Chemiczny Nobel 2026 - Nieliniowe katalizy asymetryczne

 Tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla z chemii zostali Henri Kagan i Kenso Soai za "efekty nieliniowe i autokatalizę w syntezie asymetrycznej" 

Czy uważam nagrodę za trafną?

Jak najbardziej, choć tak na pierwszy rzut oka może to wyglądać na niszowy temat w obrębie szerszej dziedziny syntezy asymetrycznej. Która z kolei też nie jest jakiś szeroko znana, bo mało jest o tym na chemii  na poziomie szkolnym. Postaram się jednak dobrze wytłumaczyć, aby czytelnicy mogli sami ocenić.

Ogólnie rzecz biorąc to wygląda tak: wiele związków organicznych posiada miejsca asymetryczne - atomy węgla mające podłączone cztery różne grupy. Wtedy takie miejsce nie ma symetrii przestrzennej i możliwe są dwa różne ustawienia tych czterech grup, które wyglądają jak swoje odbicia lustrzane, takie konfiguracje przestrzenne są oznaczane według pewnego systemu jako izomery L i D (a według innych R i S lub jeszcze inaczej). Jeśli cząsteczka ma jedno takie miejsce, to możliwe stają się dwa izomery, różniące się między innymi oddziaływaniem ze światłem spolaryzowanym, skręcają jego polaryzację w prawo lub w lewo. Stąd mowa potem o związkach "lewoskrętnych" i "prawoskrętnych".

Formy L i D tego samego związku

 Gdy miejsc takich jest w cząsteczce więcej, sytuacja staje się skomplikowana a liczba możliwych izomerów szybko wzrasta. Takie cząsteczki oprócz konfiguracji na miejscach asymetrycznych różnią się też tym jak oddziałują z innymi cząsteczkami, które także są niesymetryczne. Na przykład z białkami żywego organizmu, które są złożone głównie z L-aminokwasów. Często więc konfiguracja przestrzenna asymetrycznych cząsteczek leków wpływa na ich działanie i na przykład odmiana lewoskrętna działa leczniczo a prawoskrętna nie ma takiego działania, czy wręcz szkodzi. 

Reakcje chemiczne prowadzące do wytworzenia cząsteczki z takim miejscem asymetrycznym dają natomiast często mieszaninę obu izomerów. Wynika to z tego, że docierające do siebie reagujące cząsteczki są symetryczne i mogą być obrócone pod różnymi kątami i jeden kąt daje wersję D a drugi L. Dlatego ważnym i dużym tematem w chemii są metody syntezy określonej odmiany takich związków, czyli tzw. synteza asymetryczna. Zazwyczaj osiąga się to dodając do reakcji trzeci związek, który również jest asymetryczny. Dodatek ma określoną symetrię i oddziałuje z reagującymi cząsteczkami tak, że podczas reakcji są obrócone wobec siebie w określony sposób i dają głównie jeden izomer.

No i tak. Ten trzeci związek może się zużywać w reakcji i wtedy trzeba go użyć tyle samo co tych składników na których nam zależy. Wtedy przy skalowaniu syntezy do dużych ilości robią się nam duże ilości wszystkiego - dużo substratów, z których związek odpowiadający za asymetryczny przebieg staje się odpadem. Bardziej ekonomiczne i poszukiwane są metody, w których cząsteczka wymuszająca konfigurację jest katalizatorem używanym w niewielkiej ilości. To może być dodatek w ilości 5% masy substratów, to może być nawet 1% a czasem jeszcze mniej.  

Jeśli jednak ten katalizator sam w sobie jest trudny do uzyskania i działa za sprawą dodatku soli rzadkiego metalu, to nawet w tej niewielkiej ilości może być drogim składnikiem zwiększającym koszty. Dlatego poszukiwane są różne opcje zmniejszenia kosztów. Kagan badał możliwość użycia jako katalizatora związków które nie są czystym jednym izomerem, tylko mieszanką z przewagą jednego z nich. Katalizatory mogą być otrzymywane z asymetrycznych związków naturalnych, ale reakcje prowadzące do końcowego katalizatora mogą odwracać konfigurację części cząsteczek. Aby otrzymać katalizator czysty, trzeba rozdzielić jego izomery.  Oczyszczanie izomerów to są koszty. Więc może poświęcić czystość katalizatora na rzecz obniżenia kosztów, a potem czyścić produkty reakcji?

W prostym opisie matematycznym traktujemy dwie wersje katalizatora niezależnie, uznajemy że dają one wkład w czystość produktu po równo taki sam zależnie od ich stężenia i to której wersji produktu reakcji będzie więcej, zależy od tego którego izomeru katalizatora było więcej. Jeśli użyjemy katalizatora racemicznego, czyli będącego mieszanką po równo takiej samej ilości obu izomerów, to otrzymamy racemiczny produkt. Jeśli użyjemy katalizatora o stosunku L do D 3:7 to taki powinien być stosunek izomerów w produkcie a jeśli 99:1 to także tak będzie wyglądał produkt. 

