tak, aby powstawał pojedynczy kryształ dostatecznej wielkości.

Kiedyś w laboratorium (74.)

Podczas częstej w wielu laboratoriach organicznych procedury odparowania roztworu potrzebnego związku, pod koniec zaobserwować można charakterystyczne zjawisko - wskutek dużego zagęszczenia na ściankach kolby rozprowadzony zostaje stężony, nasycony lub wręcz przesycony roztwór, który wcale nie musi tak od razu chętnie krystalizować, zwłaszcza jeśli jest to rozbudowana cząsteczka. Podczas stygnięcia kolby wyjętej z wyparki następuje więc spontaniczna krystalizacja wokół przypadkowych jąder, którymi może być na przykład nierówność na szkle lub cząstka stałego zanieczyszczenia. W takich warunkach, gdy roztwór substancji jest silnie nasycony,  promowane są skupiska promieniście rozłożonych igieł, które szybko rozrastają się koliście od miejsca inicjacji.

Proces jest bardzo szybki, czasem wystarczy pół minuty aby całe wnętrze zamieniło się w gęsto upakowane koła drobnych promieni.

Azuryt i malachit - ostatnio w laboratorium (65.)

Kolejny przypadek pojawienia się czegoś ciekawego w kolbie obok właściwej syntezy.

W zeszłym tygodniu obrabiałem mieszaninę po reakcji, w której użytym katalizatorem były sole miedzi. Aby usunąć z mieszaniny ją i kwaśne produkty uboczne, mieszaninę rozpuszczoną w octanie etylu ekstrahowałem roztworem węglanu sodu a potem solanką dla odciągnięcia wody. Miedź ładnie przechodziła do fazy wodnej:

Roztwór węglanu, brany z butli, w której uprzednio go przygotowałem, był niemal stężony, solanka podobnie, a ponieważ z fazy organicznej przeszedł jeszcze rozpuszczalny w wodzie acetonitryl, szybko w kolbie ze zlewkami wytrącił się osad węglanu, nad którym pozostał granatowy roztwór soli miedzi:

Kolbkę odstawiłem w kąt dygestorium i nie zajmowałem się dalej. Po weekendzie okazało się, że trochę roztworu odparowało, a z mieszaniny zaczął krystalizować osad w formie drobnych igiełek

Najwięcej zebrało się na dnie, na białej warstwie węglanu. Było to dość ciekawe. Roztwór był zasadowy, zawierał jony miedziowe, węglanowe, hydroksylowe i chlorkowe, i był właściwie nasycony. W tych warunkach wypaść z niego mogło kilka niebieskich substancji - węglan miedzi, chlorek miedzi, zasadowy węglan miedzi, zasadowy chlorek miedzi, wodorotlenek miedzi...

Aby coś rozstrzygnąć (i pobawić się) ostrożnie zlałem roztwór, zostawiając tylko zmieszane osady:

Przepłukałem je następnie zimną wodą, aby wypłukać dobrze rozpuszczalny węglan sodu. Sam niebieski osad był w wodzie raczej słabo rozpuszczalny, co raczej wykluczało chlorek miedzi. Po odsączeniu małą ilość osadu przeniosłem na szkiełko zegarkowe i zadałem paroma kroplami rozcieńczonego kwasu solnego. Osad rozpuścił się, do ostatniej grudki wydzielając bąbelki gazu. Zatem musiał to być jakiś węglan miedzi. A konkretnie azuryt.

Miedź na drugim stopniu utlenienia tworzy z jonami węglanowymi sole, jednak w normalnych warunkach nie jest to po prostu stechiometryczny węglan CuCO
₃ , jak by się to mogło wydawać (i jak jest to zwykle zapisywane w podręcznikach). Wynika to z większego powinowactwa jonów hydroksylowych niż węglanowych, które słabo koordynują. W praktyce więc z wodnych roztworów wytrąca się zasadowy węglan miedzi, zawierający jony węglanowe i wodorotlenkowe. Ten jednak może występować w dwóch formach, różniących się ilością jonów węglanowych. Forma zawierająca dwa jony węglanowe i dwa hydroksylowe (Cu₃(CO₃)₂(OH)₂  ) to błękitny azuryt, zaś forma z jednym jonem węglanowym i dwoma hydroksylowymi ( Cu₂CO₃(OH)₂ ) to zielony malachit. Ich trwałość zależy od warunków - pod ciśnieniem atmosferycznym trwalszy jest malachit, zawierający mniej jonów węglanowych. Azuryt wymaga większego ciśnienia dwutlenku węgla dla uzyskania równowagi, bez tego, zwłaszcza pod wpływem wilgoci, ulega powolnej przemianie w malachit. Często więc w złożach obserwuje się oba minerały zmieszane, z ziarnami azurytu zachowanymi wewnątrz brył malachitowych.

