informacje



piątek, 22 czerwca 2018

Ostatnio w laboratorium (60.)

Kiedyś już pisałem o jednej z podstawowych technik oczyszczania mieszanin poreakcyjnych - preparatywnej chromatografii kolumnowej, przy pomocy własnoręcznie napełnianej żelem krzemionkowym szklanej kolumny. Teraz natomiast w firmie mam okazję częściej popracować na sprzęcie, z jakim jako prosty magistrant nie miałem bezpośrednio kontaktu - z automatem do szybkiej ("flashowej") chromatografii kolumnowej.

Jest to coś pośredniego między klasyczną chromatografią na szklanych kolumnach a wysokosprawną HPLC, służy do rozdziałów mieszanin na skalę preparatywną. Używa się do niej najczęściej gotowych kolumn, nabitych dobrze upakowanym, suchym żelem krzemionkowym. Po nałożeniu mieszaniny na początek kolumny, najlepiej przez nastrzyk roztworu, podłącza się ją do automatu, który pod umiarkowanym ciśnieniem przepuszcza przez nią eluent o zaprogramowanym składzie. Możliwe jest ustalenie programu elucji, z określonymi gradientami zmian składu roztworu w czasie procesu, ewentualnie też zmianami szybkości przepływu.
Aparat wykrywa detektorem UV-VIS pojawienie się frakcji w odcieku i po przekroczeniu zadanego progu zbiera frakcje do próbówek zgodnie z określoną kolejnością.
Oczywiście dalszą robotą nad ustaleniem, która frakcja jest substancją nam potrzebną musi się już zająć laborant, ale sam proces nie wymaga ciągłego nadzoru.

Dostępne są kolumny różnych wielkości, dobierane odpowiednio do ilości rozdzielanych mieszanin, największa na jakiej na razie robiłem miała objętość 300 ml i posłużyła do rozdziału porcji 7 g, ale widziałem w katalogu nawet kolumny ponadlitrowe.


Ot, taka ciekawostka z labu.

piątek, 1 czerwca 2018

Ostatnio w laboratorium (59.)

Gdy zakończyłeś przeprowadzać reakcję w dużej skali i rankiem następnego dnia od razu wiesz, że produktu będzie dużo:

Seria z obrazkami z labu wraca, bo znów zacząłem pracować w dziedzinie. Po kilku miesiącach przestoju po rezygnacji z doktoratu na UW dostałem się do firmy Selvita S.A. a konkretnie do niedawno otworzonego oddziału w Poznaniu. Firma zajmuje się głównie syntezami farmaceutyków na zamówienie oraz wstępnymi badaniami (in silica/in vitro), inną gałęzią jest szukanie kandydatów na leki na własny rachunek, dwie perspektywiczne substancje trafiły już do testów klinicznych.
Moje stanowisko polega na syntezach organicznych na skalę nieco większą niż to miałem do czynienia na uczelniach.
Oddział w Poznaniu jest jeszcze mały, nowi pracownicy są nadal poszukiwani, na razie panuje tam raczej towarzyska atmosfera (o oddziale w Krakowie czytałem raczej odmienne opinie). Siedziba laboratoriów mieści się na terenie kampusu Morasko UM, zaraz obok wydziału chemii, więc jeśli czytają mnie studenci stamtąd, to pozdrawiam.

Zdjęcie przedstawia wygląd mieszadła w reaktorze po przeprowadzeniu sprzęgania Suzuki. Jest to reakcja tworzenia wiązania węgiel-węgiel pozwalająca skleić nową cząsteczkę z różnych kawałków. Jednym z substratów są związki boroorganiczne a drugim halogenki, reakcję katalizuje pallad oraz słabe zasady. W moim przypadku łączone części były dość rozbudowanymi związkami aromatycznymi, wytwarzane było bezpośrednie wiązanie między pierścieniami, reakcja zaszła niemal ilościowo a produkt można było wydzielić przez krystalizację z mieszaniny poreakcyjnej. Po wyłączeniu mieszania i grzania, rankiem kolejnego dnia zastałem widok jak na obrazku.

wtorek, 29 maja 2018

Krystalografia czekolady

... czyli o praktycznych zastosowaniach bardzo ścisłej, i zmatematyzowanej dziedziny, z których efektami spotykamy się na co dzień.

  Krystalografia to dziedzina na pograniczu chemii fizycznej i fizyki ciała stałego, zajmująca się badaniem właściwości kryształów i niektórych innych faz uporządkowanych, oraz ich teoretycznym opisem. Wedle definicji utworzonych w ramach tych badań, stan krystaliczny to forma materii charakteryzująca się wysokim uporządkowaniem struktury przestrzennej tworzonej przez pojedyncze cząsteczki lub jony. Cząstki tworzące kryształ są tak ułożone, iż tworzą pewien podstawowy schemat, mogący powtarzać się w trzech wymiarach praktycznie w nieskończoność - przynajmniej aż do zewnętrznej ściany ziarna krystalicznego.
 Niech to będzie powiedzmy przestrzenny kwinkunks z ośmioma cząsteczkami w rogach domyślnego sześcianu i jedną w geometrycznym środku między nimi:

Kryształ mający za swój podstawowy wzór, nazywany komórką elementarną, taki właśnie układ, będzie zatem powtarzał go tworząc ścisłą sieć podobnych połączonych komórek:
Wedle tego typu komórki krystalicznej, szeregujemy struktury kryształów w grupy oparte na konkretnej geometrii, czyli układy krystalograficzne, jest ich kilka: oparty na sześcianie układ regularny, układ heksagonalny oparty na heksagonie itp.
Dodatkowo w każdym typie możliwe jest że między narożami komórki pojawią się dodatkowe cząsteczki w centrum ścian lub w środku, stąd możliwość dodatkowych typów "centrowanych". Łącznie 7 układów wraz z centrowanymi kombinacjami daje 32 typy sieci krystalicznych, nazywane sieciami Bravais'go (czyt: 'brawego').

Wiele substancji może tworzyć kryształy różnego rodzaju, o różnej strukturze krystalicznej, zależnie od warunków krystalizacji. Jeden rodzaj sieci krystalicznej może przechodzić w drugi gdy zmienią się warunki. Znanym przykładem jest choćby siarka, która krystalizowana ze stopu tworzy igiełkowate kryształki o symetrii jednoskośnej, które w temperaturze poniżej 95 stopni powoli zamieniają się w kryształki o symetrii rombowej. Formy te różnią się też rozpuszczalnością w dwusiarczku węgla. Podobną sytuację widać w przypadku węgla, gdzie drastycznie różne właściwości mają dwie formy krystaliczne - czarny i miękki grafit oraz przezroczysty i twardy diament.
Istnienie różnych form krystalicznych tej samej substancji nazywane jest polimorfizmem.
Dwa zupełnie różnego kształtu i koloru kryształy tej samej substancji (kobalto-karboran) różniące się wzajemnym ułożeniem cząsteczek w komórce elementarnej. (publikacja)

Odmiany krystaliczne tej samej substancji, poza geometrią i symetrią, różnią się też właściwościami fizycznymi. Mogą różnić się twardością, kolorem, przewodnością a także temperaturą topnienia.
Co to wszystko ma do czekolady?

Czekolada to mieszanina otrzymywana ze zmieszania kakao i tłuszczu kakaowego, także z mlekiem i cukrem; często zamiast kakao używa się miazgi kakaowej. Cząstki kakao i kropelki wodnistej części mleka tworzą zawiesinę w masie stałego masła kakaowego. Masło to w formie stałej składa się z drobnych ziaren krystalicznych, czego gołym okiem nie widać z powodu ich niewielkich rozmiarów. Kryształy masła z kolei mogą występować w kilku odmianach polimorficznych, różniącym się między innymi wytrzymałością mechaniczną i temperaturą topnienia.
Zatem znajomość własności kryształów tłuszczu kakaowego, pozwala na otrzymanie czekolady o właściwych parametrach.

Z kilku najważniejszych form krystalicznych tłuszczu w czekoladzie, trzy topią się w temperaturze poniżej 25 stopni, jedna (forma IV) w 27 stopniach, jedna (V) przy około 33 stopniach i jedna (VI) przy około 36-38 stopniach. Przy złym wykonaniu i schłodzeniu masy albo otrzymamy czekoladę, która pozostaje miękka w temperaturze pokojowej i łatwo topi się w dłoni, albo otrzymamy produkt twardy i z trudem rozpuszczający się nawet w ustach. W dodatku niskotopliwe formy chętnie tworzą duże kryształy, które rozpychają na boki cząstki kakao, powstaje wówczas czekolada o matowej, nierówno zabarwionej powierzchni.

Aby otrzymać czekoladę z przewagą formy krystalicznej właściwej, należy przeprocesować ją w odpowiedniej temperaturze. Proces ten nazywany jest temperowaniem.
Typowym sposobem temperowania jest najpierw stopienie masy czekoladowej w temperaturze, w której topią się wszystkie formy krystaliczne, czyli około 45 stopni. Następnie masa jest szybko schładzana do temperatury nieco poniżej topnienia średniotopliwej formy, około 26-27 stopni. W tej temperaturze w mieszanej szybko masie powstać mogą drobne kryształki trzech typów - formy IV o temperaturze topnienia 27 stopni, formy V i formy VI - które to drobne kryształki działają jak zarodki dla powstawania kolejnych kryształów w tych typach. Gdybyśmy teraz pozwolili masie powoli ostygać, zawierałaby mieszankę trzech form krystalicznych i miałaby wciąż niską temperaturę mięknięcia i topnienia.
Dlatego teraz masa jest precyzyjnie ogrzewana do temperatury około 30-31 stopni. Kryształki formy IV, topiące się w 27 stopniach, zanikną. Pozostaną więc już tylko kryształki form V i VI. Masa od tego momentu jest dość powoli ochładzana, na tyle, że gdy jej temperatura spadnie do około 25 stopni, większość masła kakaowego będzie już skrystalizowana i nie będą nam powstawały nowe kryształki form o niskich temperaturach topnienia. Tak otrzymanym ideałem jest masa topiąca się w temperaturze 34-35 stopni, czyli znana z reklam "czekolada rozpływająca się w ustach a nie w dłoni".

Dla otrzymania równomiernej masy o pożądanych właściwościach stosuje się precyzyjną kontrolę temperatury i szybkie mieszanie. Dokładne wartości temperatur zależą też od składu, dla czekolady ciemnej są wyższe, dla mlecznej niższe (ze względu na domieszkę tłuszczu mlecznego). Większy dodatek wody zwiększa miękkość czekolady.

