Jak głosi uniwersalna zasada, akcja wywołuje przeciwnie skierowaną reakcję. Monopolista drastycznie zwiększa cenę ważnego leku? Uczniowie australijskiej szkoły średniej opracowują zatem na zajęciach tanią metodę otrzymywania, po to tylko aby utrzeć mu nosa.
Toksoplazmoza to dość częsta choroba pasożytnicza wynikła z zarażenia pewnym pierwotniakiem. Pierwotniak może zarażać różne organizmy, ale żywicielem ostatecznym jest zwykle kot domowy. Kontakt z nim może więc skutkować zarażeniem. Na szczęście u większości ludzi choroba zostaje przebyta bezobjawowo lub z objawami grypopodobnymi, u części przechodzi jednak w formę utajoną, mogąc przyjąć postać bezobjawowego nosicielstwa. Są jednak sytuacje gdy choroba przybiera groźną postać.
Jeśli toksoplazmozą zostanie zarażona kobieta w ciąży, może to skutkować urodzinami dziecka obarczonego wadami rozwojowymi, zarówno fizycznymi jak i intelektualnymi, w dużym nasileniu podobnymi do różyczki wrodzonej. Innym problemem są osoby o osłabionej odporności, a więc na przykład osoby po przeszczepach, chorzy na raka a przede wszystkim chorzy na AIDS. W takim przypadku choroba zajmuje węzły chłonne i może przerodzić się w zapalenie mózgu, siatkówki oka, śledziony, serca lub wątroby.
Standardowo w leczeniu toksoplazmozy używane są preparaty zawierające pirymetaminę, czasem skojarzone z sulfonamidami, a najczęściej stosowanym jest preparat Daraprim. Ostatnio jednak pojawiły się istotne problemy z jego dostępnością. W 2015 roku biznesmen Martin Shkreli wykupił prawa do produkcji i obrotu Daraprimem w USA, po czym zwiększył jego cenę o 5000% [1] Tłumaczył przy tym, że chce tylko zwiększyć zyski firmy, na co prawo mu w pełni zezwala, dotychczas bowiem lek był sprzedawany niemal po kosztach produkcji. Dla chorych z USA znaczenie miało też to, że w kraju tym nie są dostępne preparaty generyczne, czyli "tańsze zamienniki" zawierające tą samą substancję czynną. Dopiero w tym roku Shkreli zgodził się łaskawie zmniejszyć cenę o połowę.
Jego decyzja wywołała na świecie wielkie oburzenie, ale zgodnie z prawem nie można było mu nic zrobić. Jedną z reakcji było zwiększenie produkcji generyków w małych fabryczkach w Indiach i Chinach. Inną, mniej znaną, było podjęcie ciekawego projektu badawczego przez uczniów pewnej australijskiej szkoły średniej.
Gdy sprawa podwyżek cen rozpalała emocje, dr Alice Williamson, chemiczka nauczająca w Sidney Grammar School, wpadła na pomysł aby uczniowie otrzymali substancję czynną preparatu w ramach zajęć koła naukowego, aby pokazać jak absurdalna jest to sytuacja. Z przeglądu literatury wynikało, że synteza związku jest względnie prosta. Co więcej, ponieważ związek po raz pierwszy otrzymano w 1958 roku substancja czynna nie było objęta patentem.
Struktura pirymetaminy nie jest specjalnie skomplikowana:
Za punkt wyjścia uczniowie obrali metodę z już nieaktualnego patentu, która była łatwa do odnalezienia, jest bowiem opisana na Wikipedii:
Substratem od którego startuje droga syntezy, jest para-chlorofenyloacetonitryl "1" poddawany reakcji z propionianem etylu "2", estrem o zapachu ananasa używanym do aromatyzowania żywności. Mechanizm reakcji jest dość prosty - w substracie pomiędzy grupą nitrylową -CN a chlorofenylową znajduje się mostek -CH2-. Ze względu na takie właśnie sąsiedztwo, jest kwaśna, czyli łatwiej niż zwykle jest oderwać od niej protony. Podczas reakcji z etanolanem sodu NaOEt zamienia się w karboanion, a więc związek z ładunkiem ujemnym na węglu. Ten chętnie atakuje węgiel grupy karbonylowej estru, który ze względu na polaryzację wiązań ma lekko dodatni charakter. Po przegrupowaniu powstaje 1-(4-chlorofenylo)-1-nitrylo-1-buten-2-ol "3".
