Katalityczna synteza kwasu adypinowego

Na jednych z ostatnich w tym semestrze zajęć z Chemii Proekologicznej, u prof. Lipińskiej, zajmowaliśmy się syntezą kwasu adypinowego.

Kwas adypinowy jest organicznym kwasem, zawierającym dwie grupy karboksylowe na końcach czterowęglowego łańcucha węglowodorowego. W niewielkich ilościach występuje w roślinach i mógłby być otrzymywany z buraków cukrowych, gdyby się to opłacało Jako słaby kwas bywa dodawany do żywności jako E 355, czasem też jako składnik roztworów buforowych, jednak głównym zastosowaniem jest produkcja Nylonu i innych podobnych polimerów. Z tego powodu rocznie na świecie produkuje się go 2,5 mln ton.

Niestety najpowszechniejsza metoda otrzymywania jest też bardzo kłopotliwa.

Podstawowym substratem jest tutaj cykloheksen - sześciowęglowy pierścień z jednym wiązaniem podwójnym. O jego otrzymywaniu już kiedyś pisałem. Rozerwanie tego wiązania i utlenienie węgli przy nim, da nam kwas adypinowy. Jednak z rozerwaniem wiązania, to nie jest taka prosta sprawa. Należy zastosować agresywne utleniacze - na przykład nadmanganian potasu ze stężonym kwasem siarkowym. Zaś metoda najpowszechniej stosowana polega na traktowaniu cykloheksenu stężonym kwasem azotowym.

Samo operowanie stężonym kwasem jest kłopotliwe, zaś w dodatku podczas reakcji powstają szkodliwe tlenki azotu, w tym podtlenek, będący gazem cieplarnianym. Stąd też biorą się próby stworzenia bardziej przyjaznej dla środowiska metody - jedną z nich zajmowaliśmy się na zajęciach.
W tej proekologicznej metodzie* do rozbicia wiązania cykloheksenu i utlenienia węgli wykorzystywany jest łatwo dostępny odczynnik - perhydrol czyli 30 % nadtlenek wodoru, zaś katalizatorem jest wanadan sodu. Jednakowoż taki układ wywołuje jeszcze dodatkową trudność - obie ciecze nie mieszają się ze sobą, a skoro tak, reakcja ograniczy się do wąskiej strefy kontaktu. Aby pokonać tą trudność stosujemy katalizator przejścia fazowego.

Katalizatory przejścia fazowego (PTC) są w większości czartorzędowymi aminami lub fosfinami, z przyłączonymi do atomu azotu lub fosforu długimi łańcuchami węglowodorowymi. Takie indywiduum dosyć chętnie rozpuszczałoby się w fazach oleistych, gdyby było elektrycznie obojętne, zwykle jednak samo w sobie jest dużym kationem organicznym. Dlatego przyłącza sobie z fazy wodnej jakiś anion i już może przejść do drugiej fazy. Jeśli ten anion zareaguje w drugiej fazie z innym substratem, na przykład jako nukleofil przyłączy się do benzenu i odłączy się od katalizatora, to ten, stając się naładowany, powróci do fazy wodnej dopóki nie znajdzie sobie nowego anionu.
W ten sposób katalizator cyklicznie zmieniając rozpuszczalność, przeciąga reagujące ze sobą cząsteczki z fazy do fazy. W tym przypadku był to związek CH3(C8H17)3N - nazywany Aliquat 336 - czyli sól tryoktylometyloamoniowa. Skoro zaś problem z głowy, opiszę pokrótce co też takiego wykonywałem:

Cykloheksen, mający postać bezbarwnej, oleistej cieczy, wlałem do kolby kulistej. Dodałem perhydrol i wanadan sodu - bezbarwny, nie interesujący proszek - do tego kroplę roztworu katalizatora PTC i mieszadełko magnetyczne i połączyłem kolbę z chłodnicą zwrotną. Całość ogrzewałem na łaźni olejowej na mieszadle grzejnym w temperaturze ponad 200 st. C:

Jeśli chodzi o sam proces, reakcja przebiegała bardzo spokojnie, choć obawiałem się, że z powodu nadtlenku może się zawartość kolby nagle zapienić. Jedynie co pewien czas zaglądaliśmy, czy warstwa organiczna jest jeszcze widoczna. Gdy ostatecznie z warstwy cykloheksenu został pierścień przy ściankach:

ogrzewanie przerwałem. Teraz należało ostrożnie oddzielić pipetą warstwę wodną od organicznej, ale starając się przy tym nie zaciągać stałego katalizatora z dna. Kwas adypinowy powinien wykrystalizować w niskiej temperaturze, toteż wziąłem z zamrażalnika lód, ściereczkę i młotek i naprodukowałem mieszaniny ochładzającej:

I rzeczywiście, już po chwili zawartość chłodzonej zlewki zgęstniała od drobnych kryształków produktu:

które pozostawało teraz jedynie odsączyć i wysuszyć. I tak oto powstał nam kwas adypinowy:

Proekologicznym aspektem jest oczywiście ograniczenie szkodliwych reagentów. Wydajność była wysoka, ale już nie pamiętam dokładnie jaka.

.--------
*  Sato K, Aoki M, & Noyori R (1998). A "Green" route to adipic acid: direct oxidation of cyclohexenes with 30 percent hydrogen peroxide Science (New York, N.Y.), 281 (5383), 1646-7 PMID: 9733504

Sól na lód

Temat bardzo zimowy a w pewnym stopniu wiążący się z wcześniejszym wpisem o mieszaninach ogrzewających i krystalizacji. Teraz bowiem będzie nie tylko o topieniu lodu ale i dla równowagi o mieszaninach ochładzających.

Ziarenko soli drogowej w wytopionej przez siebie jamce

Gdy zimą chodniki, drogi, ulice i resztę świata pokrywa śnieg, w miejscach bardziej zdeptanych przeradzający się w lód lub śniegowe błoto, doprawdy bardzo trudno jest się poruszać. Ślizgawica na chodnikach to jeszcze pół biedy, ale na drogach jest nie do pomyślenia. Więc trzeba ten lód rozpuścić. Więc trzeba go posypać solą. Ale dlaczego solą i dlaczego sam piasek nie wystarczy, nie każdy wie.