Otrzymana w przewadze forma średniotopliwa V jest jednak w temperaturze pokojowej nie do końca stabilna termodynamicznie. Dłuższe przechowywanie powoduje, że część masła kakaowego ulega przemianie w formę VI. Odbywa się to najczęściej w warstwach powierzchniowych przy nieco podwyższonej temperaturze. Powstające kryształki nowej formy wyrastają z powierzchni czekolady, tworząc jaśniejszą warstwę, widoczną dobrze zwłaszcza na tabliczkach w pobliżu okresu ważności. Sam w sobie ten jasny osad nie jest oznaką zepsucia, ale może wskazywać na niezbyt dobre warunki przechowywania. Gdy tabliczka leżała w sklepie w warunkach tak ciepłych, że częściowo się nadtopiła, efekt ten wywołuje powstanie nieregularnych cętek, plam białych i żółtawych złożonych głównie z samego tłuszczu, które mogą nie smakować za dobrze.

---------
* Klaus Roth, Chocolate - The Noblest Polymorphism,
* https://en.wikipedia.org/wiki/Chocolate

poniedziałek, 14 maja 2018

Czym właściwie pachnie skoszona trawa?

Wiele osób lubi zapach skoszonej trawy, niektórzy nawet chcieliby mieć takie perfumy. Ale jakie właściwie związki chemiczne za niego odpowiadają?

Pomysł tego wpisu krążył mi po głowie już od pewnego czasu, ale bezpośrednią inspiracją był zauważony w internecie osobliwy mit. Otóż przy okazji dyskusji o chemicznych środkach bojowych, sprowokowanych najnowszymi wydarzeniami na świecie, po raz drugi spotkałem się z twierdzeniem, że świeżo skoszona trawa wydziela fosgen, gaz o działaniu duszącym. Z krótkiego przeglądu internetu wynika, że pogląd taki czasem pojawia się jako zasłyszany, niekiedy rozszerzany na inne rośliny na przykład geranium.[1],[2].
Skąd taki osobliwy pomysł? Fosgen przypadkiem pachnie podobnie do skoszonej trawy (wedle innych źródeł jak zepsute owoce), a ponieważ pachnący migdałowo cyjanowodór faktycznie jest w pewnych ilościach zawarty w migdałach, komuś musiało się skojarzyć jedno z drugim. Tyle że nie. To, że jakiś związek pachnie jak coś konkretnego, nie oznacza, że jest w tym zawarty.

Jeśli nie fosgen to co?
Większość gatunków traw nie wytwarza specjalnych substancji zapachowych, jedynie te z rodzaju palczatka posiadają własne zapachy, wyczuwalne bez naruszenia rośliny. Jednak sytuacja koszenia, jest dla rośliny sytuacją szczególną. Źdźbła zostają poszatkowane i uszkodzone, co jest dla rośliny czynnikiem stresowym. A na takie akcje biologia przewidziała rozmaite reakcje.
W dawnych czasach, przed pojawieniem się ludzkiego gatunku, liściom roślin zagrażały właściwie tylko dwa czynniki - roślinożerne ssaki i takież owady. Przed zwierzętami krzak czy kępka życicy nie za bardzo mają się jak bronić, jeśli oczywiście nie liczyć kolców, ostrego brzegu liścia czy zachowań podobnych do mimozy. Natomiast na wypadek ataków owadów wykształciły specyficzny mechanizm obronny - po uszkodzeniu liścia wydzielają lotne substancje, które ostrzegają inne rośliny dookoła oraz ściągają na odsiecz owady drapieżne.

Są to najczęściej związki oparte o sześciowęglowy łańcuch, wytwarzane w szybkiej reakcji enzymatycznej rozszczepiania nienasyconych kwasów tłuszczowych omega-6. Zazwyczaj substratem jest kwas linolowy lub kwas alfa-linolenowy. Po uszkodzeniu tkanek z komórki wylewa się jej zawartość. Lipooksygenaza powoduje utlenienie kwasu tłuszczowego dodając grupę nadtlenkową przy wiązaniu podwójnym. Kolejny enzym, liaza, powoduje rozszczepienie wiązania podwójnego. Całość jest biologicznym odpowiednikiem ozonolizy. Zależnie od tego który z kwasów ulegnie rozszczepieniu,  powstająca krótka cząsteczka albo jest związkiem nasyconym albo zawiera wiązanie podwójne.

Najczęściej więc produktami rozpadu są heksanol i cis-3-heksenol, który izomeryzuje do formy trans. Alkohole te następnie są utleniane do odpowiednich aldehydów i kwasów karboksylowych, a ponadto estyfikowane grupą acetylową. Wszystkie te związki mają przyjemne zapachy, od słodkawych, przez owocowe do kwiatowych. Najsilniejszy i najlepiej wyczuwalny jest zwykle cis-3-heksenal, stąd niekiedy zbiorczo mówi się o tych związkach "aldehydy liściowe".

Równocześnie z tej samej utlenionej formy kwasu tłuszczowego poprzez szereg innych reakcji powstaje kwas jasmonowy, który akurat specjalnie nie przyczynia się do zapachu, stanowi roślinny hormon regulujący wzrost.

W jakim celu wytwarzane są wszystkie te związki? Aby ściągnąć naturalnych wrogów owadów.
Zapachy wytwarzane podczas uszkadzania liści przez gąsienice czy chrząszcze są bardzo atrakcyjne dla drapieżnych i pasożytniczych owadów, na przykład gatunków os składających jajeczka wewnątrz sparaliżowanego jadem owada.
Kwas jasmonowy wytwarzany w pobocznej reakcji stymuluje w roślinie wytwarzanie inhibitorów proteaz, mających za zadanie blokować u owadów trawienie białek a tym samym sprawić, że w mniejszym stopniu posilą się na roślinie.
Roznoszące się wokół aromaty mogą ponadto ostrzegać inne rośliny przed atakiem roślinożerców, w związku z czym na wszelki wypadek przygotowują one nieco więcej substratów reakcji lub wydzielają więcej kwasu jasmonowego. Jak więc widać, zwykłe skoszenie trawnika wprowadza w te naturalne zależności niemało zamieszania.

Pewne znaczenie dla zapachu mogą mieć też inne związki występujące w trawach i drobnych roślinach przerastających trawnik. Jednym z najpospolitszych związków, który występuje w każdej roślinie zielonej, jest fitol, długołańcuchowy alkohol stanowiący podstawnik w cząsteczce chlorofilu i będący prekursorem witaminy K.  Ma lekko słodkawy zapach, bywa dodawany do perfum jako utrwalacz.
Niektóre gatunki traw zawierają też kumarynę o słodkim, lekko waniliowym zapachu. Najzasobniejsze są tomka wonna oraz żubrówka, używane do aromatyzowania alkoholi, a z roślin zielnych nostrzyk żółty i koniczyna. Podczas suszenia roślin zawartość kumaryny wzrasta, w związku z rozpadem glikozydów, zaś alkohole liściowe ulatniają się, dlatego kumaryna jest głównym związkiem decydującym o zapachu suszonego siana.
-----
[1] http://pl.sci.chemia.narkive.com/xEHjupyL/fosgen-w-trawie-cyjanowodor-w-pestkach
[2] http://skibicki.pl/forum/viewtopic.php?p=17504

* Paul W. Paré, James H. Tumlinson, Plant Volatiles as a Defense against Insect Herbivores, Plant Physiology October 1999, Vol. 121, pp. 325–331
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Jasmonic_acid
* Alessandra Scala, Silke Allmann, Rossana Mirabella, Michel A. Haring, and Robert C. Schuurink, Green Leaf Volatiles: A Plant’s Multifunctional Weapon against Herbivores and Pathogens,
Int J Mol Sci. 2013 Sep; 14(9): 17781–17811.

poniedziałek, 7 maja 2018

Trans/Cis

Kiedyś już omawiałem na blogu jeden z rodzajów izomerii - izomery orto, meta i para. Czas więc opowiedzieć coś o innym, równie często spotykanym - izomerii Trans-Cis, opartej o różne ustawienie podstawników wokół wiązania podwójnego.

Podwójne wiązanie między atomami powstaje wskutek dodania jednego wiązania typu sigma i jednego typu pi. Następuje to po hydrydyzacji orbitali elektronowych, to jest swoistego wymieszania tworzącego orbitale o wyrównanej energii. Wiązanie sigma tworzą orbitale nakładające się na wprost, zaś wiązanie pi jest tworzone przez boczne nałożenie orbitali w kształcie klepsydry po obu stromach wiązania sigma:

W efekcie wiązanie to jest sztywne i płaskie, a grupy na końcach nie zmieniają ustawienia w zwyczajnych warunkach (wysoka temperatura lub naświetlenie mogą wywołać izomeryzację). W związku z tym faktem, gdy na czterech końcach wokół wiązania obecne są różne podstawniki, możliwe stają się różne izomery.

W najprostszym przypadku na dwóch końcach pojawiają się dalsze organiczne części cząsteczki, zaś dwa pozostałe zajmują wodory. Przyjęto więc zasadę nazewnictwa, wedle której izomerami cis są cząsteczki, w których grupy organiczne znajdują się po tej samej stronie, a izomerami trans cząsteczki, w których grupy ustawione są po przeciwnych stronach:

Czasem też korzysta się z tego układu gdy przy wiązaniu pojawiają się inne podstawniki, ale takie same, na przykład dwa podstawniki chlorowe.
Z przedrostkami określającymi izomerię wiązań podwójnych możemy spotkać się w nazwach pospolitych. Słynne w ostatnich latach tłuszcze trans, to tłuszcze zawierające wyłącznie-trans nienasycone kwasy tłuszczowe. Układ taki nadaje im generalnie liniowy kształt co ma wpływ na właściwości fizyczne - tłuszcze trans mają wyższą temperaturę topnienia z powodu ściślejszego przylegania prostych cząsteczek co zwiększa oddziaływania między nimi.

   Tłuszcze zawierające przynajmniej jedno wiązanie cis są bardziej wygięte, co utrudnia ścisłe upakowanie. Przykładowo kwas oleinowy, będący głównym kwasem tłuszczowym oliwki z oliwek, posiada tylko jedno wiązanie podwójne na 9 węglu (omega-9) i ma ono układ cis, przez co cząsteczka nabiera wygiętego kształtu a sam związek ma temperaturę topnienia 13°C. Jego izomer trans to kwas elaidynowy o temperaturze topnienia 45°C. Oznacza to, że ten pierwszy pozostaje płynny w temperaturze pokojowej, zaś ten drugi pozostaje stały nawet w temperaturze ludzkiego ciała. 
   Związkiem o dużej ilości wiązań podwójnych w układzie trans jest karoten, pomarańczowy barwnik marchwi. Z kolei przykładem związku z dużą ilością samych tylko wiązań cis jest bardzo rzadki kwas dokozoheksaenowy (DHA), w którym sześć kolejnych takich wiązań skręca jego cząsteczkę w kółeczko:

W ostatnich dekadach zwraca się uwagę na dostarczanie wraz z dietą odpowiedniej ilości tłuszczy z kwasami cis, które pełnią w organizmie różne funkcje biologiczne.