Związek ma strukturę enolu to jest posiada grupę OH przy wiązaniu podwójnym, co jest strukturą nietrwałą. Ten reaguje z diazometanem CH2N2, zamieniając się w metyloeter "4". Ostatni etap to kondensacja z guanidyną w warunkach zasadowych, powodująca zamknięcie pierścienia diazynowego.
O ile etap pierwszy i ostatni mogły być przeprowadzone dość łatwo, to problemem stał się ten środkowy. Diazometan to związek bardzo nietrwały, mogący rozkładać się wybuchowo w kontakcie z metalami, pewnymi solami, szkłem o ostrych krawędziach lub zbyt intensywnym światłem. Dodatkowo jest związkiem silnie trującym, wdychanie niewielkich ilości może wywołać zgon w wyniku uszkodzenia płuc. Mimo szczerych chęci uczniowie nie mogli go używać. Postanowili więc obejść tą trudność i znaleźć metodę alternatywną. Musiał być to proces który zmetyluje grupę -OH a nie przereaguje z łatwo ulegającą hydrolizie grupą nitrylową -CN. Dobieranie warunków i odczynników zajęło im kilka miesięcy, aż wreszcie okazało się, że etap jest możliwy do przeprowadzenia przy pomocy odczynników dostępnych na pracowni. Zastosowali starą metodę eteryfikacji kwasowej. Półprodukt "3" poddali reakcji z alkoholem izopropylowym i stężonym kwasem siarkowym, otrzymując eter, który nadawał się do dalszej reakcji.
Po opracowaniu tego etapu cała synteza okazała się dużo prostsza. Z 17 gramów substratu wyjściowego kupionego w firmie chemicznej (cena 36 $/100 g) otrzymali 3,7 grama pirymetaminy. Gdyby zamienić ją na tabletki Daraprimu ta ilość kosztowałaby w USA ponad 100 tysięcy dolarów licząc po nowych, zawyżonych cenach. Sami uczniowie uwzględniając koszty odczynników i wydajność wskazują, że tą metodą można by produkować preparat w cenie 1-2 dolary za dawkę
Ich praca spotkała się z dużym uznaniem na świecie, ale niestety mimo wszystko nie będzie miała zbyt dużego wpływu na sytuację USA, ze względu na dziwaczne przepisy farmaceutyczne.
Producent tańszego zamiennika leku, zawierającego tą samą substancję czynną, musi dla wprowadzenia na rynek wykonać test potwierdzający, że preparat ma porównywalną farmakokinetykę (wchłanianie, czas osiągnięcia maksymalnego stężenia, okres wydalania itp.) do oryginału. Przypisy obowiązujące w USA mówią, że do testu dla porównania musi być użyty oryginalny preparat specjalnie przekazany przez producenta, stanowiący wzorzec. Z drugiej strony producent oryginału nie jest zobowiązany do dostarczenia próbek porównawczych na potrzeby testu. Jeśli firma będąca monopolistą nie chce wprowadzenia na rynek tańszego zamiennika, to po prostu nie dostarcza swoich wzorców porównawczych, co blokuje całą procedurę.[2]
Nowa metoda może się jednak przydać firmom produkującym lek w innych krajach, bowiem ominięcie bardzo toksycznego reagenta zmniejsza związane z produkcją ryzyko i jest bardziej ekologiczne.
------------------------
* https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrimethamine
* http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/sydney-schoolboys-take-down-martin-shkreli-the-most-hated-man-in-the-world-20161125-gsxcu5
Reakcja w kroplach nad rozgrzaną blachą
Efekt Leidenfrosta jest jednym z tych ciekawych zjawisk fizycznych, jakie z pewnością każdy miał okazję obserwować, tylko nie specjalnie zastanawiał się nad jego przyczyną. Upuszczenie kropli wody na bardzo rozgrzaną blachę, kuchenkę elektryczną czy patelnię powoduje, że zamiast zwyczajnie odparować przez pewien czas szybko śmiga niczym mały poduszkowiec.