Kagan prowadził w latach 80 i 90 badania, w których wykazał, że możliwe są efekty nieliniowe.  Katalizator może mieć niewielki nadmiar jednej z odmian a produkt będzie miał duży nadmiar. Prowadząc reakcję przy pomocy katalizatora, w którym forma L stanowi 60% a forma D 40%, otrzymujemy produkt, w którym jego forma L stanowi 80%. Skoro tak, to katalizator nie musi być bardzo czysty. Kagan wykonał opis matematyczny podając różne możliwe mechanizmy takiego efektu. Na podstawie tej teorii przewidział efekty, które wykazano po wielu latach. Na przykład efekt hiperpozytywny potwierdzono doświadczalnie w 2020 roku. 

Na czym jednak polega efekt Kagana?

Podczas reakcji prowadzącej do powstania asymetrycznego produktu, dwie cząsteczki reagujące tworzą krótkotrwały kompleks z asymetrycznym katalizatorem. Zmienia on ustawienia cząsteczek, wpływając na pojawienie się jednej formy. Liniowe efekty równego wpływu lustrzanych izomerów katalizatora zakładały jednak, że w kompleksie bierze udział jego jedna cząsteczka. Wtedy powstawały osobno cząstki kompleksu KatalizatorL+reagenty i kompleksu KatalizatorD+reagenty. Ale tak nie zawsze jest. 

W pewnych reakcjach kompleks aktywny zawiera dwie, trzy i więcej cząsteczek katalizatora. Łączą się ze sobą w kompleksie losowo, lecz ze względu na własną symetrię, kompleksy takie mogą różnie działać zależnie od składu. W mieszance różnych izomerów katalizatora powstają głównie kompleksy mieszane, kompleksy zawierające dwie cząsteczki katalizatora o takiej samej konfiguracji powstają więc jedynie z cząsteczek nadmiaru jednej z form. Jeśli kompleks mieszany jest słabszym katalizatorem niż kompleks czysty, to ten niewielki nadmiar  jednej z form staje się decydujący, bo taka odmiana kompleksu aktywnego ma wyższą siłę działania. 

Popatrzmy na hipotetyczny przykład aby zobrazować zasadę. Prowadzimy syntezę związku asymetrycznego, używając katalizatora, w którym 60% to katalizator w formie D a 40% w formie L. Podczas reakcji powstaje złożony kompleks AB-2K, z dwiema cząsteczkami katalizatora działającymi na składniki A i B. W takiej sytuacji możliwe są trzy kombinacje: DD, LL i LD. Pierwsza daje produkt w konfiguracji L, druga D a trzecia po równo obie formy. Najwyższe prawdopodobieństwo powstania kompleksu dotyczy formy mieszanej LD zatem większość cząsteczek kompleksu będzie stanowić tą kombinację. Forma LL będzie stanowić niewielki odsetek, istniejąc właściwie ze względu na skończone prawdopodobieństwo takiego losowania. Forma DD będzie dużo częstsza - katalizatora D było w pierwotnej mieszance o połowę więcej niż katalizatora L, i te 20% mieszaniny nie ma z czym utworzyć kompleks mieszany, bo o tyle jest więcej tego składnika. 
W efekcie, bez zakładania innych przyczyn: przeważający kompleks mieszany LD da tyle samo produktu w formie L co w formie D; istniejący w niewielkiej ilości kompleks LL da produkt D, stanowiący 20% kompleks DD da produkt L. Sumarycznie zaobserwujemy nadmiar produktu L. Jeśli wszystkie te kompleksy miałyby taką samą siłę katalityczną, nadmiar jednej formy produktu nadal byłby pewną zależnością liniową od wielkości nadmiaru jednej formy katalizatora, jedynie wpływ tego nadmiaru mógłby być bardziej wyraźny. 
Kagan przewidział jednak sytuacje, gdy aktywność katalityczna kompleksu mieszanego jest wyraźnie inna od aktywności kompleksów zawierających dwie cząsteczki tej samej formy. Jeśli kompleks mieszany jest dużo słabszym katalizatorem, na przykład ze względu na wytrącanie lub blokowanie reakcji przez cząsteczki o odwrotnych konfiguracjach, większość efektu katalitycznego biorą na siebie kompleksy czyste. I wtedy te niewielkie nadmiary ilości form katalizatora okazują się mieć gigantyczne znaczenie. Jeśli kompleks LD katalizuje reakcję 10 razy słabiej niż kompleksy czyste, a kompleksu LL jest w reakcji 1% a kompleksu DD 20%, to po zakończeniu reakcji przy całkowitym przereagowaniu większość produktu ma formę L. Niewielki nadmiar jednej formy katalizatora daje bardzo duży nadmiar jednej formy produktu. Jest to tak zwany dodatni efekt nieliniowy.