Ten typ izomerii występuje też w związkach pierścieniowych z wiązaniami pojedynczymi. W takim przypadku cały pierścień pełni rolę drugiego wiązania, powstrzymując rotację sąsiadujących grup. Izomerem cis jest związek, gdy podstawniki na sąsiednich węglach są położone po tej samej stronie pierścienia, a trans gdy po przeciwnych:
Związki różniące się geometrią wokół wiązania podwójnego mogą posiadać różne właściwości nie tylko fizyczne ale i chemiczne. W układzie Cis grupy po obu stronach mogą silniej ze sobą oddziaływać. Przykładem mogą być najprostsze nienasycone kwasy dikarboksylowe - fumarowy i maleinowy. Ten pierwszy zawiera dwie grupy karboksylowe w układzie trans, a więc po przeciwnych stronach. Dzięki temu w kryształach dość chętnie tworzą wiązania wodorowe między cząsteczkami, sam związek ma więc stosunkowo dużą temperaturę topnienia (287 °C ) i jest słabo rozpuszczalny w wodzie.
Natomiast kwas maleinowy posiada dwie grupy karboksylowe w układzie cis, po tej samej stronie, które w tym bliskim położeniu tworzą wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe, kosztem tych pomiędzy cząsteczkami. Słabsze oddziaływania między cząsteczkami w krysztale zwiększają rozpuszczalność w wodzie oraz obniżają temperaturę topnienia niemal dwa razy. (135 °C ) W dodatku utworzenie wewnętrznego wiązania wodorowego do jednej z grup karboksylowym powoduje, że niezwiązany wodór z tej drugiej łatwiej ulega odszczepieniu, przez co kwas maleinowy jest w roztworach silniejszym kwasem niż fumarowy (pKa = 1,9 wobec 3,0). W niektórych przypadkach izomery geometryczne mogą różnić się kolorem.

Izomeria geometryczna może też mieć znaczenie dla stabilności związku. Stosunkowo duże grupy organiczne przeszkadzają sobie w przestrzeni a nawet odpychają się, dlatego ułożenie ich po tej samej stronie, w zbliżeniu, jest bardziej niekorzystne energetycznie. Objawia się to wyższą wartością ciepła spalania dla izomerów cis o dużych grupach niż dla izomerów trans. W warunkach osłabiających lub przejściowo likwidujących wiązanie podwójne obserwuje się izomeryzację i częściej wówczas ustala się równowaga z przewagą układu trans, jako mniej naprężonego.

Podobny typ izomerii występuje też w związkach nieorganicznych - jeśli w kompleksie metalu z różnymi ligandami tworzona jest płaska, kwadratowa struktura, zaś kompleks tworzą dwa rodzaje ligandów, możliwe stają się dwa izomery - kompleksy cis, gdy dwa takie same ligandy znajdują się obok siebie, i kompleksy trans, gdy są położone w przeciwnych narożach kwadratu:
W powyższym przypadku kompleks nazywany cisplatyną jest znanym lekiem przeciwnowotworowym.

E/Z
Ale przypadek gdy przy wiązaniu podwójnym dwa podstawniki to wodory a kolejne dwa to grupy organiczne, jest za prosty. Jeśli w takim miejscu pojawią się cztery różne podstawniki, wówczas stosuje się nazewnictwo w systemie E/Z. Oznaczenia pochodzą od niemieckich słów "zusammen" czyli "razem" oraz "entgegen" czyli "naprzeciwko".
Zasada nazewnictwa opiera się o ważność podstawników, główną braną pod uwagę regułą jest ciężar atomowy, kolejną stopień rozbudowania czy obecność wiązań wielokrotnych. Jeśli dwie kolejno najważniejsze grupy są położone po tej samej stronie, to układ oznacza się jako Z, zaś gdy są po przeciwnych stronach, to jako E.

Warto zauważyć, że w zasadzie jest to system bardziej ogólny, w ramach którego izomeria trans/cis stanowi szczególny przypadek.


Izomeryzacja
Proces w wyniku którego następuje obrót grup i zamiana jednego izomeru w drugi, to izomeryzacja. Ze względu na sztywność wiązania podwójnego, proces musi przebiegać poprzez stan pośredni, w którym jest ono osłabione lub nie istnieje. Jedną odmian jest fotoizomeryzacja, gdzie obrót staje się możliwy dzięki energii z pochłoniętego światła. Wiązanie podwójne pochłania kwant światła i przechodzi w stan wzbudzony, w którym nie jest już tak sztywne i staje się podatne na ruchy skręcające. Może więc nastąpić obrót i zamiana w inny izomer.
W przypadku wielu związków organicznych, zakres energii pochłanianego światła lokuje je w obrębie ultrafioletu, czasem też bliżej fioletu z zakresu widzialnego, co nadaje wielu związkom nieco żółtawy kolor. Wiele związków używanych jako filtry UV w kremach do opalania to cząsteczki z wiązaniem podwójnym, które bardzo łatwo izomeryzują w obie strony. Dość chętnie używane są na przykład pochodne kwasu cynamonowego, w formie naturalnej w układzie trans :
Inny przykład to enzokamen, oznaczany jako  4-MBC, będący specyficzną pochodną kamfory:

Fotoizomeryzacja ma znaczenie dla procesu widzenia. W fotoreceptorach oka zawarty jest kompleks białka opsyny z retinalem, czyli aktywną formą witaminy A, która jest cząsteczką z trzema wiązaniami podwójnymi. W formie aktywnej w foceptorze retinal występuje w geometrii 11-cis, a więc wygiętej. Pod wpływem kwantu światła następuje izomeryzacja, przez co cząsteczka się prostuje. Do obu końców cząsteczki przyczepione są fragmenty białkowej opsyny, która po zmianie kształtu retinalu, pociągnięta mechanicznie dwoma końcami musi zmienić kształt. Generuje to kaskadę dalszych reakcji prowadzących w końcu do wytworzenia impulsu nerwowego.

Izomeryzacja może też zajść pod wpływem wysokiej temperatury i reakcji chemicznych. Przykładowo podczas uwodornienia tłuszczów nienasyconych przy produkcji margaryny, reakcja przyłączenia jednego atomu wodoru do jednego z wiązań podwójnych kwasu tłuszczowego, zamienia go w formę karboanionu. Jest to struktura niepłaska z wiązaniem pojedynczym, w której może nastąpić obrót cząsteczki. Jeśli drugi atom wodoru się nie przyłączy, aż ten dodany z powrotem ulegnie odszczepieniu, cząsteczka powróci do stanu nienasyconego ale z częściową izomeryzacją. Tak właśnie podczas tylko częściowego uwodornienia tłuszczu, z kwasów tłuszczowych cis powstają kwasy trans. (podczas całkowitego uwodornienia także wiązania trans ulegają uwodornieniu i znikają).
Izomeryzacja trwalszego kwasu fumarowego w mniej trwały maleinowy następuje w reakcji rodnikowej z bromem lub w stężonych kwasach.

czwartek, 26 kwietnia 2018

7 lat blogowania

Tak więc mija kolejna rocznica, a ja nadal piszę bloga.

Na początek podsumowanie statystyk. Wewnętrzny licznik bloga zanotował 1 200 tys. wejść, szacuję że około 20% to boty i różne spamy. Średnia dzienna przeglądalność to około 500-600. Liczba dodanych artykułów doszła do 274.

W ciągu tego roku od poprzedniego podsumowania najchętniej czytanymi nowymi artykułami były:
* Poison Story (8.) - Podstępny grzybek (18 600 wyświetleń)
* Detoksy-Mistyfikacje (16 300 wyświetleń)
* Jaki może być największy atom? (11 950)
* Poison Story (9.) - Błękitny kwiat (9030)
* Spóźnione Pierwiastki (8825)
* Jak zrobić zdjęcie atomu? - (8450)
Bardzo mnie te wyniki cieszą, pokazują bowiem, że forma bloga nie opada.

Moje małe hanami
Co tam u mnie? Cóż, wydarzeniem roku z pewnością była rezygnacja z kontynuowania studiów doktoranckich na UW. Niezbyt dobrze się tam czułem, warunki płacowe były kiepskie, w dodatku zamieszanie związane w promotorem i zmiana tematyki na bardziej teoretyczną w trakcie trwania, budziły obawy czy na pewno się ze wszystkim wyrobię.

Ale nie martwcie się, znalazłem sobie jakąś alternatywę.

czwartek, 12 kwietnia 2018

Spóźnione pierwiastki

Wiemy z pewnością, że w dawnych czasach nowe pierwiastki znajdowano po prostu w naturze, wyodrębniając je z minerałów. Oraz, że po pewnym czasie się nam skończyły i zaczęliśmy sztucznie otrzymywać nowe, nietrwałe. Kiedy jednak nastąpiło to przejście? Jaki występujący w naturze pierwiastek był tak rzadki i nieuchwytny, że odkryto go na samym końcu?
Jedna ze starych wersji tablicy Mendelejewa

Złotym okresem odkryć pierwiastków był zdecydowanie XIX wiek, czas gdy rozwój chemii poszedł ostro do przodu, zaś kolejne pokolenia ciekawskich badaczy wsadzały do próbówek co tylko wpadło im w oko. O ile do końca XVIII wieku znano około 34 pierwiastki (chlor, odkryty w 1784 przez Scheelego początkowo uznawano za bardzo trwały tlenek) to do końca XIX wieku odkryto już 49. Natomiast lista naturalnych pierwiastków w wieku XX jest bardzo krótka.