Podczas wytrącania węglanu miedzi w trakcie szkolnych eksperymentów zwykle otrzymuje się osad zawierający przewagę malachitu, o niebiesko-zielonym kolorze, wynika to z niedostatecznej ilości jonów węglanowych. Dalsze przetrzymywanie mokrego osadu wywołuje po pewnym czasie całkowitą konwersję w malachit, przeprowadzenie reakcji w podwyższonej temperaturze przyspiesza przemianę do jednej-dwóch godzin.
Przypuszczam, że w tym przypadkowym osadzie otrzymałem raczej przewagę azurytu. Sprzyja temu przeprowadzenie krystalizacji w nasyconym roztworze węglanu (duży nadmiar jonów węglanowych).  Jedną ze wskazówek jest wyraźnie niebieski kolor osuszonego osadu:

Azuryt występuje w naturze jako minerał wtórny towarzyszący rudom miedzi, zwykle wraz z malachitem. Już od starożytności budził zainteresowanie, ze skał z przewagą tego składnika wykonywano ozdoby, zaś on sam po rozkruszeniu służył jako pigment malarski. Niestety znaną niedogodnością było powolne zielenienie oraz mała odporność na kwaśne składniki farby lub spoiwa, dlatego bardziej ceniona była ultramaryna, otrzymywana z minerału lapis lauzuli.
Malachit syntetyczny, otrzymywany z roztworów, znany był jako verditer, a syntetyczny azuryt jako niebieski verditer.

Neutralny węglan miedzi, jaki wydawałoby się, że powinien powstawać w reakcji, jest natomiast związkiem nietrwałym w obecności wilgoci i trudno otrzymać go normalną drogą. W zasadzie dopiero w 1973 roku opublikowano syntezę w bezwodnych warunkach między zasadowym węglanem a dwutlenkiem węgla, w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Ma postać szarego proszku i nie znalazł jakiegoś specjalnego zastosowania. [a]

--------
[a]  Hartmut Erhardt, Wilhelm Johannes, and Hinrich Seidel (1973): "Hochdrucksynthese von Kupfer(II)-Carbonat", Z. Naturforsch., volume 28b, issue 9-10, page 682.

Ostatnio w laboratorium (63.)

Ostatnio w laboratorium przypadkiem uzyskałem efekt, który wcześniej trudno mi było uzyskać zamierzenie w domowych warunkach. Podczas oczyszczania mieszaniny poreakcyjnej stosowałem między innymi ekstrakcję z roztworem wodorowęglanu sodu, dla usunięcia kwaśnych produktów ubocznych, po czym dla zmniejszenia zawartości wody w fazie organicznej przeekstrahowałem ją jeszcze z nasyconą solanką. Nasycony roztwór soli chętnie chłonie wodę. Oczywiście do ostatecznego dosuszenia używa się desykatorów w rodzaju bezwodnego siarczanu sodu, ale bez wstępnego odciągnięcia nadmiaru wody solanką, należałoby użyć tego środka wiążącego całkiem sporo.

Tak więc po rozdzieleniu faz oddzieliłem organiczną od solanki, którą to zlałem do osobnej zlewki. Tą odłożyłem na bok, i zapomniawszy wylać zostawiłem na weekend. W poniedziałek stwierdziłem, że mimo iż na ściankach nie było widać śladów krystalizacji czy większego odparowania, to na dnie zlewki powstało kilka ładnie uformowanych kryształów:

Choć sól kuchenna jest jednym z pierwszych wyborów, gdy tylko przyjdzie nam do głowy robienie sobie w domu kryształków, niespecjalnie się do tego nadaje. Ma niestety skłonność do krystalizowania w zbitych skupiskach drobnokrystalicznych, a różnica rozpuszczalności w wodzie między temperaturą pokojową a wrzątkiem jest mała, przez co wymuszanie krystalizacji przez przesycenie spadkiem temperatury, jest mało efektywne. W większości przypadków próby krystalizacji polegające na zanurzeniu sznurka w solance, kończą się powstaniem czegoś podobnego do białego stalaktytu.

Podczas domowych prób rezygnowałem więc z krystalizacji na sznurku czy nitce, zamiast tego wrzucałem do roztworu jakiś obiekt, który pozostawał całkowicie zanurzony.

Ziarno czarnego pieprzu z przezroczystymi kryształami

Teraz powstało mi natomiast bez żadnych przygotowań, bez powstania drobnokrystalicznych osadów i innych przeszkadzających dodatków, kilka dość regularnych kryształów o wielkości do pół centymetra:

Oczywiście, jak widać, nie są idealne. Są białe, zapewne podczas szybkiego wzrostu pochłaniały z roztworu zanieczyszczenia organiczne i banieczki powietrza. Rosły przyrośnięte do dna, dlatego zamiast regularnych kostek powstały płytki. Ciekawą cechą jest też kształt górnej ściany krystalicznej - posiada regularne wgłębienie, zagłębiające się w kryształ równymi schodkami.