Topnienie lodu jest przemianą fazową. Faza stała zamienia się bądź to w fazę ciekłą bądź to gazową. Zależy to akurat od warunków - w niskich temperaturach lód może parować w suchym powietrzu, przez co teoretycznie da się wysuszyć pranie na mrozie (tylko kto by tyle czekał?). To w jaki sposób i w jakich warunkach przebiegają przemiany z fazy do fazy, określają równowagi fazowe.
Na to jaka faza, lub układ faz jest akurat trwały, wpływają głównie takie czynniki jak temperatura i ciśnienie - w wysokiej temperaturze lód topnieje, ale pod wysokim ciśnieniem może ponownie zamarznąć. To zrozumiałe. Tak samo jak zrozumiałe jest, że skład substancji wpływa na przebieg równowag - przykładowo woda morska zamarza w zdecydowanie niższej temperaturze.
Teraz na chwilkę się zastanówmy - morze zaczyna zamarzać i na jego powierzchni pojawia się lód. Dla wody w oceanach następuje to w temperaturze -1,9° C. A teraz powiedzmy że temperatura nieco rośnie, do -0,5° C. Pamiętamy że lód topi się w temperaturze 0 stopni. Jest jeszcze za zimno więc - myślimy sobie - lód powinien pozostawać. Tymczasem lód się topi.

Znana nam temperatura topnienia lodu - 0° C -  nie jest niczym innym jak temperaturą ustalenia się pewnej równowagi fazowej. W tej temperaturze lód i woda znajdują się w równowadze. Dostarczanie energii zmniejsza ilość fazy stałej, zaś jej odbieranie zmniejsza ilość fazy ciekłej, i tak to trwa aż do zaniku jednej z nich - czyli całkowitego stopienia lub całkowitego zamarznięcia. Tyle tylko, że jest to temperatura równowagi dla faz: Lód/woda. Natomiast w morzu lub w kubku ze słoną wodą mamy do czynienia z fazami: Lód/słona woda - a to już całkiem inna sytuacja.

Ogólnie rzecz biorąc substancje rozpuszczone w wodzie obniżają temperaturę jej topnienia - chyba że same krzepną w wyższych od wody temperaturach. Dla przykładu 40% roztwór alkoholu zamarza przy ok. -35-40° C (czysty etanol zamarza dopiero przy -114). Równowagi fazowe przesuwają się zatem w stronę niższych temperatur. Dla układu lód/nasycony roztwór soli temperatura równowagi to ok. -20° C. Skoro tak, łatwo jest już chyba domyśleć się co zachodzi na naszych chodnikach.

Gdy posypiemy lód solą, jej część rozpuści się od samego zetknięcia. Powstanie roztwór soli, który stykając się z lodem stworzy nasz układ. W takim układzie lód może trwale przebywać w zetknięciu z roztworem w temperaturze -18 czy -20 stopni. Jeśli zatem jest -11 czy -5 to dla takiego układu jest za ciepło. Lód będzie się rozpuszczał, uwalniając chodniki i drogi ze swych węgorzych okowów. Dla bardziej rozcieńczonych roztworów takie błoto może jednak zamarzać już przy mniejszych mrozach.
Pojawia się tu jednak szczególne zjawisko - gdy lód się rozpuszcza, cała mieszanka zaczyna wyraźnie się ochładzać. Dla odpowiednich mieszanek soli z lodem spadek temperatury może sięgać -20 czy -22 stopni, co wykorzystuje się niekiedy do chłodzenia. Jeśli więc mieszanka ochładza się aż do temperatury w której mimo to krzepnie, to dlaczego chodnik posypany solą nie zamarza ponownie po chwili?
A no dlatego, że przecież jest za ciepło. Gdybyśmy naszą chłodzącą mieszankę dobrze odizolowali, to miałaby szansę zamarznąć od samego swojego chłodzenia, ale przecież wciąż jest w kontakcie z za ciepłym otoczeniem. Dlatego nie osiąga tego stanu i cały lód topi się. Wszystko to dobrze działa do momentu, gdy mrozy nie są jeszcze zbyt silne, gdy jednak przekraczają tą temperaturę graniczną, zwykła sól nie wystarcza.
Dlaczego jednak taka mieszanina ochładza się?

Lód, topiąc się, pobiera na ten proces dosyć dużo ciepła, wystarczająco aby ochłodzić całość do niskiej temperatury. Tego typu mieszanki są niekiedy używane do chłodzenia. Dla mieszaniny lody i soli w stosunku 2/1 minimalna temperatura to ok. -20 stopni. Dla mieszanki uwodnionego chlorku wapnia z lodem w ilości 1/0,8 można osiągnąć do -40 stopni. Aby osiągać jeszcze niższe temperatury należy użyć suchego lodu, pozwalającego otrzymać temperatury aż do -78 stopni (z acetonem). W mieszance z eterem dietylowym pozwala na osiągnięcie -100 stopni. Dla jeszcze niższych temperatur używa się ciekłego azotu.
Jeżeli temperatura równowagowa innych soli z lodem jest jeszcze niższa niż dla soli kuchennej, to znaczy, że nadają się i one do odladzania. I faktycznie - chlorek wapnia i magnezu są używane do odladzania podczas silnych mrozów. Jeśli zastosuje się związki bezwodne to podczas rozpuszczania będą wytwarzały dość dużo ciepła, jak to już objaśniałem przy mieszaninach ogrzewających, dając dodatkową korzyść.
Jednak wymienione sole, w odróżnieniu od chlorku sodu, są droższe. Chlorek sodu bądź wydobywa się z kopalń, bądź wyodrębnia z zasolonych wód, że zaś w kraju mamy całkiem przyzwoite złoża, jest to materiał tani - Kłodawa sprzedaje ją za 220-280 zł za tonę netto, oferty które znalazłem podawały ceny rzędu 1500-1800 zł/t dla chlorku wapnia i 2200-2500 zł/t dla chlorku magnezu. Dlatego tego typu środki stosuje się u nas głównie w przypadku silnych mrozów.

