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:

Kwas co ma gaz

W letnie, upalne dni, najchętniej nic byśmy nie robili, tylko leżeli w cieniu i popijali coś chłodnego. Na przykład wodę. Taką gazowaną, z bąbelkami i szczypiącym, kwaśnym posmaku. I być może czasem zastanowi nas, jaki to gaz i jaki kwas...

Dwutlenek węgla jest bezbarwnym i w zasadzie bezwonnym gazem cięższym od powietrza, stanowiącym stale niewielki procent składu atmosfery. Został odkryty dosyć wcześnie - już w XVII wieku van Helmont zauważył, że jeśli masa popiołu po spaleniu węgla jest znacząco mniejsza od pierwotnej masy, to reszta musi ulegać zamianie w formę gazową. Ówcześni identyfikowali go z flogistonem - pierwiastkiem palności - i dalej się tą sprawą nie zajmowano. Dopiero w 1750 roku szkocki lekarz Joseph Black, znany też z badań nad ciepłem utajonym, poddał badaniom gaz powstający z potraktowania wapienia kwasem, stwierdzając, że jest różny od powietrza, ciężki i duszący, oraz że wytrąca osad z roztworu wapna gaszonego. Korzystając z tej ostatniej reakcji, stwierdził że występuje normalnie w powietrzu i w większych ilościach w tchnieniu zwierząt i ludzi. Późniejsi badacze doszli do tego, że gaz jest połączeniem tlenu i węgla i że reakcję czasem można odwrócić (przy spalaniu magnezu w dwutlenku węgla powstaje sadza), jednak dla nas istotniejsze jest odkrycie Josepha Priestly'a, trochę teologa a trochę przyrodnika-hobbysty, który badając przebieg fermentacji w miejscowym browarze, zainteresował się "zastałym powietrzem" - warstwą gazową nad fermentującą kadzią, uważaną za pracowników za niezdrową i od której zdychały myszy jeśli dostały się pod jej wpływ.

Wytwarzanie wody sodowej - rysunek Priestley'a z 1772 roku

Eksperymentując, umieścił nad kadzią miskę z wodą, chcąc sprawdzić rozpuszczalność tego gazu. Po zlaniu musującego roztworu stwierdził, że woda nabrała przyjemnego, lekko kwaśnego posmaku, a nawet dał go spróbować znajomym, twierdząc że to orzeźwiający napój bez alkoholu. Kilka lat później opisał go w artykule, dodając przepis na sztuczne otrzymanie - po zwilżeniu kredy kwasem siarkowym, powstający gaz przeprowadzał rurką do wody i po przepuszczeniu większej ilości otrzymywał napój, który uważał za bardzo podobny do naturalnych wód mineralnych i polecał na szkorbut. W zasadzie jednak nie traktował odkrycia inaczej jak ciekawostki i nie sądził, że znajdzie zastosowanie. Tymczasem producenci wód mineralnych powinni mu postawić pomnik - odkrycie, że zwykła woda staje się smacznym napojem po rozpuszczeniu w niej pospolitego gazu, do dziś przynosi im ogromne zyski.
Pierwszym, który wpadł na to, że jest to znakomity pomysł na interes, był niejako Jacob Schweppe, który w roku 1783 założył firmę Schweppes, istniejącą zresztą do dziś, produkując wody gazowane mające naśladować wody mineralne z naturalnych źródeł. Nieco później dla polepszenia smaku, do nagazowanej wody zaczęto dodawać nieco sody oczyszczonej, tworząc napój nazywany odtąd wodą sodową. I tak zaczął się przemysł napojów gazowanych.

Szybko jednak chemicy zaczęli się zastanawiać, dlaczego po rozpuszczeniu gazu, woda staje się kwaśna. Musi powstawać jakiś kwas - uznali - i nazwali go kwasem węglowym. W polskiej nomenklaturze dwutlenek węgla zaczął być z tego powodu nazywany niedokwasem węglowym. Taki też stan rzeczy trwał przez długi czas, aż zaczęły się problemy z wyizolowaniem czy choćby wykryciem tego kwasu w wodzie. Badania absorpcji w podczerwieni nie wykryły aby występował w choćby najbardziej nasyconych roztworach. W zamian za to wykrywano jony węglanowe i wodorowęglanowe, stąd też powstała koncepcja wedle której kwas węglowy nie istnieje. Jeszcze ja w technikum byłem upominany aby nie zapisywać jego cząsteczki w równaniu rozpuszczania dwutlenku węgla.