Jeśli kompleks mieszany jest wyraźnie bardziej aktywny niż kompleksy czyste, sytuacja się odwraca - niewielki nadmiar jednej formy ginie początkowo w tłoku a produkt to niemal czysty racemat. Wzrost ilości jednej formy katalizatora zmniejsza ilość bardziej aktywnej formy mieszanej i stopniowo zwiększa nadmiar jednej formy produktu. Wpływ czystości katalizatora na czystość produktu staje się wyraźny dopiero przy dużej przewadze jednego izomeru. To efekt nieliniowy ujemny.

Wspomniany efekt hiperpozytywny to paradoksalna sytuacja, gdy reakcja prowadzona z użyciem mieszanego katalizatora, zawierające dwa izomery z niewielką przewagą jednej z form, daje produkt o wyższym odsetku jednego izomeru, niż gdy reakcja jest prowadzona z użyciem katalizatora czystego. W eksperymentalnym potwierdzeniu tego efektu, wyjaśniono go w ten sposób, że w roztworze czystego katalizatora kompleks aktywny z jedną cząsteczka (L lub D) katalizatora daje jako produkt jeden izomer, zaś kompleks z dwiema (LL lub DD) daje produkt o przeciwnej konfiguracji. Ilość dimerycznej formy zależy od stężenia katalizatora ale też od jego czystości. W całkowicie czystym katalizatorze w odpowiednio wysokim stężeniu, kompleksu dimerycznego powstaje tyle, że produkt reakcji zbliża się do maceratu. Pogorszenie czystości katalizatora przez dodatek drugiej formy zmienia sytuację. Kompleks aktywny zawierający dwie cząsteczki katalizatora o przeciwnych konfiguracjach (LD) jest słabo rozpuszczalny, wytrąca się i nie bierze udziału w reakcji. Zmniejsza to stężenie czystej formy, której jest nadmiar, a to zmniejsza stężenie kompleksu dimerycznego czystego (DD lub LL). A to z kolei daje bardziej czysty produkt reakcji. 

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8163304/

Autokataliza asymetryczna

Z kolei Soai badał reakcje auto-katalityczne które są asymetryczne. W takiej reakcji katalizator przyspieszający i wywołujący określoną skrętność produktu jest tym właśnie produktem. Reakcja ma tendencję do samorzutnego przyspieszania i poprawy czystości produktów w miarę upływu czasu. Możemy startować z reakcją gdzie do katalizatora dodano mieszaninę produktów L i D, gdzie tego D jest więcej tylko o 5% Z takiej mieszanki powstaje początkowo o 5% więcej produktu D, stopniowo jego ilość wzrasta, wzrasta jego udział w katalizatorze i wzrasta szybkość tworzenia nowych form. Jeśli w kompleksie aktywnym biorą udział dwie i więcej cząsteczki katalizatora, to zachodzą opisane wyżej efekty opisane przez Kagana. Jeśli oba efekty zachodzą w tę samą stronę i wzmacniają skutki nadmiaru jednej z form katalizatora, efekty mogą wyglądać niesamowicie. Zaczynamy reakcję dodając do niej kilka procent mieszaniny produktów, w którym formy D jest tylko 5% więcej niż formy L. Kończymy reakcję mając produkt, w którym formy D jest np. 80%  

Możemy też równie dobrze rozpocząć reakcję dodając do reakcji niewielką ilość katalizatora wymuszającego powstanie jednej formy; ta sama zacznie działać katalitycznie i napędzać powstawanie tylko tej formy. Wtedy ilość katalizatora dodawanego na początku może być naprawdę bardzo mała. Obserwowano też indukcję konfiguracji wskutek samej obecności w roztworze innego związku asymetrycznego.

Zagadka homochiralności życia

Obydwa te efekty są łączone z zagadką asymetrii cząsteczek budujących organizmy żywe na ziemi. Jeśli mamy białko, to jest zbudowane z L-aminokwasów, jeśli cukry to glukoza jest prawie zawsze D-glukozą itd. W DNA i RNA składnikiem są chiralne sacharydy i w każdym żywym organizmie mają tylko jeden izomer. Jeśli życie samorzutnie się zlepiło z pierwotnego oceanu, to reakcje tworzące cząsteczki składowe musiały dawać produkty racemiczne. Nie ma więc powodu, aby jedna konfiguracja wygrywała. Życie powinno opierać się na racematach, lub powinny powstać dwie linie organizmów bazujące na lustrzanych wersjach białek, DNA i tak dalej. Pojawia się więc pytanie czy jakiś proces mógł spowodować, że jedna konfiguracja zaczęła przeważać i związków o danej skrętności mogło powstawać na pierwotnej Ziemi dużo więcej?