Używanie soli do odmrażania ma jednak dość istotne wady - po rozpuszczeniu śniegu pozostaje roztwór solanki, który wnika z podłoże. Zasolenie gleby w miastach jest często tak duże, że nic większego od miniaturowych krzaczków nie chce tam rosnąć. Sól wnikająca w drobne pory betonu i asfaltu osłabia ich strukturę gdy w suchszym okresie zaczyna krystalizować, rozsadzając pory. W przypadku betonu prowadzi to do powstawania odprysków i "łuszczenia się" wierzchniej warstwy. W przypadku asfaltu sprzyja pękaniu. Wnikając w elementy żelazobetonu przyspiesza korozję prętów zbrojeniowych, osłabiając konstrukcje. Z tego samego powodu szkodzi samochodom. Pozostawia także osady na nawierzchni i na butach, a wnikając w skórę buta sprzyja jej pękaniu. W dodatku drogowcy sypią sól bardzo hojnie, czasem wręcz można mieć wrażenie, że wolą posypać niż zgarnąć śnieg. Dlatego od dawna szuka się jej zastępstw.

Wspomniane chlorki wapnia i magnezu są dobrymi alternatywami - są mniej korozyjne i zużywa się ich mniej, co przekłada się na mniejsze stężenie w glebie. Niestety również pozostawiają osady i mimo to nadal wzbogacają ziemię w chlorki. stąd też szybko pojawiły się pomysły zastąpienia chlorków zupełnie innymi solami, znacznie mniej szkodliwymi dla środowiska. Próbowano tutaj stosować preparaty na bazie mocznika, wykazujące działanie do -10 stopni, te jednak dla odmiany mogłyby wywołać przenawożenie gleb, a ponadto zbytnio zalkalizować środowisko.Bardzo ciekawym pomysłem jest preparat Safecoat produkowany z melasy. Przy produkcji białego cukru, po wykrystalizowaniu go z zalkalizowanego zagęszczonego soku, pozostaje odpadowa melasa. Oczyszczone frakcje znajdują zastosowanie w browarnictwie, zaś z pozostałym szlamem, zawierającym chlorek wapnia i inne sole oraz różne substancje organiczne, nie bardzo jest co robić. Amerykanie wpadli na pomysł aby zmieszać te melasowe odpady z solą i wysypywać na drogi; testuje się ten system w niektórych miejscach [1], podobno rezultaty są nie najgorsze. Byłoby bardo ciekawie wprowadzić to u nas - produkuje się u nas bardzo dużo cukru, a melasy eksportujemy do innych krajów najwięcej w europie, z pewnością więc materiał powinien być wyjątkowo tani.
 Ciekawym pomysłem są sole prostych kwasów organicznych - octowego i mrówkowego - które łatwo utleniają się i są rozkładane w środowisku. Najpowszechniejszy jest tu octan wapniowo-magnezowy (CMA) powstający przez rozpuszczenie dolomitu w kwasie octowym. Nie zawiera jonów chlorkowych i nie jest tak agresywny korozyjnie; działa do temperatury -12° C, a więc jest prawie tak dobry jak zwykła sól. Stosowanie ogranicza niestety cena - jest prawie 20 razy droższy, głównie z powodu kosztów produkcji kwasu octowego. Mniej stosowany jest octan potasu (KAc), także mało agresywny i niestety drogi, ale mający tą zaletę, że działa dobrze aż do -26° C, w mieszance z mocznikiem jest używany do odladzania pasów startowych lotnisk. W Finlandii stosuje się do tego mrówczanu potasu, w dodatku zalecając używać go na drogach przebiegających przez cenne przyrodniczo obszary i rezerwaty, łatwo bowiem rozkłada się, nawet w niskich temperaturach, a więc nie zanieczyszcza środowiska. Nie znalazłem niestety informacji do jakich temperatur działa, ale musi być dobry skoro sprawdza się w Finlandii.
Wszystkie te alternatywy są niestety droższe, być może postępy biotechnologii pozwolą taniej produkować kwas octowy i mrówkowy na skalę przemysłową, co zmniejszy koszty. Stosunkowo nie najgorszym zastępstwem może być popiół drzewny lub powęglowy, choć działa głównie przez polepszenie przyczepności. No i można jeszcze sypać piaskiem.

Z własnych doświadczeń na ośnieżonym parapecie wynikło mi, że pewne słabe właściwości topienia ma kwasek cytrynowy a nawet cukier puder.

Zajmę się tu jeszcze jedną kwestią, która mnie zafrapowała, gdy szukałem jak to jest z dostępem do tych alternatyw. Często natykałem się na artykuły wychwalające Ekologiczną Sól Drogową , mającą być bardziej wydajną i nieszkodliwą, testowaną w wielu częściach kraju a nawet uznawaną przez ministerstwo ochrony środowiska za bezpieczny zamiennik*. Rzecz oczywista zacząłem szukać składu ale nic nie znalazłem, niektóre artykuły stwierdzały wręcz że skład jest zastrzeżony i opatentowany i dlatego producent nie chce go zdradzać. W zamian za to znalazłem długą listę korzyści, niektóre wydawały się wątpliwe (na przykład pisanie, że zwykła sól przestaje działać przy -6 stopniach) ale pozostałe całkiem uzasadnione. Niektóre artykuły marketingowe wspominają tylko, że nie jest to chlorek wapnia ani potasu. Tylko w kilku miejscach jest wspomniane, że zawiera magnez i potas. Więc może to po prostu mieszanka chlorków tych pierwiastków? Niestety znajduję i takie reklamy, w których twierdzi się, że sól nie zawiera chlorku magnezu. No cóż, zajrzałem więc na jednego z oficjalnych blogów firny, i tam jak byk znajduję ogłoszenia o sprzedaży przez tego samego dostawcę... technicznego chlorku magnezu. Lista zalet przy odladzaniu identyczna.
Zaglądam więc na informację techniczną[2]. Składu brak, tylko wzmianka o obniżonej zawartości "związków chlorku" i informacja że jest biodegradowalna co nie jest zbyt zręcznym określeniem** Przy okazji podano takie dane techniczne, jak masa cząsteczkowa (92,21 g/mol) temperaturę topnienia (708° C) i wrzenia (1412° C) na podstawie których, zaglądając do tablic chemicznych, mogę zidentyfikować związek jako stary, dobrze znany chlorek magnezu.
No to się wyjaśniło. Pozostaje tylko pytanie po co robić marketingową tajemnicę ze składu, skoro można się go domyśleć? Skoro podobno jest zastrzeżony i opatentowany, to można to robić, ale skoro chlorek magnezu już jest używany do tego celu przez różne firmy, obawa o ukradzenie pomysłu na jaką powołuje się producent, jest płonna jak musztarda po obiedzie