Odpowiednio duża różnica temperatur powoduje, że rozgrzewanie całej kropli jest wolniejsze niż odparowanie porcji najbliżej blachy. Powstająca para wodna ma ciśnienie wystarczające, aby unieść nad gorącą powierzchnię całą kroplę, która nie ma bezpośredniego kontaktu, spowalniając wyparowanie kropli wielokrotnie.
Zespół amerykańskich naukowców z Purdue University wykorzystał ten efekt, tworząc z kropelek mikroreaktory do przeprowadzenia reakcji. Wcześniej znany był już efekt przyspieszania reakcji w kropelkach powstających przy rozpryskiwania roztworów techniką elektrospreju. Prawdopodobnie na granicy faz następowała adsorpcja naładowanych reagentów, które wobec tego były tylko częściowo solwatowane przez rozpuszczalnik. Niecałkowita otoczka solwatacyjna obniżała energię aktywacji reakcji między składnikami roztworu. Ze względu na mikroskopijne rozmiary powstających kropelek, stosunek objętości do powierzchni był bardzo korzystny. Z drugiej strony efekt obserwowano w bardzo niewielkiej ilości mieszaniny reakcyjnej, przez co trudno bylo zjawisko w jakiś sposób zastosować.
Tutaj pomysł był podobny, tylko kropelki większe, bo otrzymywane przez efekt Leidenfrosta. Za modelową reakcję posłużyła kondensacja ketonu z pochodną hydrazyny. Reagenty rozpuszczono w rozpuszczalniku i upuszczono po kropli na rozgrzane szkiełko zegarkowe, utrzymując kropelkę przez dwie minuty w stanie lewitacji. Po zbadaniu roztworu stwierdzono, że reakcja zachodziła z nawet pięćdziesięciokrotnie większą szybkością. Tą metodą można poddawać reakcji miligramowe iloci reagentów, możliwe, że nawet większe jeśli udałoby się zbudować układ w którym krople mogłyby odpowiednio długo wędrować jedna za drugą. [1]
Najsilniejszy niefluorowy utleniacz
Utlenianie to w rozumieniu chemików reakcja polegająca na odebraniu reagującemu atomowi elektronów (dezelektronacja). Tlen i zawierające go związki są dość dobrymi utleniaczami, ale nie jedynymi, przykładowo gazowy chlor reagując z metalicznym sodem odbiera mu elektron, utleniając do kationu sodowego; sam redukuje się więc do anionu chlorkowego i tworzy związek chlorek sodu, czyli sól kuchenną.
W roli utleniacza zadziałać może też elektroda z przyłożonym odpowiednim napięciem. W procesie elektrolizy jedne składniki roztworu są utleniane a inne redukowane, lecz materiał elektrody nie ulega w tych procesach przemianom, jest jedynie przekaźnikiem elektronów które są przez potencjał elektryczny bądź wyciągane bądź wpychane w reagującą cząsteczkę. Oczywiście aby doszło do reakcji i aby elektron przeskoczył z miejsca na miejsce, należy użyć odpowiednio dużej energii, a w tym przypadku przyłożyć do elektrody odpowiednio duże napięcie, poniżej którego reakcja nie zajdzie.
Dzięki temu badając napięcie przy którym na elektrodzie następuje dana reakcja, można porównać związki i ich skłonności do oddawania lub przyjmowania elektronów, a tym samym moc różnych reduktorów lub utleniaczy. Zajście reakcji utlenienia przy pomocy danego utleniacza, to odpowiednik potencjału X woltów. Stąd biorą się tabele potencjałów standardowych, jakie zapewne widzieliście w podręcznikach. Z tego jaką wielkość mają potencjały dwóch substancji i jaka jest między nimi różnica, można zgadnąć czy zajdzie nimi reakcja redoks i w którą stronę. Ten który ma potencjał bardziej dodatni, będzie utleniaczem, ten który będzie miał potencjał bardziej ujemny będzie reduktorem. Im większy jest między nimi odstęp, tym energiczniej zachodzi reakcja, a więc tym chętniej.
Dla układów pośrodku skali potencjałów (standardowo za 0 przyjmuje się potencjał reakcji redukcji kationów wodorowych), substancje zależnie od tego z czym się spotkają mogą być utleniaczami lub reduktorami. Na dodatnich i ujemnych krańcach skali znajdują się związki i jony pierwiastków, które zwykle traktuje się po prostu jak utleniacze lub reduktory zawsze, bo na przykład osiągnęły maksymalną wartościowość której już nie zwiększą albo nie bardzo mają okazję przereagować z czymś silniejszym (ale czasem mają - nadtlenek wodoru, generalnie utleniacz, w reakcji z jonami srebra redukuje je do obojętnego metalu, a sam utlenia się do... tlenu).