Jest to w pewnym stopniu podobna sytuacja jak z "wodorotlenkiem amonu". Rozpuszczenie amoniaku w wodzie da nam roztwór o zasadowym odczynie, toteż postulowano powstawanie w wodzie wodorotlenku amonu i przez długi czas zapisywano go w ten sposób. Dopiero potem dokładne badania wykazały, że cząsteczka taka nie powstaje - woda wymienia się protonem z amoniakiem, i tworzy się osobny jon wodorotlenkowy i osobny amonowy pozostające w równowadze. Wydawało się zatem, że tu jest podobnie - dwutlenek łączy się z wodą biorąc tlen i wodór do utworzenia jonu wodorowęglanowego, a pozostawiając wolny kation wodorowy; wodorowęglan dysocjuje dalej do anionu węglanowego, zaś kwas węglowy się nie tworzy. I wszystko było w porządku aż nie odkryto, że pogłoski o jego śmierci są mocno przesadzone.

Aby otrzymać czysty i stabilny kwas węglowy, należało zastosować dość specyficzne warunki - mieszaninę wody i dwutlenku węgla zamrożono i umieszczono pod niskim ciśnieniem, po czym napromieniowano - promieniowanie pozwoliło na połączenie dwóch różnych cząsteczek bez ogrzewania. Następnie zastosowano sublimację wody pod niskim ciśnieniem, otrzymując czysty, suchy związek.
Jak się okazało, bezwodny kwas węglowy jest dosyć trwały - obliczenia teoretyczne pokazały że czas połowicznego rozkładu to ponad sto tysięcy lat, ale śladowe ilości wody przyśpieszają ten rozkład gwałtownie, nawet milion razy[1].
Udało się także otrzymać gazowy kwas węglowy, trwały do temperatury -30 stopni, który w takiej fazie chętnie tworzy trwalszy dimer[2]

Skoro kwas ten istnieje, to jak jest z jego obecnością w wodzie mineralnej?
Gdy tylko zaczynamy nasycać wodę dwutlenkiem węgla, zaczyna on być hydratowany. W takiej formie każda cząsteczka tlenku zostaje otoczona cząsteczkami wody, lecz nie następuje pomiędzy nimi reakcja. Ilość rozpuszczającego się w ten sposób gazu zależy od ciśnienia - im wyższe, tym lepsza rozpuszczalność. W takiej formie występuje około 99% rozpuszczonego w wodzie związku.

Część jednak reaguje z wodą dając jako produkt przejściowy kwas węglowy:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Jak wykazały badania, związek ten bardzo szybko i łatwo odszczepia jeden proton, przechodząc w jon wodorowęglanowy. Stała równowagi pokazuje, że kwas ten jest nawet mocniejszy od cytrynowego. Silne przesunięcie równowagi w stronę wodorowęglanów powoduje jednak, że niemal natychmiast prawie cały powstający kwas węglowy zamienia się w tą formę:

H₂CO₃ HCO₃⁻ + H⁺

Jon wodorowęglanowy może ulegać dalszej dysocjacji, rozpadając się na jon węglanowy:

 HCO₃⁻ CO₃²⁻ + H⁺

Jednak reakcja ta następuje powoli, i zaczyna nabierać znaczenia w warunkach silnie zasadowych.