------
* Jedynym dokumentem na ten temat jaki znalazłem, była interpelacja poselska, w odpowiedzi na którą ministerstwo stwierdziło, że wykorzystanie ESD leży w gestii zarządcy drogi. To chyba nie to samo co poparcie przez ministerstwo.
** Biodegradacja to rozkład w środowisku związków organicznych. Nie dotyczy soli nieorganicznych i nie jest to to samo co nieszkodliwość.

http://en.wikipedia.org/wiki/De-ice
http://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzpunkterniedrigung
http://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_Magnesium_Acetate
[1] http://news.bbc.co.uk/local/wiltshire/hi/people_and_places/newsid_9185000/9185244.stm
[2]  Informacja techniczna: Ekologiczna Sól Drogowa

Poison Story - Cienka Granica (05.)

Dobrze jest być zdrowym. Zdrowym można być, jeśli w odpowiedniej ilości zażywać się będzie ruchu, świeżego powietrza i odpowiedniego jedzenia. Jedzenie jednak nie zawsze, choć smakowite i soczyste, musi być dobre. Dobrze więc jest sobie taką niewłaściwą dietę uzupełniać.
Tak w każdym razie piszą producenci suplementów diety, chcących zapewnić klientów, że ich produkt jest im konieczny do życia i to konkretnie ich. Jak się jednak okazuje, co za dużo to nie zdrowo. A pewien pierwiastek jest pod tym względem szczególnie kapryśny.

Gdy w lutym 2008 roku do jednego ze szpitali we Florydzie zgłosiła się kobieta z nietypowymi objawami, nic nie wskazywało na to, że to początek większej afery. Dolegliwości zaczęły się już wcześniej, od osłabienia, częstych wypróżnień i wypadania włosów. Czy zgłosiła to lekarzowi? Opowiedziała o tym swojemu kręgarzowi, do którego przychodzi od czasu od czasu. On uznał, że to skutek niewłaściwej diety i niedoboru witamin, więc powiedział jej aby ten suplement, który polecił jej wcześniej, zażywała nieco częściej niż dotychczas.
Dodatkowa dawka witamin i mikroelementów wcale jednak nie pomogła. Zaczęły się częste biegunki, bóle głowy i stawów. Sądziła nawet, że to grypa żołądkowa, ale wkrótce zauważyła ciemne plamy na skórze i przebarwienia na paznokciach, więc uznała, że to znacznie bardziej poważna sprawa. Szpital przeprowadził dokładny wywiad medyczny i przesłał wyniki do centralnej bazy danych na temat zachorowań. Wtedy okazało się, że w sąsiednim mieście do lekarza zgłosiła się osoba z takimi objawami jak wypadanie włosów, biegunki, bóle głowy i nieprzyjemny zapach z ust. Objawy zaczęły się już parę tygodni wcześniej. Nie nie zgłosiła się od razu. Najpierw poradziła się swojego kręgarza.

Kręgarz, jak się okazało ten sam, faktycznie stwierdził, że niektórzy jego pacjenci - około dziesięciu osób - zgłaszali objawy osłabienia; uznał że to niedobór witamin i polecił im suplement. The Total Body Formula w wersji o smaku brzoskwiniowym i pomarańczowym, to komplementarny suplement w formie płynnej. Zawierał 16 witamin, 12 makro i 50 mikroelementów, oraz 18 aminokwasów, trzy nienasycone kwasy tłuszczowe, spirulinę, koenzym Q-10 i przeciwutleniacze herbaciane - jak zatem widać miał pomagać na niedobór wszystkiego. Objawy zatrutych konsumentów, których liczba wzrastała w zastraszającym tempie, były wprawdzie mało specyficzne, ale po wykluczeniu metali ciężkich pozostawała tylko jedna możliwość - zatrucie selenem. Badania kupionego suplementu wskazały że istotnie zawierał on ten pierwiastek, jednak w ilości wyższej niż przedstawiała to etykieta. No cóż, każdemu może się coś tam lejnąć, parę kropli w tą czy tamtą to nie tak wiele, jednak w tym przypadku pomyłka była kolosalna - suplement zawierał 200 razy więcej selenu niż powinien! Szybko okazało się, że chorych jest zdecydowanie więcej...

Dlaczego należy zażywać wraz z z dietą selen? Po co jest potrzebny naszemu organizmowi? I dlaczego nie można z nim przesadzać? Aby to objaśnić wdam się, jak zwykle, w historyczno-chemiczną dygresję. (dla leniwych podsumowanie na samym dole)

