Dzień pracy na pracowni

Moje wpisy na temat przeprowadzania syntez zapewne dają już jakieś pojęcie o tym co też takiego robi się w laboratorium, jest to jednak w zasadzie skrót wydarzeń, ograniczony do jednego wątku. A jak wygląda dzień na pracowni?

Od pewnego czasu ustalił mi się stały rytm pracy, porządkujący dni. Ponieważ najważniejsze jest dla mnie przetestowanie ligandów w reakcji Henry'ego, zwykle wstawiam jedną lub dwie, ostatnio cztery, w czwartek lub piątek. Ponieważ reakcja ma trwać cztery doby, decyduje ona o planie reszty tygodnia.
Tak więc w poniedziałek przychodzę na krótko, aby zdjąć z mieszadeł wstawione reakcje, i odparować rozpuszczalnik. Zamknięte korkiem i zaparafilmowane kolbki wstawiam do lodówki, żeby produkt się nie rozkładał. Potem mam jeszcze dwa seminaria, więc nic więcej na pracowni nie robię. We wtorek i środę rozdzielam na kolumnie mieszaniny poreakcyjne, odparowuję frakcje z produktami i wstawiam do zamrażarki. W czwartek nad ranem wstawiam początek reakcji - ligand rozpuszczony w izopropanolu i z dodaną solą miedzi. Całość ma się tak mieszać cztery godziny, więc w tym czasie zwykle mierzę skręcalność optyczną oczyszczonych wcześniej produktów. Po upływie czterech godzin dodaję do kolbek substraty i mam wolne.
W piątki albo dokańczam rozdział mieszanin, albo mierzę skręcalności albo mam wolne, zależnie od tego jak się wyrobiłem w tygodniu.

A jak wygląda przykładowy dzień?
Wstaję rano. Teoretycznie na pracowni powinieniem być około 8:30, ale traktuję te "około" dosyć swobodnie, toteż zwykle zjawiam się za kilka minut dziewiąta.
Zaglądam do zeszytu co też mi zostało na ten dzień. Aha... jeszcze jedna mieszanina do rozdziału. Pytam dr Wolińską czy ma może wzorzec produktu do porównania. Dostawszy go robię płytkę TLC w odpowiednim eluencie. Czasem wynik jest bardzo ładny - duża, wyraźna plama produktu. Czasem produkt pojawia się w ilościach śladowych. W przypadku jednego aldehydu nie pojawił się w ogóle, mimo dwukrotnego powtórzenia reakcji. Nie wiem czemu.
Zaczynam więc przygotowywać kolumnę - najpierw watka na dno, potem robię "błotko" krzemionki z eluentem, nalewam, popycham pompką aby się żel dobrze osadził. Mieszaninę poreakcyjną mającą postać brązowego osadu lub oleju rozuszczam w chlorku metylu, i dodaję nieco suchej krzemionki. Po odparowaniu w wyparce otrzymuję mieszaninę reakcyjną wchłoniętą w żel.
Taką sypką mieszaninę nasypuję na początek kolumny, zalewam eluentem, stukam jeszcze aby wyszły pęcherzyki powietrza, po czym nakładam zbiornik, mocuję pompkę i zaczynam chromatografowanie. Zwykle jest wówczas tuż przed dziesiątą.

Na pracowni oprócz mnie jest jeszcze dwóch chłopaków - jeden zajmuje się podobnym ligandem ale z podstawionymi innymi grupami, drugi najmuje się ligandami z funkcją N-tlenkową, ostatnio też pochodną nikotyny. Do tego dr Wolińska, nasza promotor, dr Ławecka zajmująca się związkami siarki, pani asystentka i czasem zachodzą do nas z pracowni na przeciwko skorzystać z wyparki. Trzeba mieć niezły refleks by nie zderzać się na skrzyżowaniu przejść między stołami, gdy jeden odchodzi ze swej kolumny by na płytce sprawdzić kroplę frakcji pod lampą UV (postawioną strategicznie pośrodku), a drugi idzie z kolbką do wyparki i trzeci wraca od wagi.
Zwykle w ciągu dnia ktoś z nas,wstawia do destylacji techniczny rozpuszczalnik, aby mieć czysty do użytku, albo heksan albo chlorek metylenu albo aceton, czasem trzy na raz. Czasem oddaje się próbki na badania NMR i po pewnym czasie odbiera widma.