 Odkrycia tegorocznych noblistów dają podpowiedź - jakiś proces w kosmosie zaburzył w niewielkim stopniu stosunek izomerow L i D związków organicznych na Ziemi. Nieliniowe procesy katalizy i autokatalizy w reakcjach wytwarzania kolejnych związków organicznych spowodowały powstanie dużego nadmiaru jednej z form. Powstające życie bazowało na tej chemii i dostosowało się do sytuacji, gdy aminokwasy mają konfigurację L a cukry D itd.  Początkowy nadmiar jednej z form mógł być naprawdę drobny i pozornie nieistotny, ale silny dodatki efekt nieliniowy i autokataliza wywindowały ten nadmiar aż do niemal zupełnego dominowania.

Powstały w ten sposób duży nadmiar określonej konfiguracji mógł tak w ogóle przyczynić się do powstania życia. Jeśli jak przypuszczamy życie startowało jako powstałe z losowych kombinacji cząsteczki o zdolności katalizowania reakcji powstawania samych siebie, które mogły być enzymami białkowymi lub enzymami zbudowanymi z RNA, to składanie długiego polimeru z cząsteczek jednego rodzaju dawało bardziej przewidywalny skutek. Przy nie kontrolowanej syntezie białka złożonego z kilkunastu czy kilkudziesięciu aminokwasów, liczba przypadkowych kombinacji dla kolejnych cząsteczek budujących "1L2D3D4L..." Itd. jest ogromna. Nawet gdyby powtarzała się sekwencja aminokwasów to najprawdopodobniej układ konfiguracji dla dwóch różnych cząsteczek byłby zupełnie inny i prowadziłby do enzymu o innej aktywności, czasem jej braku. Startowanie ze środowiska o dużej przewadze aminokwasów L dawało bardziej powtarzalne kombinacje. 

I tak startując z niszowej tematyki badania różnych katalizatorów przy produkcji leków, dotarliśmy do być może rozwiązania jednej z największych zagadek wokół powstania życia.  I dlatego to był bardzo dobry pomysł, aby nagrodzić właśnie ten temat. 

Chemiczne wieści (34)

 Kolejna porcja doniesień chemicznych, które uznałem za ciekawe

Czterotlenki Russela wykryte

   Utlenianie związków organicznych to nie takie hop-siup jak w szkolnych zapisach reakcji, że metan zderza się z cząsteczką tlenu i od razu po strzałce mamy dwutlenek węgla i wodę. Można się tego domyślić już po stechiometrii - z jednej cząsteczki metanu CH4 powstaje jedna cząsteczka dwutlenku węgla CO2 i dwie cząsteczki wody H2O, metan musiał więc doznać reakcji z dwiema cząsteczkami. Te jednak nie reagują na raz obydwoma atomami, więc można rozpatrywać reakcje pękania cząsteczek tlenu i odrywania po kolei po jednym atomie wodoru. Jednak nawet te reakcje pomiędzy pojedynczymi atomami wymagają wymiany elektronów, która najczęściej zachodzi pojedynczo.
   Z prostej sytuacji metanu utleniającego się wewnątrz płomienia, lub też podczas powolnych reakcji w atmosferze bez płomienia, powstaje nam szereg różnych cząsteczek czy jonów, które sumują się wprawdzie do końcowych, ale niekoniecznie po prostej ścieżce. Te alternatywne przebiegi prowadzą niekiedy do produktów nietypowych, wywołując pewne odmiany smogu i różne formy stałych cząstek zanieczyszczających powietrze - stąd potrzeba zbadania co takiego tam zachodzi. 

   W każdej z tych reakcji powstają początkowo wolne rodniki, to jest cząsteczki mające jeden elektron "nie do pary". Zazwyczaj cząsteczki w taki sposób łączą się ze sobą, że wszystkie elektrony są sparowane; ze względu na efekty związane ze spinem, takie układy są trwalsze. Gdy jednak nastąpią reakcje jednoelektronowego utleniania, redukcji czy pęknięcia wiązania na pół, mogą powstać rodniki z jednym elektronem bez drugiego. Taki rodnik jest bardziej reaktywny i ma skłonność tworzyć połączenia z czymkolwiek się da.