Selen czarny i czerwony

Selen to niemetaliczny pierwiastek chemiczny, w układzie okresowym leżący tuż pod siarką i mający do niej bardzo zbliżone właściwości. Na tyle bliskie, że bardzo chętnie występuje wraz z nią w minerałach i formie pierwiastkowej, i tam też został po raz pierwszy odkryty. Szwedzki chemik Jacob Berzelius należy z pewnością do najwybitniejszych naukowców wszech czasów - wprowadził używany do dziś system zapisu związków chemicznych, odkrył cztery pierwiastki (a jego asystenci dalsze dwa) a ponadto obdarzony był bardzo specyficznym poczuciem humoru. W tej historii występuje jednak dlatego, iż był przyjacielem Johana Gahna, innego chemika, który zajmując się rozwojem raczkującego przemysłu chemicznego był właścicielem fabryki kwasu siarkowego na Gripsholm. W stosowanej tam komorowej metodzie produkcji kwasu używano pirytów z kopalni w Falun, które prażono, zaś powstający dwutlenek siarki utleniano dalej tlenkami azotu. Na dnie komór reakcyjnych osadzał się wówczas czerwony osad, tworzący z resztkami kwasu niepożądany szlam.
Gahn zwrócił się do Berzeliusa z prośbą, aby sprawdził, czy przypadkiem nie da się tego osadu na coś przerobić, podejrzewał że jest to jakiś związek arsenu lub rtęci. Osad ten był palny, wydzielając ostry zapach, nieco podobny do zapachu arsenu ale jednak inny. Niewiele lat wcześniej w minerałach siarczkowych odkryto Tellur, który także dawał podobny zapach, uznano więc, że to jakiś związek telluru. Berzelius dla dokładności sprawdził oryginalne piryty i nie znalazł w nich telluru. Zaczął więc oczyszczać osad, wyodrębniając substancję bez wątpienia prostą, nie będącą żadnym ze znanych pierwiastków i w 1818 roku ogłosił odkrycie kolejnego już na swoim koncie pierwiastka, nazwanego selenem. Była to analogia do podobnego telluru - "tellus" znaczy "ziemia" zaś "selene" znaczy "księżyc".

Jego właściwości chemiczne są, jak się rzekło, bardzo zbliżone do siarki. Elektroujemność, czyli skłonność do przyciągania elektronów podczas wiązania, jest prawie identyczna. Tworzy selenki z metalami; tlenek rozpuszczony w wodzie daje mocny kwas selenowy. Podobnie jak wiele niemetali występuje w licznych odmianach alotropowych. Selen czerwony to odmiana najłatwiej dostępna, ma postać szaro-czerwonego proszku, o odcieniu zależnym od rozdrobnienia i sposobu otrzymania. Składa się z podobnych do siarki ośmioatomowych pierścieni oraz powstałych przez ich połączenie pierścieni zawierających od 20 do 100 atomów. Ma trzy odmiany krystaliczne - alfa, beta i gamma, różniące się gęstością. Podobnie jak siarka jest izolatorem i rozpuszcza się w dwusiarczku węgla.
Przy podgrzejemy go przez dłuższy czas do temperatury powyżej 180 stopni, pierścienie popękają i utworzą długie, nieco skręcone łańcuchy selenu szarego. Ta odmiana ma wygląd zbliżony do grafitu, choć mniej połyskliwego i częściowe właściwości metaliczne - słabo przewodzi prąd elektryczny. W połowie XIX wieku zauważono, że przewodnictwo selenu szarego wzrasta gdy zostanie oświetlony i to proporcjonalnie do natężenia światła, dlatego już w 1874 roku fotokomórki z selenem znalazły zastosowanie komercyjne. Wkrótce Bell, znany jako wynalazca telefonu, zastosował go w fotofonie, przekazującym dźwięk za pomocą modulowanej wiązki świetlnej. Ostatnią odmianą alotropową jest selen czarny, o szklistej strukturze, otrzymywany przez szybkie ochłodzenie stopu.

Choć selen wykryto w ludzkim organizmie już dawno, dopiero w połowie XX wielu uświadomiono sobie, że musi pełnić w nim jakąś ważną rolę, skoro obecność mikroskopijnej ilości tego pierwiastka, jest zdecydowanie korzystna. Mimo to wielkim zaskoczeniem było odkrycie, że jest składnikiem dotychczas nieznanego aminokwasu - selenocysteiny ( Sec lub Se-Cys). Jest to analog cysteiny, w której siarka zastąpiona jest selenem.
Ciekawą kwestią jest to, że choć występuje w enzymach produkowanych przez organizm, selenocysteina nie jest kodowana w DNA. W normalnej sytuacji każdym trójkom zasad w kodzie genetycznym (na przykład AAG czy TCT) odpowiada któryś z aminokwasów, zaś ciąg takich trójek jest dla komórki instrukcją łączenia aminokwasów w białka. Gdy odczytujący rybosom dochodzi do trójki UGA, oznacza to dla niego STOP, gen się kończy i białko jest odcinane. Inaczej jest w przypadku genów opisujących enzymy z selenem - pojawiający się tam kodon UGA jest tłumaczony na Se-Cys za pomocą specjalnego czynnika biologicznego nazywanego SECIS, który zapobiega kończeniu białka w tym miejscu. Aby czynnik zadziałał, selen już musi być obecny w organizmie.
Aminokwas ten jest niezbędnym składnikiem wielu ważnych enzymów, w tym wielu peroksydaz - enzymów neutralizujących rodniki tlenkowe i nadtlenkowe. W efekcie, choć sam selen nie ma właściwości reduktora, jego obecność sprzyja zmniejszeniu ilości szkodliwych wolnych rodników. Najważniejszym enzymem w którym jest zawarty jest peroksydaza glutationowa - enzym ten rozkłada nadtlenek wodoru i nadtlenki organiczne, powstające w reakcjach metabolicznych i należące do najbardziej szkodliwych reaktywnych form tlenu (powszechnie nazywanych wolnymi rodnikami), wywołując uszkodzenia komórek.
Odbywa się to w sposób następujący (duży obrazek):

 Nadtlenek utlenia grupę selenolową w enzymie i zamienia się w wodę. Utleniony enzym reaguje z glutationem, tworząc z nim połączenie przez mostek Se-S. Druga cząsteczka glutationu regeneruje enzym tworząc dimer z mostkiem siarczkowym. Dimer jest redukowany przez koenzym NADPH.