Tak więc kolumnuję. Eluent zwykle jest tak dobrany, aby Rf na płytce nie przekraczał 0,6 toteż co prawda na kolumnie przebiega to nieco inaczej, ale zanim pierwszy składnik pojawi się w wycieku zwykle trochę to trwa. Czasem zostawiam kolumnę żeby sobie kapała i kupuję kanapkę w bufecie, i wracam przed skapaniem pierwszej substancji.
Z reguły produkt o jaki mi chodzi jest drugą lub trzecią substancją w kolejności, nie zawsze jest jednak naocznie zauważalny na kolumnie (koledzy niekiedy zajmują się kolumnami całkiem białymi, to jest mieszankami z bezbarwnym produktem i zanieczyszczeniami). Zbieram przynajmniej trzy frakcje i sprawdzam na płytce w porównaniu ze wzorcem. Frakcje 1,2,3,4 - aha, to jeszcze nie to.

Nie lubię zupełnej ciszy podczas pracy, więc paradoksalnie żeby się nie rozpraszać zwykle kładę obok komórkę z włączoną jakąś muzyką, czasem z radiem, a bez tego sam sobie coś nucę. Ostatnio przyszedł mi do głowy fajny swingowy rytm, szkoda że na niczym nie gram. I tak to mi płynie - pompką popycham eluent dla szybszego przepływu, ale też nie za szybko. I sprawdzam dalej.
Frakcje 5,6,7 jeszcze nie to, frakcja 8 - produkt i zanieczyszczenie przednie, aha to teraz zbierać mniejsze frakcje. Frakcja 9 produkt czysty, frakcja 10 i 11 też, we frakcji 12 pojawia się zanieczyszczenie tylne, ale produktu są już tylko ślady. Sprawdzam jeszcze jedną-dwie frakcje tyłu aby upewnić się czy na pewno produkt już nie leci. Raz zdarzyło się że produkt wykrystalizował i zamienił się kolejnością z zanieczyszczeniami - pierwsza frakcja czysty produkt, potem pięć frakcji zanieczyszczeń z produktem i na koniec jedna frakcja czystego produktu.
Więc dobrze, mam kilka frakcji czystych, zlewam je zatem i odparowuję w jednej kolbce, wcześniej na sucho zważonej. Gdy mi się odparowuje schodzę do bufetu po cośtam, batonik albo gorącą herbatę.
Na koniec otrzymuję odrobinę żółtawego osadu lub olejku, ważę i porównuję wagi. Aha, męczę się cztery godziny z kolumną i mam 15 mg produktu, fajnie.
Bywa lepiej, bywa gorzej. Czasem jest to koło 100 mg, raz zdarzyło się odzyskać 7 mg. Wtedy śladowe ilości produktu tak rozmyły się na kolumnie, że żeby upewnić się czy cokolwiek mi skapuje musiałem wstępnie zagęszczać frakcje. Innym razem produkt był w ultrafiolecie niewidoczny, rozwiniętą płytkę wywoływałem jodem.

Kolumnę kończę ok 13-14, czasem później gdy z konieczności muszę użyć słabego eluentu, raz kończyłem koło 19 wieczór. Na sąsiedniej pracowni zdarzyło się komuś kolumnować trzy tygodnie. Odparowany produkt wsadzam z kolbką do zamrażalnika. Myję kolbki po frakcjach, wywalam żel z kolumny i myję ją. Zlewam z odbieralników przedestylowane rozpuszczalniki jeśli nie zrobili tego koledzy. Zakręcam wodę i mogę wychodzić.
Jeśli jest dobra pogoda robię jeszcze sobie krótki spacer.

I cóż. Zbieram dane o wydajności i nadmiarach enancjometrycznych, widma NMR, widma masowe, wszystko się przyda do pracy. Przeglądam literaturę, zaglądam do starych prac. Będę pisał.