Generalnie w takim ujęciu za utleniacze silne uznaje się już układy o potencjale standardowym powyżej +2 V. Utleniaczem silnym jest więc na przykład nadsiarczan sodu (E0= +2 V), od niego silniejszy jest pierwiastkowy fluor (E0= +2,8 V), kwas ksenonowy (+2,5 V), i różne układy oparte o fluor lub chlor. Do najsilniejszych należy rodnik fluorowy, który w reakcji z kationem wodoru utlenia go z potencjałem +3,87 V i difluorek kryptonu KrF2 o potencjale +3,27 V.
Fluor pojawia się tutaj nieprzypadkowo - pierwiastek ten ma wysoką elektroujemność, co oznacza że trudno go zjonizować, oraz ze chętnie przyciąga elektrony. Najsilniejsze znane utleniacze są więc związkami fluoru. Przynajmniej aż do teraz.
Grupa badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego opublikowała niedawno wyniki eksperymentów z otrzymaniem bardzo silnego utleniacza, jakim okazały się kationy srebra II. Jest to dla srebra stan utleniania bardzo nietrwały, stąd duża energiczność reakcji dzięki której może przejść w bardziej trwały kation srebra I. W specyficznych warunkach stężonego oleum, które wpływają na przebieg reakcji, utlenienie przy pomocy srebra II osiąga potencjał standardowy +2,9 i jest najwyższą znaną wartością dla utleniaczy nie zawierających fluoru. Prawdopodobnie kationy metalu są solwatowane przez cztery cząsteczki kwasu, co ma duże znaczenie dla potencjału utleniania. Utleniacz o takiej sile mógłby być użyty do rozkładu niektórych trudnych do przetworzenia zanieczyszczeń.[2]
Niskotemperaturowa synteza amoniaku
Jednym z najbardziej znanych procesów przemysłowych, wykorzystywanym na gigantyczną skalę, jest synteza amoniaku z azotu, pozwalająca na otrzymanie związków azotowych, zużywanych potem głównie do produkcji nawozów sztucznych. Najpospoliciej stosowaną obecnie jest metoda Habera-Bosha, polegająca na reakcji wodoru i azotu pod ciśnieniem kilkuset atmosfer i temperaturze 500 stopni, z użyciem katalizatora żelazowego. Mimo tych ekstremalnych warunków metoda jest opłacalna. Wcześniej próbowano takich reakcji jak otrzymywanie azotku magnezu i rozpuszczanie go w kwasach, czy hydroliza cyjanamidu wapniowego (tzw. azotniak).
Jednak ostatnia praca chińskich badaczy z Dalian Institute of Chemical Physics pokazuje że potencjalnie możliwe jest przeprowadzenie tego procesu w bardziej łagodnych warunkach.
Zespół pierwotnie zajmował się badaniem materiałów do pochłaniania i przechowywania wodoru. Podczas cykli wygrzewania oprócz wodoru powstawały też pewne ilości amoniaku, wskutek niepożądanej reakcji ubocznej. Dość przypadkowo, podczas symulacji sprawdzających przebieg tej reakcji, badacze stwierdzili że proces uwodornienia azotu jest sam w sobie dość obiecujący. Zachodzące podczas syntezy procesy obejmują adsorpcję azotu na metalu, aktywizację cząsteczki, przyłączenie wodoru i dysocjację. Idealny katalizator powinien dobrze aktywować azot ale też słabo wiązać aktywowaną cząsteczkę. niestety w przypadku metali przejściowych dobre wiązanie i aktywizowanie azotu wiązało się też z trudnym odłączaniem zaktywizowanej formy. Właśnie konieczność odłączenia cząsteczki od katalizatora powodowała, że potrzebna była tak wysoka temperatura.
Pomysł Chińczyków był generalnie dość prosty - należy użyć dodatkowego katalizatora. Tym katalizatorem okazał się wodorek litu.