 

  Także rodniki, powstające w utlenianiu cząsteczek organicznych, ulegają dalszym przemianom. Najczęściej jest to reakcja z jakąś obojętną cząsteczką, ale często też jest to rekombinacja, w ramach której dwa rodniki łączą się i wzajemnie "wygaszają" przez sparowanie nadmiarowych elektronów. Gdy połączą się dwa rodniki metylowe CH3* powstaje etan CH3-CH3, gdy połączą się dwa rodniki metoksylowe CH3O* powstaje nadtlenek dimetylowy H3COOCH3. Możliwe są egzotyczne reakcje, w wyniku których niedostatecznie natleniony płomień metanu wydziela benzen i wielopierścieniowe związki aromatyczne. Ponieważ z innych badań wynikało, że w tej całej mieszaninie powstają rodniki ponadtlenkowe ROO* to dość oczywistym wnioskiem było uznanie, że wobec tego powinny rekombinować do egzotycznej cząsteczki z łańcuchem czterech tlenów ROOOOR. Taką hipotezę przedstawił G.K. Russel w 1957 zestawiając układ hipotetycznych równań reakcji cząstkowych, w których czterotlenki organiczne stanowiły ważne ogniwo.

  Powstawanie takiej cząsteczki jest jednym z kluczowych etapów wpływających na dalsze przemiany. Ten długi tlenek jest nietrwały i po pewnym czasie rozpada się, najczęściej tracąc obojętną cząsteczkę tlenu. Możliwe inne produkty to rodniki alkoksylowe, cząsteczka alkoholu i aldehydu, oraz cząsteczka nadtlenku organicznego. Obok bezpośredniej rekombinacji rodników RO*  była to w symulacjach   druga główna droga produkująca takie nadtlenki. Ich powstawanie ma wpływ na szybkość dalszych reakcji. 

  Jednak pewne procesy ładnie wyglądają na papierze, ale ciężej jest je udowodnić. Przez kolejne lata szybkie metody badające procesy utleniania wykrywały produkty dalszych przemian, których stężenia, skład izotopowy i kinetyka pasowały do hipotezy z czterotlenkami, jednak wyjściowa cząsteczka pozostawała nieuchwytna. 

  W nowym badaniu współpracowników ze Szwecji i USA zastosowano metodę spektrometrii mas z przeniesieniem protonów. To wszechstronna metoda badawcza, w której badane związki najpierw są przeprowadzane w próżni w opary złożone z pojedynczych cząsteczek, następnie te cząsteczki są jonizowane i przepuszczane przez układ, który bądź polem magnetycznym bądź elektrycznym odsiew z par cząsteczki o określonej masie. Ustawienia układu filtrującego zmieniają się w całym spektrum mas a detektor rejestruje czy i jak dużo zostało wykryte cząsteczek o określonej masie. 

  W układnie przepływowym wytworzony został rodnik metyloperoksydowy, który następnie odparowano i wprowadzono do układu spektrometrii mas. Sposób zastosowanej jonizacji powodował powstawanie adduktów z jonem hydroniowym, dzięki czemu podczas nie następował rozpad badanych cząsteczek. Analiza spektrum mas pokazała charakterystyczne piki odpowiadające różnym możliwym jonom molekularnym. Wśród nich występowały takie o stosunku masy do ładunku 131 i 113, odpowiadające składom C2H6O4(H2O)2H+ i C2H6O4(H2O)H+. Ze względu na łagodne warunki jonizacji wykluczono możliwość, że skład ten wywołuje para jonowa, w ramach której ujemnie i dodatnie naładowane fragmenty nadtlenkowe stykają się ze sobą dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym. Brak tych sygnałów, gdy nie były wytwarzane rodniki wykluczał możliwość, że są to dimery jonowe prekursorów. Także użycie związków z izotopem węgla C13 i z deuterem potwierdzały, że obserwowane masy tłumaczy produkt rekombinacji rodników a nie cząstki o innym składzie. 

Z warunków prowadzenia analizy wynika, że czterotlenki są w stanie powstać w temperaturze pokojowej i w zakresie ciśnienia występującego w atmosferze.

* Observing elusive tetroxides in gas-phase radical reactions supports the Russell mechanism  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb6495 https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb6495

Karben stabilny w wodzie i tajemnice witaminy

   Witamina B1, czyli tiamina, była pierwszym odkrytym niestrukturalnym związkiem niezbędnym dla organizmu, którego brak wywoływał choroby. Niedobór tiaminy powodował chorobę beri-beri, a niezbędność substancji dla życia, wraz z faktem, że chemicznie jest to związek aminowy, spowodowały że ten typ substancji zaczęto nazywać witaminami. 