To tak zwany kryształ szkieletowy, powstający w warunkach szybkiego wzrostu w warunkach przesycenia. Woda odparowywała z solanki, bardziej zagęszczony roztwór opadał na dno. Kryształy powstawały więc w warstwie nieruchomego roztworu o dużym stopniu przesycenia. Grawitacja w przypadku górnej ścianki kryształu nie wspomagała ruchu cieczy, zatem szybkość krystalizacji była ograniczana szybkością dyfuzji cząstek, oraz różnicowana anizotropią budowy kryształu.
W takich sytuacjach częstym zjawiskiem jest szybszy przyrost kryształu na krawędziach niż pośrodku ściany, wynika to z lepszej dostępności roztworu (zamiast docierać z połowy przestrzeni, cząstki mają 3/4 objętości z której dochodzą do powierzchni kryształu). Efekt ten może wzmacniać pojawiające się na krysztale pole elektryczne.

© Hershel Friedman - minerals.net

Zależnie od tego jak duży jest stopień przesycenia, oraz jaki jest normalny pokrój kryształów danej substancji, tworzą się więc albo kryształy zachowujące normalny pokrój, ale ze schodkowatymi lejami na ścianach, albo mające formę cienkich lejków, albo przybierające kształty igieł, gwiazdek czy pierzastych dendrytów. Z tworzenia takiego pokroju znany jest właśnie halit, ale obserwowano go też u kwarcu, kalcytu i w kryształach lodu. Łatwo powstaje też podczas krystalizacji bizmutu, metalu o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia, z którego da się w amatorskich warunkach uzyskać efektowne kryształy.

© www.johnbetts-fineminerals.com

Wraz ze zmianą warunków, forma kryształu może się zmienić. Zmniejszenie stopnia przesycenia roztworu często powoduje wypełnienie jam w ścianach, jedyną pozostałością mogą wówczas być wtrącenia układające się wewnątrz kryształu w stożkowaty wzór.

Ostatnio w laboratorium (61.)

Bardzo ładna rekrystalizacja:

W tym przypadku była to pewna pochodna chinoliny. Kilkakrotna krystalizacja, rozpuszczenie i ponowna krystalizacja pozwoliły na oddzielenie brązowego zanieczyszczenia od jasnokremowego związku bez konieczności użycia chromatografii.

Krystalografia czekolady

... czyli o praktycznych zastosowaniach bardzo ścisłej, i zmatematyzowanej dziedziny, z których efektami spotykamy się na co dzień.

  Krystalografia to dziedzina na pograniczu chemii fizycznej i fizyki ciała stałego, zajmująca się badaniem właściwości kryształów i niektórych innych faz uporządkowanych, oraz ich teoretycznym opisem. Wedle definicji utworzonych w ramach tych badań, stan krystaliczny to forma materii charakteryzująca się wysokim uporządkowaniem struktury przestrzennej tworzonej przez pojedyncze cząsteczki lub jony. Cząstki tworzące kryształ są tak ułożone, iż tworzą pewien podstawowy schemat, mogący powtarzać się w trzech wymiarach praktycznie w nieskończoność - przynajmniej aż do zewnętrznej ściany ziarna krystalicznego.
 Niech to będzie powiedzmy przestrzenny kwinkunks z ośmioma cząsteczkami w rogach domyślnego sześcianu i jedną w geometrycznym środku między nimi:

Kryształ mający za swój podstawowy wzór, nazywany komórką elementarną, taki właśnie układ, będzie zatem powtarzał go tworząc ścisłą sieć podobnych połączonych komórek:

Wedle tego typu komórki krystalicznej, szeregujemy struktury kryształów w grupy oparte na konkretnej geometrii, czyli układy krystalograficzne, jest ich kilka: oparty na sześcianie układ regularny, układ heksagonalny oparty na heksagonie itp.
Dodatkowo w każdym typie możliwe jest że między narożami komórki pojawią się dodatkowe cząsteczki w centrum ścian lub w środku, stąd możliwość dodatkowych typów "centrowanych". Łącznie 7 układów wraz z centrowanymi kombinacjami daje 32 typy sieci krystalicznych, nazywane sieciami Bravais'go (czyt: 'brawego').

Wiele substancji może tworzyć kryształy różnego rodzaju, o różnej strukturze krystalicznej, zależnie od warunków krystalizacji. Jeden rodzaj sieci krystalicznej może przechodzić w drugi gdy zmienią się warunki. Znanym przykładem jest choćby siarka, która krystalizowana ze stopu tworzy igiełkowate kryształki o symetrii jednoskośnej, które w temperaturze poniżej 95 stopni powoli zamieniają się w kryształki o symetrii rombowej. Formy te różnią się też rozpuszczalnością w dwusiarczku węgla. Podobną sytuację widać w przypadku węgla, gdzie drastycznie różne właściwości mają dwie formy krystaliczne - czarny i miękki grafit oraz przezroczysty i twardy diament.
Istnienie różnych form krystalicznych tej samej substancji nazywane jest polimorfizmem.

Dwa zupełnie różnego kształtu i koloru kryształy tej samej substancji (kobalto-karboran) różniące się wzajemnym ułożeniem cząsteczek w komórce elementarnej. (publikacja)

Odmiany krystaliczne tej samej substancji, poza geometrią i symetrią, różnią się też właściwościami fizycznymi. Mogą różnić się twardością, kolorem, przewodnością a także temperaturą topnienia.
Co to wszystko ma do czekolady?