Centrum reakcyjne ma postać drobnych plamek wodorku litu na powierzchni katalizatora metalicznego. Cząsteczka azotu przyłącza się w pobliżu, w związku z utworzeniem wiązania azot-metal zostaje zaktywizowana. Pobliski wodorek litu jest reduktorem, oraz odszczepia bardzo reaktywny anion wodorkowy. W efekcie pobliska cząsteczka azotu zostaje zredukowana i odszczepiona, równocześnie z przyłączeniem wodoru. Powstający amidek litu reaguje z wodorem, odnawiając wodorek litu i odłączając amoniak.
Taki podwójnie katalizowany proces może być przeprowadzony w dużo łagodniejszych warunkach. Dla katalizatora żelaznego z domieszką wodorku litu proces zachodził wydajnie już w temperaturze 150 stopni Celsiusza. [3]
Rośliny oczyszczają domowe powietrze
Powietrze w domach i mieszkaniach różni się od tego napływającego z zewnątrz. Nie dość, że dostają się do niego związki wydzielane przez nas samych, uwalniane podczas gotowania czy codziennej toalety, to jeszcze swoje dokładają lotne składniki farb, materiałów budowlanych, mebli i elementów wystroju wnętrz. Niektóre z nich mogą mieć działanie szkodliwe, dlatego dobrze jest co jakiś czas wietrzyć mieszkanie. Zaleganie toksycznych oparów w pomieszczeniach, uwalnianych przez ściany i sprzęty domowe, jest niekiedy wiązane z "zespołem chorego budynku" powodującego różne, często trudne do określenia dolegliwości, jak bóle głowy, alergie, napady astmy, uczucie zmęczenia.
Do sposobów unikania tego zjawiska należy polepszenie wentylacji i napływu powietrza z zewnątrz lub stosowanie filtrów pochłaniających. Znane były też badania sugerujące, że pewne związki mogą pochłaniać z powietrza rośliny doniczkowe.
Zespół amerykańskich badaczy postanowił precyzyjniej porównać zdolności oczyszczania powietrza przez różne gatunki w tej samej przestrzeni. Wzięto pięć gatunków często używanych jako rośliny doniczkowe i sprawdzano jak ich obecnośc wpływa na stężenia lotnych związków w specjalnie przygotowanej komorze. Były to: zielistka, dracena, bromelia guzmania, grubosz (znany też jako drzewko szczęścia) i kaktus Consolea.
Przetestowano ich aktywność na ośmiu przykładowych związkach, stwierdzając że pewne gatunki mają wyjątkowo dużą skłonność do wchłaniania niektórych. Przykładowo dracena wchłaniała 90% acetonu obecnego w powietrzu. Najlepszą z badanych okazała się bromelia, która dla sześciu lotnych związków eliminowała 80% obecnej ilości.[4]
Prosta i tania metoda otrzymywania
Wiele substancji znajdujących ciekawe zastosowania bądź występuje w naturze zbyt rzadko aby możliwe było tanie ich pozyskanie, bądź nie występuje w niej w ogóle. Dlatego trzeba je otrzymywać przy pomocy metod syntetycznych. Jednak w przypadku niektórych skomplikowanych cząsteczek, synteza przestaje być tak dobrą alternatywą, jeśli jest złożona z wielu etapów w których zużywa się wiele różnorodnych reagentów, tym bardziej, że im więcej etapów pośrednich tym mniejsza wydajność końcowa. 10 etapów o wydajności 80% przekłada się na wydajność całkowitą 10%
Dlatego też chemicy szukają sprytnych sposobów aby konstruować cząsteczki w mniejszej ilości etapów, szybciej i z mniejszą ilością reagentów. Takimi prostymi skokami omijającymi parę etapów są reakcje wieloskładnikowe, gdy to reakcję przeprowadzamy na mieszaninie kilku składników, które w trakcie tego samego procesu reagują ze sobą w określonej konfiguracji; reakcje kaskadowe gdy odpowiednio skonstruowana cząsteczka ulega serii wewnętrznych przekształceń, oraz reakcje rednoreaktorowe (one pot) gdy kolejne etapy są dokonywane dolewając następne reagenty do mieszaniny po poprzedniej reakcji, bez często żmudnego procesu izolowania czystych produktów pośrednich.