   Przewlekły niedobór witaminy B1 wywołuje postępujące drętwienie kończyn, zaburzenia pracy serca, obrzęki, kwasicę mleczanową, zaburzenia czucia, słyszenia i widzenia, problemy z pamięcią i koncentracją. Choroba wywołana ubogą, monotonną dietą, składającą się głównie z pozbawionego otrąb białego ryżu, została nazwana Beri-Beri od bengalskiego określenia "nie mogę". W Europie częściej obserwuje się ostre niedobory wywołane przewlekłymi wymiotami, niewłaściwie prowadzoną dializą, ale też niestety w większości przypadków przez alkoholizm. Do niedoborów może się przyczynić jedzenie surowego mięsa ryb, świeżego skrzypu lub paproci. Szybki spadek stężenia tiaminy wywołuje zaburzenia neurologiczne, tak zwaną encefalopatię Wernickiego, której częstym skutkiem jest Objaw Korsakowa, w wyniku którego chory traci zdolność do zapamiętywania wydarzeń i pamięta co mu się działo na najwyżej kilka minut wstecz. Ze względu na brak zdolności uświadomienia sobie swojego stanu, chory nie wie ile minęło czasu od ataku choroby oraz wypełnia sobie luki pamięci zmyślonymi historyjkami. Szybkie podanie wlewów z witaminy może w pewnym stopniu cofnąć zarówno encefalopatię jak i problemy z pamięcią, ale zwykle nie do końca. Powtarzające się ciągi alkoholowe z epizodami encefalopatii prowadzą ostatecznie do degradacji tkanki nerwowej. Nie jest to to samo co delirka po odstawieniu alkoholu, choć często wszystkie te trzy rzeczy występują razem.

   Skoro więc skutki niedoboru są tak drastyczne, to co takiego witamina robi w organizmie? Przede wszystkim łączy się z enzymami metabolicznymi i wspomaga ich pracę. Katalizuje metabolizm kwasu pirogronowego, co stanowi ważny etap procesów wytwarzania energii w komórkach, a także metabolizm aminokwasów rozgałęzionych. Reakcje w których uczestniczy wiążą się z przeniesieniem grup acylowych na koenzym-A i dekarboksylacją. 

   Stwierdzono, że także poza organizmem tiamina katalizuje wiele reakcji między związkami karbonylowymi, takie jak koncensacja acyloinowa. Z analizy produktów wynikało, że tiamina musi tworzyć pośrednie addukty z węglem karbonylowym pod wpływem słabych zasad, co kontrastowało z niekatalizowanymi wersjami wykorzystującymi takie agresywne środki jak metaliczny sód. Powstawało pytanie jaki jest mechanizm tych reakcji i czemu witamina B1 tak silnie aktywowała cząsteczki.  W 1958 Ronald Breslow z Columbia University zaproponował, że reaktywność związku można wyjaśnić zakładając, że etapem pośrednim reakcji jest karben powstający w wyniku usunięcia protonu z węgla pomiędzy azotem i siarką. Wniosek wynikał z zachodzenia podstawienia atomu wodoru deuterem, gdy tiamina była poddana warunkom alkalicznym w ciężkiej wodzie. Samo zachodzenie takiej zmiany i szybkość tego procesu wskazywały na reaktywny etap pośredni.

https://en.wikipedia.org/wiki/Persistent_carbene

   Kiedyś już miałem długi wpis tłumaczący temat "Czy Kaczor Donald odkrył karbeny?" więc teraz wyjaśnię krótko: większość związków organicznych opiera się o węgiel na czwartym stopniu utlenienia, który tworzy cztery wiązania pojedyncze. Czasem tworzy wiązania podwójne i potrójne, ale krotność wiązań sumuje się do 4. Jest to dla niego najtrwalszy stopień utlenienia. Karbeny to związki zawierające atom węgla na stopniu utlenienia 2, który tworzy dwa wiązania, zaś nie wykorzystane elektrony są obecne obok jako niewiążąca para elektronowa.

   Struktura ta jest nietrwała i cząsteczki takie są bardzo reaktywne, łatwo reagują z czymkolwiek innym byle powrócić do stanu z czterema wiązaniami. Większość cząsteczek karbenowych to krótkotrwałe produkty pośrednie, których istnienie można wywnioskować z przebiegu reakcji, nie da się ich wyizolować bo albo z czymś przereagują, albo kondensują same ze sobą. Pomysł Breslowa tłumaczył dobrze produkty powstające z mieszanin witaminy z innymi związkami w warunkach alkalicznych; jednak właśnie ta wysoka reaktywność budziła wątpliwości, czy w warunkach żywego organizmu witamina pozostaje w tej formie wystarczająco długo aby coś faktycznie zrobić. 