Azot Kjeldahla

Kiedyś kiedyś, w laboratorium... Na zajęciach z chemii środowiska badałem zawartość azotu w żywności metodą Kjeldahla.

Białka z jakich zbudowane są żyjące organizmy, składają się z aminokwasów, zawierających azot. Chcąc więc oznaczyć zawartość białka w pożywieniu mierzy się zazwyczaj po prostu zawartość azotu. Metodę tą wymyślił duński chemik pracujący na potrzeby browarów - zawartość białka w ziarnie przekłada się na właściwości słodu a te na jakość piwa.
Sama idea jest dosyć prosta - próbkę żywności roztwarza się w kwasie siarkowym w wysokiej temperaturze. W takich warunkach białka, skrobia i większość innych substancji ulegną zniszczeniu, zaś azot pochodzący z amin, głównie tych w białkach, ulegnie zamianie w siarczan amonu.
NR'+ H2SO4 → (NH4)2SO4 + CO2 + H2O
Po zalkalizowaniu roztworu mocną zasadą, siarczan amonu rozłoży się z wydzieleniem amoniaku:
(NH4)2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O + 2NH3
Amoniak jest bardzo lotny więc podczas gotowania roztworu odparuje i wraz z parą wodną będzie skraplany w chłodnicy. Rozpuszczony w wykroplinach amoniak musi być teraz schwycony w roztworze. W tym celu skropliny wprowadza się do odbieralnika z kwasem borowym, będącym stosunkowo słabym kwasem. Zobojętnianie kwasu zmienia odczyn i kolor wskaźnika. Pochłoniętą ilość amoniaku odmiareczkowuje się kwasem. Proste.

Nie pamiętam czy sami mineralizowaliśmy próbkę prezed ćwiczeniem, chyba korzystałem z roztworu już przygotowanego. Mętna zalkalizowana próbka gotowała się cały czas:

Aparatura była skonstruowana trochę nieklasycznie:

Odbieralnikiem była zwykła kolbka z mianowanym roztworem kwasu borowego i z dodatkiem odczynnika Tashiro, czyli mieszaniny wskaźników - czerwieni i błękitu metylenowych. W miarę wykraplania amoniaku zawartośc stawała się zielona:

Aby po przemiareczkowaniu zasadą powrócić do głębokiego fioletu:

W tym przypadku azotu było niewiele.

Sama matoda jest dosyć dokładna, ale tak wyznaczoną zawartość białka mogą podwyższać inne substancje też uwalniające azot w formie soli amonowych. Znanym przykładem jest melamina, nagminnie używana przez nieuczciwych producentów do zawyżania zawartości białka w mleku lub paszach. Właśnie to było powodem niedawnego skandalu w Chinach gdzie wypuszczenie na rynek chrzczonego melaminą mleka w proszku spowodowało zatrucie tysięcy niemowląt.

Nietypowe minerały

Kilka przykładów minerałów, które zdecydowanie wyróżniają się spośród reszty.


Arkanit
Minerał zawiera w sumie dosyć pospolite pierwiastki, jest to bowiem po prostu krystaliczny siarczan potasu, jest jednak minerałem rzadkim - znajduje się go na terenach hydrotermalnych, na przykład w Lacjum we Włoszech, w pobliżu złóż guano ale też w jaskiniach. Po raz pierwszy opisany jako kryształy na drewnianych podkładach toru wagoników w nieczynnej kopalni, został znaleziony w zaledwie kilku jaskiniach na świecie.
Jego nazwa bierze się z łacińskiego Arcanum co oznacza tajemnicę i nawiązuje zapewne do nie zbyt chętnego pojawiania się na powierzchni. Nazwa ta spodobała się fantastom, i pojawia się w kilku grach komputerowych, jako magiczny, cenny materiał.
Graczy jednak zapewne nie ucieszy wiadomość, że w jaskiniach arkanit powstaje z odparowywania nietoperzego moczu.