Przykładem może być praca jaka wpadła mi w oko, opisująca nową metodę syntezy (-)-ambroksanu, terpenoidu będącego głównym składnikiem zapachowym naturalnej ambry. Ta naturalna jest rzadka i droga i nie sposób zwiększyć jej pozyskania*, dlatego główny pachnący związek otrzymuje się syntetycznie.
Związkiem wyjściowym jest sklareol, otrzymywany z olejku eterycznego szałwii muszkatołowej, bo to najtańsze źródło. Cząsteczka jest generalnie bardzo podobna do ambroksanu, należy jedynie zamknąć trzeci pierścień w formie eteru i odrzucić niepotrzebne dwa węgle, ale bez zmiany konfiguracji jednego centrum stereogenicznego:
Opisano kilka metod przeprowadzenia takiej reakcji, które są wykorzystywane w przemyśle, mają one jednak tą wadę, że są przeprowadzane w kilku etapach. Czyli substancja wyjściowa jest poddawana reakcji, po której półprodukt jest oddzielany i używany do następnego etapu. Każdy taki proces następuje ze skończoną wydajnością, sumą kilku procesów jest bardzo mała wydajność końcowa, do tego dochodzą koszty zużytych w każdym etapie odczynników. Dlatego nowa metoda w której używa się tylko dwóch odczynników a całą reakcję przeprowadza się w jednym etapie bez oddzielania związków pośrednich z pewnością wzbudzi zainteresowanie przemysłu.
Sklareol jest rozpuszczany w dioksanie, dodawany jest utleniacz czyli 30% nadtlenek wodoru i katalizator będący fosfomolibdenianem alkiloamoniowym, mieszanina jest ogrzewana najpierw przez dwie godziny w temperaturze 70 stopni a potem godzinę w 90 stopniach. I tyle. Wydajność to nieco ponad 20%, jest więc jedynie nieco wyższa niż w poprzednich metodach, ale być może da się to jeszcze usprawnić.
Reakcja przebiega prawdopodobnie poprzez utworzenie epoksydu, który cyklizuje i ulega przegrupowaniu.[5]
------
* Ambra to grudki masy będącej zastygniętymi wymiocinami kaszalota, który najadł się zbyt dużo kałamarnic olbrzymich żyjących w głębinach oceanów. Jak na razie nikomu nie udało się ich pod tym kątem tresować.
Bez wątpienia wielu spośród czytelników bloga zna komiksy o Kaczorze Donaldzie. Ja dawniej czytałem je namiętnie po wiele razy, lubiąc abstrakcyjny humor sytuacyjny - obecnie, sięgając pamięcią, odnajduję w ich fabułach niezauważalne dawniej nawiązania literackie, w tym świetną parodię Kruka Poego.*
W jednym z komiksów pod tytułem "Szalony Chemik" z 1944 roku. Donald zastaje siostrzeńców przy pracy nad doświadczeniami chemicznymi w ramach szkolnego projektu. Oczywiście musi się wmieszać, i pokazać co umie - po dodaniu do kolby przypadkowego reagenta prowokuje wybuch, po którym kolba spada mu na głowę.
Gdy z potężnym guzem na głowie przytomnieje, zaczyna zachowywać się jak chemik - guz bowiem, jak stwierdził potem doktor Qwik, wywołał u niego chorobliwą nadczynność mózgu. Produkuje wysoce łatwopalny Kaczynamit, po czym napełnia nim rakietę, i leci nią na księżyc. Po drodze guz znika, Donald przestaje pamiętać co robił i z przerażeniem obserwuje Księżyc, który następnie rakieta okrąża i powraca z taką dokładnością, że rozbija się w jego własnym ogródku.
Ta w sumie banalna historia nie zdobyłaby większego rozgłosu, gdyby nie naukowcy, którzy czasem lubią się odmóżdżać komiksami. Jeden z nich zauważył, że niedługo po przemianie, Donald wypowiada pewien przepis:
"Jeśli połączymy CH2 i NH4, i podgrzejemy atomy w mgle osmotycznej, otrzymamy pstry azot"**
No cóż. Całość brzmi oczywiście całkiem absurdalnie, ale w końcu trudno jest cały czas zmyślać, aby nie zdarzyło się mimowolnie wymyślić coś prawdziwego.