Wszystkie te procesy są procesami równowagowymi, toteż zachodzą równocześnie w obie strony, choć z różną szybkością, a obserwowany stan jest wypadkową różnie szybkich równoczesnych reakcji. Można to porównać do szeregu naczyń do których woda może wpływać i wypływać, aż zależnie od szybkości wypływu i dopływu stabilizuje się na pewnym poziomie.
Gdy zaczniemy wprowadzać dwutlenek węgla do wody, będzie to czynił niechętnie, jednak gdy się rozpuści większość będzie występować w formie zhydratowanej. Z tej ilości pewna część będzie zamieniać się w kwas węglowy. Ten ma dwie możliwe drogi rozpadu - albo zamieni się z powrotem w dwutlenek węgla, co czyni chętnie, albo w wodorowęglan, co czyni równie szybko. To że w ogóle występuje w roztworze jest wynikiem tego, że wszystkie procesy są pewnymi równowagami odwracalnych reakcji - większe ciśnienie gazu naprodukuje więcej kwasu węglowego który natychmiast rozpada się w wodorowęglan; obniżenie ciśnienia powoduje rozpad obecnego kwasu węglowego ale jest on odtwarzany z wodorowęglanów.
Pod ciśnieniem atmosferycznym w wodzie pozostającej w kontakcie z dwutlenkiem węgla, może się rozpuścić ok. 0,1 mmol, z czego 1% przechodzi w wodorowęglan a 0,01% w kwas węglowy. Jonów węglanowych powstają niewykrywalne ilości. Roztwór taki ma pH=5,6 zatem jest lekko kwaskowaty. Pod ciśnieniem ok. 1-2 atmosfer, jakie to ciśnienia są stosowane w butelkowanej wodzie mineralnej, rozpuszcza się 8,5 mmol gazu, z czego 1% ma postać wodorowęglanu i niemal tyle samo formę kwasu węglowego. Roztwór taki ma pH =3,5 a więc podobne do soku pomarańczowego.

Co więc z tego wynika ostatecznie? Większość rozpuszczonego dwutlenku węgla występuje w wodzie w formie zhydratowanej obojętnej cząsteczki, a z pozostałej części większość w formie wodorowęglanów. A kwas? Występuje ale jako dynamiczna faza przejściowa - nieustannie tworzy się i rozpada istniejąc w ilościach tak niewielkich, że nieistotnych dla określenia kwasowości i trudnych do wykrycia. Ale jest.
------
* http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_acid
* http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlens%C3%A4ure
* http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonated_water
* http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley

[1] Thomas Loerting, Christofer Tautermann, Romano T. Kroemer, Ingrid Kohl , Andreas Hallbrucker , Erwin Mayer. and Klaus R. Liedl,  On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid (H₂CO₃), Angewandte Chemie International Edition Volume 39, Issue 5, pages 891–894, March 3, 2000

[2] Hinrich Grothe et al.,  Spectroscopic Observation of Matrix-Isolated Carbonic Acid Trapped from the Gas Phase, Angewandte Chemie International Edition Volume 50, Issue 8, pages 1939–1943, February 18, 2011

Nietypowe organiczne

Znamy już kilka milionów związków organicznych a wciąż syntezowane są nowe (na pracowni otrzymałem jeden), toteż przebierając w tym ogromie, można wybrać sobie kilka strukturalnych osobliwości.

Domek
Związek jak z dziecięcego obrazka - housan o kształcie domku:

 Cząsteczka ze względu na naprężenia występuje w konformacji koperty - z trójkątnym daszkiem odchylonym od płaszczyzny kwadratowej podstawy, ze względu na reaktywność atomów wodoru na zgięciu i skłonność do zamiany w penten, ma ciekawe zastosowania w syntezie organicznej. Spotykam się jednak z innym związkiem, też nazywanym housanem (zresztą nazwy zwyczajowe często są nieoficjalne) wyglądający jak dwa pięciokąty połączone palikami:

Nazwa jednak chyba się szerzej nie przyjęła, więc oficjalnie jest to [5]-pryzman. Jego modyfikacja z dodatkowym węglem, tworzącym "iglicę" nazywana bywa churchanem przez skojarzenie z kościołem:

Szczególnym przypadkiem domkowatego związku jest Pagodan, który skojarzył się twórcom z kształtem chińskiej pagody (albo dwóch jedna na drugiej)

Kuban i inne figury geometryczne
Wśród węglowodorów o ciekawym kształcie, szczególną grupę stanowią te których szkielet stanowi krawędzie wielościanów foremnych, nazywane alkanami platońskimi. Najmniejszą taką molekułą jest Tetraedran, mający kształt czworościanu foremnego

W normalnym przypadku wiązania między atomami węgla tworzą szerszy kąt, bo 109 stopni, tutaj są z powodu geometrii bardzo ściśnięte, przez co naprężona cząsteczka w normalnych warunkach nie powstaje. Jak dotychczas otrzymano tylko pochodne z podstawnikami tert-butylowymi na każdym węglu. Takie pochodne są przestrzennie bardzo zatłoczone i stabilizowane przyciąganiem między grupami. Inne pochodne zawierają podstawniki silanowe, ale wersji niezatłoczonej, czyli czystego wielościanu jeszcze nie otrzymano. Teoretycznie powinien był związkiem stosunkowo trwałym przy nieobecności utleniaczy.
Znany jest też krzemowy analog. Podobną strukturę ma biały fosfor i żółty arsen.