  Jednak w latach 60. zaczęto odkrywać karbeny o podwyższonej stabilności, będące pochodnymi imidazolidyny - związku z pięciokątnym pierścieniem, w którym dwa atomy azotu są oddzielone jednym węglem. Atomy wodoru połączone z tym węglem stają się bardzo kwaśne, a reaktywność cząsteczki sugerowała powstawanie karbenów. W dalszych badaniach próbowano podstawić azoty grupami organicznymi różnej wielkości aby hamować reakcje uboczne. Tym sposobem stworzono najpierw karben na tyle długo stabilny w rozpuszczalnikach, że można go było potwierdzić spektroskopowo, potem związek na tyle wolno reagujący sam ze sobą, że dawał się wyizolować do gęstej cieczy, w końcu pojawił się związek, który można było wykrystalizować, i który można było odważać na powietrzu. 

   Odkrycie ogłoszone w tym roku (link) stanowi kolejny etap rozwoju tej linii. Na podstawie widocznego powyżej związku z dużymi grupami amandanylowymi przygotowano związek, w którym atomy azotu podstawione są bardzo dużymi grupami karboranowymi, stanowiącymi klatkowe klastry złożone z jednego atomu węgla i dziewięciu atomów boru. Po całkowitym podstawieniu wszystkich protonów chlorem powstał związek, który w warunkach zasadowych staje się karbenem, który po rozpuszczeniu w wodzie nie reaguje z nią i pozostaje stabilny w roztworze. (nr.7 na ilustracji) I jest to rzeczywiście duże, ciekawe osiągnięcie.

   Media już gdzieniegdzie podchwyciły tezę z abstraktu pracy, że oto dokonano przełomu w sprawie działania witaminy B1, ale dla mnie przełomem jest tylko to, że odkryty karben jest stabilny niemal w nieskończoność w roztworze wodnym, dzięki temu być może pojawi się nowy wygodny odczynnik do reakcji deoksygenacji, co pociągnie za sobą poprawę pewnych syntez. Przy czym związek ten nie ma struktury podobnej do tiaminy, brak w nim siarki. I nie wiem skąd teza, że dopiero teraz wykrycie związku stabilnego w wodzie potwierdza hipotezę Breslowa. Nikt nie twierdził, że karbenowa forma tiaminy jest w organizmie przechowywana w takiej postaci, a tylko, że powstaje jako forma pośrednia, zdolna przetrwać choćby kilkadziesiąt femtosekund w niesprzyjającym środowisku aby zaszła reakcja, którą katalizuje. I akurat wykazanie, że taka forma tiaminy jest w stanie powstać nie jest zupełnie nowe. 

Dwa lata temu opisano kompleks złota z karbenową formą tiaminy, który katalizowal pewną reakcję multikomponentową w wodzie. Skompleksowanie ciężkim metalem to jedna z metod utrwalenia struktur karbenów.

https://pubs.rsc.org/gc/article-abstract/25/5/1920/770336/Thiamine-carbene-liganded-gold-i-chloride?redirectedFrom=fulltext 

Wcześniej był znany karben, którego hydroliza w wodzie następuje stosunkowo powoli, pozwalając na wykrycie i przeprowadzenie reakcji.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022328X00007658?via%3Dihub

Więc śmiałe twierdzenia autorów publikacji - podchwycone przez media - że oto po latach w końcu potwierdzono starą teorię, są przesadą. Dokonano bardzo ciekawego odkrycia trwałego w wodzie karbenu, jednak dużo wcześniej już udowodniono, że zarówno tiamina może tworzyć formy karbenowe, jak i to, że niektóre takie związki nie reagują z wodą natychmiast. Czyli wszystkie elementy układanki już zostały dawno odkryte, a nowa publikacja niczego od siebie nie dodaje w tej kwestii.  

* Confirmation of Breslow’s hypothesis: A carbene stable in liquid water

  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9681 https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9681

Zakaz bisfenolu A

Na mocy rozporządzenia Komisji Europejskiej 2024/3190, od 20 lipca w EU nie będą dozwolone opakowania żywności zawierające bisfenol A. Składnik żywic, poliwęglanów oraz plastyfikator w innych tworzywach, jest podejrzewany o negatywny wpływ na płodnośc i hormony. 

Koncern chemiczny BASF w reakcji na to prawo wprowadził do oferty odmianę swoich tworzyw sztucznych nie zawierającą bisfenoli. Na razie chwalą się tym w przypadku politereftalanu butylu. 

Kto właściwie odkrył radon?

 Ciekawostka jaką nie tak dawno znalazłem. Maria Curie-Skłodowska i Piotr Curie mogli zostać uznani za odkrywców jeszcze trzeciego pierwiastka, gdyby mieli chwilkę czasu na zbadanie jednej obserwacji. 