Chemia organiczna, zasadniczo, jest chemią związków węgla czterowartościowego - to jest mającego cztery wiązania. Mogą one być w rozmaity sposób upakowane - bądź każde osobno, z podczepioną inną grupą, bądź jako wiązania podwójne czy potrójne. Chemia węgla dwuwartościowego jest natomiast bardzo uboga - w zasadzie dotyczy wyłącznie tlenku węgla i jego kompleksów z metalami. Czym jest to powodowane? Struktura elektronowa z czterema elektronami zhybrydyzowanymi, a więc o wyrównanej energii, przy której atom może tworzyć cztery wiązania, jest w tym przypadku zdecydowanie korzystniejsza, od struktury z dwoma wiązaniami, w tym drugim bowiem wypadku dwa spośród czterech elektronów walencyjnych pozostają niewykorzystane, nie powstaje więc korzystny dla atomu oktet. Cząstka taka jest zatem nietrwała i bardzo aktywna.
Istnieć mogą dwa stany elektronowe - singletowy, gdzie dwa wolne elektrony tworzą parę, i trypletowy, gdzie każdy zajmuje osobny orbital a cała cząsteczka staje się podwójnym rodnikiem. Stan decyduje o trwałości i geometrii cząsteczki.
Początkowo istnienie karbenów, bo tak nazywają się cząsteczki z dwuwartościowym węglem, było przewidywane teoretycznie, były bowiem dobrym sposobem na wyjaśnienie mechanizmów pewnych reakcji, jednak z powodu nietrwałości bardzo długo brakowało potwierdzenia doświadczalnego. Dopiero w 1954 roku Wiliam Doering potwierdził istnienie dichlorokarbenu CCl2, jednak dopiero w 1960 roku odkryto w zamrożonych gazach najprostszy karben węglowodorowy - metylen, o wzorze CH2...
Rysownik komiksu Carl Barks miał talent do wymyślania prawdopodobnych rozwiązań. Na tyle prawdopodobnych, że raz już sprawiły kłopot pewnemu wynalazcy. Duński wynalazca Karl Kroyer wynalazł metodę bardzo szybkiego podnoszenia z dna zatopionych statków - do ładowni należało wtłoczyć przy pomocy wody pod ciśnieniem, lekkie, puste wewnątrz plastikowe kulki. Każda kulka miała niewielką wyporność, lecz tysiące kulek wypierają sobą na tyle dużo wody że statek może zostać uniesiony. Metoda była kilka razy stosowana, na przykład w latach 60. w Kuwejcie, gdzie zatopiony w dokach statek Al Kuwait, przewożący owce był w ciepłych wodach zagrożeniem epidemicznym. Do jego podniesienia użyto 27 milionów styropianowych kulek, ekspandowanych parą wodną na nabrzeżu do rozmiarów piłek pingpongowych, które wprawdzie na sucho ważyły 60 ton, ale po wepchnięciu pod wodę zdołały unieść ważący 2 tysiące ton statek[1]
Kroyer opatentował metodę w Stanach i Wielkiej Brytanii, ale gdy próbował w Holandii urząd odmówił rejestracji, powołując się na przepis mówiący, ze w ciągu 15 lat przed złożeniem wniosku nie powinny być dostępne opisy podobnych rozwiązań. Jaki był to opis? Dokładnie nie wiadomo - dokumenty już się nie zachowały, poza ogólną notką, ale miłośnicy Kaczora powiązali to z komiksem z 1949 roku, w którym Donald podnosi z dna morza zatopiony jacht, wtłaczając do ładowni setki piłeczek pingpongowych.[2]
Zatem jak by nie patrzeć, karben metylenowy pojawił się w komiksie 16 lat przed faktycznym odkryciem. Naukowcy docenili fantazję rysownika, wykazując się przy tym subtelnym poczuciem humoru.
W 1963 roku wydano obszerną pracę Spin States of Carbenes, gdzie jej autorzy Gaspar i Hammond wspominają pod koniec o pewnej zasugerowanej kilkanaście lat wcześniej reakcji z wykorzystaniem kabenów, która dotychczas nie została zweryfikowana, choć należała do najciekawszych propozycji literaturowych. Przy tym akapicie widniał poważnie wyglądający przypis 91, odsyłający do pracy niejakiego D. Ducka opublikowanej w komiksie z 1944 roku[3]
Żart został później powtórzony w kilku pracach teoretycznych a nawet w pierwszym wydaniu sławnego podręcznika Morrisona i Boyda!