89
Wiek otwiera pierwiastek Aktyn, którego historia była nieco skomplikowana. Nieco wcześniej, w 1899 roku chemik Andree Louis Debierne korzystając z materiałów otrzymanych z blendy smolistej, które zostały małżonkom Curie po wyizolowaniu Radu i Polonu, uzyskał z nich wysoce radioaktywną sól nieznanego pierwiastka. Ogłosił odkrycie, nadając mu nazwę aktyn, był bowiem radio-aktywny.
Świecące pod wpływem własnej promieniotwórczości sole aktynu
Następnie w roku 1902 Friedrich Oscar Giesel zajmując się przeróbką tejże rudy uranu, uzyskał sól bardzo radioaktywnego pierwiastka, który nazwał Emanium, bowiem próbki świeciły w ciemnościach. Gdy minęło parę lat, chemicy uznali, że najprawdopodobniej oba pierwiastki są jednym, w związku z czym pierwszeństwo odkrycia i nazwa przypadły Debierne.
Dopiero w latach 70. chemicy przyjrzeli się uważniej pierwszym doniesieniom. Aktyn Dobiernera opisany w pierwszych artykułach, miał jednak mimo wszystko inne właściwości, niż ten wyizolowany później i poddany dalszym badaniom. Po przeanalizowaniu metody otrzymania uznano, że jednak to Giesel miał rację i to on był odkrywcą pierwiastka. Nazwy jednak nie zmieniono z powrotem na Emanium, bo minęło już kilka dekad i za dużo było zmieniania.[1]

71
Lutet był jednym z ostatnich lantanowców. Jest to grupa pierwiastków, zwykle na tablicach wyrzucana pod resztę pierwiastków, ze względu na właściwości chemiczne niezwykle podobne w jej obrębie. To podobieństwo było zresztą przyczyną problemów w izolacji. Co chwila okazywało się, że zgłoszony nowy lantanowiec w rzeczywistości jest mieszanką dwóch różnych, zaś któryś z tych po wyizolowaniu i zgłoszeniu, ponownie okazywał się mieszaniną. Na końcu takiego ciągu znalazł się lutet.
Zaczęło się od badania minerałów tzw. "ziem rzadkich" nazwanych od nieczęstego występowania. Fiński mineralog John Gadolin w kopalni koło szwedzkiej wioski Ytterby odnalazł minerał, z którego wydzielił tlenek nieznanego pierwiastka. Od nazwy miejsca z którego pochodził, nazwano go Yttrium, czyli po polsku itr. Następnie po kilku dekadach jego kolega po fachu Carl Mossander odkrył, że itr zawiera domieszkę dwóch innych, podobnych pierwiastków, którym nadał niewymyślne nazwy urobione z podziału na sylaby tej pierwotnej - terb i erb. Po kolejnych dekadach Szwajcar de Marignac odkrył, że z kolei erb też nie jest czysty i wydzielił z niego kolejny pierwiastek. Będąc wierny tradycji nadał mu łudząco podobną nazwę Ytterbium, czyli itreb. Jak łatwo się domyśleć, działalność tych panów przyprawia o ból głowy studentów chemii nieorganicznej, którym wszystkie te nazwy się mylą. Natomiast mała szwedzka wioska może się pochwalić tym, że od niej nazwano aż cztery pierwiastki.
Tlenki kilku lantanowców, tzw "zemie rzadkie"

W międzyczasie okazało się, że erb zawiera jeszcze domieszkę holmu i tulu, potem, że holm zawiera w sobie dysproz, a znany od dawna didym to mieszanka neodymu i prazeodymu. Gdy na swoje miejsce wskoczyły jeszcze gadolin, samar i europ, w tak uformowanej grupie pozostały tylko dwie irytujące dziury - pierwiastek 61 i pierwiastek 71.

Dla badaczy dość oczywistym pomysłem było szukanie wśród już znanych i wydzielonych pierwiastków. A nuż któryś okaże się mieszanką. Wreszcie w 1907 roku na trop tej samej substancji wpadli równocześnie trzej badacze - Francuz Gregore Urbain i Austriak Carl Auer von Welsbach i Amerykanin Charles James. Ten ostatni opublikował doniesienie dość późno, i nie sposób było mu stawać w szranki w boju o pierwszeństwo, natomiast pozostali panowie wszczęli kłótnię.
Urbain zaproponował dla pierwiastka nowo wydzielonego i dla oczyszczonego itrebu nazwy lutet - od zlatynizowanej nazwy regionu we Francji - i neoitreb; von Welsbach zaproponował cassiuopeium i abldebaranium, od nazw obiektów astronomicznych. Ponieważ pierwiastek nie może posiadać  różnych nazw, trzeba było w końcu coś ustalić. W 1909 roku komisja zajmująca się ustalaniem dokładnej masy atomowej pierwiastków rozstrzygnęła spór, uznając że Urbain doniósł o wydzieleniu nowego pierwiastka o miesiąc wcześniej, był zatem pierwszy i może nadać pierwiastkowi nazwę.
Mimo to jeszcze do lat 50. w krajach niemieckojęzycznych używano nazwy Cassiopeium i symbolu Cp. [2]


75
Gdy losy nazwy pierwiastka 71 jeszcze się ważyły, rozpoczynało się podobne zamieszanie z pierwiastkiem 75.
Po odkryciu metody wyznaczania prawdziwej liczby atomowej i uporządkowaniu pierwiastków (zamieniono kolejnością potas i argon, które ułożone wedle masy atomowej nie bardzo pasowały do grup) okazało się, że w grupie platynowców lekkich jest jeszcze jeden pierwiastek nieodkryty. Różne grupy chemików zaczęły więc badać spektroskopowo rudy platyny.
W 1925 roku małżeństwo niemieckich chemików Ida i Otto Noddack ogłosiło wykrycie metodą spektroskopii rentgenowskiej śladów nowego pierwiastka w rudach platyny i minerale kolumbicie. Wraz z współpracownikiem Otto Bergiem wyizolowali 1 g soli tego pierwiastka, po przerobieniu 600 kg kolumbitu. Nazwali go renem, od nazwy rzeki na granicy francusko-niemieckiej.
W późniejszych badaniach ten sam zespół ogłosił wykrycie śladów pierwiastka 43, którego też brakowało w układzie okresowym, proponując dla niego nazwę Masurium, dość zresztą kontrowersyjną (pochodzi od latynizacji nazwy Mazur i w uzasadnieniu miała upamiętniać rdzennie niemiecki region). Tego wyniku nie udało się jednak powtórzyć innym badaczom.

Następnie minęło kilka dekad gdy pojawiło się doniesienie, że nawet w przypadku renu zostali uprzedzeni. W 1909 roku japoński badacz Masataka Ogawa ogłosił wykrycie pierwiastka 43 w thorianicie. Wyizolował niewielką próbkę i nazwał odkryty pierwiastek Nipponium, od jednej z nazw Japonii. Późniejsi badacze z innych krajów nie mogli powtórzyć tego odkrycia, więc nie zostało ono uznane. Dopiero w naszych czasach powrócono do oceny jego dzieł. Po przeanalizowaniu oryginalnych zdjęć z zapisem widma rentgenowskiego Nipponium stwierdzono, że wprawdzie nie zawierały pierwiastka 43, ale mogły zawierać ren, co oznaczałoby, że to Ogawa jest odkrywcą tego pierwiastka mimo błędnego przypisania. Stąd różne źródła uznają za odkrywcę renu albo Ogawę, albo Noddacków albo całą trójkę bez wdawania się w spory.[3]

72
W międzyczasie doszło natomiast do odkrycia pierwiastka 72. Pierwsze zgłoszenie w tej sprawie opublikował znany już nam Urbain przy okazji prac nad oczyszczaniem lantanowców, wydawało się bowiem, że szukany element należy do tej grupy. Ogłoszony w 1911 pierwiastek nazwał Celtium, lecz ponownie nie udało się tego odkrycia potwierdzić innymi metodami. W dużo późniejszym czasie, w związku ze sporami o pierwszeństwo, przebadano spektroskopowo próbki Urbaina, nie znajdując w nich pierwiastka 72.
Próbki metalicznego hafnu pokrytego warstewką tlenków

W 1923 roku pracujący w Kopenhadze fizyk Niels Bohr zasugerował, że z praw okresowości można wywnioskować podobieństwo chemiczne pierwiastka 72 do znanego już cyrkonu, w związku z czym lepiej szukać w jego rudach. Sugestię podłapali chemicy Georg von Hevesy i Dirck Costler. Zbadali oni cyrkon pochodzący z norweskich rud i metodą spektroskopii rentgenowskiej wykazali ślady szukanego pierwiastka. Przy pomocy mozolnej krystalizacji frakcyjnej udało się oddzielić małą próbkę soli nowego pierwiastka. Od zlatynizowanej nazwy Kopenhagi, nazwano go hafnem.
Uznając pierwszeństwo Ogawy w odkryciu renu, hafn okazuje się ostatnim trwałym pierwiastkiem wyizolowanym z próbek naturalnych. Ale nie ostatnim w tym artykule.[4]

91
Istnienie jeszcze jednego pierwiastka między thorem i uranem było przewidywane jeszcze przez Mendelejewa. Ponieważ grupa Aktynowców nie była wtedy uznawana za odrębną, bo znano z niej tylko 2 pierwiastki, brakujący pod numerem 91 był uznawany za podobny do tantalu i w jego rudach go poszukiwano. Dlatego też wszyscy przeoczyli doniesienie Williama Crookesa, który w 1900 roku opisał wyizolowanie z soli uranu substancji, nazwanej przez niego uranem X. On sam nie opisał jej jako pierwiastka, sądził, że to raczej jakaś forma uranu nieco bardziej od niego promieniotwórcza. Na podstawie późniejszych analiz uznano, że uzyskał wtedy mieszankę thoru z pierwiastkiem 91, której dalej nie rozdzielał.
W 1913 roku Kazimierz Fajans i Oswald Göhring wyizolowali szukany pierwiastek badając produkty rozkładu promieniotwórczego uranu. Nazwali go brevium, czyli "krótkotrwały" ocenili bowiem jego czas półtrwania na zaledwie 6 godzin. Następnie w 1917 roku grupa Otto Hanna i Lisie Meitner wyizolowała z rud uranu długożyjący izotop nazwany przez nich protaktynem, bowiem rozpadał się do aktynu. W podobnym czasie na ślad pierwiastka wpadł jeszcze John Cranston, ale nie mógł opublikować odkrycia, bo powołano go na wojnę.
Protaktyn jest błyszczącym, złotawym metalem

Zawikłany węzeł odkryć przecięła dopiero po drugiej wojnie światowej IUPAC, uznając prawo do nazwania pierwiastka dla Hanna i Meitner, ponieważ wyizolowali oni izotop o najdłuższym okresie półtrwania. Historycy nauki w związku z tym jako odkrywców uznają albo Hanna i Meitner, albo całą czwórkę z Fajansem i Goeringiem.[5]