Jeszcze w trakcie owocnego 1899 roku, niedługo po zgłoszeniu odkrycia nowych pierwiastków  zauważyli, że próbki związków radu powodują, że powietrze z którym się stykają staje się radioaktywne i utrzymuje tą właściwość jeszcze przez miesiąc. Aktywność przenosiła się przez powietrze na wodę i materiały stałe. Jak opisywał Piotr Curie "Różne przedmioty używane w laboratorium chemicznym szybko stają się radioaktywne i oddziałują na klisze fotograficzne przez czarny papier. Kurz, powietrze w pomieszczeniu i ubrania są radioaktywne. W sali do fizyki powietrze staje się przewodzące (...)W laboratorium, w którym pracujemy problem osiągnął ostry etap i nie możemy już mieć odpowiednio izolowanego aparatu” Nie mieli konkretnego pomysłu na tę obserwację poza uznaniem, że najwyraźniej promieniowanie nadaje właściwość promieniotwórczości naświetlonej materii. [1]

W tym samym roku podobnej obserwacji dokonał Rutherford, któremu coś się nie zgadzało w pomiarach aktywności tlenku toru. Przy jednych pomiarach aktywność była stała przy innych stopniowo rosła i nagle malała po otwarciu fiolki. Jego wnioskiem było uznanie, że następuje wydzielenie radioaktywnego gazu, być może jest to nowy pierwiastek.[2] Został nazwany Emanacją, a później Thoronem od nazwy pierwiastka z którego go wytworzono. 

Szybko obserwacje dotyczące radioaktywnego gazu z próbek radu wykonał Friedrich Erns Dorn, który nazwał ten gaz Radonem, bo wydzielał się z radu. Po nim Debierne wykrył gaz emitowany przez aktyn, i zgodnie z poprzednikami nazwał go aktonem. Początkowo te trzy Emanacje były uważane że różne pierwiastki, ale w końcu Ramsay oczyścił próbki na tyle aby zbadać masę atomową i widmo wzbudzenia i wykazał, że to nowy pierwiastek powstający we wszystkich tych trzech przypadkach.  Zaproponował zatem aby porzucić nazwy nawiązujące do pierwiastków emitującym i nazwał ten wspólny pierwiastek Niton, od łacińskiego sowa oznaczającego świecenie. 

Lata później problemem stało się określenie jaką nazwę uznać i komu dać palmę pierwszeństwa. W latach 20 IUPAC przyjęła zasadę, że pierwiastek otrzymuje nazwę zaproponowaną dla izotopu o najdłuższym czasie półtrwania. Najdłuższy okres półtrwania ma izotop wydzielający się z Radu, Rn-222, który nazwano Radonem. Izotop wydzielany przez Tor, Rn-220  i  izotop wydzielany przez aktyn, Rn-219, mają krótszy czas półrozpadu. Międzynarodowa Unia Chemii uznała za nazwę pierwiastka tę dla radonu z radu opisanego przez Dorna, ale za odkrywcę Rutherforda, bo on pierwszy zaproponował, że obserwacje napromieniowanego powietrza muszą być wynikiem wydzielania lotnego nowego pierwiastka. Co ciekawe, zarówno on jak i Dorn uznawali pierwszeństwo małżeństwa Curie, którzy jako pierwsi opisali, że coś dziwnego dzieje się z powietrzem nad próbką radu, ci jednak nie wysunęli ani hipotezy, że odpowiada za to gaz ani że to nowy pierwiastek. 

Potencjalnie więc, gdyby wyjaśnili swoje obserwacje w inny sposób, zostaliby uznani za odkrywców trzeciego pierwiastka radioaktywnego. 

Ostatecznie ich obserwacje nadania radioaktywności materiałom stykającym się z radem wyjaśniono powstawaniem lotnego radonu, skażeniem przez pył czy problemami z badaniem aktywności w nieskażonym laboratorium. Jednak możliwość ta była nadal badana i ostatecznie ich córka Irene Juliot-Curie otrzymała wraz z mężem Nagrodę Nobla w 1935 roku za wykazanie, że napromieniowanie zwykłej materii promieniowaniem korpuskularnym zamienia znane nieaktywne pierwiastki bądź w radioaktywne nowe izotopy, bądź w radioaktywne nowe pierwiastki. 

---------

[1] https://fr.wikisource.org/wiki/Revue_scientifique_-_La_Radio-activit%C3%A9_de_la_mati%C3%A8re_-_Les_rayons_de_Becquerel 

[2] https://www.chemteam.info/Chem-History/Rutherford-half-life.html

Konferencja w Białymstoku

 

 W tym tygodniu odwiedziłem Białystok w ramach konferencji zorganizowanej przez wydział chemii UwB. Prezentowałem tam wyniki badań związanych z wykorzystaniem rozpuszczalników głęboko eutektycznych (DES) do ekstrakcji polifenoli i alkaloidów z surowców roślinnych. Konferencja mi się podobała, a za sprawą długiego dnia było trochę czasu żeby jeszcze zobaczyć miasto.