Urycyt
Innym minerałem którego powstanie wiąże się z moczem zwierzęcym, jest urycyt, czyli po prostu krystaliczny mocznik. Występuje w jaskiniach suchego klimatu

Karpatyt
Minerał organiczny stanowiący naturalną formę koronenu - węglowodoru aromatycznego w formie pierścienia złożonego z pierścieni benzenowych.

Po raz pierwszy opisany na Ukrainie, znany też ze Słowacji, został nazwany od gór Karpat. Ma postać żółtych igieł i dość wyraźnie świeci w ultrafiolecie na jasno niebiesko.

Sam węglowodór budzi zainteresowanie chemików ze względu na skłonność do samoorganizacji w kolumny ustawionych na płask cząsteczek, jak stos talerzy, co może znaleźć zastosowanie w chemii supramolekularnej.


Minerały płonących hałd
Zapłon skały płonnej wewnątrz pokopalnianej hałdy wywołuje powstanie specyficznych warunków, przypominających tereny wulkaniczne, zaś w miejscach gdzie z wnętrza hałdy wydobywają się gorące gazy, może dochodzić do krystalizacji nietypowych minerałów.
Hałdy zawierające siarczki mogą w ten sposób wytworzyć siarkę rodzimą, te powęglowe także  minerały amoniaku, jak siarczan glinowo-amonowy czyli Czermigit, stanowiący naturalną formę ałunu amonowego. Bardzo nietypowym minerałem jest Kladnoit, znaleziony po raz pierwszy w czeskim Kladnie, stanowiący skrystalizowany ftalimid, ważny odczynik w chemii organicznej. Ma postać przezroczystych płatków:

Towarzyszy mu niekiedy Hoelit, czyli 9,10 antrachinon, związek stanowiący prekursor barwników alizarynowych:

Ponieważ łatwo zamienia się w formę fenolową może stanowić dobry reduktor. Jest też używany w przemysłowej produkcji wody utlenionej. Jako minerał przybiera postać żółtych igieł:

Podobny minerał tworzy acetamid, czyli amid kwasu octowego.


Abelsonit
Jedyny minerał porfiryny.

Porfiryny to ważna grupa związków zawierający obszerny pierścień z czterech cząsteczek pirolu, skierowanych atomami azotu do środka. Pierścień chętnie tworzy kompleksy z atomami metalu, co ma znaczenie dla właściwości związku - porfiryna kompleksująca żelazo to hem, stanowiący aktywnie przenoszącą tlen częścią hemoglobiny we krwi. Chloryna kompleksująca magnez to chlorofil, zielony barwnik roślin. A Abelsonit to krystaliczny kompleks z niklem:

Porfiryny są na tyle trwałe, że często pozostają nierozłożone w pozostałościach po rozpadzie materii roślinnej. Wykrywa się je w torfie, węglu a zwłaszcza w ropie i asfalcie. Częściowo shydrolizowany chlorofil może rozpuszczać się w wodzie i w zetknięciu z solami niklu tworzyć ten specyficzny minerał. Ma postać czerwonych lub pomarańczowych igieł.

Mellit
Mellit nazywany jest też miodowym kamieniem. Ma postać charakterystycznych kryształków powstających w pobliżu złóż węgla brunatnego. Nietypowy jest jego skład - to sól glinowa kwasu melitowego, będącego pochodną benzenu z kwasową grupą karboksylową przy każdym węglu:

Diomignit
Jedyny dotychczas uznany płynny minerał. Ma postać mikroskopijnych płynnych inkluzji wewnątrz kryształów spodumenu i berylu, chemicznie rzecz biorąc to tetraboran litu.

Otrzymywanie kamienia filozoficznego

Kamień filozoficzny stanowi bardzo użyteczny katalizator w wielu typach przemian chemicznych, a ponieważ był mi potrzebny do otrzymywania założonych ligandów, musiałem go zsyntezować. Nie było łatwo.