87
Dziura w układzie okresowym na miejscu 43 została załatana sztucznie, gdy w 1934 roku bombardując neutronami molibden otrzymano technet. Dziura w miejscu 61 została załatana sztucznie wraz z otrzymaniem prometu, tymczasem tuż przed wybuchem II wojny światowej francuskiej chemiczce udało się wyizolować ostatni wyodrębniony ze źródeł naturalnych pierwiastek.
Uczennica Marii Curie Skłodowskiej, chemiczka Marguerite Perey, zajmowała się głównie pracą nad izolowaniem i oczyszczaniem aktynu z próbek lantanowców.
 Pod koniec lat 30, przy pomocy precyzyjnych badań aktywności wykazała, że część próbek aktynu jest silniej promieniotwórcza od innych a zakres energii emitowanych cząstek nie pasował do izotopów aktynu. Wniosek, że zawiera dodatek czegoś silniej radioaktywnego nasuwał się sam, zwłaszcza w takiej pracowni. Wprawdzie badana substancja rozpadała się bardzo szybko, ale badając aktywność różnych roztworów, którymi przemywano próbki aktynu stwierdziła, że jest to pierwiastek o właściwościach litowców, czyli poszukiwany od dawna eka-cez.
Perey ogłosiła wyniki w 1939 roku, proponując nazwę catium i symbol Cm, w nawiązaniu do przewidywanej własności najwyższej elektrododatności. Kilka lat później jej przełożona Irena Juliot-Curie zgłosiła zastrzeżenia do takiej nazwy. Zaproponowany skrót zbiegł się ze skrótem proponowanym dla sztucznego pierwiastka kiuru, nazwanego zresztą na cześć jej matki. Ponadto anglojęzycznym chemikom catium kojarzyło się z kotami. Dość, że Perrey zaproponowała ostatecznie zmianę nazwy na francium, czyli frans, od nazwy swojego kraju i ta propozycja została w końcu zaakceptowana.[6]
300 tysięcy atomów fransu w pułapce magnetycznej


Był to ostatni pierwiastek, którego odkrywcy izolowali ze źródeł naturalnych. Było co prawda kilka, które otrzymano sztucznie a potem odkryto w śladowych ilościach w naturze, ale to już nie to samo.
---------
* C Fry, M Thoennessen, Discovery of the Actimium, Thoriom, Protactinium and Uranium Izotopes

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Actinium
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Lutetium
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Rhenium
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Hafnium
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Protactinium
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Francium



środa, 21 marca 2018

Laserowa mikrofuzja jądrowa

Tym razem wpis raczej fizyczny, ale ten news brzmi tak ciekawie, że warto coś o nim napisać.

Kontrolowana fuzja jądrowa już od kilku dekad wzbudza nadzieję, jako technologia produkcji energii mogąca przebić elektrownie atomowe pod względem stosunku generowanej mocy do ilości zużytego paliwa. Tym bardziej, że paliwo to jest akurat łatwo dostępne - wodór to jeden z najpospolitszych pierwiastków. Cały problem leży natomiast w kontroli - zrobienie bomby termojądrowej nie było takie znów trudne, zrobienie reaktora, w którym reakcja będzie w powtarzalny sposób następować dostatecznie długo, aby wytworzyć energię większą niż włożona, to już kłopot.
Zbudowano już różnego typu tokomaki, stellatory i inne tego rodzaju urządzenia, i na razie ciężko jest zespołom badawczym wyjść poza etap "następnym razem na pewno nam wyjdzie, tylko musimy poprawić parę szczegółów". W zasadzie tylko jeden zespół badawczy doniósł o fuzji, która wyprodukowała nieco więcej energii, niż było jej potrzebne do zapoczątkowania reakcji - badacze z NIF skompresowali kapsułkę z mieszaniną trytu i deuteru przy pomocy 192 wiązek laserowych padających na ścianki kapsułki.[1]

Z tego też powodu zainteresowanie wzbudzają nawet te czysto badawcze urządzenia, w których fuzję daje się uzyskiwać choćby na małą skalę. Znanym przykładem jest fuzja piezoelektryczna, oparta o jonizowanie deuteru w silnym polu elektrycznym wytwarzanym przez kryształy piezoelektryczne - to jest elektryzujące się statycznie podczas szybkiego ogrzewania. Fuzję daje się też uzyskać w fuzorach, gdzie naładowane jony oscylują między dwoma sferycznymi siatkami, do których przyłożono dużą różnicę napięć. Urządzenia tego rodzaju mają jak na razie za niską wydajność i mogą być raczej użyte jako źródło neutronów niż energii.

Ostatnio natknąłem się na publikację opisującą układ fuzyjny może jeszcze nie stanowiący rozwiązania w otrzymywaniu energii, ale dużo prostszy w wykonaniu i użyciu. [2]
Zespół badaczy z Colorado State University opublikował wyniki prac nad zaskakująco prostą metodą otrzymywania fuzji jądrowej. Naświetlili oni przy pomocy femtosekundowego mocnego impulsu laserowego płytkę, pokrytą "lasem" nanowłókien z deuterowanego polietylenu. Mocny impuls laserowy w zasadzie odparował włókna, zamieniając każde w rozprzestrzeniający się obłoczek wysokoenergetycznej plazmy, zawierającej deuterony. Ponieważ włókna były ustawione równolegle, blisko względem siebie, deuterony z sąsiadujących włókien zderzały się ze sobą, z sumaryczną energią wystarczającą, aby doszło do fuzji jądrowej.
Wygląd lasu nanowłókien oraz symulacja energii deuteronów.


Zaobserwowano emisję strumieni wysokoenergetycznych neutronów, o gęstości kilkaset razy większej niż obserwowane dotychczas w innych eksperymentach. Impuls laserowy o energii jednego dżula wystarczał do wytworzenia wskutek fuzji około miliona neutronów. Cały układ eksperymentalny jest dość prosty, nie wymaga stosowania silnych elektromagnesów ani nawet próżni wysokiej jakości. Na razie nie wygląda na to, aby był to sposób na wytwarzanie energii termojądrowej, ale z pewnością jest to dużo tańszy i prostszy w wykonaniu układ do badań samego zjawiska fuzji. Możliwe, że znajdzie zastosowanie jako źródło strumieni wysokoenergetycznych neutronów, nie wymagające akceleatora.

W każdym razie, bardzo ciekawe odkrycie.

-------
[1] http://www.bbc.com/news/science-environment-24429621
[2] Alden Curtis, Chase Calvi, James Tinsley, Reed Hollinger, Vural Kaymak, Alexander Pukhov, Shoujun Wang, Alex Rockwood, Yong Wang, Vyacheslav N. Shlyaptsev & Jorge J, Rocca; Micro-scale fusion in dense relativistic nanowire array plasmas, Nature Communications volume 9, Article number: 1077 (2018)

czwartek, 15 marca 2018

Chemiczne wieści (16.)

Galfen
Były już monoatomowe warstwy węgla (grafen), krzemu, azotku boru i tego typu materiałów, teraz czas na rzadki metal przejściowy gal.
Gal znany jest jako metal o wyjątkowo niskiej temperaturze topnienia, mogący roztopić się w dłoni; jego stopy z cyną i indem pozostają ciekłe w temperaturze pokojowej i zastępują w pewnych zastosowaniach toksyczną rtęć. Niektóre jego związki, jak azotek i arsenek znane są jako dobre półprzewodniki, mające zastosowanie w elektronice, stąd po otrzymaniu grafenu zastanawiano się nad możliwością wytwarzania podobnych warstw analogu z galem.

Stosowana w podobnych sytuacjach technika osadzania na fazie stałej nie dawała dobrych rezultatów, gal miał skłonność albo do tworzenia ciekłej fazy nieuporządkowanej albo drobnych kryształków. Trudno było też liczyć na oddzielenie warstw, jakie gal tworzy w czystych kryształach odmiany alfa, te bowiem za mocno ze sobą oddziałują. Indyjscy badacze spróbowali więc jeszcze jednej, dość zabawnej metody. Ogrzali oni gal do temperatury 29,7 °C , czyli odrobinkę ponad temperaturę topnienia. Do kropli przyłożyli podłoże, którym mógł być kwarc, grafit lub krzem, o temperaturze niewiele niższej, po czym szybko wyciągnęli. Na podłożu została warstewka galu o grubości kilku atomów.
Credit: Ajayan Research Group/Rice University

Przy czym nie polegało to po prostu na tym, że rozprowadzili na powierzchni bardzo cienką warstwę a ona już zastygła. W temperaturach bliskich topnieniu, warstwy galu były na tyle słabo związane, że nastąpiło oderwanie ich od siebie - część powstającego podczas ochładzania stałego metalu została na powierzchni  kropli, część na podłożu. Otrzymana warstwa jest lepiej związana z podłożem niż grafen i zależnie od typu podłoża wykazuje różne właściwości. [1]


Rekordowe wiązanie węglowe
Typowa długość pojedynczego wiązania C-C w związkach organicznych, wynosi 1,54 A, wiązania podwójne i potrójne są krótsze. Niedawno uzyskano związek, w którym geometria wymusza na wiązaniu, aby wyraźniej się rozciągnęło.

Credit: Ishigaki Y. et al., Chem, March 8, 2018
Badania krystalograficzne potwierdziły, że w tym prostym węglowodorze między grupami metylenowymi wiązanie ma długość 1,806 A, największą odnotowaną w stabilnym związku organicznym.[2] Rzecz dotyczy oczywiście klasycznego wiązania kowalencyjnego. W niektórych badaniach notowano dłuższe przypadki bardziej nietypowych wiązań, na przykład wiązanie dwuelektronowe-czterocentrowe w dimerze rodników tetranitryloetylenu, o długości 2,98 A.[3]

 Biopaliwo z drewna w mikrofalówce
Grupa badaczy z Chin opublikowała informacje o obiecującej metodzie syntezy lewulinianu metylu z biomasy zawierającej celulozę. Estry kwasu lewulinowego używane są jako nietoksyczne, mało lotne rozpuszczalniki oraz dodatki do paliwa, zwłaszcza diesla i biodiesla, można je otrzymać przez termiczny rozkład glukozy w warunkach odwadniających i estryfikację powstałego kwasu. Dotychczasowe przemysłowe metody używały jako katalizatorów bądź stężonego kwasu siarkowego, bądź związków metali ciężkich.

W opublikowanej metodzie konwersja celulozy (będącej przecież polimerem glukozy) dokonuje się przy pomocy siarczanu glinu z ogrzewaniem mikrofalowym, co pozwala przyspieszyć reakcję bardziej niż konwencjonalne ogrzewanie. Reakcja prowadzona jest w metanolu z dodatkiem wody, która hamuje tworzenie zesmołowanych produktów ubocznych i formację eteru dimetylowego. W najbardziej optymalnym układzie reakcja prowadzona przez 40 minut w temperaturze 180 stopni, pozwala na przekształcenie w lewulinian 70% celulozy, co oznacza, że metoda najpewniej znajdzie zastosowanie przemysłowe.[4]


Hel w ciśnieniowych solach
Po ostatnim doniesieniu o wysokociśnieniowym połączeniu helu z sodem, w którym kationy sodu i pary elektronowe utworzyły sól elektrydową z wnękami zawierającymi hel, zaczęto badać możliwość występowania innych takich "soli-nie soli". Pisałem o nich w zeszłym roku (Link).