A co gdyby ten niezbędny pierwiastek nie był obecny w organizmie?
Wbrew pozorom przy normalnej, zrównoważonej diecie niedobór selenu jest bardzo rzadki - jeśli jest niezbędny dla wszystkich organizmów, to i we wszystkim występuje, zdarzają się jednak niższe lub wyższe poziomy zawartości.
Na szerokich areałach Chin, gdzie lessowa gleba jest bardzo uboga w selen, stosunkowo częsta jest choroba Keshan, nazwana od stolicy regionu najbardziej dotkniętego. Niedobór selenu połączony z zakażeniem zazwyczaj nieszkodliwym wirusem coxsackie, często wywołującym wysypki u dzieci, wywołuje w tej chorobie schorzenia układu krążenia, z przerostem serca, martwiczymi zawałami i niewydolnością, oraz obrzęk płuc, a także częste udary i zaćmę (objawy występują łącznie). Uzupełnienie niedoboru prowadzi do samoistnego wyleczenia.
Ponieważ selenocysteina jest składnikiem enzymów odpowiadających za aktywność hormonów tarczycy, niedobór selenu połączony z niedoborem jodu może wywołać niedoczynność tarczycy. Wiadomo także, że suplementacja poprawia stan chorych w chorobie Hashimoto - autoimmunologicznym zapaleniu tarczycy[1] - chociaż mu nie zapobiega. Co do tego na ile niedobór wpływa na choroby serca i nowotwory nie ma zgody - teoretycznie wymiatając wolne rodniki powinien im w jakimś stopniu zapobiegać. Z kilku badań wynikałoby, że u osób z wyższym stężeniem we krwi, ryzyko raka pęcherza jest niższe[2], zaś u osób z niską ilością Se w diecie ryzyko raka płuc jest wyższe[3] - aczkolwiek nie działało to w drugą stronę i dla zawartości wyższych niż norma nie następował dalszy spadek zachorowalności. Badania na większej populacji są jednak bardzo niejednoznaczne. W niedawnym gigantycznym badaniu 295 tysięcy mężczyzn w USA nie wykazano aby zażywanie multiwitamin wpływało jakoś na zachorowalność raka prostaty, natomiast u osób nadużywających takich preparatów (więcej jak 7 całodziennych dawek na tydzień) stwierdzono z tego powodu wyższą śmiertelność - największy wzrost dotyczył suplementów z selenem i cynkiem[4]. Wygląda to dziwnie, zachorowalność się nie zwiększyła ale wykrywane przypadki były cięższe, co sugeruje raczej, że osoby nadużywające suplementów później zgłaszały się do lekarza, na zasadzie "biorę pigułki więc na pewno jestem zdrowy".
W innym dużym badaniu 60 tysięcy pielęgniarek nie stwierdzono korelacji między ilością selenu w organizmie a zachorowalnością na raka w jakiejkolwiek formie[5]. Ponieważ zaś dokładnie przeciwny wynik dało badanie na 50 tysiącach pielęgniarzy[6] i był on wywołany właśnie różnicami w zachorowalności na raka prostaty (której kobiety nie mają) wydaje się że jest to jedyny typ nowotworu któremu selen w jakiś sposób zapobiega.

Pierwiastek ten dosyć powszechnie występuje w jedzeniu - najlepszymi źródłami są ryby i skorupiaki morskie, dalej mięso, wątroba, nerki , jajka, produkty zbożowe i rośliny strączkowe. Z tego też powodu zróżnicowana dieta jest najzupełniej wystarczająca aby zaspokoić zapotrzebowanie. Z tego co wiem, jedynie specyficzne diety ubogie jak fruktarianizm mogą doprowadzać do jakiegoś niedoboru, wystarczy jednak wzbogacić je o rośliny obfite w selen - najwięcej zawierają go orzechy brazylijskie. Zmniejszone wchłanianie pojawia się także przy alkoholizmie, stosowaniu niektórych leków zawierających siarkę, czy uporczywych biegunkach. Dlatego też w zasadzie silny niedobór Se jest rzadkością. Bardzo trudno jest też go przedawkować przez samo jedzenie, stąd praktycznie wszystkie takie przypadki dotyczą nadużywania suplementów.

Jeśli zatem selen ma takie dobroczynne właściwości, to co robi w tej historii?
Wieki temu przemądrzały lekarz Paracelsus stwierdził paradoksalnie "Wszystko jest trucizną i nie jest nią". Każda substancja wpływa jakoś na organizm, a to czy wpływ będzie szkodliwy, leczniczy czy obojętny zależy tylko od dawki (i sposobu podania). Woda jest nam niezbędna do życia, ale wypicie na raz zbyt dużej ilości zaburza równowagę elektrolitów, w rzadkich przypadkach wywołując śmiertelnie groźne zatrucie wodne. A zdecydowanie mniejsza ilość dostawszy się do płuc może spowodować zachłyśnięcie.
To na ile bezpieczna jest dana substancja określają dwa czynniki - dawka śmiertelna a dla substancji leczniczych rozpiętość między dawką leczniczą a toksyczną. Taki na przykład siarczan miedzi zasadniczo uważany jest za lekko trujący, choć dawka śmiertelna dla niego to kilkanaście gramów - więcej niż dla niektórych leków. Dla ibuprofenu dawka terapeutyczna to ok. 10mg/kg ciała, zaś toksyczna, przy której już pojawiają się negatywne objawy, to ok. 180mg.kg[7] - zakres bezpieczeństwa jest więc szeroki bo lek staje się trujący w ilości 18 razy większej niż normalna.
Jak rzecz wygląda dla selenu? Zalecana dawka dzienna to 55-70 µg (0,000055-0,00007 g)  zaś toksyczna to 400 µg/dzień - tylko 8 razy więcej. W dodatku pamiętajmy że mówimy o dawkach rzędu milionowych części grama, przy takich odrobinach nie trudno o przekroczenie dawki. Łatwiej nieświadomie zażyć za dużo selenu niż połknąć 8 tabletek. Wprawdzie selen jest koniecznie potrzebny do produkcji enzymów, ale tylko do nich, a organizm nie będzie ich produkował dopóki mu starczy materiału, a tylko tyle ile mu trzeba. Nieprzereagowany selen rozprasza się po organizmie, próbując wbudować się gdzieś zamiast siarki. Zastępuje ją w kreatynie, budującej włosy i paznokcie, jednak czyni to nieudanie - takie zselenowane białko ma niewłaściwą budowę, stąd zmiana struktury włosów i szare pasma na paznokciach; działanie toksyczne na komórki macierzy paznokciowej wywołuje ich zniekształcenia a nawet wypadanie.