Większą bryłą foremną jest sześcian, a jej węglowodorowy odpowiednik to Kuban - węglowodór o kształcie kostki do gry, z kątami prostymi między wiązaniami.:

Ta bryła też ma bardzo napięte wiązania, stąd przez długi czas sądzono, że jego synteza będzie niemożliwa. Dokonał tego w 1964 roku Philip Eaton w bardzo sprytny sposób, szyjąc kostkowaty szkielet niczym dziewiarka wymyślną rękawiczkę. A dokonał tego w 11 krokach, które warto chyba pokrótce opisać:

 

W pierwszym etapie otrzymał bromopochodną cyklopentadienonu. Jest to związek ulegający spontanicznie i dosyć łatwo reakcji addycji Dielsa-Adlera w której cząsteczka posiadająca dwa wiązania podwójne, tworzy sześciokątny pierścień z cząsteczką z jednym takim wiązaniem; jest to addycja typu 4+2 bo wiązania są tworzone przez przesunięcie czterech elektronów jednej i dwóch drugiej czasteczki.
 Utworzona w ten sposób cząsteczka zawiera dwa wiązania podwójne. Po naświetleniu światłem odpowiedniej długości następuje kolejna addycja, tym razem 2+2 gdy wiązania podwójne łączą się w czworokącik a cała cząsteczka zagina się w związek nr. 4. Ten etap jest przestrzennie trudniejszy do wyobrażenia, ale to dzięki niemu powstaje kilka pierwszych kątów prostych.  Jedna grupa ketonowa zostaje zabezpieczona przez zamienienie w acetal.
Pozostały nam już tylko dwa wiązania do zamknięcia klatki, każde trzeba zawiązać osobno i jeszcze odszczepić niepotrzebne podstawniki. Jedno zostaje otrzymane za pomocą przegrupowania Faworskiego, gdzie w roztworze wodorotlenku atom bromu zostaje usunięty z pobliża grupy ketonowej, a ta zamieniona w karboksylową, otrzymując związek nr. 5. Ponieważ grupa karboksylowa, właściwa kwasom organicznym, sterczy teraz niepotrzebnie z jednego z naroży, należy ją usunąć - najpierw tworzymy ester tertbutylowy, potem utleniamy do nadestru z grupą nadtlenkową, a na koniec usuwamy całe ugrupowanie przez ogrzanie, w wyniku którego dekarboksyluje do dwutlenku węgla.
Zostaje jeszcze jedno wiązanie do utworzenia, tam gdzie znajduje się druga grupa ketonowa, przez dotychczasowe etapy zabezpieczona przez zamianę w acetal. Usuwamy go przez hydrolizę i powtarzamy poprzednie etapy - przegrupowanie Faworskiego, zamiana w ester, utlenienie do nadestru i dekarboksylacja.
Na koniec zostaje nam czysty, nie podstawiony kuban.
Jest to związek stosunkowo trwały z powodu braku łatwych sposobów rozkładu, dlatego otrzymano liczne pochodne. Interesującą jest ośmionitrokuban, stanowiący materiał wybuchowy o największej znanej prędkości detonacji. Ponieważ jednak otrzymuje się go trudno i jest wagowo cenniejszy od złota, na razie nie znalazł zastosowania. Inną ciekawą pochodną jest Basketan - kuban z dodatkową poprzeczką, dającą kształt koszyka:

Ponieważ węgiel nie tworzy pięciu wiązań, następnym węglowodorem o kształcie wielościanu foremnego jest dopiero dodekaedran, a więc cząsteczka będąca szkieletem dwunastościanu z każdą ścianą pięciokątną:

Po raz pierwszy został zsyntezowany w 1982 roku w skomplikowanej syntezie obejmującej 29 kroków, których jednak nie będę tu opisywał, żeby nie zanudzać. Potem odkryto łatwiejszą drogę poprzez izomeryzację pagodanu, który już opisywałem. Jest to związek dosyć trwały, mało napięty, zbliżona do kulistej budowa powoduje, że niekiedy klasyfikuje się go do grupy fulleranów, czyli uwodornionych fullerenów.
Istnieją też liczne węglowodory tworzące inne bryły, na przykład pryzman, o kształcie trójkątnego pryzmatu:

Stanowi strukturalny izomer benzenu, mając wzór C6H6, cząsteczka jest tak silnie naprężona, że rozkłada się wybuchowo z wydzieleniem wodoru. Możliwe są dalsze pryzmany o innych wielokątnych podstawach - [4] pryzman to kuban, zdaje się że istnieje [8]-pryzman ale obliczenia wskazują na szansę istnienia większych, przypominających kształtem odcinki rurki.
Inne podobne do brył związki to oktaedran C12H12 będący szkieletem ośmiościanu z bokami cztero i pięciokątnymi, nonaedran C14H14, dekaedran C16H16 i większe[1]

Cząsteczka Iron maiden
Nazwa cząsteczki nie pochodzi od znanego zespołu muzycznego, aczkolwiek inspiracji nie sposób wykluczyć. Jest to pewien typ cyklofanów, a więc związków zawierających płaski pierścień aromatyczny i poprzeczkę łączącą jego atomy na ukos. W tym konkretnym przypadku trzy poprzeczki tworzą nad pierścieniem "klosz" zakończony zwornikowym węglem, z którego zwisa atom wodoru wycelowany w pierścień niczym kolec:

Stąd też zapewne skojarzenie ze średniowiecznym narzędziem tortur - skrzynią z kolcami na zamykanym wieku, raniącymi zamkniętego w jej osobnika (ale nie zabijającymi, bo wtedy nie było by tortury). Związek tego typu charakteryzuje się ciekawym sygnałem podczas badania przesunięć sygnału protonów za pomocą H-NMR - w technice tej bada się reakcję spinów jąder atomów wodoru umieszczonych w silnym polu magnetycznym, na fale radiowe. Czysty wodór dawałby sygnał przy stałej częstotliwości, wodór w cząsteczkach organicznych reaguje na różne częstotliwości zależnie od tego do czego jest doczepiony. Sygnały reakcji przedstawia się zwykle w skali przesunięć względem jakiegoś wzorca, dla którego przyjmuje się wartość 0, zwykle jest to tetrametylosilan, który daje sygnał poniżej sygnałów większości grup związków organicznych, sygnały pozostałych sięgają więc od 0 do 12 ppm.Wyjątkiem jest wodór tworzący "kolec" Żelaznej Dziewicy - jego przesunięcie sięga daleko za skalę do -4 ppm.


Bullwalen czyli chaos w stanie czystym
Bardzo prosta cząsteczka o wzorze C10H10, z trzema wiązaniami podwójnymi.

Elektrony w związkach organicznych chętnie wędrują, zmieniając kształt czasteczki i liczbę wiązań. W tej cząsteczce mają one wyjątkową swobodę - oprócz możliwości przeskakiwania na miejsce obok, mogą tworzyć nowe wiązania za sprawą przegrupowanie Cope'a. A w każdej z nowych struktur, elektrony mogą przeskakiwać w miejsce obok. Przez to liczba wszystkich możliwych struktur mezomerycznych wynosi dla tej małej cząsteczki aż 1,2 mln! W temperaturze pokojowej i wyższych wszystkie przeskoki następują nieustannie, zatem roztwór bullwalenu stanowi swoisty molekularny chaos - każda cząsteczka w innym stanie.

Nazwa pochodzi od pseudonimu chemika który przewidywał istnienie takiego związku Williama Doeringa, nazywanego Bykiem (Bull)

W zasadzie omówiłem tu praktycznie same węglowodory, związki z dodatkowymi innymi atomami omówię kiedy indziej.
-----
[1] Syntezy poliedrów
Strona miłośnika budowania struktur fullerenów z koralików i słomek: http://thebeadedmolecules.blogspot.com/

Jeszcze garść anegdot

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

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

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

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

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

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

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

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


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