W ostatnim doniesieniu z Nature analizuje się wyniki eksperymentów z wysokociśnieniowymi formami związków jonowych, do których wprowadzono hel. Udało się w ten sposób otrzymać połączenia MgF2-He i MgO-He.
Ściśle rzecz traktując, nie są to związki chemiczne helu, nie doszło bowiem do powstania wiązań czy przeniesienia części ładunku. Również badania rozkładu ładunku stwierdziły, że orbitale helu są jedynie nieco zdeformowane atomami wokół. Niemniej wprowadzenie dodatkowych atomów do struktury krystalicznej dość wyraźnie ją zmienia, zmianie ulega symetria sieci oraz liczba koordynacyjna jonów. Najbardziej wyraźne jest to w przypadku tlenku magnezu, który w normalnej postaci tworzy sieć krystaliczną typu halitu (F/m3m) w układzie regularnym. W formie "nahelowanej" tworzy sieć w układzie heksagonalnym (P63/mmc) podobnym do molibdenitu.

Oczywiście zastanawiającą sprawą jest przyczyna dla której w ogóle hel tworzy takie połączenia. Z obliczeń wynika, że hel obniża energię związaną z odpychaniem pewnych fragmentów sieci. W kryształach zawierających jeden jon o podwójnym ładunku i dwa o pojedynczym ładunku przeciwnym, w strukturze można wyróżnić linie atomów w których jon jednego rodzaju przedzielony jest dwoma drugiego rodzaju. Te dwa jony obok siebie nieco się odpychają. W warunkach wysokociśnieniowych, gdy atomy są do siebie przybliżane przez nacisk, odpychanie to nabiera znaczenia.
Włączenie w strukturę helu, który wchodzi pomiędzy pary takich samych jonów oddala od siebie te fragmenty sieci, zmniejszając energię związaną z odpychaniem, nie zmieniając natomiast pozostałych sił przyciągających w pozostałych fragmentach sieci. Zatem  w warunkach wysokiego ciśnienia, obojętna przekładka helu może być korzystna energetycznie dla stabilizacji sieci.

Badacze wskazują przy okazji, że tworzenie takich połączeń może sprzyjać wiązaniu w głębinach ziemi, w minerałach płaszcza, dużych ilości helu, w który nasza planeta może się okazać bardziej zasobna, niż to się dotychczas wydawało.[5]
-------
[1]  Vidya Kochat, Atanu Samanta, Yuan Zhang, Sanjit Bhowmick, Praveena Manimunda, Syed Asif S. Asif, Anthony Stender, Robert Vajtai, Abhishek K. Singh, Chandra S. Tiwary and Pulickel M. Ajayan; Atomically thin gallium layers from solid-melt exfoliation, Science Advances  09 Mar 2018: Vol. 4, no. 3, e1701373 DOI: 10.1126/sciadv.1701373

[2]  Yusuke Ishigaki, Takuya Shimajiri, Takashi Takeda, Ryo Katoono, Takanori Suzuki; Longest C–C Single Bond among Neutral Hydrocarbons with a Bond Length beyond 1.8 Å, Chem.  (2018.)
[3] Novoa J. J.; Lafuente P.; Del Sesto R. E.; Miller J. S. (2001-07-02). "Exceptionally Long (2.9 Å) C–C Bonds between [TCNE]− Ions: Two-Electron, Four-Center π*–π* C–C Bonding in π-[TCNE]22−". Angewandte Chemie International Edition. 40 (13): 2540–2545
[4]  Yao-Bing Huang, Tao Yang,a Yu-Ting Lin, Ying-Zhi Zhu, Li-Cheng Li and Hui Pan, Facile and high-yield synthesis of methyl levulinate from celluloseGreen Chem., 2018, Advance Article

[5] Zhen Liu. et. al.; Reactivity of He with ionic compounds under high pressure, Nature Communications volume 9, Article number: 951 (2018)

środa, 28 lutego 2018

Chemiczne wieści (15.)



Nowa metoda wykrywania pestycydów w jedzeniu:
Problemem badań analitycznych jest oddzielenie badanych substancji od wszystkiego innego w próbce. Rozdział i przygotowanie oczyszczonej frakcji bardzo spowalniają samą analizę. Badacze z Singapuru zaproponowali ostatnio szybką metodę rozdziału do badania żywności - do rozmiksowanej próbki warzyw dodaje się mikrocząstki pochłaniające substancje podobne do pozostałości pestycydów. Cząstki zawierają wewnątrz magnetyczny tlenek żelaza, więc po pewnym czasie wystarczy zanurzyć w próbce magnes, aby oddzielić je od roztworu. Potem cząstki przemywa się rozpuszczalnikiem zmywając z nich pochłonięte substancje a otrzymany roztwór trafia do analizy. Magnetyczne cząstki można potem użyć jeszcze 30 razy.
W zasadzie jest to modyfikacja metody ekstrakcji do fazy stałej (SPE) o której pisałem przy okazji analizy zawartości kofeiny w kawie.[1]

Lustrzany świat hormonów
Na blogu kilkakrotnie wspominałem już o chiralnych cząsteczkach związków chemicznych. Chiralność to sytuacja, gdy cząsteczka nie posiada elementów symetrii takich jak środek czy płaszczyzna inwersyjna. Geometria ta powoduje, że możliwe stają się dwa izomery tej cząsteczki, wyglądające jak lustrzane odbicia, które nie nakładają się na siebie. Podobny kształt mają nasze dłonie. Lustrzane odbicie jednej wygląda jak druga, ale kształt jednej dłoni nie nałoży się dokładnie na kształt drugiej, choćbyśmy je nie wiem jak wykręcali. Stąd też bierze się nazwa - chiralność od greckiego słowa chira, czyli ręka.

Lustrzane izomery tej samej cząsteczki mają takie same właściwości fizyczne i chemiczne, ale różnie oddziałują z innymi chiralnymi cząsteczkami. Najlepszym tego świadectwem jest różne działanie biologiczne izomerów geometrycznych leków. My sami zbudowani jesteśmy z chiralnych białek, a te z chiralnych aminokwasów. Wszystkie aminokwasy budulcowe w organizmie stanowią izomer L.
Ponieważ jednak umiemy już dziś syntetyzować nienaturalne izomery aminokwasów, czyli izomery D, oraz umiemy sztucznie syntezować białka o zadanej kolejności aminokwasów, rodzi się oczywiste pytanie - jak mogłyby działać na organizm lustrzane izomery całych białek?
Przykładowe izomery prostego tripeptydu. Credit: Pablo Gainza

Badacze z uniwersytetu w Toronto zainteresowali się tym tematem podczas poszukiwań nowych leków. W niektórych chorobach stosowanymi lekami są krótkie białka, peptydy, mające pełnić odpowiednie funkcje biologiczne, zastępować enzymy których w organizmie brakuje, lub blokować te, których jest nadmiar. W leczeniu cukrzycy używane są na przykład mimetyki GLP-1, naśladujące białko które aktywizuje enzymy inkretyny, co wpływa na obniżenie poziomu cukru we krwi.
 Ich stosowanie wiąże się jednak z licznymi problemami - muszą być wstrzykiwane domięśniowo, bo w układzie pokarmowym są trawione przez enzymy trawiące białka; we krwi krążą krótko, rozkładane przez inne enzymy, w dodatku organizm może zareagować na nie alergicznie.

Badacze przeprowadzili symulację, sprawdzając czy istnieją D-izomery krótkich peptydów, które będą tak samo dobrze aktywować GLP-1. Znaleźli pewną obiecującą cząsteczkę, którą zsyntezowano i przetestowano. Otrzymany związek wywoływał taką samą odpowiedź komórek, ale efekt utrzymywał się dłużej.
Ponieważ wszystkie białka w organizmie mają konfigurację L, to peptyd będący izomerem D będzie po pierwsze nie trawiony przez enzymy trawienne bo te, same będąc cząsteczkami chiralnymi, są przystosowane do trawienia L-peptydów, dzięki czemu lek będzie można zażywać w tabletkach; oraz po drugie D-peptyd nie będzie tak szybko eliminowany z krwioobiegu co przedłuży jego działanie i spowoduje, że potrzebne będą mniejsze dawki.

Podobny D-izomer otrzymano też dla peptydomimetyków parathormonu, które podawane są przy zaburzeniach czynności przytarczyc. [2]

Sztuczny słodzik w chemioterapii
Dokładne badania molekularne wykazały kilkanaście lat temu, że w wielu złośliwych nowotworach wyjątkowo dużą ekspresję posiada enzym anhydraza węglanowa IX, która normalnie jest wydzielana w nerkach do usuwania kwasu węglowego z krwi. Jej duża aktywność sprzyja szybkiemu rozrostowi guzów i naciekaniu na okoliczne tkanki. Zaczęto więc uzupełniać terapię o inhibitory tego enzymu, dotychczas stosowane w medycynie jako diuretyki, środki zmniejszające ciśnienie wewnątrz oka czy łagodzące objawy choroby wysokogórskiej. Wstępne wyniki testów są obiecujące i niektóre takie środki wchodzą w fazę badań klinicznych.

Inhibitory te mają jednak swoje wady, w tym skutki uboczne jak wymioty, zmęczenie, objawy grypopodobne. Wiążą się one w dużym stopniu z małą selektywnością leków. Organizm wytwarza 15 różnych anhydraz węglanowych, które pełnią różne funkcje w organizmie, tymczasem nowotwory złośliwe wykazują nadekspresję tylko jednego, anhydrazy IX. Lek, który hamuje działanie nie tylko tego jednego enzymu, ale też i kilku innych, będzie wywoływał dodatkowe niekorzystne skutki.

Zaczęto zatem szukać substancji, które byłyby inhibitorami dużo bardziej selektywnymi. Niedawno doniesiono, że dość selektywne działanie wykazuje sacharyna, pierwszy sztuczny słodzik, wprowadzony do użytku jeszcze w XIX wieku. W tym roku postanowiono przetestować kolejny słodzik - acesulfam, którego struktura jest podobna do sacharyny. Okazało się, że nie tylko wiąże się z enzymem mocniej, ale też dużo bardziej selektywnie i potencjalnie mógłby być, w odpowiednio dużych dawkach, użyty jako dodatkowy składnik terapii nowotworowych. Zastosowanie to byłoby o tyle ułatwione, że jako stary, od dawna znany związek, został przebadany na bardzo wiele sposobów, a to ułatwia rejestrację w nowym zastosowaniu (w zasadzie efekty toksykologiczne, sprawdzane w badaniach klinicznych I fazy, zostały już zbadane).
Naukowcy jednak na tym nie poprzestają, sprawdzają pochodne acefulfamu, chcąc znaleźć jeszcze lepszy związek.[3]

Zdjęcie atomu
Niedawno media obiegła wiadomość, w jakimś stopniu uzupełniająca mój artykuł o obrazowaniu atomów. Udało się przeprowadzić doświadczenie, które umożliwiło ukazanie pojedynczego atomu. Pojawiły się w związku z tym różne wątpliwości ze strony mało rozumiejących eksperyment czytelników, którzy wątpili, czy atom może odbić na tyle dużo światła aby dało się go zobaczyć.
Eksperyment jest bardzo prosty, choć nie nadaje się za bardzo jako technika obrazowania atomów, nie pozwala bowiem na uchwycenie żadnych szczegółów.