Pasma Meesa przy selenozie

Powróćmy tu to Ameryki - gdy zorientowano się że źródłem zatrucia jest suplement, starano się dotrzeć do wszystkich, którzy go kupili. Na podstawie danych ze sklepów odnaleziono 226 osób w dziewięciu stanach, które kupiły feralną partię. Objawy zatrucia stwierdzono u 201 osób. Dzięki ankietom i kwestionariuszom ustalono przebieg i objawy zatrucia, uzyskując całkiem sporą ich rozpiętość. I tak u większości pojawiały się biegunki, ogólne zmęczenie, wypadanie włosów (po ok 70%) bóle stawów, zniekształcenia i przebarwienia paznokci (50-60%) bóle głowy, cuchnący oddech i zmiany skórne; co czwarty stwierdził gorączkę. U wielu z nich objawy utrzymywały się jeszcze w trzy miesiące po zatruciu. Późno ujawniły się takie objawy, jak pogorszenie pamięci, zmiany nastroju i osłabienie mięśni.
Spośród tych którzy tracili włosy u kilkunastu dotyczyło to całkowitego wyłysienia głowy a u jednej osoby  utraty wszystkich włosów na ciele. U doświadczających zniekształceń paznokci co trzeci utracił część paznokci. Był to największy w USA przypadek zatrucia suplementem diety od czasu afery z trującym tryptofanem.
Innym obszernym przypadkiem zatruć selenem są endemiczne selenozy w środkowych Chinach. To geologiczny paradoks, że w jednej części kraju ludzie chorują od niedoboru a w innej od nadmiaru tego pierwiastka w glebie. W pięciu wsiach w okolicach Enshi, w prowincji Hubei, na początku lat 60. niemal dwustu mieszkańców doznało biegunek, wypadania włosów i paznokci, choroby układu nerwowego, choroby skóry i zębów. Jedna osoba zmarła. Źródłem była gleba powstała na płytkich złożach węgla, zawierających rekordową ilość 0,08% selenu. Długotrwała susza zniszczyła uprawy ryżu, więc mieszkańcy przerzucili się na kukurydzę i warzywa strączkowe, gromadzące selen w dużych ilościach[8]

Problemy z selenem pojawiają się też na dużych obszarach zachodnich Stanów Zjednoczonych - przewlekła selenoza u zwierząt hodowlanych powoduje tam wypadanie sierści, zniekształcenia i rozszczep kopyt, zwiększa ilość deformacji płodów. Po przedostaniu się do wód staje się toksyczny dla ryb - notowano takie drastyczne deformacje jak dwugłowe pstrągi. U ptaków wywołuje deformacje dziobów i wypadanie piór.

Tak na prawdę bardzo trudno jest doznać zatrucia ze źródeł naturalnych, nawet zajadając się orzechami brazylijskimi, dlatego też praktycznie wszystkie znane przypadki są związane ze stosowaniem suplementów. Jednym z nielicznych łatwo dostępnych produktów, zawierających dużo tego pierwiastka, jest preparat do zimnej oksydacji stali, zawierający mieszankę soli miedzi i selenianu sodu. Po wtarciu mieszanki w oczyszczoną powierzchnię stalową, tworzy się na niej ciemna powłoczka tlenków i selenków miedzi o lekko niebieskawym kolorze. Tego typu preparaty są używane do konserwowania broni, dlatego w takich krajach jak USA są łatwo dostępne. Nic też więc dziwnego, że tam właśnie notuje się dużo zatruć.
Znalazłem co najmniej dwadzieścia przypadków zgonu w wyniku przypadkowego lub samobójczego wypicia takich preparatów. Ilości które wywołały zatrucie wahały się od 11 ml (u dwuletniego chłopca) do 90 ml, przyczynami zgonu były najczęściej rozległe krwotoki wewnętrzne, martwica wątroby, obrzęk płuc lub zawał jelita.[9] Dawka śmiertelna dla selenianu sodu to zaledwie 5 -7 mg/kg masy ciała - dwa razy mniej niż dla cyjanku.

Wobec tego wydaje się dziwne, że natknąłem się na informację o tylko jednej przypuszczalnej próbie zabójstwa selenem. W 1989 roku pewien 49-latek trafił do szpitala z wodnistą biegunką i wymiotami, które jednak minęły po kilku dniach. Tydzień później objawy powróciły z jeszcze większym natężeniem, dodatkowo zaczęły mu wypadać włosy, stracił na wadze i doznawał skurczów mięśni. Paznokcie zabarwiły się na fioletowo-czerwono. Pojawiła się lekka żółtaczka i zapalenie jelit. Choroba minęła po dwóch tygodniach ale powróciła po trzech dniach spędzonych w domu. Badania toksykologiczne wykluczyły tal i arsen, dające podobne objawy. Lekarza zajmującego się nim zastanowił jednak wyraźny, czosnkowy zapach z ust, nie pasujący do metali ciężkich, co naprowadziło go na myśl, o zatruciu selenem.
 Faktycznie, stężenie w próbkach moczu i krwi przekroczyło wszystkie normy. Po trzech miesiącach objawy cofnęły się, zaś na badaniach kontrolnych pacjent ujawnił, że niedawno rozstał się z dziewczyną. Odeszła od niego zabierając znaczną sumę z jego konta. Wcześniej gotowała mu, zaś ostre objawy pojawiały się po zjedzeniu posiłków. Po jej odejściu choroba nie powróciła - śledztwo wykazało, że w tym okresie kupiła dosyć dużo preparatu do konserwowania broni, zawierającego kwas selenowy. Z braku zachowanych próbek jedzenia nie dało się jej niczego udowodnić.[10] Natknąłem się jeszcze na przypadek Richarda Overtona, który próbował otruć swoją pierwszą żonę, oraz otruł drugą przy pomocy selenku i cyjanku, ale nie wiem która z tych trucizn spowodowała śmierć.