Ciekawe jaką cytowalność ma dziś pan D. Duck?
Karbeny, już po odkryciu, okazały się cząstkami niezwykle przydatnymi - wprawdzie z powodu niezwykłej reaktywności nie dało się ich wyodrębnić, ale wytwarzane in situ w mieszaninie reakcyjnej, stały się doskonałymi substratami do pewnych specyficznych reakcji.
Najprostszymi sposobami wytwarzania karbenów, jest fotoliza lub termoliza związków diazowych, z ugrupowaniem =N=N, odszczepianym w formie gazowego azotu, lub ketenów z ugrupowaniem C=C=O odszczepiającym tlenek węgla.
W roztworach proste keteny tworzą się podczas działania silnych zasad na cząsteczki zawierające dwa halogeny przy jednym węglu - przykładem generowanie metylenu z chlorku metylenu CH2Cl2, w stężonym roztworze wodorotlenku sodu.
Najczęstszą reakcją jakiej ulegają karbeny, jest addycja do wiązań podwójnych, z wytworzeniem trójkątnego pierścienia, przy czym sposób przebiegu reakcji jest zależny od rodzaju karbenu - w singletowym para elektronów oddziałuje równocześnie z obydwoma atomami, przez co zachowana zostaje pierwotna konfiguracja innych podstawników. Karbeny trypletowe reagują elektron po elektronie, dając cząsteczce czas na różne tam obroty i wygięcia, przez co konfiguracja może ulegać zmianie:
Do najważniejszych reakcji z użyciem karbenów należy synteza Reimera-Tiemanna , gdzie przyłączany do pierścienia aromatycznego dichlorokarben, hydrolizuje potem do grupy aldehydowej. Dawniej w ten sposób syntezowano wanilinę z gwajakolu, znanego jako lek wykrztuśny. Tutaj przykład syntezy kwasu salicylowego z fenolu:
Obecnie znamy też grupę karbenów na tyle dobrze stabilizowanych rozległymi podstawnikami, że nie tylko daje się je wydzielić z roztworu, ale też niektóre można wykrystalizować i przechowywać na powietrzu przez dłuższy czas. Innym ciekawym zastosowaniem są barwniki karbenowe - cząsteczki barwników do farbowania tkanin często słabo wiążą się z włóknem, co wymusza dodawanie do ich cząsteczek specjalnych ugrupowań, łączących się z substancją włókna. W niektórych przypadkach możliwe jest otrzymanie z barwnika pochodnej karbenowej, która będąc związkiem bardzo aktywnym, łączy się z włóknem bardzo trwałymi wiązaniami. Niektóre procesy polimeryzacji przebiegają z wytwarzaniem tych molekuł.
Wróćmy jednak do komiksu - co się stanie jeśli połączymy CH2 i NH4?
Karbeny chętnie przyłączają proton, natomiast jon amonowy chętnie go oddaje, można zatem spodziewać się powstania karbokationów metylowych CH3+, bardzo nietrwałych, i amoniaku. W dalszej kolejności można spodziewać się powstawania metanu lub metyloaminy. Czy przy okazji powstaje pstry azot, jak dotychczas chyba nie sprawdzano.
No proszę. Kto by pomyślał do czego może prowadzić czytanie komiksów.
Pozostaje mieć nadzieję że również dowciplina z komiksów o Tytusie, Romku i Atomku zostanie kiedyś odkryta - a szczegółowa struktura cząsteczki została w komiksie podana.
---------
* W komiksie tym Mickey siedział sam w pokoju, gdy rozległ się dzwonek u drzwi, donośne Ding! Dong! Podszedł, otworzył, ale za nimi nikogo nie było. Potem znów usłyszał dzwonek i znów za drzwiami nikogo nie było. Myśląc, że to jakiś żartowniś stanął z ręką na klamce i po pierwszym Ding! otworzył drzwi. Sprawcą zamieszania okazał się zwieszający na nici pająk, z jednych odnóżach trzymający dzwonki a w innych pałeczkę, który zapewne po każdym dzwonieniu szybko podciągał się do góry.
** Tłumaczenie "speckled nitrogen" jako "pstry azot" wydaje mi się lepsze niż "azot w ciapki" jak to zrobił polski tłumacz. Nie ubajkowiajmy nadmiernie.