Pojedynczy jon strontu został schwytany w pułapkę pomiędzy potężnymi magnesami i między dwoma elektrodami z przyłożonym napięciem. Naładowana cząstka chce poruszać się wzdłuż linii pola elektrycznego, będąc wciąganą w obszar największego gradientu dokładnie pomiędzy elektrodami. Jednak umieszczenie jej w polu magnetycznym powoduje powstanie siły Lorentza, która zakrzywia jej tor. Jon zaczyna więc kręcić małe kółeczka. W osi pionowej utrzymuje go pole magnetyczne, a pole elektryczne nie pozwala mu uciec na boki. Odpowiednia modulacja pola magnetycznego lub elektrycznego ogranicza naładowaną cząstkę do bardzo małej przestrzeni, w obrębie której może jedynie drgać. Jest to najprostszy przypadek pułapki jonowej.
Dzięki zastosowaniu odpowiednio dobranej selekcji, poprzez dodawanie jonom na tyle małych dawek energii aby pojedynczo uciekały z pułapki, można doprowadzić do stanu, gdy zamknięty pozostanie pojedynczy jon. Jak go jednak ujawnić?

Jon strontu został oświetlony ultrafioletem o tak dobranej długości fali, że w jonie zachodziła fluorescencja, to jest pochłaniał fotony ultrafioletu po czym zaraz wypromieniowywał wchłoniętą energię, ale z przesunięciem częstotliwości, świecąc już w zakresie widzialnym. Oczywiście natężenie tego świecenia dla pojedynczej cząstki jest nikłe, jednak przy użyciu odpowiednio czułego aparatu, i długiego, 30-sekundowego czasu naświetlania, nazbierało się go dostatecznie dużo, aby na fotografii ujawnił się mały, jasny punkcik.

Czy punkt ten jest obrazem atomu? I tak i nie. Atom w pułapce zatacza pewną zamkniętą orbitę, toteż gdyby zastosować duże przybliżenie, zamiast punkcika widzielibyśmy pewnie skomplikowaną krzywą. Jest ona jednak w pułapce tak mała, że w użytej rozdzielczości nadal stanowi bezszczegółowy punkt. Uchwycony obraz jest więc raczej statystycznym położeniem atomu, który emitując fotony wykonał w ciągu tych 30 sekund ogromną ilość drgań w pułapce. Zarazem jednak na obraz składa się światło pochodzące od pojedynczego atomu, wykazując, że możliwe jest optyczne wykrycie nawet tak małej cząstki materialnej.[4]
-------------
Źródła:
[1] Xi Yu et al. Pyrethroid residue determination in organic and conventional vegetables using liquid-solid extraction coupled with magnetic solid phase extraction based on polystyrene-coated magnetic nanoparticles, Food Chemistry (2016). DOI: 10.1016/j.foodchem.2016.08.115
[2] Michael Garton el al., Method to generate highly stable D-amino acid analogs of bioactive helical peptides using a mirror image of the entire PDB," PNAS (2018). http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1711837115
[3] Akilah B. Murray et al. "Seriously Sweet": Acesulfame K Exhibits Selective Inhibition Using Alternative Binding Modes in Carbonic Anhydrase Isoforms, Journal of Medicinal Chemistry (2017). DOI: 10.1021/acs.jmedchem.7b01470
[4]  https://www2.physics.ox.ac.uk/research/ion-trap-quantum-computing-group

sobota, 17 lutego 2018

Kiedyś w laboratorium (58.)

Publikowałem tu już kiedyś zdjęcia widm lamp jarzeniowych z gazami szlachetnymi, teraz wrzucę jeszcze jedno z tamtych ćwiczeń, pokazujące linie emisyjne wodoru w paśmie widzialnym:

 Wyraźnie widoczne są trzy pasma, tzw. "seria Balmera": czerwone o długości fali 656 nm, zielonkawo-niebieskie 486 nm i niebieskofioletowe 434 nm. Nieco bardziej na lewo powinno być jeszcze czwarte pasmo i nawet gołym okiem było je słabo widać, ale na aparacie przy tej jasności lampy się nie załapało, ma długość fali 410 nm i leży na pograniczu widzialnego fioletu i ultrafioletu. Poza zasięgiem aparatu pojawiają się jeszcze pasma ultrafioletowe.
Aparat cyfrowy nie do końca dobrze oddał kolory, środkowe pasmo było patrząc gołym okiem nieco bardziej morskie, dodatkowe widmo w tle miało szerszy zakres żółty a czerwone pasmo nie było tak mocno jasne, aż prześwietlone.

Uzupełniające tło słabsze widmo wielu drobnych linii to prawdopodobnie efekt domieszki azotu w wodorze wypełniającym rurkę jarzeniową.

Linie emisyjne wodoru odegrały dużą rolę w chemii kwantowej. Balmer znalazł ogólny wzór opisujący długość fali poszczególnych linii za pomocą pewnego prostego szeregu. Była to w zasadzie czysta numerologia, czyli dobieranie liczb tak, aby pojawił się między nimi związek, ale rozszerzenie tej formuły pozwoliło przewidzieć odkryte później linie w zakresie ultrafioletu. Wzór został uogólniony przez Rydberga i okazał się przewidywać także linie emisji w dalekim ultrafiolecie, dalszej podczerwieni.
Gdy zaczęła się formować teoria atomu jako układu złożonego z dodatnio naładowanego jądra i elektronów krążących wokół, serie widmowe znalazły wyjaśnienie jako emisje w postaci światła energii, będącej różnicą między energią kolejnych coraz bardziej oddalonych orbit, wydzielaną przez elektrony wzbudzone, spadające z dalekich orbit na te bliższe jądru. Bardzo wąskie linie emisji oznaczają, że zakresy energetyczne dla orbit są dość ściśle określone, zostało to dobrze wyjaśnione dopiero na gruncie kwantowego modelu atomu (w modelu Bohra dozwolone orbity były stacjonarne, bo tak).
Widmo wzbudzonego wodoru było przy tym o tyle łatwe do opisu, że wynikało z najprostszego możliwego układu z jednym elektronem. Opis widm innych pierwiastków nie jest tak łatwy i tylko do części linii widmowych stosuje się wprost wzór Rydberga.

ps. a nowe materiały z laboratorium nie pojawiają się, bo już nie pracuję na UW.


środa, 14 lutego 2018

Słodziki cukropochodne

Jakiś czas temu kupiłem w sklepie bezcukrowe cukierki, zaciekawiony co też to za dziwo. Smakowały dziwnie, były raczej słodkawe i można by powiedzieć, że smak był stonowany, bo zarówno słodycz, owocowy posmak jak i mentolowa nuta nie stanowiły wyraźnej dominanty. Ze składu wynikało, że faktycznie nie zawierały cukru, ponad 80% stanowił tajemniczo brzmiący izomalt i syrop izomaltitolowy, co do których domyśleć się mogłem jedynie po nazwie, że zapewne są to alkohole cukrowe pochodne maltozy. Substancje takie, otrzymywane z naturalnych cukrów są stosunkowo często używane jako zamienniki cukru.
A ponieważ jest ich dość dużo, dobrze było poświęcić im osobny wpis.

Cukry to grupa związków organicznych, charakteryzująca się licznymi grupami hydroksylowymi (-OH) połączonymi z atomami węgla tworzącymi łańcuch nasycony, podobnie jak w alkoholach, oraz przynajmniej jedną grupą aldehydową (-CHO) lub ketonową (-C=O), za sprawą której możliwe jest dla nich utworzenie formy pierścieniowej jako hemiacetal. Są też nazywane węglowodanami, bo ich skład pierwiastkowy daje się sprowadzić do wzoru Cx(H2O)y, choć jest trochę wyjątków, jak cukry deoksy.
Na atomach węgla z dołączonymi grupami hydroksylowymi pojawia się szczególna geometria asymetrycznego ułożenia czterech podstawników, przy której możliwe stają się dwie konfiguracje - R i S, różniące się kolejnością przestrzenną dwóch podstawników.

Sytuacja taka dotyczy każdego atomu węgla z grupą hydroksylową, z wyjątkiem końcowego, który ma dwa takie same podstawniki, wodory. Ponieważ cukry zawierają wiele takich atomów, możliwych staje się wiele izomerów, różniących się tylko konfiguracją na poszczególnych węglach ale o takim samym składzie i budowie ogólnej. Dla cukrów sześciowęglowych cztery atomy węgla posiadają asymetrię, a ponieważ dla każdego możliwe są dwie konfiguracje, to istnieje 16 różnych cukrów sześciowęglowych. Jednym z nich jest glukoza.
Najpowszechniej używany do słodzenia cukier stołowy, czyli sacharoza, to związek złożony z dwóch cząsteczek cukrów, glukozy i fruktozy.

Ponieważ formalnie rzecz biorąc cukry są ketonami lub aldehydami, bo posiadają jedną taką grupę, można poddać je utlenieniu, do otrzymania kwasu karboksylowego, lub redukcji. W tym ostatnim przypadku zarówno grupa ketonowa jak i aldehydowa zamienią się w kolejny człon C-OH. Słodziki takie jak ksylitol czy sorbitol są zatem formalnie alkoholami!
Oczywiście nikt się nimi nie upije. Mają one smak słodki podobny do smaku wyjściowych cukrów, jednak zwykle nie są tak łatwo wchłaniane przez organizm, a co za tym idzie, nie mają tak samo dużej kaloryczności. Z tego też powodu zaczęły być używane jako niskokaloryczne słodziki polepszające smak żywności, zwłaszcza tej przeznaczonej dla cukrzyków, muszących dbać o poziom glukozy i insuliny. A ponieważ cukrów wyjściowych jest dużo, to i alkoholi cukrowych znamy i używamy dość wiele. Omówię te faktycznie stosowane w przemyśle spożywczym.