Czekolada to mieszanina otrzymywana ze zmieszania kakao i tłuszczu kakaowego, także z mlekiem i cukrem; często zamiast kakao używa się miazgi kakaowej. Cząstki kakao i kropelki wodnistej części mleka tworzą zawiesinę w masie stałego masła kakaowego. Masło to w formie stałej składa się z drobnych ziaren krystalicznych, czego gołym okiem nie widać z powodu ich niewielkich rozmiarów. Kryształy masła z kolei mogą występować w kilku odmianach polimorficznych, różniącym się między innymi wytrzymałością mechaniczną i temperaturą topnienia.
Zatem znajomość własności kryształów tłuszczu kakaowego, pozwala na otrzymanie czekolady o właściwych parametrach.

Z kilku najważniejszych form krystalicznych tłuszczu w czekoladzie, trzy topią się w temperaturze poniżej 25 stopni, jedna (forma IV) w 27 stopniach, jedna (V) przy około 33 stopniach i jedna (VI) przy około 36-38 stopniach. Przy złym wykonaniu i schłodzeniu masy albo otrzymamy czekoladę, która pozostaje miękka w temperaturze pokojowej i łatwo topi się w dłoni, albo otrzymamy produkt twardy i z trudem rozpuszczający się nawet w ustach. W dodatku niskotopliwe formy chętnie tworzą duże kryształy, które rozpychają na boki cząstki kakao, powstaje wówczas czekolada o matowej, nierówno zabarwionej powierzchni.

Aby otrzymać czekoladę z przewagą formy krystalicznej właściwej, należy przeprocesować ją w odpowiedniej temperaturze. Proces ten nazywany jest temperowaniem.
Typowym sposobem temperowania jest najpierw stopienie masy czekoladowej w temperaturze, w której topią się wszystkie formy krystaliczne, czyli około 45 stopni. Następnie masa jest szybko schładzana do temperatury nieco poniżej topnienia średniotopliwej formy, około 26-27 stopni. W tej temperaturze w mieszanej szybko masie powstać mogą drobne kryształki trzech typów - formy IV o temperaturze topnienia 27 stopni, formy V i formy VI - które to drobne kryształki działają jak zarodki dla powstawania kolejnych kryształów w tych typach. Gdybyśmy teraz pozwolili masie powoli ostygać, zawierałaby mieszankę trzech form krystalicznych i miałaby wciąż niską temperaturę mięknięcia i topnienia.
Dlatego teraz masa jest precyzyjnie ogrzewana do temperatury około 30-31 stopni. Kryształki formy IV, topiące się w 27 stopniach, zanikną. Pozostaną więc już tylko kryształki form V i VI. Masa od tego momentu jest dość powoli ochładzana, na tyle, że gdy jej temperatura spadnie do około 25 stopni, większość masła kakaowego będzie już skrystalizowana i nie będą nam powstawały nowe kryształki form o niskich temperaturach topnienia. Tak otrzymanym ideałem jest masa topiąca się w temperaturze 34-35 stopni, czyli znana z reklam "czekolada rozpływająca się w ustach a nie w dłoni".

Dla otrzymania równomiernej masy o pożądanych właściwościach stosuje się precyzyjną kontrolę temperatury i szybkie mieszanie. Dokładne wartości temperatur zależą też od składu, dla czekolady ciemnej są wyższe, dla mlecznej niższe (ze względu na domieszkę tłuszczu mlecznego). Większy dodatek wody zwiększa miękkość czekolady.

Otrzymana w przewadze forma średniotopliwa V jest jednak w temperaturze pokojowej nie do końca stabilna termodynamicznie. Dłuższe przechowywanie powoduje, że część masła kakaowego ulega przemianie w formę VI. Odbywa się to najczęściej w warstwach powierzchniowych przy nieco podwyższonej temperaturze. Powstające kryształki nowej formy wyrastają z powierzchni czekolady, tworząc jaśniejszą warstwę, widoczną dobrze zwłaszcza na tabliczkach w pobliżu okresu ważności. Sam w sobie ten jasny osad nie jest oznaką zepsucia, ale może wskazywać na niezbyt dobre warunki przechowywania. Gdy tabliczka leżała w sklepie w warunkach tak ciepłych, że częściowo się nadtopiła, efekt ten wywołuje powstanie nieregularnych cętek, plam białych i żółtawych złożonych głównie z samego tłuszczu, które mogą nie smakować za dobrze.

---------
* Klaus Roth, Chocolate - The Noblest Polymorphism,
* https://en.wikipedia.org/wiki/Chocolate

Ostatnio w laboratorium (55.)