Podstawowym surowcem jest cintamanian nonbornylu, mający postać przezroczystego proszku. Zbiegiem okoliczności wykazuje taka samą wartość załamania światła co powietrze, w związku z czym jest trudny do zauważenia. Aby upewnić się czy na pewno nabrałem go na łopatkę, musiałem obserwować go w ultrafiolecie. Jego użycie pozwala pominąć niektóre kłopotliwe etapy, w rodzaju wygrzewania w gnoju, co przyspiesza samą reakcję.

A zatem, wziąłem wyjściowy substrat i starłem na drobno w agatowym moździerzu, niestety dość łatwo sublimował, więc należało robić to pod przykryciem:

I rozpuściłem  w odrobinie aqua vitae (otrzymywanej, co ciekawe, z destylacji skiełkowanej pszenicy). Ponieważ jest to bardzo lotny rozpuszczalnik, wszystkie naczynia musiałem chłodzić suchym lodem. Do mieszaniny dodałem kilka kawałków ekstraktu niebieskiego, otrzymywanego przez nasycenie eteru światłem dziennego nieba. Ekstrakt przechowuje się pod warstwą oleum fantasmagoricum ma bowiem skłonność do ciemnienia w zetknięciu z pospolitą materią:

Klasyczne metody obejmowały teraz etapy długotrwałego wygrzewania połączonego z naświetlaniem światłem słonecznym, jak się jednak okazuje procedurę daje się uprościć przy pomocy reaktora mikrofalowego. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technik etap ten skraca się z siedmiu dniu do zaledwie jedenastu godzin:

Mieszanina poreakcyjna stanowiła ciemny płyn o kolorze przypominającym przypalony lukier:

Należało go teraz odparować, otrzymując czarny proszek.

W kolejnym etapie roztarłem otrzymany proszek ze świeżą krwią bydlęcą i siarką, poddając działaniu tęczowego światła pryzmatu. Tylko w takich warunkach możliwe jest otrzymanie homogennej masy, co ma znaczenie w dalszym etapie.
Właściwa synteza odbywała się w kryształowym flakonie zanurzonym w płuczce dźwiękowej, nastawionej na ciągłą emisję tybetańskiej mantry Om mani padre humm! Ze względu na oddziaływania kwantowe musiałem tego dokonać z zamkniętymi oczami aby nie dokonać obserwacji. Z tego też powodu nie zrobiłem zdjęć.

Po ośmiu dniach rozdzielałem mieszaninę na kolumnie wypełnionej manną z nieba. W średniowieczu eluentem był mocz dziewicy, lecz obecnie stosuje się roztwory syntetycznego  mocznika*. Oddzielenie białego produktu od czarnych pozostałości przebiegało w takich warunkach bardzo łatwo:

Produkt po ochłodzeniu zastygł w formie mlecznej kaszy, o wyraźnym kwiatowym zapachu:

Najbardziej kosztowny był ostatni etap, a przy tym dosyć kłopotliwy - ze wstawieniem reakcji musiałem poczekać do pełni księżyca.

W środku nocy, po rytualnej modlitwie, wziąłem jajko filozoficzne i napełniłem mieszaniną białego proszku, rtęci, jemioły, popiołu kostnego, proszku diamentowego, białego fosforu, jodku miedzi II, wodorku tlenu, wolframianu tungstenu, meteorytu Tunguskiego (podobno Czelabiński też się nadaje), pióra anioła stróża, śliny muchy, łzy pchły i kreciego potu. Po czym włożyłem do lustrzanego reaktora wypełnionego wcześniej mieszaniną księżycowego i słonecznego światła:

Reaktor poddawałem działaniu wirującego magnesu przez trzydzieści dni. Przez ten czas jajko zmieniło kolor na zielony. Dopiero po rozpuszczeniu jej w wodzie królewskiej pokazał się ciemnoczerwony osad.
Ostatnim etapem była rekrystalizacja z alkoholu. udało mi się uzyskać ładny, czerwony kryształ:

Jak podaje literatura[1], katalityczna ilość kamienia filozoficznego pozwala na przemianę wody w ody i arie operowe.
-------
* mocznika syntetyzowanego przez chemiczki-dziewice

[1] S.Sendovigus "Easly made a Magna Opus", Acta Tresmegista Chemiana, -8 (13.) 66-63