Dosyć ciekawą kwestią są interakcje między selenem a metalami ciężkimi - zarówno on jak i arsen, rtęć czy kadm, gromadzą się w tych samych organach i najwyraźniej często łączą się w nietoksyczne selenki, co w pewnym stopniu sprzyja detoksykacji. Działa to też w drugą stronę - odtrutką na ostre zatrucie Se jest arszenik (i odwrotnie, ale ilość selenu potrzebna do detoksykacji arsenu byłaby na tyle duża, że pacjent zatrułby się nim właśnie).[11] Z tego powodu niektórzy próbują zażywać ten pierwiastek przy zatruciach rtęcią, zarówno faktycznych jak i domniemywanych. Szczególnie zajmujący się medycyną alternatywną polecają takie preparaty osobom z amalgamatowymi plombami, co niestety doprowadziło już do kilku zatruć. Niedawno 54-latka z Hamburga za radą dentystki wymieniła wszystkie plomby, poddała się akupunkturze a gdy bóle szczęki nie ustępowały, otrzymała receptę na suplement. Po zażyciu połowy przepisanej ilości trafiła do szpitala z martwicą wątroby. W podobnym przypadku z 2001 roku, wlew z 100 mg selenianu sodu mający na celu usunąć rtęć z amalgamatów, zabił pacjenta w ciągu kilku godzin. [12]

Podsumowanie

Dla tych, którym nie chciało się czytać. 

Selen jest niezbędnym mikroelementem, potrzebnym naszemu organizmowi do produkcji enzymów usuwających wolne rodniki. Jego niedobór zwiększa zachorowalność na raka i inne choroby. Niestety nadmiar jest trujący, a przekroczyć dawkę toksyczną jest bardzo łatwo. Ponieważ trudno jest to zrobić poprzez jedzenie które go zawiera, praktycznie wszystkie znane przypadki dotyczą stosowania suplementów, czy to w nadmiarze czy też omyłkowo zbyt silnych.
Jest to dosyć charakterystyczny przypadek - zbyt mała ilość w diecie sprzyja chorobom, za zbyt duża je wywołuje. Podobnie bywa z witaminami. Dlatego najlepiej trzymać się złotego środka.
-----
źródła:

*  MacFarquhar, J. (2010). Acute Selenium Toxicity Associated With a Dietary SupplementAcute Selenium Toxicity With a Dietary Supplement Archives of Internal Medicine, 170 (3) DOI: 10.1001/archinternmed.2009.495
 
 http://en.wikipedia.org/wiki/Selenium
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selen
 http://sv.wikipedia.org/wiki/Selen
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selenose
 http://en.wikipedia.org/wiki/Selenium_deficiency
 http://de.wikipedia.org/wiki/Selenmangel

[1] Toulis KA, Anastasilakis AD, Tzellos TG, Goulis DG, & Kouvelas D (2010). Selenium supplementation in the treatment of Hashimoto's thyroiditis: a systematic review and a meta-analysis. Thyroid : official journal of the American Thyroid Association, 20 (10), 1163-73 PMID: 20883174
 
[2] Hurst, R., Hooper, L., Norat, T., Lau, R., Aune, D., Greenwood, D., Vieira, R., Collings, R., Harvey, L., Sterne, J., Beynon, R., Savovic, J., & Fairweather-Tait, S. (2012). Selenium and prostate cancer: systematic review and meta-analysis American Journal of Clinical Nutrition, 96 (1), 111-122 DOI: 10.3945/ajcn.111.033373 [3] Zhuo H , Smith AH , Steinmaus C . Selenium and lung cancer: a quantitative analysis of heterogeneity in the current epidemiological literature.  Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2004 May;13(5):771-8
[4] Lawson, K., Wright, M., Subar, A., Mouw, T., Hollenbeck, A., Schatzkin, A., & Leitzmann, M. (2007). Multivitamin Use and Risk of Prostate Cancer in the National Institutes of Health-AARP Diet and Health Study JNCI Journal of the National Cancer Institute, 99 (10), 754-764 DOI: 10.1093/jnci/djk177
[5] Garland M, Morris JS, Stampfer MJ, Colditz GA, Spate VL, Baskett CK, Rosner B, Speizer FE, Willett WC, & Hunter DJ (1995). Prospective study of toenail selenium levels and cancer among women. Journal of the National Cancer Institute, 87 (7), 497-505 PMID: 7707436
[6] Yoshizawa, K., Willett, W., Morris, S., Stampfer, M., Spiegelman, D., Rimm, E., & Giovannucci, E. (1999). Study of Prediagnostic Selenium Level in Toenails and the Risk of Advanced Prostate Cancer The Journal of Urology, 161 (4) DOI: 10.1016/S0022-5347(01)61692-6
[7]  http://www.swiat-zdrowia.pl/artykul/lekarstwa-przeciwgoraczkowe-paracetamol-ibuprofen-infekcje
[8] Yang GQ, Wang SZ, Zhou RH, & Sun SZ (1983). Endemic selenium intoxication of humans in China. The American journal of clinical nutrition, 37 (5), 872-81 PMID: 6846228
[9]  Kern L. Nuttall, Evaluating Selenium Poisoning Ann Clin Lab Sci Autumn 2006 vol. 36 no. 4 409-420

[10] Ruta, D., & Haider, S. (1989). Attempted murder by selenium poisoning. BMJ, 299 (6694), 316-317 DOI: 10.1136/bmj.299.6694.316
[11] Levander, O. (1977). Metabolic Interrelationships between Arsenic and Selenium Environmental Health Perspectives, 19 DOI: 10.2307/3428469  
[12]  http://www.news.at/articles/0227/10/37705/steirerin-selenspritze-haftstrafe-arzt

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3225252/

Kiedyś w laboratorium (20.)

W zeszłym roku na zajęciach z chromatografii zajęliśmy się między innymi analizą cukrów. Na płytki nanosiliśmy po kropli cukrów: rybozy, mannozy, laktozy, glukozy i kroplę analizowanej mieszaniny X. Niektóre płytki były wcześniej modyfikowane przez nasycenie kwasami organicznymi. O ile dobrze pamiętam użytym roztworem rozdzielającym była mieszanina octanu etylu i izopropanolu z wodą. Następnie płytki wysuszyliśmy i spryskaliśmy wywoływaczem - kwaśnym acetonowym roztworem difenyloaminy. I wtedy okazało się, że ćwiczenie nie wyszło - plamki ledwie drgnęły. Jako tako wyszła tylko jedna płytka rozdzielana w jednym układzie, została jednak źle spryskana i po wywołaniu zamiast plamek ujrzeliśmy marmurkowaty deseń:

Bywa i tak.