Ostatnio w ramach specjalizacji z krystalografii próbowałem wykrystalizować i wstępnie zbadać kokryształ glicyna+kwas glutarowy. Akurat z samą krystalizacją nie było zbyt dużego problemu:

Kokryształy to kryształy tworzone przez równocześnie dwie lub więcej substancji tworzących powtarzalny układ w sieci. Zwykle precyzuje się, że różne cząsteczki oddziałują niejonowo, co odróżnia je od soli, oraz że obie substancje tworzą czyste kryształy w warunkach istnienia kokryształu, co odróżnia je od hydratów i części klatratów.
 Dla danego typu połączenia substancje składowe zachowują stały stosunek stechiometryczny, na przykład dla kryształu chinhydronu na jedną cząsteczkę hydrochinonu przypada jedna cząsteczka chinonu, z którym tworzy kompleks.

Zachodzenie kokrystalizacji może wynikać bądź z tworzenia nowej struktury, bądź z możliwości wpasowania się jednej, podobnej rozmiarami cząsteczki, w normalną sieć krystaliczną drugiego związku. Obecnie temat jest intensywnie badany na potrzeby farmaceutyki, bowiem kokryształy leków mogą być bardziej trwałe, trudniej topliwe lub wykazywać odmienną rozpuszczalność niż substancja czynna w formie czystej.[1]

W tym przypadku sposób otrzymania był prosty, lecz nie do końca pewny - rozpuściliśmy po prostu w wodzie glicynę i kwas glutarowy w stosunku molowym 1:1, nieco ogrzaliśmy dla odparowania aby otrzymać roztwór przesycony i wylaliśmy niewielką ilość na szklaną szalkę. Składniki wykrystalizowały w formie igiełkowatych kryształków i pozostawało tylko dobrać do badania odpowiedni, oraz trafić na kokryształ, bo kształtem nie wyróżniał się od kryształów glicyny i kwasu glutarowego które także mogły powstać.

Układ pomiarowy w dyfraktometrze: na końcu szklanej kapilary mały jasny punkcik to kryształ, z lewej strzela wiązka promieniowania, powyżej kamera pozwalająca wypośrodkować kryształ i oświetlenie. Po prawej obudowa detektora.

Pierwszy zbadany kryształek prawdopodobnie należał do poszukiwanego połączenia ale nie dawał sygnału odpowiedniej jakości aby to potwierdzić - był trochę za duży i oprószony drobniejszymi na powierzchni. Ze względu na rozmiar wiązki promieni rentgenowskich, kryształ powinien być mniejszy niż milimetr, oraz powinien być monokryształem bez spękań i przyrośniętych bliźniaków.

Należało więc poszukać następnego. Odpowiednio wyglądającą igłę przyciąłem manipulując pod mikroskopem pęsetą i skalpelem, aby nie była zbyt duża, i przykleiłem na kropelkę do kapilary na końcu główki goniometru. Tym razem szybkie sprawdzenie pokazało sygnał dość dobrej jakości, ale inny niż oczekiwany. Wyselekcjonowany kryształek okazał się glicyną w odmianie alfa.
Zostało mało czasu, więc wybrałem z szalki mały kryształek, którego nie trzeba było ciąć. Niestety podczas próby nałożenia złamała się szklana kapilara do której przyklejane były kryształy. Ostatecznie postanowiliśmy zaryzykować i kryształek został przyklejony do zachowanego kikuta, trochę grubego, ale jeszcze dostatecznego. Kryształ przykleił się krzywo a w dodatku obok przyczepił się czyjś włos. Nie wyglądało to dobrze:

Jednak wstępny pomiar pokazał, że kryształ jest bardzo dobrej jakości, bez zakłóceń, i ma inną grupę przestrzenną. Dzięki temu mogliśmy sprawdzić parametry komórki krystalicznej w bazie i stwierdzić że jest to... glicyna w formie beta.
Odmiana beta jest metastabilna w normalnych warunkach i zwykle szybko zamienia się w formę alfa. Na zajęciach ze studentami kilka miesięcy wcześniej żadnej grupie nie udało się jej uzyskać, a teraz jak na złość. Ponieważ kończył się czas, dalszą krystalizację odłożyliśmy do następnych zajęć.
----------
[1] http://biuletynfarmacji.wum.edu.pl/1305Sokal/Sokal.html

Ostatnio w laboratorium (54.)

Kryształy białka lizozymu, otrzymane metodą wiszącej kropli:

Lizozym to enzym bakteriobójczy, powodujący rozkład glikoprotein w ścianie komórkowej bakterii. Po uszkodzeniu ściany następuje pęknięcie i rozpłynięcie się komórki bakterii, czyli tzw. liza, stąd nazwa enzymu. Jego cząsteczka składa się ze 129 aminokwasów.

Lizozym należy do białek które stosunkowo łatwo krystalizują, dlatego wcześnie poznano jego strukturę.

Kryształy na zdjęciach są takie sobie, przede wszystkim bardzo małe, może za parę dni bardziej urosną. Natomiast zachwyciła mnie gra kolorów widoczna pod filtrem polaryzacyjnym. Jestem mimo wszystko trochę estetą.