Omówienie alkoholi cukrowych najlepiej zacząć od tych najkrótszych, a więc po kolei:

Glicerol (E 442)
Lepiej znany jako gliceryna, składnik tłuszczów, bardziej kojarzony jako składnik kosmetyków. Łańcuch zawiera tylko trzy węgle. Jeszcze prostszy glikol etylenowy też bywa uznawany za alkohol cukrowy choć jego aldehyd nie jest cukrem, ale tego w żywności nie spotkamy.
Gliceryna to higroskopijna, gęsta, syropowata ciecz o lekko słodkawym smaku stanowiącym około 50-60% słodkości sacharozy. Raczej nie jest używana jako jedyny słodzik, bardziej służy za rozpuszczalnik wzmacniający smak innych środków słodzących, ponadto służy do zagęszczania i zapobiegania wysychaniu. Jest też składnikiem lukrów do ozdabiania ciastek, zapewnia bowiem półpłynną konsystencję bez krystalizacji w opakowaniu. Mieszając się z wodą nieco się ogrzewa, stąd może być mieszana ze słodzikami które ochładzają się przy rozpuszczaniu jeśli akurat nie jest to pożądane

Jako dodatek do żywności jest bezpieczna, organizm metabolizuje ją tylko częściowo, włączając do szlaku przetwarzania węglowodanów ale z minimalnym użyciem insuliny, stąd też jej bardzo niski indeks glikemiczny. Nie stanowi pożywki dla bakterii wywołujących próchnicę ani dla jelitowych, może jednak wykazywać efekt przeczyszczający, znany zresztą wszystkim używającym glicerynowych czopków. Bywa używana jako dodatkowy słodzik w żywności dla diabetyków oraz jako zamiennik alkoholu w preparatach farmaceutycznych i wyciągach ziołowych (gliceryty) jeśli akurat sam alkohol nie jest wskazany.

Erytrytol
Produkt redukcji erytrozy, czterowęglowego cukru prostego zawartego między innymi w ogonkach liści rabarbaru, od  którego wziął nazwę (greckie "erythros" czyli "zaczerwieniony"). Wyjściowy cukier nie występuje w naturze zbyt często, dlatego substratem jest glukoza. Poddaje się ją fermentacji z użyciem kolonii grzybów z rodzaju Moniliella lub Aureobasidium, które zwykle odpowiadają za psucie się wysokosłodzonej żywności. Rozbijają one sześciowęglową cząsteczkę glukozy i w warunkach beztlenowych końcowym produktem jest gotowy erytrytol obok innych polioli.

Związek ten ma smak bardzo podobny co sacharozy i niewiele mniejszą słodkość, rzędu 70-80%. Wykazuje synergizm z innymi słodzikami, częściowo maskując gorzki posmak, stąd chętne użycie wraz ze stewią. Co jednak najbardziej interesujące, nie jest prawie w ogóle metabolizowany. Większość zażytej dawki wchłania się jeszcze w jelicie cienkim, po czym w formie niezmienionej zostaje wydalona z moczem. Około 10% dostaje się do jelita grubego, tam jednak bakterie nie za bardzo się nim interesują. Powoduje to, że w odróżnieniu od ksylitolu czy sorbitolu, które w większości przedostają się do okrężnicy i działają osmotycznie, erytrytol nie wywołuje rozwolnienia czy wzdęć.
Ostatecznie tylko niewielka ilość zostaje zmetabolizowana, bez wykorzystania insuliny, stąd przypisuje się mu indeks glikemiczny bliski zeru i kaloryczność ok. 0,2 Kcal.
[1]

Jego diastereoizomerem, różniącym się konfiguracją, jest treitol. Nie jest jednak używany jako słodzik.

Ksylitol
Pięciowęglowy poliol otrzymywany przez redukcję ksylozy, składnika zdrewniałych części roślin. W naturze w wolnej postaci występuje rzadko, głownie w soku niektórych owoców. Jego słodkość jest zbliżona do sacharozy, natomiast indeks glikemiczny wielokrotnie niższy. Wynika to stąd, że jest słabo wchłaniany, duża część pozostaje w treści jelit, część wchłoniętego jest wydalana z moczem. Pewna ilość ksylitolu może być trawiona przez bakterie jelitowe do krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych i w takiej formie wykorzystana; ponadto pewna ilość wchłoniętego związku może być zamieniana w glikogen w wątrobie, ale jest to proces powolny. Łącznie efekty te dają kaloryczność możliwą do wykorzystania przez organizm około 2,4 Kcal, o 40% mniejszą od cukru stołowego.

Przechodzenie dużej ilości ksylitolu do treści jelita grubego skutkuje działaniem osmotycznym, zauważalnym zwłaszcza u osób, których dieta nie zawierała dotychczas takiego składnika. Zanim organizm się przyzwyczai i zacznie inaczej reagować, odpowiednio duża jednorazowa dawka działa rozwalniająco. Ponadto pewien stopień trawienia przez bakterie jelitowe może u niektórych skutkować wzdęciami. Poza tymi drobnymi przypadłościami nie zaobserwowano szkodliwego działania nawet bardzo dużych dawek.

Ksylitol jest natomiast toksyczny dla psów i niektórych ptaków, ze względu na zbyt silne pobudzenie wydzielania insuliny. Dawanie zwierzętom diabetycznych smakołyków raczej nie jest dobrym pomysłem. Napisałem o nim osobny artykuł, tam więcej informacji (Link).

Sorbitol
Alkohol sześciowęglowy otrzymywany przez redukcję glukozy, w naturze występujący w niewielkich ilościach w soku jabłkowym i śliwkowym, po raz pierwszy wyizolowano go z owoców jarzębiny, skąd wzięła się nazwa. Jest chętnie używany w żywności dietetycznej czy gumach do żucia "bez cukru". Jest w małym stopniu wchłaniany i przechodzi do treści jelita grubego, gdzie w zbyt dużej ilości może działać przeczyszczająco. Prawdopodobnie obok samego tylko błonnika przyczynia się do przeczyszczającego działania suszonych śliwek, w których występuje obficie. Bywa używany w medycynie jako diuretyk do obniżania ciśnienia wewnątrz oka

Mannitol 
Drugi alkohol sześciowęglowy, od sorbitolu różniący się konfiguracją na asymetrycznych atomach węgla, formalnie będący produktem redukcji mannozy. Zwykle otrzymywany przez uwodornianie fruktozy, ale także stosunkowo duża część zapotrzebowania jest uzupełniana ze źródeł naturalnych, obficie występuje w niektórych krasnorostach i owocach, oraz w soku jesionu mannowego od którego wziął nazwę. Słodkość podobna do cukru stołowego i niski indeks glikemiczny powodują, że także jest chętnie używany jako słodzik.

Stopiony tworzy masę podobną do szkła, która jest praktycznie niehigroskopijna, stąd użycie w cukierkach, gumach do żucia, w polewach pokrywających draże oraz jako składnik ozdób cukierniczych.

Mannitol ma ważne zastosowania medyczne. W formie zastrzyku dożylnego jest używany do szybkiego obniżania ciśnienia wewnątrz gałki ocznej, co wykorzystuje się w leczeniu jaskry, oraz obniża nadmierne ciśnienie wewnątrzczaszkowe. Dodatkowo może zmniejszać obrzęki regulując wydalanie wody. Dożylnie zwiększa też wydzielanie wody przez nerki, co wykorzystuje się przy leczeniu skąpomoczu i przy eliminacji toksyn.

Laktitol
Zredukowana forma laktozy, dwucukru występującego w mleku. Laktoza składa się z cząsteczki glukozy i cząsteczki galaktozy. Laktitol jest otrzymywany poprzez selektywne zredukowanie tylko składowej cząsteczki glukozy, w związku z czym formalnie jest połączeniem galaktozy z mannitolem. Słodycz stanowi około 40% słodkości białego cukru. Ponieważ związek jest dość stabilny w wysokich temperaturach oraz mikrobiologicznie, jest chętnie używanym dodatkiem do dietetycznych wypieków, ciasteczek, czekolady i kremów.

W większych ilościach może działać przeczyszczająco, bywa składnikiem leków przeciw zaparciom. Nie jest polecany osobom nie trawiącym galaktozy.

Maltitol
Produkt częściowej redukcji maltozy, dwucukru złożonego z dwóch cząsteczek glukozy, naturalnie obecnego w dekstrynach i słodzie. Redukcji ulega tylko jedna cząsteczka składowa, toteż formalnie jest to połączenie glukozy i sorbitolu. Produkuje się go w wyniku uwodornienia syropu kukurydzianego, produktu częściowej hydrolizy skrobi. Powstaje wówczas mieszanina maltitolu, sorbitolu i częściowo uwodornionych wielocukrów.
Właściwości fizyczne ma bardzo podobne do sacharozy - podobny smak, gęstość, temperaturę topnienia, skłonność do karmelizacji, dlatego może zastępować ją we wszystkich zastosowaniach spożywczych.
W bardzo dużych ilościach na raz, działa przeczyszczająco, choć ryzyko jest w tym przypadku małe.

Izomalt
Mieszanina częściowo zredukowanych dwucukrów. Wytwarzana w dwuetapowym procesie - najpierw sacharoza jest poddawana reakcji z enzymem otrzymywanym z pewnych bakterii, który zamienia ją w izomaltulozę. Jest to dwucukier w którym glukoza i fruktoza są połączone w inny sposób. W sacharozie jest to wiązanie łączące atom nr.1 jednej cząsteczki z atomem nr.2 drugiej. W izomaltulozie wiązanie przeskakuje w pozycję 1-6. Skutkuje to tym, że jest to cukier o właściwościach redukujących.
Uwodornienie izomaltulozy daje mieszaninę dwóch związków, w związku z tym, że w części przypadków uwodorniła się tylko składowa cząsteczka glukozy a w innym tylko fruktozy, powstaje więc glukozo-sorbitol czyli maltitol, oraz glukozo-mannitol.

Izomalt jest używany głównie do bezcukrowych cukierków, łatwo bowiem tworzy przezroczystą, niehigroskopijną masę i nie ma skłonności do zlepiania się z innymi cukierkami. Jest odporny na krystalizację, stąd użycie do ozdób cukierniczych i rzeźb z topionego cukru

Uwodorniony hydrolizat skrobiowy (HSH)
Mieszanina różnych związków, otrzymywana przez uwodornienie dekstryn wytwarzanych przez częściową hydrolizę skrobi. Może zawierać wyraźną przewagę jednego alkoholu cukrowego, na przykład sorbitolu czy mannitolu, jeśli jednak ponad 50% stanowią częściowo zredukowane wielocukry, używa się właśnie takiej nazwy. Słodkość zależy od stopnia uwodornienia, dochodzi do 50% słodkości białego cukru. Stanowi dodatkowy składnik obok innych słodzików, oraz środek zwiększający lepkość i gęstość

-------
[1] http://ncl.csircentral.net/920/1/th1868.pdf