* * *

Myślę, że dobrze by było przy tej okazji parę rzeczy objaśnić, bo może regularnie zaglądający zastanawiali się nad paroma kwestiami. Ponieważ prace typowo syntetyczne na pracowni prof. Czarnockiego nie bardzo mi wychodziły, ostatecznie zmieniłem promotora i temat pracy, bo istniało ryzyko, że ciągnąc dotychczasowy mógłbym nie otrzymać wyników na satysfakcjonującą pracę doktorską.
Tak że teraz zająłem się czymś bliższym chemii fizycznej, czyli badaniami krystalograficznymi. Prawdopodobnie ostateczny temat będzie zawierał cześć syntetyczną i część krystalograficzną. Na razie jednak nadrabiam teorię i praktykę, bo obsługi dyfraktometru rentgenowskiego na studiach nie miałem, przez pierwszy semestr chodzę też na zajęcia specjalizacyjne ze studentami.

Przygotowuję powoli wpis na temat tego krystalografii i tego jak można kryształom zrobić prześwietlenie.

Ostatnio w laboratorium (53.)

Z zajęć na temat krystalochemii - kryształy paracetamolu pod mikroskopem:

Nie zupełnie foremne i z inkluzjami. Miały długość około 1 mm.

Chemiczne wieści (6.)

 Dzisiejszy odcinek wypadł bardziej kwantowo-fizyczny. Bo tak.

Czterowymiarowy kryształ?
Tlenki żelaza choć znane od wieków, wciąż budzą zainteresowanie technologów i fizyków i niekiedy nadal daje się odkryć nowe, ciekawe ich właściwości. W 2011 roku doniesiono o odkryciu, że mieszanina tleneku żelaza II i żelaza II/III (FeO+Fe3O4) poddany działaniu wysokiego ciśnienia zamienia się w unikalny tlenek Fe4O5. Faza ta wykazywała silne właściwości ferrimagnetyczne podobne do magnetytu.
Wiadomo było już, że magnetyt w niskich temperaturach ulega przejściu fazowemu II rodzaju, w wyniku którego atomy o różnym stopniu utlenienia tworzą równoległe struktury (Wervey phase). W typowym magnetycie atomy żelaza II i żelaza III są przemieszane statystycznie, nie tworząc regularnych struktur, zaś elektrony mogą przeskakiwać od jednego jonu do drugiego dzięki czemu materiał wykazuje przewodność elektryczną. Po przejściu fazowym następuje samoorganizacja - atomy o danym stopniu utlenienia tworzą w sieci krystalicznej struktury liniowe lub płaszczyzny.

 W przypadku magnetytu wiązało się to z utrudnieniem ruchu elektronów i wzrostem oporu, ale w innych materiałach może to doprowadzać do pojawiania się nadprzewodnictwa, ferromagnetyczności lub gigantycznego magnetooporu stosowanego dziś w elektronicznych nośnikach danych.
Nic też dziwnego, że postanowiono sprawdzić czy w podobny sposób zachowa się nowy materiał. Rosyjski zespół stwierdził zachodzenie podobnej przemiany poniżej temperatury 150 K. Materiał zmieniał właściwości magnetyczne a opór elektryczny rósł o dwa rzędy wielkości. Problematyczne okazało się natomiast przypisanie mu określonej struktury. Zakładano, że mamy do czynienia z takim samym zjawiskiem organizacji stopni utlenienia, ale wyniki pomiarów nie dawały się złożyć w prosty model. Wyglądało na to, że struktury atomów o jednakowym stopniu utlenienia falują i statystycznie może się wydawać, że są rozmieszczone przypadkowo.
Porządek pojawił się dopiero gdy symulowano rozkład ładunków w przestrzeni czterowymiarowej. Z tego też powodu informacje o tym odkryciu często powtarzają że odkryto "czterowymiarowy kryształ". W tym przypadku chodzi jednak jedynie o matematyczny model rozkładu ładunków, opisywany funkcją nie dającą rozwiązania w normalnej przestrzeni.[1]

Kwantowa woda
Nietypowe zachowanie się wody zamkniętej w wąskich kapilarach odkryli właśnie amerykańscy badacze. Badali oni właściwości wody w kapilarnych kanałach struktury berylu, ważnego minerału magmowego, przy pomocy techniki rozpraszania neutronów. Średnica kanału na tyle ograniczała cząsteczki, że w przekroju mieściła się tylko jedna. Zamiast jednak struktur cząsteczek uzyskali nietypowe, heksagonalne pierścienie. Sygnał obecności atomu tlenu pojawiał się w sześciu miejscach, a każdego z dwóch wodorów także w sześciu. Ponieważ zaś sześć cząsteczek by się w przekroju kanału nie zmieściło, zaś dla tej jednej bariera energetyczna obrotu jest zbyt duża aby wynik wywoływało ustawianie się jej w różnych pozycjach w trakcie badania, jako wyjaśnienie tych obserwacji zaproponowali nietypowy model - jest to w istocie nadal jedna cząsteczka, tylko kwantowo interferująca sama ze sobą.[2]

Jedną z konsekwencji teorii kwantowej była hipoteza de Brogile'a, że każdej cząstce materialnej można przypisać właściwości falowe które wpływają na jej oddziaływania i zachowania. Za sprawą tych właściwości obserwujemy dyfrakcję cząstek na dwóch szczelinach lub siatkach dyfrakcyjnych, powodującą że prawdopodobieństwo znalezienia się cząstki z danym miejscu zależy od wzoru jej "fali materii". Przepuszczając odpowiednio dużo cząstek przez szczeliny i badając w jakie miejsce na detektorze uderzą, otrzymujemy w końcu wzór właściwy interferującym falom.
Jedną ze szczególnie interesujących konsekwencji tego zjawiska są kwantowe miraże, czyli wzory oddziaływań, jakie tworzy cząstka zamknięta w niewiele od niej większym ograniczeniu przestrzennym. Wewnątrz okręgu ułożonego z atomów na podłożu powstaje wzór podobny do fal na wodzie z centralną górką stanowiącą złudzenie istnienia tam jakiegoś atomu:

Po umieszczeniu atomu w jednym z ognisk elipsy, w drugim ognisku pojawia się jego słaby miraż:

Jak się wydaje w opisywanym przypadku zachodzi coś podobnego. Cząsteczka wody wewnątrz niewiele od niej większego, heksagonalnego kanału interferuje. Próby określenia położenia jej atomów kończą się więc stwierdzeniem sześciokątnego wzoru na który składają się zagęszczenia fal prawdopodobieństwa obecności atomu w tej niewielkiej przestrzeni. Poprzednio udało się zmierzyć podobny efekt dla atomów wodoru, ale woda to już zupełnie inna sprawa. Pory tych rozmiarów (4 A) występują w minerałach budujących skorupę ziemską, zatem kwantowy efekt może mieć znaczenie dla modelowania właściwości gleby i skał.

Nowy rodzaj wiązania?
Obliczenia kwantowomechaniczne dokonane przez badaczy z amerykańskiego Southern Methodist University w Dallas wskazują na istnienie jeszcze jednego rzadkiego rodzaju wiązania chemicznego - jest to odmiana wiązania wodorowego z oddziaływaniem między atomem wodoru połączonym z borem a układem aromatycznym. Znane były tego rodzaju połączenia dla układów w których wodór połączony był z węglem i azotem, mające pewne znaczenie w biologii molekularnej, jednak dotychczas wydawało się, że nie powinny zachodzić dla boranów. Bor ma mniejszą elektroujemność niż wodór, toteż wiązanie między nimi jest tak spolaryzowane, że na protonie pojawia się lekki ładunek ujemny. Bardziej naładowany elektronami wodór powinien być więc odpychany przez pełen elektronów pierścień aromatyczny.
Z drugiej strony związki boru są często połączeniami elektrono-deficytowymi, z pojawiającymi się wiązaniami trójcentrowymi a w takiej sytuacji na wodorze powinien pojawić się cząstkowy ładunek dodatni.

@ American Chemical Society

Wedle ostatnich wyliczeń diborany oraz  karborany powinny na tej zasadzie tworzyć słabe wiązania B-H--Ar o długości 2,65-2,50 A . Pewnym potwierdzeniem tych przewidywań może być struktura pewnego kompleksu irydu, w którym między wodorem grupy karboranowej a pierścieniem z grupy trifenylometylowej występuje trudne do wytłumaczenia w inny sposób zbliżenie na zbliżoną odległość.[3]

---------
[1] Ovsyannikov V. S.; Charge-ordering transition in iron oxide Fe4O5 involving competing dimer and trimer formation. Nature Chemistry, 2016; DOI: 10.1038/NCHEM.2478
[2] Kolesnikov A.I. et al.  Quantum Tunneling of Water in Beryl: A New State of the Water Molecule. Physical Review Letters, 2016; 116 (16) DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.167802
[3]  X Zhang et al, B–H···π Interaction: A New Type of Nonclassical Hydrogen Bonding
J. Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b01249

Kiedyś w laboratorium (44.)

Gdy jeszcze zajmowałem się syntezami na potrzeby pracy magisterskiej, zaintrygował mnie sposób w jaki wykrystalizowała jedna z otrzymanych oksazolin:

W miarę odparowywana na wyparce, stężenie związku z cienkiej warstwie roztworu rosło, aż od pewnego punktu rozpoczęła się szybka krystalizacja. Jednak zamiast promienistych igieł, kryształy uformowały wyraźne prążki. Musiała nastąpić jakaś specyficzna organizacja, tworząca regularny kształt:

Z innymi oksazolinami czegoś takiego nie obserwowałem. Później zagęszczałem jeszcze jedną frakcję z tym związkiem i w innym naczyniu zachował się identycznie, widocznie to jego właściwość.

ps. znalazłem pracę w IChO PAN w Warszawie, za parę dni opiszę szerzej.

Barwienie bakterii metodą Grama

Dawno, dawno temu, kiedy jeszcze uczyłem się w technikum chemicznym, jednym z przedmiotów była bioanaliza, gdzie uczyliśmy się jak badać mocz, rozpoznawać pod mikroskopem różne limfocyty, albo badać zawartość cholesterolu w osoczu.
Jednym z ciekawszych ćwiczeń była hodowla bakterii z powietrza - sterylną płytkę z podłożem odkrywało się na określony czas w nieruchowym powietrzu pomieszczenia, zakrywało i wstawiało do inkubatora. Bakterie które znajdowały się w powietrzu osiadały na płytce i tworzyły kolonie - jedna bakteria tworzyła jedną kolonię. Zliczając ilość kolonii na powierzchni płytki i znając czas wystawienia płytki, można było policzyć stężenie bakterii w powietrzu - całkiem proste.

Jednak otrzymane bakterie dobrze jest też jakoś zidentyfikować. Oprócz opisanych już kiedyś metod hodowli na podłożu różnicującym, inną techniką jest barwienie metodą Grama. Badanie obejmuje kilka etapów, a wszystkie je sfotografowałem.

Zasadnicza różnica między typami bakterii jaką wykrywa się w tym badaniu, to grubość i przenikliwość ściany komórkowej - w jednym bakteriach jest cienka, w innych stosunkowo gruba. Ma to wpływ na ogólną fizjologię bakterii, zaś dla medycyny znaczenie ma różna wrażliwość na leki - zasadniczo bakterie o grubszej ścianie komórkowej są bardziej odporne, z powodu słabszego wchłaniania antybiotyku do wnętrza. Różna grubość ścian komórkowych wykrywana jest przez selektywne wybarwianie fioletem krystalicznym. W jaki sposób?

Na początek należy sobie wybrać jakąś kolonię z której będziemy robić rozmaz:

Ja akurat wybrałem sobie taką w której na kolonię żółtą naciekała biała, mając nadzieję że uda mi się złapać dwa różne typy. Masę kolonii pobierałem ezą, to jest pętelką z drutu z rączką. Tę jednak należało przedtem wyżarzyć, aby usunąć wszystkie inne bakterie:

Ponieważ kolonia miała postać stałej masy, najpierw nabrałem nieco soli fizjologicznej:

potem nieco kolonii:

i rozmazałem na płytce:

Rozmaz należało teraz wysuszyć i utrwalić, aby bakterie dobrze przylegały do podłoża. Dlatego po podsuszeniu w suszarce przeciągnęliśmy płytki nad płomykiem lampki spirytusowej, tak aby masa bakteryjna "przyschła" do płytki.

Wszystkie płytki należało teraz umieścić nad tacką, założyć rękawiczki i uważać na ubranie, bo można się było nieźle pobrudzić. Najpierw każda płytka została zalana roztworem fioletu krystalicznego:

Następnie czekaliśmy dwie minuty, po czym zlaliśmy barwnik do tacki:

Nie usuwając całej cieczy, zalewaliśmy płytki płynem Lugola - na powierzchni płynu powstawała błyszcząca warstewka, jak podejrzewam był to wydzielający się jod. Płyn dzięki temu błyszczał i opalizował, wyglądając jak odwłok złotego żuka:

Po około trzydziestu sekundach zlaliśmy ciecz i dokładnie przemyliśmy alkoholem:

A następnie wodą:

Na sam koniec zalaliśmy płytki roztworem fuksyny:

Pół minuty potem zlaliśmy ją do tacki, płytki przemyliśmy wodą i osuszyliśmy w suszarce. Tak zabarwione płytki nadawały się do badania mikroskopowego:

Co takiego następowało podczas wybarwiania? Gdy zalewaliśmy płytki roztworem fioletu krystalicznego, wnikał on do bakterii zabarwiając je wszystkie. Dodany potem roztwór jodu dodatkowo przyciemniał zabarwienie poprzez tworzenie kompleksów jodu z barwnikiem. Na tym etapie zabarwione były wszystkie.
Jednak gdy przemywaliśmy płytki alkoholem, zaznaczyła się różnica - łatwo wypłukiwał on barwnik z bakterii o cienkiej ściance, natomiast nie był w stanie odbarwić bakterii o ścianie grubej. W efekcie te pierwsze stawały się bezbarwne, zaś te drugie ciemnofioletowe. Gdy zalaliśmy płytki fuksyną, odbarwione bakterie o cienkiej ścianie zabarwiły się na różowo. Te o grubej także, ale mocniejszy kolor fioletu zagłuszał róż.
W efekcie bakterie o ściance cienkiej zabarwiły się na różowo a te o grubej na ciemno fioletowo. Rożróżnianie bakterii pod mikroskopem jest zatem bardzo łatwe - bakterie Gram+ są fioletowe a Gram- różowe.

Akurat mnie, jako chemika-estetę bardziej zainteresowały kryształy fuksyny, które wykrystalizowały na płytce. Tutaj pęk kryształów w otoczeniu bakterii gram-ujemnych (powiększenie ok. 400X):

A tutaj w otoczeniu gram-dodatnich (pow. ok. 600X):

I na koniec mieszanka dwóch różnych typów bakterii: