Kiedyś w laboratorium... (11.)

Podczas praktyk zawodowych miałem parę chwil wolnego czasu aby móc się pobawić. Wycisnąłem torebkę czarnej herbaty do zagłębień porcelanowej płytki i dodałem do jednego zasady sodowej a do drugiego kwasu siarkowego:

Niestety wyciśnięty napar był dosyć mocny i dlatego różnica odcieni nie jest tak dobrze widoczna jak przy słabszym, co każdy ma możliwość obserwować zakwaszając herbatę cytryną.

W liściach herbaty zawarte są garbniki, będące polifenolami - najczęściej są to pochodne katechiny, w zielonych liściach występujące w słabo zabarwionej frakcji niskocząsteczkowej. Podczas fermentacji te drobne cząsteczki ulegają enzymatycznemu utlenieniu pod wpływem oksydazy polifenolowej do bardzo reaktywnych chinonów a następnie polimeryzacji tworząc duże agregaty o kolorze od żółtego do brązowego, odpowiadające za czarny kolor herbaty i odcienie jej naparów[1] Dodatkowo część chinonów, tworzy z pozostałymi fenolami kompleksy z przeniesieniem ładunku, często o żywej barwie o czym każdy mógł się przekonać podczas zbierania podgrzybków - sinoniebieski kolor uszkodzonego miąższu owocnika tego grzyba, z powodu którego czasem mówi się na nie "siniaki" to właśnie wynik powstawania barwnych kompleksów CT głównie dla kwasu kserokomowego (xerocomic acid).[2] Za brązowienie pieczarek odpowiada atromentyna. Spotykam się z błędnym twierdzeniem, że niebieszczenie grzybów jest oznaką ich halucynogenności.
 Podobna reakcja zachodzi po mechanicznym uszkodzeniu (krojenie, rozcieranie) w wielu owocach i warzywach - to właśnie tworzenie wielkocząsteczkowych polifenoli odpowiada za brązowienie jabłek, bananów, ziemniaków, a nawet krewetek i homarów[3] a nie, jak to się już spotkałem, utlenienie żelaza. Po zakwaszeniu lub sparzeniu enzym przestaje być aktywny i owoce nie ciemnieją. Garbniki te nadają herbacie właściwości przeciwbakteryjne, przeciwzapalne i ściągające.
Katechina i jej pochodne zawierają pierścienie aromatyczne z grupami hydroksylowymi - w takim układzie pojawia się równowaga między formą fenolową a chinonową, zależna od pH środowiska. W środowisku zasadowym garbniki oddają proton i przeważać zaczyna forma chinonowa o silniejszym zabarwieniu, w środowisku kwaśnym przeważa forma fenolowa o kolorze mniej intensywnym. W zasadzie można więc taki napar potraktować jako niezbyt precyzyjny wskaźnik kwasowości. Ot i cała tajemnica - niektórzy do dziś sądzą, że zakwaszona herbata robi się słabsza i dlatego jest jasna.

 Gdy do naparu dodałem stężonego kwasu, wytrącił mi się pomarańczowy osad - zapewne były to niezdysocjowane garbniki.

ps. Ponieważ zainteresowanie wpisem planowanym na krótką migawkę jest zaskakująco duże, dopisałem trochę jeszcze
-------
*  http://en.wikipedia.org/wiki/Polyphenol_oxidase
[1] Przemysław Dmowski, Maria Śmiechowska, Beata Deja Wpływ warunków zaparzania na zawartość garbników oraz wybranych parametrów barwny herbaty, Zeszyty Naukowe AM
[2]  Stephen F. Nelsen, Bluing Components and Other Pigments of Boletes,  fungimag.com
[3]  Brązowienie enzymatyczne, food-info.net

Kiedyś w laboratorium (10.)

Na zajęciach z biochemii przerabialiśmy cukry a tam porównywaliśmy reakcję różnych cukrów na odczynnik Fehlinga.

Odczynnik Fehlinga to roztwór soli miedzi II w winianie sodowo-potasowym. Przygotowanie odczynnika polega na zmieszaniu roztworu siarczanu miedzi z zasadowym roztworem winianu. Powstaje wówczas kompleks ditartratamiedzi :

 

 Ten w reakcji ze związkami o właściwościach redukujących łatwo redukuje się z wydzieleniem tlenku miedzi I Cu2O. Właściwym utleniaczem jest tutaj miedź II w środowisku zasadowym, zaś jej zakompleksowanie ma zapobiegać tworzeniu się słabo rozpuszczalnego wodorotlenku, z którym reakcja przebiega wolniej i który ma skłonność w gorącej wodzie rozkładać się do czarnego tlenku miedzi II CuO, mogąc tym samym zamaskować oczekiwany wynik.

Tymi związkami mogła być na przykład cukry zawierające wolną grupę aldehydową, utleniającą się do karboksylowej. Test wprowadził już w 1848 roku niemiecki chemik Hermann Fehling i do dziś jest używany do wykrywania glukozy w moczu.

W przypadku badań cukrów reakcji ulegają te dwucukry, w których wolna pozostaje któraś grupa aldehydowa. W tym konkretnym przypadku nalałem kolejno od lewej - wody (ślepa próba), glukozy, maltozy i sacharozy.

W próbówce z woda odczynnik nie zmienił koloru po ogrzewaniu, w tej z glukozą strącił się intensywnie pomarańczowy osad, w tej z maltozą też choć nieco mniej, a w tej z sacharozą...
Teoretycznie roztwór powinien pozostać bez zmian, bo sacharoza nie jest cukrem redukującym, jednak w rzeczywistości powstało nieco koloidalnego osadu, nadającego mu intrygujący kolor - niebieski z pomarańczowym poblaskiem, dobrze widocznym od strony oświetlonej i prawie zanikającym przy prześwietleniu. Najwidoczniej roztwór sacharozy stojący w pracowni był zanieczyszczony odrobiną innych cukrów, zapewne za sprawą użycia tej samej pipety do różnych próbek przez którąś z poprzednich grup.

Sama próba Fehlinga jest mało charakterystyczna, pozytywny wynik dają cukry redukujące, aldehydy z wyjątkiem aromatycznych a także kwas mrówkowy. Innym wariantem jest odczynnik Benedicta, gdzie miedź jest skompleksowana cytrynianem sodu.

Kiedyś w laboratorium... (9.)

Kiedy jeszcze uczyłem się w technikum, miałem przedmiot Bioanalitykę. Zajęcia prowadziła pani Skrobek, którą miło wspominam między innymi dlatego, że nie widziała przeszkód abym mógł robić na zajęciach zdjęcia. Jedne z zajęć poświęcone były podstawom histologii i wówczas nie omieszkałem sfotografować przez mikroskop pokazywanych preparatów tkankowych. Ten, który podaję poniżej, to preparat komórek rakowych:

Preparat był utrwalany i niestety dosyć stary, dlatego popękał. W każdym razie widać bardzo grubą błonę komórkową, i nieregularne jądro dzielące się równocześnie na kilka części. Taki wygląd mają komórki raka stodium szybkiego wzrostu.

Kiedyś w laboratorium (8.)

Fenoloftaleina jest powszechnie używana jako wskaźnik kwasowo-zasadowy, w warunkach zasadowych przy pH 8,2 z formy bezbarwnej zamieniający się w formę różowo-malinową. Nie każdy jednak wie, że w ekstremalnych warunkach może przejść w jeszcze inne formy. Pod wpływem bardzo silnych zasad odbarwia się, zaś w bardzo silnych kwasach staje się pomarańczowa, co pewnego razu sprawdziłem:

Fenoloftaleina w stężonym kwasie siarkowym

Wszystkie te przemiany wiążą się ze zmianami budowy cząsteczki. Związek formalnie rzecz biorąc jest pochodną bezwodnika ftalowego, który skondensował z dwiema cząsteczkami fenolu, W związku z tym jedna połowa pochodzącej od dwóch grup karboksylowych, grupy karbonylowej, zostaje zajęta, zaś pozostała część formalnie rzecz biorąc może być uznana za cykliczny ester. Decyduje to o właściwościach.
W warunkach silnie zasadowych pierścień estrowy hydrolizuje do reszty karboksylowej. Swoje wodory odszczepiają też dwie cząsteczki fenolu. Powstała struktura mezomeryczna adsorbuje część światła, pozostawiając intensywny kolor pomiędzy fioletem a różem.
Gdy związek znajdzie się w środowisku silnie kwaśnym, pierścień estrowy hydrolizuje do grupy karboksylowej, jednak fenole nie odszczepiają wodoru, przez co na zwornikowym atomie węgla powstaje niedomiar elektronów i cała cząsteczka staje się dosyć trwałym kationem trifenylometylowym, o barwie intensywnie pomarańczowej.

Jako ciekawostkę można dodać, że fenoloftaleina jest środkiem przeczyszczającym, stosowanym w medycynie od stu lat. Nie znalazłem informacji wedle jakiego mechanizmu działa, ale podejrzewam że oddziałuje tu forma anionowa, pojawiająca się przy obecności zasadowej żółci. Obecnie jednak wycofuje się ją, z powodu jak na razie niedostatecznie potwierdzonych, ale jednak istniejących podejrzeń o rakotwórczość.

Wczoraj w laboratorium (7.)

Na pierwszych zajęciach z biochemii przeprowadzaliśmy próby charakterystyczne na aminokwasy. Tu reakcja Adamkiewicza-Hopkinsa:



Próba wykrywa obecność tryptofanu, aminokwasu stanowiącego składową wielu białek, a dokładnie grupy indolowej. Gdy do mieszaniny tryptofanu z kwasem octowym wleje się ostrożnie stężonego kwasu siarkowego tak, aby utworzył warstwę na dnie, na granicy faz w silnie zakwaszonym środowisku aminokwas reaguje z grupą karbonylową tworząc barwny produkt kondensacji, koncentrujący się w warstwie granic faz i opisywany jako "wiśniowy pierścień". Wszystkie reakcje dla białek i aminokwasów omówię lepiej w osobnym wpisie, bo mi się trochę ich zdjęć nagromadziło.

Kiedyś w laboratorium... (6.)

Na zajęciach bardzo lubię po skończonych próbach mieszać ze sobą zawartości różnych próbówek, ot tak, zobaczyć co się stanie. Niekiedy uzyskuję w tej sposób bardzo niezwykłe efekty kolorystyczne, do czego przyczynia się wąski kształt próbówek, utrudniający zmieszanie się roztworów. Koledzy z roku mówią mi, że może kiedyś otrzymam całą tęczę. Na razie do tego daleko, ale co ładniejsze przypadki fotografuję.
Niestety większość Chemii to badania nie efektowne, przynajmniej dla nieobeznanych w temacie, z wykresami, tabelkami, przyrządami itp. Czasem jednak trafia się coś ładniejszego.
Poniżej próbówki z prób charakterystycznych na Kobalt:
O ile dobrze pamiętam, pierwsza od lewej zawierała kobalt potraktowany wodą utlenioną i podgrzany. Ciemny osad to tlenek. Następnych nie jestem pewien, ale środkowa z osadem o bardzo ładnym liliowo-wrzosowym kolorze, to węglan kobaltu.

Wczoraj w laboratorium... (5.)

Podczas zdawania szafki na pracowni, po wyciągnięciu całego sprzętu zauważyłem, że na dnie erlenmajerki wykrystalizowały resztki czegoś dawno zapomnianego, tworząc intrygujący wzór:
Aż szkoda było myć. Układ igiełek przypomina mi zdjęcie mikroskopowe strzępków grzyba pędzlaka. Co zaś przypomniało mi o pewnym konkursie na mikro i makrofotografię, na który można słać zdjęcia aż do kwietnia.
No ale na razie sesja.

Błąd na błędzie - czyli analiza nieznanego związku organicznego

Tyle już tu pisałem o tym, że ludzie popełniają błędy, że w historii chemii zdarzały się pomyłki i mistyfikacje, że należy odnośnie głośnych i nowych odkryć zachować ostrożność, a jak przyszło co do czego sam się przed nimi nie ustrzegłem. W zasadzie więc nie ma się czym chwalić, jednak po fakcie pomyślałem, że moja historia może zawierać w sobie pewien sens moralny, albo po prostu nauczkę co do tego, o czym analityk powinien pamiętać oraz - a również i zwykłym czytelnikom może być to przydatne - na co powinien najbardziej uważać. A uważać powinien na siebie.

Przedmiot analiza związków organicznych jaki mam w tym roku, idzie mi tak sobie. Sporo reakcji już pozapominałem, więc na kolokwiach raczej nie błyskam nadzwyczajnymi wynikami, w zasadzie jednak praktyka powinna mi iść dobrze. I tak mi się też wydawało, gdy bez większych problemów oznaczyłem tożsamość pierwszego nieznanego związku.
Była to substancja stała, drobnokrystaliczna i jasnofioletowa z ciemniejszymi grudkami, o wyraźnym, ostrym zapachu fenolu. Topiła się w zakresie 59,5-62 st. C; nie rozpuszczała się w wodzie i 5% roztworze wodorowęglanu sodu, natomiast rozpuszczała w 10% NaOH co zaliczało ją do grupy rozpuszczalności KW. 2. Spalała się żółtym, kopcącym płomieniem, gasnącym po wyjęciu, wydzielając przy tym opary które po ostrożnym wwachlowaniu dłonią pod nos okazały się bardzo ostre i kręciło mnie po nich jeszcze następnego dnia. Z heteroatomów wykryłem tylko brom. Pomyślałem zatem - pachnie fenolem, pali się jak związek nienasycony - a sprawdzajmyż czy to jakiś fenol. Rozmieszałem trochę z wodą w której odrobinkę się rozpuszczał i dodałem żelaza III. Roztwór zabarwił się butelkowo z fioletowawym odcieniem przy dnie - więc jakiś fenol to jest. Dla otrzymania pochodnej krystalicznej potraktowałem próbkę rozpuszczoną w alkoholu, nitrującą mieszaniną kwasu azotowego i azotanu III sodu. Po przekrystalizowaniu, odsączeniu, przemyciu i wysuszeniu, zbadałem że moja nitropochodna, mająca postać jasnopomarańczowego proszku, topi się w zakresie 98-104 st. C.
Potem zajrzałem do odkserowanych z podręcznika tabel fizykochemicznych, wyszukałem związek najbardziej pasujący a prowadzący potwierdził - był to para-bromofenol. Proste.

Teraz należało zająć się drugim związkiem. Była to ciecz, bezbarwna, wodnista o wyraźnym migdałowym zapachu - jak nic, myślę sobie, albo benzen albo alkilopochodna. Więc sprawdzam rozpuszczalność - w wodzie nie, w 5% NaOH nie, w 5% HCl nie, w stęż. H2SO4 tak z rozkładem, w steż. H3PO4 tak. Zatem moja substancja należy do grupy rozpuszczalności O1. To też pasuje - pomyślałem.
Zatem palność: pomarańczowy, nie gasnący płomień, tak silnie kopcący aż obawiałem się, że będę musiał myć dygestorium. Następnie przedestylowałem próbkę, mierząc temperaturę par - w pewnym momencie temperatura zaczęła utrzymywać się na stałym poziomie, odpowiadającym temperaturze wrzenia, która w tym przypadku wyniosła 173 st. C. Zdecydowanie za wysoko na benzen (80 °C) ale pozostawały jeszcze pochodne.

Następnie heteroatomy - po stopieniu próbki z sodem, i rozprowadzeniu w wodzie nie wykryłem siarki, azotu i halogenów. Więc heteroatomów raczej nie ma. Pasuje

I cóż? Swoją teorię już miałem i się jej uparcie trzymałem. Najpierw więc próba na grupę aromatyczną. Zmieszałem próbkę z chloroformem i nasypałem łopatką odrobinę bezwodnego chlorku glinu, tak aby osiadł na ściance - zauważyłem przy okazji, że pył bezwodnego związku osiadający na skórze daje przejściowe uczucie ciepła. Następnie przechyliłem próbówkę aby ciecz zwilżyła związek, i obserwując powstające zabarwienie byłem pewien, że mam związek aromatyczny:

Barwne związki

Próba ta opiera się na dosyć ciekawym mechanizmie:

Schemat reakcji

Najpierw chloroform reaguje z chlorkiem glinu będącym, jak powszechnie wiadomo, kwasem Lewisa. Ten przyłączył jeden chlor i utworzył z chloroformem nietrwałe połączenie o charakterze pary jonowej, gdzie na kompleksie nieorganicznym mamy ładunek ujemny a na części organicznej ładunek dodatni. Następny etap to substytucja elektrofilowa i przyłączenie reszty chloroformu do pierścienia aromatycznego. Jest to w zasadzie zwykła reakcja Friedla i Craftsa. Ponieważ w reszcie pochodnej od chloroformu nadal znajdują się atomy chloru, wobec nadmiaru chlorku glinu - a pamiętajmy że nasza reakcja zachodzi w grudkach związku zwilżonych naszą mieszaniną - reakcja się powtarza. W powyższym przykładzie benzen ulega zamianie w trifenylometan, ale jest na prawdę wiele innych możliwości, z polimerami włącznie. Całość tworzy związki o dużej ilości struktur mezomerycznych, które pochłaniają różne długości fal i odznaczają się silnym zabarwieniem. Tutaj pojawił się kolor fioletowy, więc związek aromatyczny to był.
Pasuje - myślę sobie zatem. Ponieważ temperatura wrzenia nie pasowała do benzenu, dla potwierdzenia że mam do czynienia z pochodną alkilową, wytrząsałem próbkę z zakwaszonym roztworem manganianu VII potasu, który mi się odbarwił, co uznałem za potwierdzenie koncepcji. Z temperatury wrzenia pasował p-cymen. Niestety w tym momencie skończyły mi się zajęcia i ostateczną identyfikację odłożyłem na później.

Na następnych zajęciach zabrałem się za otrzymywanie pochodnej krystalicznej. Dla związków aromatycznych taką wygodną jest pochodna benzoilowa, to jest z przyłączonymi resztami kwasu benzoesowego. Substratem w tej reakcji jest chlorek kwasowy, czyli chlorek benzoilu, związek o specyficznym, bardzo silnym zapachu, który pomimo przeprowadzania reakcji pod dygestorium, zasmrodził całą salę. Moją substancję, rozpuszczoną w alkoholu, zmieszałem z 10% wodorotlenkiem sodu, dodałem 1 ml chlorku benzoilu i wytrząsałem aż roztwór przestał śmierdzieć, co znamionowało koniec reakcji.

Benzoilowanie

Wytrącony osad odsączyłem na lejku Buchnera, przemyłem ostrożnie odrobiną wody dla wymycia kwasu benzoesowego, który też powstaje w tej reakcji, nabiłem nim kapilarkę i zacząłem mierzyć temperaturę topnienia. Mierzyłem i mierzyłem. Mierzyłem powoli i ostrożnie. Mierzyłem z uwagą i powagą. Mierzyłem aż się znudziłem a temperatura na termometrze sięgnęła 350 st. C. Dalej nie chciałem ogrzewać, bo się skala kończyła a obudowa zaczęła podejrzanie pachnąć spalenizną, zaś moja pochodna topić się nie chciała. Żaroodporna pochodna, coś takiego! Prowadzący też się zdumiał i po moich ostrożnych zapytaniach kazał sprawdzić inne grupy funkcyjne.
No cóż, może coś przeoczyłem. Najpierw więc grupa alkoholowa, bo może to alkohol benzylowy, on też powinien pachnąć migdałami. W tym momencie niektórzy czytelnicy mogą się już domyśleć co też takiego miałem w próbówce, ja jednak nie skojarzyłem, i brnąłem dalej w pochodne podstawionego grupami alkilowymi benzenu jak to sobie na początku założyłem.
Próba Lucasa pozwalała w zasadzie na odróżnienie od siebie alkoholi o różnej rzędowości i była raczej niemiarodajna, ale odczynnika cerowego nie miałem. Do odmierzonej ilości stężonego kwasu solnego wsypałem chlorek cynku i po rozpuszczeniu dodałem mój związek. Podręcznik podawał, że dla alkoholi III rzędowych natychmiast a dla II rzędowych po pewnym czasie, powinno pojawić się zmętnienie a nawet oddzielenie się warstewki żółtawego oleju chloropochodnej (a dla I rzędowych nic), dlatego gdy po zmieszaniu wszystkiego roztwór zabarwił się tak żółtawo, uznałem próbę za trafioną.

Próba Lucasa, wynik fałszywy

Tabele z podręcznika podawały, że zbliżoną temperaturę wrzenia ma furfurol, więc od razu zapytałem prowadzącego czy to to. Nie, to nie alkohol. Trudno.

Nie alkohol, więc najlepiej sprawdzić od razu grupę karbonylową. Podręcznik podawał tu przepis na próbę z dinitrofenylohydrazyną, gdzie należało roztwór alkoholowy odczynnika dodać do próbki i w razie czego powinien wytrącić się osad odpowiedniej pochodnej, zgodnie z równaniem:

Powstawanie dinitrofenylohydrazydów

Odsypałem sobie zatem łyżeczkę pomarańczowego związku, wsypałem do próbówki, dodałem badaną próbkę i po wymieszaniu otrzymałem klarowny, pomarańczowy roztwór. Osad niet.
Dla pewności, że nie ma żadnej pomyłki, zrobiłem jeszcze próbę Legala, ograniczoną raczej do metyloketonow. Podczas tej próby metyloketony, reagując z pentacyjanonitrozylożelazianem III sodu (nitroprusydkem wedle starej nomenklatury), tworząc podobno alfa-c-nitrozoketony, ale tej znalezionej na jednej ze stron informacji nie udało mi się potwierdzić. W każdym razie po reakcji w zasadowym roztworze i po zakwaszeniu go kwasem octowym, powinno powstać fioletowe lub czerwone zabarwienie.
I rzeczywiście, gdy wymieszałem co trzeba i chlupnąłem octem, roztwór zrobił się czerwony a warstwa organiczna w intrygujący sposób się wzburzyła przy dnie, tworząc efektowne warstwy:

Próba Legala

A zatem jakiś metyloketon. Zajrzałem do podręcznika i uznałem, że musi to być fenolo-metylo keton. Pełen nadziei zapytałem prowadzącego - pudło! Ponadto po przesłuchaniu mojej relacji kazał powtórzyć pierwszą próbę na grupę karbonylową, tylko porządnie, i to będzie moja pochodna krystaliczna. Zajrzałem jeszcze raz do podręcznika: "alkoholowy roztwór dinitrofenylo..." - ale co tu zmieni alkohol, myślę sobie, on raczej nie bierze udziału w reakcji. Dla spokojności sumienia chlupnąłem do próbówki z otrzymanym wcześniej klarownym roztworem trochę alkoholu i oczywiście wytrącił mi się ładny, pomarańczowy osad:

Ostateczna pochodna

Zajrzałem jeszcze że ta pochodna, jest używana dla potwierdzenia tożsamości aldehydów i złapałem się za głowę. Jak mogłem o tym zapomnieć?! Przecież używałem tego związku. I opisałem. No ale...
Na następnych zajęciach, bo tamte mi się kończyły, odsączyłem pochodną, wysuszyłem, zbadałem temperaturę topnienia (228-231 st. C ) i oczywiście wyszło mi że moją substancją był benzaldehyd.

Aldehyd benzoesowy jest taką właśnie cieczą, pochodną benzenu, o silnie migdałowym zapachu. Nic zresztą dziwnego bo występuje w migdałach wraz z kwasem migdałowym i cyjanowodorem, a wszystkie te produkty hydrolizy cyjanoglikozydów pachną migdałowo. Taka prosta sprawa a ja się tyle męczyłem.

Oczywiście teraz już mogę wskazać gdzie popełniłem błąd, a był już na samym początku. Skoro moja substancja należała do grupy rozpuszczalności O1 to nie mogła być zupełnie niepolarną alkilopochodną aromatyczną, bo te należą do grupy N, ale byłem tak przekonany, że po zapachu odgadłem związek, że nie zwróciłem na to uwagi. Wyszło, że to związek o charakterze obojętnym, więc pasowało. Dlatego po potwierdzeniu aromatyczności nie sprawdzałem dalej i zupełnie niepotrzebnie otrzymałem pochodną benzoilową. Dlaczego wyszła "żaroodporna" nie wiem. Potem na samym początku źle wykonałem próbę na grupę karbonylową bo uznałem, że rozpuszczenie w alkoholu nie ma znaczenia dla wyniku i biedziłem się co dalej. I tak na identyfikację prostego związku zużyłem trzy pracownie.

A teraz morał:
Nie myśl mój czytelniku analityku, żeś za mądry, że od razu wszystko wiesz. Owszem, intuicja się przydaje, ale co innego przeczucie a co innego zaślepienie na to, co nie pasuje. Lepiej dłużej po kolei, na wszelki wypadek posprawdzać inne rzeczy, niż dojść po mozołach do pewnego punktu, i stanąwszy na nim powiedzieć "jestem w kropce". Nie sądź żeś lepszy niż autorzy podręczników, nie myśl, żeś mądrzejszy i nieomylny, bo tylko głupi sądzi, że nie myli się nigdy.
A ma też ta rada odniesienie do innych spraw,
nie chemicznych i nie analitycznych,
czego spokojne rozważenie
zostawiam czytelnikom.

Analiza wody źródlanej "Cisowianka"

Czas chyba aby wrócić tu coś z tego, co wykonywałem na praktykach studenckich w sierpniu tego roku. Jak to już opisywałem, odbyłem je w Laboratorium Ochrony Środowiska Pracy w Siedlcach, a więc w mieście mojej uczelni. Nie miałem tam może jakiś specjalnie efektownych rzeczy do zrobienia, ale zebrałem co nieco materiałów, wartych do przedstawienia.

Podczas jednego z dni, gdy mój prowadzący był nieobecny, aby mieć jakieś zajęcie wykonałem analizę wody mineralnej. Była to akurat Cisowianka.

Cisowianka to, formalnie rzecz biorąc, woda źródlana, nisko zmineralizowana, pobierana z głębokości 100 metrów z pokładów w Drzewcach, koło Nałęczowa. Wprawdzie producent sprzedaje ją jako wodę mineralną, ale zawartość składników mineralnych to tylko 742 mg/l, tymczasem formalnie za mineralną uważa się taką, która zawiera przynajmniej 1g/l . Nazwa ujęcia nawiązuje do uzdrowiska "Cisy" opisanego przez Żeromskiego. Jest to zresztą zabawne, bo opis z Ludzi bezdomnych jest raczej nieprzychylny - Cisy to uzdrowisko wsteczne, prowadzone nieprzemyślane, z którego można było wyjechać bardziej chorym, niż się przyjechało. No cóż, widać nieznajomość literatury nie przeszkadza.

Niestety nie mogłem zrobić pełnej analizy jakościowej i ilościowej, dlatego poprzestałem na badaniu zawartości jonów wodorowęglanowych, wapniowych i magnezowych, a pozostałe składniki oznaczałem jakościowo.

Wodorowęglany:
Zawartość anionów wodorowęglanowych oznaczałem alkacymetrycznie, miareczkując próbkę wody mianowanym kwasem solnym, wobec oranżu metylowego jako wskaźnika.
Dla reakcji:

HCO-3 + H⁺ → CO₂↑ + H₂O

jeden mol kwasu reaguje z jednym molem anionów.

Napełniłem więc biuretę mianowanym roztworem HCl o stężeniu 1,02 mol/l, wlałem do kolbki jedną pipetę wody i dwie krople oranżu, po czym bardzo ostrożnie, mając na uwadze nieduże stężenie, po kropli dodawałem kwas aż do momentu, gdy żółty roztwór przybrał kolor pomarańczowy. W tym przypadku wystarczyło 0,85 ml. Dla tak małych ilości błąd oznaczenia może być duży, nie miałem jednak bardziej rozcieńczonego kwasu na podorędziu.
Po przeliczeniu uzyskałem zawartość wodorowęglanów 0,5289 mg/l, co wobec etykietowej 0,5426 mg/l nie było tak dużym błędem.

Wapń:
Oznaczanie wapnia przeprowadziłem kompleksometrycznie, przy pomocy mianowanego roztworu EDTA.

EDTA czyli kwas etylenodiaminotetraoctowy, jest znanym związkiem chelatującym, tworzącym kompleksy z szeregiem metali ciężkich, a nawet z takimi lekkimi jak magnez, wapń czy lit. Posiada aż sześć atomów zawierających wolne pary elektronowe i mogących w związku z tym tworzyć kompleks. Cząsteczka kwasu zwija się, niczym zaciskana pięść, "łapiąc" atom w klatkę. Jeden jon metalu jest kompleksowany przez jedną cząsteczkę EDTA.
Ale po czym wobec tego poznać, że wszystkie jony metalu zostały związane?
W analizie kompleksometrycznej używa się specjalnych wskaźników, które same mogą tworzyć związki kompleksowe, jednak ich trwałość jest mniejsza, niż trwałość kompleksu, jaki metal tworzy z EDTA. Gdy więc wolne jony zostaną związane, titrant zaczyna reagować z kompleksem wskaźnika - zachodzi zatem zjawisko wypierania:

WSK(M) + EDTA → WSK + EDTA(M)

Forma związana kompleksu powinna mieć inne zabarwienie niż forma uwolniona, jak zatem łatwo się domyśleć, po związaniu wszystkich jonów metalu, a więc w punkcie końcowym miareczkowania, barwa roztworu ulegnie zmianie.

W przypadku oznaczania wapnia obok magnezu należy silnie zalkalizować środowisko, dodając odpowiednią ilość wodorotlenku sodu, magnez będzie wówczas wiązany w formie wodorotlenku, zaś jego kompleks z EDTA będzie bardzo nietrwały, w związku z czym podczas miareczkowania zmianom stężenia będzie ulegał tylko wapń.

Wskaźnikiem użytym do tego oznaczania będzie Kalces, czyli sól sodowa kwasu kalkonokarboksylowego, który w punkcie końcowym zmienia kolor z różowo-fioletowego na niebieski. Filmu z miareczkowania kalcesem nie mam, ale są zdjęcia:

→ Kalces przed miareczkowaniem

Kalces po
→

Tak więc pobrałem dwie pipety badanej wody (podwójna ilość aby zeszło więcej titranta co zmniejsza błąd związany z niedokładnościami biurety), dodałem odpowiednią ilość NaOH, wlałem kilka kropel roztworu wskaźnika i jak się rzekło, miareczkowałem mianowanym roztworem EDTA dopóki nie nastąpiła zmiana zabarwienia.

Po przeliczeniu otrzymałem wynik 0,1242 g/l, co wobec
etykietowej 0,1313 g/l nie jest dużym błędem



Magnez:
Oznaczanie zawartości magnezu wykonuje się pośrednio. Zamiast tak dobierać warunki, aby wyeliminować wpływ wapnia, miareczkuje się po prostu sumę zawartości wapnia i magnezu. Ponieważ zawartość wapnia już poznaliśmy, przez odjęcie jednej wartości od drugiej uzyskamy zawartość samego magnezu.

Użytym przy tym wskaźnikiem jest Czerń eriochromowa T, związek organiczny o ciemnofioletowej barwie, tworzący z metalami kompleks koloru różowo-fioletowego, choć o bardziej soczystym odcieni niż kalces. W pobliżu punktu końcowego roztwór zabarwia się na fioletowo a za punkt końcowy uważa się zabarwienie niebieskie. I tu pomocny będzie film:


Nieco wcześniej napełniając biuretę zalałem fartuch roztworem EDTA, dlatego miareczkuję bez niego, nie zbyt może poprawnie.
Oznaczanie przeprowadza się w środowisku lekko zasadowego buforu amonowego. Po obliczeniach i odjęciu od otrzymanego wyniku oznaczonej wcześniej zawartości samego wapnia, otrzymałem zawartość magnezu 0,02433 g/l, wobec etykietowej 0,0225 g/l. Może gdybym używał bardziej rozcieńczonych titrantów udałoby się błąd zmniejszyć

A pozostałe jony? Chlorkowy oznaczyłem tylko jakościowo - do zakwaszonej kwasem azotowym V próbki dodałem azotanu srebra. Biały osad, rozpuszczający się w roztworze amoniaku i wytrącający się po ponownym lekkim zakwaszeniu, był oznaką jonów chlorkowych. W zasadzie mógłbym oznaczyć chlorki argentometrycznie metodą Mohra, ale brakło mi czasu. Sodu i potasu nie oznaczyłem, bo nie miałem drucika platynowego.

Kiedyś w laboratorium... (4.)

Chromatogram krążkowy podczas analizy aminokwasów:
Wywoływane roztworem ninhydryny. Wygląda jak horoskop.

Stapianie z sodem

Dziś krótko o jednej z ważniejszych a przy tym ciekawszych prób analitycznych w chemii związków organicznych, mianowicie o wykrywaniu heteroatomów przez stapianie związków z metalicznym sodem.

Związki organiczne, jak wiadomo, są zasadniczo związkami węgla czterowartościowego, często połączonego w łańcuch, z wodorem, tlenem i innymi pierwiastkami zależnie od posiadanych grup funkcyjnych i podstawników. Aby przynajmniej orientacyjnie stwierdzić, czy nie mamy tu do czynienia z takim właśnie przypadkiem, należy sprawdzić zawartość tych innych pierwiastków. Nie można tego zrobić bezpośrednio działając na substancję odczynnikami (to znaczy czasem można, ale nie z każdym związkiem się to udaje), najpierw więc należy ją rozłożyć, zaś zawarte pierwiastki przekształcić w łatwo wykrywalne związki nieorganiczne. Właśnie dlatego przeprowadzamy stapianie z metalicznym sodem( tzw. próba Lassaigne'a).

Kawałki sodu

Należy wziąć małą próbóweczkę i umieścić w niej niewielką (0,2 g lub 0,2 ml) ilość badanej substancji. Następnie wziąć kawałeczek metalicznego sodu mniej więcej wielkości ziarnka grochu, wcześniej odsączonego od resztek nafty czy oleju w których musiał być przechowywany z racji dużej reaktywności metalu, wrzucić do próbki substancji i ująwszy metalowymi szczypcami ostrożnie ogrzewać.

Stapia się

Sód powinien się stopić i zacząć dosyć gwałtownie reagować z naszą próbką, iskrząc i wydzielając dym. Może się też zdarzyć, że pary naszego związku zapalą się, dlatego całość wykonujemy pod wyciągiem, najlepiej w okularach ochronnych, pamiętając przy tym, aby wylot próbówki był skierowany do wnętrza dygestorium nie zaś na salę.
Gdy stop we wnętrzu przereaguje należy ogrzać całość mocniej, aż szkło rozgrzeje się do czerwoności. Czy nie pęknie? Właśnie że ma pęknąć.

Rozgrzaną do czerwoności próbówkę szybkim ruchem wprowadzany do uprzednio przygotowanej parowniczki z woda, w miarę możliwości pukając o nią dnem. Naczynie pęknie zaś stop zetknie się z wodą i gwałtownej reakcji ulegną resztki pozostałego jeszcze sodu. Rzecz najlepiej objaśni film wykonany pod czas tych czynności, co przysporzyło mi niemało trudności:

Jak widać substancja uległa zwęgleniu, jednak nie cały sód przereagował. Gdy próbówka pękła w wodzie, część zapalonego sodu pyprysnęła, co potwierdza zasadność prowadzenia reakcji pod wyciągiem. Skądinąd dobrze, że iskra nie trafiła w miseczkę z resztkami i papierkami do odsączenia nafty, boby się zrobił mały pożar.
Teraz należy tylko przesączyć zawartość parowniczki i tak otrzymany płyn poddać próbom analitycznym.

Azot zawarty w związkach (np. grupy aminowe, amidowe, azotanowe, nitrozowe itd.) ulega przemianie w cyjanek, który wykrywa się przy pomocy soli żelaza II, co już opisywałem w notce o błękicie pruskim. Siarka, na przykład z grup sulfonowych czy tiolowych, zamieni się w siarczki. Jeśli w związku zawarta była i siarka i azot, powstają jony tiocyjanianowe (rodanki), wykrywane żelazem III. Halogeny zamieniają się w odpowiednie chlorki, jodki i bromki.
Nie wiem jak jest z innymi, rzadszymi pierwiastkami. Podejrzewam, że fosfor zamienia się w fosforek sodu, który w wodzie daje gazowy fosfan, przez co w roztworze już się go nie wykryje.

------
Ps. - gdzieś tak w połowie listopada będę brał w kolejnej konferencji studenckiej, gdzie wygłoszę arcyciekawy jak mam nadzieję, referat o rodnikowej dekarboksylacji benzoesanu sodu w napojach, prowadzącej do powstawania rakotwórczego benzenu. Na razie więc trzymajcie kciuki, a potem dodam tu o tym dłuższy artykuł, który może uda się puścić w ramach Research Bloggingu

Chromatograficzna analiza barwników roślinnych

Jesień... jesień... lecą liście z drzew...

Jesień

Jesienią dotychczas jednorodnie zielone, kolorystycznie jednolite rośliny, nagle przebarwiają się całą paletą żółci, pomarańczy, czerwieni i brązów, gdy zaś w dodatku pogoda jest słoneczna krajobraz może wyglądać równie zachwycająco jak w pełnym rozkwicie letnich miesięcy. Chemik natomiast, oprócz walorów całkiem estetycznych, dostrzeże wokół barwniki, dotychczas maskowane przez głęboką zieleń chlorofilu, teraz zaś, po jego rozpadzie, ujawniające się w całej okazałości. Wszystkie te ksantofile, luteiny, karotenoidy...

Taki też surowiec roślinny miał stanowić obiekt mojej następnej analizy na zajęciach z chromatografii, zanim jednak opowiem o tym jak mi się to robiło i co w jej wyniku otrzymałem, przejdę przez niezbędną, dłuższą dygresję historyczno-naukową:

Chromatografia to w najogólniejszym ujęciu, metoda rozdzielania mieszanin różnych związków, wykorzystująca różnice w oddziaływaniu tychże z układem dwóch faz. Od tego jakie będą to fazy zależy rodzaj techniki. Również oddziaływania mogą mieć najrozmaitszą postać, począwszy od czynników czysto mechanicznych, przez własności do ad i absorbowania się w pewnych ciałach aż po zdolność do tworzenia mniej lub bardziej trwałych związków chemicznych. Współcześnie jest to jedna z najważniejszych technik analitycznych, mająca zastosowanie w przeważającej części wykonywanych badań. A wszystko zaczęło się pewnego dnia, gdy pewien botanik...

Około roku 1901 rosyjski botanik Michaił Cwiet zatrudniony na rosyjskim wówczas uniwersytecie warszawskim, trudnił się badaniami nad właściwościami wyciągów roślinnych. Wiadomo było, że w liściach zawarte są różne substancje barwne, istniał jednak problem w odpowiednim ich rozdziale. Ponadto zastanawiającą sprawą było to jak różne rozpuszczalniki ekstrahują z roślin poszczególne składniki. Jedne, jak alkohol i eter, dawały ciemnozielone roztwory zawierające głównie chlorofil, płynne węglowodory dawały wyciągi żółtawo zielone natomiast eter naftowy i benzyna zupełnie żółte. Ponieważ w tym czasie struktura chemiczna barwników roślinnych nie była jeszcze znana, tak różna zdolność ekstrakcyjna dobrych rozpuszczalników była trudna do wyjaśnienia.
Cwiet postanowił sprawdzić, czy jest to związane wyłącznie z właściwościami barwników czy też z własnościami tkanki roślinnej. Zastanawiał się:

Jeśli chlorofil jest całkowicie rozpuszczalny w eterze naftowym, jak to się powszechnie uznaje, to dlaczego nie został usunięty ze świeżych i suchych liści w tym rozpuszczalniku? Dlaczego rozpuszcza się tylko żółty składnik?[1]

Za materiał posłużyły mu liście babki i jasnoty. Po ugnieceniu w moździerzu na papkę i zalaniu ich mieszaniną eteru naftowego i alkoholu, dla ekstrakcji wszystkich składników, w otrzymanym roztworze moczył przez pewien czas paski papieru i odparował rozpuszczalniki pod próżnią. Włóknista struktura papieru miała udawać strukturę tkanki roślinnej. Gdy teraz powtarzał eksperymenty z tak zabarwionymi paskami papieru, wszystkie zaobserwowane wcześniej prawidłowości się powtarzały - alkohol wymywał chlorofil a benzyna karoteny. Cwiet uznał zatem, że obserwowane efekty mają związek z siłą adsorpcji barwników do tkanek roślinnych. Alkohol mógł przezwyciężyć powinowactwo dla chlorofilu, natomiast rozpuszczalniki alifatyczne nie, jeśli jednak chlorofil został wyodrębniony przez wygotowanie z części roślinnych, to tak uzyskany pigment łatwo rozpuszczał się w eterze naftowym. Gdy zaś do takiego roztworu dodano bibuły, zielony barwnik został całkowicie pochłonięty (zaadsorbowany) przez papier i oddzielony od żółtawego roztworu.

W dalszych doświadczeniach stwierdził, że zdolność do adsorbowania chlorofilu z roztworów benzynowych i naftowych mają praktycznie wszystkie stałe substancje nierozpuszczalne w tych cieczach. Przetestował pod tym kątem pierwiastki, ich tlenki, chlorki, siarczany, węglany, krzemiany, stałe kwasy organiczne, cukry, białka a nawet ziemię okrzemkową i mączkę kostną - za każdym razem uzyskując taki sam rezultat. Tak więc sprawa rozpuszczalności i powinowactwa barwników w roślinach została wyjaśniona. Cwiet jednak rozwijał temat dalej, zastanawiając się nad możliwością wykorzystania zauważonych prawidłowości w analityce.

Wyekstrahowaną mieszaninę barwników mieszał z absorbentem, którym był węglan wapnia, oddzielając chlorofil i uzyskując roztwór karotenów. Tak uzyskany osad przemywał mieszaniną nafty z alkoholem uzyskując pięknie zielony roztwór z którego metodami ekstrakcyjnymi oddzielał od chlorofilu ksantofile. Zauważył przy tym, że gdy absorbent z pochłoniętym barwnikiem o mniejszym powinowactwie przemywano roztworem barwnika mającym większe powinowactwo, ten słabszy był wypierany. Istniał wyraźny szereg kolejności wypierania jednych substancji przez drugie. Co z tego wynikało?

Gdy Cwiet wlał ekstrakt wszystkich składników na szczyt kolumny, to jest szklanej rurki wypełnionej ubitym węglanem, i przemywał całość rozpuszczalnikiem, substancje ułożyły się w rurce w oddzielne prążki zgodnie z szeregiem adsorpcji/wypierania. Barwnik najsłabiej pochłaniany, wypierany z adsorbenta przez wszystkie inne składniki, tworzył pierwszy prążek, za nim pojawiał się barwnik który go wypierał a sam był wypierany przez pozostałe. Rozdział ten był zupełny i pozwalał chemikowi na oddzielenie jednego składnika od wszystkich innych; wystarczyło po prostu podstawić w odpowiednim momencie zlewkę pod kurek wylotu i odlać roztwór tej konkretnej substancji, bez konieczności tych wszystkich ekstrakcji, wytrząsań i odparowań. Badacz porównał to do tęczy, w której oddzielone zostają od siebie poszczególne kolory. Dlatego też w pierwszej pracy z 1906 roku nazwał tą technikę Chromatografią - co dosłownie znaczy tyle, co "pisanie kolorem". Co ciekawsze jego nazwisko "cwiet" w języku rosyjskim znaczy tyle co "kolor".

W toku dalszych prac odkrył, że chlorofil jest w rzeczywistości mieszaniną dwóch substancji - jasno i ciemnozielonej, które nazwał chlorofilem α i chlorofilem β. W podobny sposób rozróżnił ksantofile i karoteny.

Piękne odkrycie, jednak Cwiet został na długi czas zapomniany. Niestety większość prac na ten temat została opublikowana w języku rosyjskim, tym samym nie były powszechnie znane w świecie naukowym. Jedyni dwaj naukowcy, który próbowali powtórzyć doświadczenie, użyli zbyt agresywnego rozpuszczalnika, który odbarwiał im chlorofil. Po takiej negatywnej weryfikacji pomysły botanika uznano za wymysły. Zmarł w 1930 roku osiągając uznanie jedynie w kwestiach botanicznych.

W międzyczasie inny badacze wpadali na zbliżone pomysły. W 1860 roku Christian Friedrich Schönbein zauważył, że roztwory różnych barwników wsiąkają w papier z różną prędkością. Jeśli więc wsadzić pasek bibuły w roztwór pomieszanych barwników, ten szybszy odrobinę przeganiał wolniejszy i dawało się zauważyć różnicę. Metodą była stosowana głównie do zbadania czystości związków oraz potwierdzania składu mieszanin. Schönbein sądził, że rzecz polega na różnej prędkości przeciskania się cząsteczek barwników przez kapilary między włóknami, dlatego nazwał swą metodę analizą kapilarną. Miało to wówczas całkiem przyzwoite podstawy, wszak prędkość z jaką gazy przedostają się przez przegrody ceramiczne wprost zależy od ich masy cząsteczkowej. Gdyby badacz zamiast rozpuszczać związki w rozpuszczalniku, naniósł je na początek wstęgi papierowej i zanurzył ją w czystym rozpuszczalniku, to byłaby to chromatografia bibułowa. Jednak do tego etapu nie dotarł, zaś jego metoda miała niską przydatność w badaniach analitycznych. Już pod koniec XIX wieku próbowano oddzielać lżejsze i cięższe frakcje ropy naftowej, przepuszczając ją przez rurę wypełnioną ziemią okrzemkową - chciano tu skorzystać z tej samej zasady, bez świadomości na czym na prawdę polega proces.

Trzeba było czekać ponad 20 lat nim ktoś, kto miał ku temu poważny powód, przypomniał sobie i pracach rosyjskiego botanika.

Karotenoidy były dobrze znane już w XIX wieku, gdy wyizolowano je z roślin. W latach 20. minionego wieku zauważono powiązanie pomiędzy nimi a witaminą A, nie było jednak wiadome czy to karoten zamienia się w witaminę, czy odwrotnie. W tym okresie związkiem tym zainteresował się niemiecki chemik Richard Kuhn. Fascynowała go regularna, symetryczna struktura polienów - związków zawierających łańcuchy z naprzemiennych wiązań pojedynczych i podwójnych - dlatego izolował i badał podobne związki, wykazując istotną zależność między budową a żywą barwą. Tymczasem jego konkurent Paul Karrer przedstawił swoją propozycję składu i budowy karotenu. Była to propozycja logiczna, oparta na doświadczeniach, jednak jeden ze współpracowników Kuhna, Edgard Lederer, badając naturalny związek otrzymał odmienne wyniki. Kuhn zinterpretował tą rozbieżność poprawnie - uznał, że skoro struktura teoretyczna jest poprawna, a wyniki badań praktycznych odmienne, to naturalny karoten jest mieszaniną różnych związków o podobnych właściwościach, zaś struktura Karrera należy do jednego z nich. Teraz należało je rozdzielić.

Kuhn musiał się w swojej pracy nad izolowaniem naturalnych związków natknąć na prace Cwieta, dlatego zaproponował współpracownikowi aby spróbował chromatografii. Po wielu próbach dobierania rozpuszczalników i adsorbentów udało mu się oczyścić, oddzielić i skoncentrować dwie odmiany karotenu, określone jako karoten alfa i beta. W późniejszym okresie wykryli jeszcze karoten gamma. Odmiany różniły się postacią krystaliczną i właściwościami optycznymi. Ich praca opisująca ten rozdział - a tym samym i chromatografię - ukazała się w 1931 roku.
Struktura zaproponowana przez Karrera odpowiadała odmianie beta, będącej najczęstszą w roślinach zielonych, natomiast odmiana alfa w dużej ilości występuje w marchwi. Kuhn w dalszych badaniach skupił się na procesach przemiany karotenu w witaminę A, na jej działaniu na zdrowie, przemianach metabolicznych itd. Ostatecznie w 1938 roku za badania nad karotenami i witaminami otrzymał Nagrodę Nobla z chemii. Wspomniany Karrer który zsyntetyzował swój karoten a także wiele innych witamin ( w tym wit. B wraz z Kuhnem) i zbadał ich struktury, otrzymał tę nagrodę rok wcześniej, w 1937.

Beta karoten

W latach 30. techniki chromatograficzne z wolna zaczęły przedostawać się do nurtu analityki chemicznej, jednak dopiero rozwój nowych technik uczynił je przydatnymi. W 1938 roku brytyjski chemik Archer Martin zajmujący się dotychczas wyodrębnianiem i oczyszczaniem witaminy E, zaczął wraz z Richardem Synge zajmować się metodami rozdziału aminokwasów ze zhydrolizowanej wełny.
Sam wcześniej specjalizował się w ekstrakcji w przeciwprądzie. Przepuszczał niemieszające się ciecze przez rurę w ten sposób, że jedna przepływała w jedną stronę a druga w drugą, co było najefektywniejszym sposobem. Podobną metodę chciał stosować w tym przypadku, jednak okazała bardzo kłopotliwa - dla dobrzej ekstrakcji należało użyć baterii 45 ekstraktorów które trzeba było pilnować cały dzień. Badacze postanowili więc połączyć chromatografię z ekstrakcją, przy czym aparatura miała być tak skonstruowana aby uzyskać przeciwprąd. Napełnili rurę mieszaniną wełny i bawełny tak, że poszczególne włókna skupiały się w pęczki na końcach kolumny. Bawełna łatwo nasiąkała wodnym roztworem aminokwasów zaś wełna chętniej nasiąkała chloroformem, wystarczyło więc włożyć pęczki z dwóch stron w różne naczynia aby uzyskać przeciwne biegi cieczy. Jednak pierwsze próby pokazały, że rozdział jest jeszcze gorszy . Martin pomyślał wówczas, że jeśli dwie fazy ruchome nie zdają egzaminu, to powinien spróbować z jedną.

Kolumna szklana została wypełniona żelem krzemionkowym, używanym do osuszania substancji. Dobrze wiązał on wodę i był nią dobrze zwilżany, więc po nasączeniu roztworem wodnym był nim nasiąknięty i zatrzymywał go w jednym miejscu. Gdy przez kolumnę przelewano chloroform aminokwasy ekstrahowały do niego, ponieważ zaś współczynnik podziału (to jest stopień przejścia z jednej cieczy do drugiej) był dla nich różny, jedne robiły to bardziej inne zaś mniej. Przy ciągłym przesączaniu chloroformu dawało to w efekcie prążki poszczególnych substancji, co udowodniły próby z oranżem metylowym[2]. Była to zatem chromatografia kolumnowa, taka jak u Cwieta, lecz zasada rozdziału substancji opierała się na zupełnie innym zjawisku, na podziale między dwie niemieszające się ciecze - dlatego nazwano ją Chromatografią podziałową.

Metoda okazała się dobra dla rozdziału wielu innych substancji, dlatego za tych kilka prac na ten temat z 1941 roku, obaj naukowcy dostali Nagrodę Nobla z Chemii w roku 1952. Co ciekawsze już w tych pierwszych pracach opisali możliwość podobnego rozdziału w którym fazą ruchomą jest gaz. I rzeczywiście, już w połowie lat 40. udało się rozdzielić mieszaninę tlenu i tlenku węgla. Inne techniki są bardzo liczne, ale wymienić można chromatografię papierową, wykonywaną na papierowej wstędze i chromatografię cienkowarstwową, wykonywaną na płytkach pokrytych cieniutką warstwą adsorbenta - i taką właśnie analizę wykonywałem na zajęciach.

Wszystkie te metody nie były by jednak wiele warte w analizie, gdyby nie pewna ich specyficzna własność - dla danej temperatury, rodzaju wypełnienia i eluenta, czas po jakim substancja przejdzie przez złoże (czas retencji) jest charakterystyczny tylko dla niej. Jeśli więc na końcu kolumny umieścimy detektor, który pokaże nam, że oto w rozpuszczalniku pojawiła się jakaś substancja, jeśli będziemy znali wszystkie parametry i będziemy wiedzieli jakiego rodzaju mieszaninę wprowadziliśmy na początku, to będziemy mogli poznać jakie substancje zostały wykryte w detektorze, zaś natężenie sygnału powiadomi nas o całkowitej ilości.
Możemy na początku kolumny umieścić ścieki, a po skończonej analizie otrzymamy wykres z pikami odpowiadającymi 20-30 substancjom, jakie były zawarte w mieszaninie, i każdą możemy oznaczyć jakościowo i ilościowo. Właśnie dlatego chemicy analitycy wpadli w zachwyt, gdy techniki chromatograficzne zostały wprowadzone do użytku.

Przykładowy chromatogram wykreślony przez detektor

Moją analizę, jak wspomniałem, przeprowadzałem na płytce, w cienkiej warstwie absorbenta, którym był w tym przypadku wysuszony żel krzemionkowy. Próbka badana ma zatem postać kilku kropel nanoszonych na zaznaczaną linię w pobliżu jednej z krawędzi płytki. Wkłada się ją do zamkniętego szklanego naczynia, na którego dno wlano wcześniej przygotowany eluent. Dobrze jest, gdy takie naczynie pozostanie zamknięte przed rozdziałem przez pewien czas, aby powietrze wewnątrz nasyciło się parami rozpuszczalnika. Często obok próbki badanej nakrapla się roztwór wzorca, zawierający jedną lub kilka znanych substancji. Przez porównywanie chromatogramów tych dwóch mieszanin można z dużą pewnością potwierdzić obecność w próbce substancji zawartych we wzorcu. Następnie płytkę wsadza się do komory, tak aby krawędź tylko lekko zanurzyła się w rozpuszczalniku. Zaczyna on teraz podsiąkać w górę płytki, porywając za sobą naniesione substancje, które zgodnie z powinowactwem do adsorbenta rozdzielają się na prążki. Rozwijania chromatogramu nie przeprowadza się do końca. Gdy czoło rozpuszczalnika mocno zbliży się do drugiego brzegu płytki, wyciągamy ją, zaznaczamy dokąd sięgnął płyn i suszymy.

Jak jednak wspomniany czas przechodzenia przez złoże ma się do położenia plamek? Przecież skoro nawet eluent nie dociera do brzegu płytki, to również rozdzielane substancje nie przejdą przez złoże a my nie zmierzymy czasu ich przechodzenia. No i otóż w przypadku tej techniki stosuje się inną metodę, mianowicie wyznacza się współczynnik Rf (retardation factor). Po prostu całkowitą długość drogi przebytą przez daną substancję dzieli się przez całkowitą długość drogi przebytą przez rozpuszczalnik (dlatego zaznaczamy punkty początku i końca) i uzyskujemy pewną wartość mniejszą od jedności (czasem dla wygody używa się jej stokrotności). Nazywany tą wartość współczynnikiem opóźnienia.

Tak więc najpierw należało zebrać materiał. Wybrałem liście ligustru z którego często tworzy się żywopłoty, są bowiem skórzaste, nieco grubsze i ciemnozielone. Dla urozmaicenia zerwałem też kilka czerwonych liści sumaka, mając nadzieję, że wygląd chromatogramu będzie przez to ciekawszy. Po rozdrobnieniu liście wsypałem do porcelanowego moździerza i utłukłem na miazgę.

W moździerzu

Następnie zalałem heksanem, dla ekstrakcji barwników. Jednak roztwór heksanowy był bardzo słabo zabarwiony - co skądinąd potwierdzało obserwacje Cwieta. Heksan jest głównym składnikiem eteru naftowego. Dolałem więc równoważną ilość metanolu i teraz roztwór stał się intensywnie zielony. Powstałą rzadką papkę należało teraz przesączyć. Gdy to robiłem zwróciłem uwagę na ładny wygląd zazielenionego sączka:

Sączyło się

Otrzymany przesącz rozdzielił mi się na dwie warstwy - metanolowo-wodną o pomarańczowym kolorze i heksanową ciemno zieloną. Woda pochodziła oczywiście z liści. Nie rozdzielałem ich jednak i przy pobieraniu próbek starałem się brać zarówno z warstwy zielonej jak i pomarańczowej.

Warstwy

Teraz należało przygotować komorę. Było to prostopadłościenne naczynie z wewnętrznymi przegródkami, zamykane szkiełkiem. Na dno wlałem kilka centymetrów sześciennych mieszaniny heksanu z acetonem w stosunku 4:1 i całość zamknąłem przykrywką.
Wyciąłem z większego arkusza płytkę tak, aby mieściła się w komorze. Płytka miała postać arkusza folii aluminiowej z naniesioną z jednej strony białą warstwą krzemionki, w dotyku przypominającą mocno nakredowany papier. U dołu, pół centymetra od krawędzi, lekko aby nie zadrapać pokrycia, narysowałem ołówkiem linię i oznaczyłem literami miejsca naniesienia próbek. Przy pomocy kapilarki naniosłem po kilka kropel na każde z trzech miejsc - w jednym tylko mój ekstrakt, w drugim ekstrakt zmieszany ze wzorcem karotenów a na trzecie sam wzorzec:

Naniesione próbki

Wzorzec zawierał karoten. Przy rozwijaniu na tej samej płytce miał dawać żółtą plamkę. Wystarczyło zatem później porównać i już wiedzieć, że "aha, w chromatogramie próbki jest żółta plamka na tej samej wysokości - czyli, że karoten jest".
No dobra - komora przygotowana i nasycona, płytka oznaczona, próbki naniesione. I co teraz?
A no wrzuciłem płytkę do komory, krawędź zanurzyła się lekko w eluencie, ten zaczął podsiąkać w górę a gdy dotarł do plamek, porwał je ze sobą. Jednak wkrótce jednolite plamki zaczęły się rozdzielać i zamieniły się w osobne pasma. Zresztą, co tu dłużej opisywać, zobaczcie animację którą skleiłem z kilkunastu zdjęć komory:



Jako podkład muzyczny wykorzystałem fragment "Wiosny" Vivaldiego, jako że w końcu to roślinne barwniki są tu rozdzielane.

Gdy rozpuszczalnik zbliżył się do drugiego brzegu płytki, wyjąłem ją, zaznaczyłem dokąd dotarł i szybko wysuszyłem. Mieszanina rozdzieliła się na 8-9 barwnych pasm, zgodnie ze wzrastającą niepolarnością (a co za tym idzie spadającym powinowactwem do podłoża). Na podstawie porównywania wyniku z innymi dostępnymi w internecie mogę powiedzieć, że dwa pierwsze pasma to któreś z ksantofili, dwa następne, o kolorze ciepłej i chłodnej zieleni, to chlorofil β i chlorofil α, szare pasmo to feofityna , czyli chlorofil pozbawiony magnezu, na samym zaś końcu łatwo można zidentyfikować karoten.

Drugie rozwijanie mieliśmy przeprowadzać w innym, wybranym przez siebie składzie eluenta, mając więc na uwadze, że większość pasm do końca rozwijania nie przekroczyła połowy, postanowiłem pchnąć je do przodu, zwiększając polarność rozpuszczalnika.

Drugi raz zatem rozdział był dokonany z mieszaniną heksanu i metanolu w stosunku 1:1. I tutaj najlepiej rzecz zobrazuje odpowiednia animacja:




Tym razem uznałem, że najodpowiedniejszym podkładem będzie ten fragment Fantazji Chromatycznej Bacha, nie tylko dlatego, że tytuł mi pasował, ale też dlatego, że to ładny fragment.

Pasma rzeczywiście poszły do przodu, aż za bardzo i w efekcie zaczęły się na siebie nakładać. Zagadką jest dla mnie pojawienie się wyraźnego pasma luteiny - żółtawego barwnika liści. Wcześniej go nie było albo nakładało się na któryś z chlorofili.

Teraz należało poobliczać Rf-y dla poszczególnych plamek, objaśnić co i jak zachodziło i sklecić sprawozdanie, czego bardzo nie lubię. Bo tak, to mógłbym robić, i robić...



Za jakiś czas opowiem nieco więcej o chromatografii i jej technikach. Może uda się też wreszcie pododawać inne filmiki które wykonałem na zajęciach - te ze stapianiem substancji z metalicznym sodem są bardzo efektowne.


-----
[1] M. Tsweet Physical chemical studies on chlorophyll adsorptions ,Berichte der Deutschen botanischen Gesellschaft 24 , 316-23 (1906) - w tłumaczeniu na język angielski przez Henry'ego M. Leicestera, w: Source Book in chemistry 1900-1950 (Cambridge, MA: Harvard, 1968)
[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1952/martin-lecture.pdf

* http://pl.wikipedia.org/wiki/Chromatografia
* http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatography
* http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_chromatography
* http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/articles/states/richard-kuhn.html

Kiedyś w laboratorium... (3.)

Kryształ fuksyny w otoczeniu gronkowców gramm+. Zrobione przy okazji wybarwiania preparatu mikrobiologicznego metodą Gramma na zajęciach bioanalizy jeszcze w technikum.
Powiększenie około 1000 razy.

Dziś w laboratorium

Próba spalania związku organicznego:

W ramach pracowni analizy związków organicznych. Zrobiłem też filmik stapiania związku z metalicznym sodem, ale ponieważ jedną ręką trzymałem szczypce a drugą aparat, z braku koordynacji nie sfilmowałem momentu rozbijania próbówki w tygielku z wodą.

Kiedyś w laboratorium... (2.)

Podczas analizy zawartości wapnia w wodzie metodą kompleksometrii, łyżeczka Kalcesu rozeszła się po powierzchni roztworu w sposób interesujący:


Wzór przypomina trochę kolonię pleśni lub dendryt.

Kalces to sól sodowa kwasu kalkonokarboksylowego. Jest wskaźnikiem w miareczkowaniu kompleksometrycznym. Jak wskazuje nazwa służy do oznaczania wapnia. Przebieg takiego oznaczania opiszę szerzej w którejś z następnych notek. Będzie temu też towarzyszył film z miareczkowania, muszę go tylko lekko skompresować i wstawić na Youtube.

Otrzymywanie cykloheksenu (eliminacja)

Pozostała mi do przedstawienia jeszcze jedna synteza, jaką wykonywałem na zajęciach, przy tym jednak najmniej interesująca pod względem obiektu i najgorsza w wynikach - mianowicie otrzymywanie cykloheksanolu na drodze eliminacji wody z cykloheksenu. Ale zanim omówię jak wyszła (a raczej nie wyszła) mi ta synteza, omówię wyjściowe związki:

Cykloheksanol * jest nasyconym alkoholem cyklicznym. To bezbarwne ciało stałe lub ciecz, o słabym zapachu, podobnym do oleju napędowego. Stanowi pochodną cykloheksanu (C6H11OH) - sześciowęglowego węglowodoru cyklicznego z którego jest otrzymywany na drodze katalitycznego utleniania tlenem z powietrza lub nadtlenkiem wodoru. Można go również otrzymać przez uwodornienie (dearomatyzacja) fenolu.
W przemyśle stosuje się go głównie do produkcji kwasu adypinowego oraz jako półprodukt do otrzymania kaprolaktamu z którego z kolei otrzymuje się Nylon i inne tworzywa sztuczne. Estry cykloheksanolu służą za plastyfikatory.
Przy długotrwałym kontakcie wywołuje zatrucia w tym uszkodzenia narządów rodnych, choć w odróżnieniu od jego pochodnej - cykloheksanonu - nie stwierdzono dlań działania rakotwórczego [1].

Natomiast związek końcowy Cykloheksen (C6H10) , jest bezbarwną, łatwo lotną cieczą o ostrym, bardzo niemiły zapachu. Przemysłowo może być otrzymywany przez uwodornienie benzenu, przez przyłączenie dwóch cząsteczek wodoru, co stanowi 4 atomy i stąd techniczna nazwa angielska tetrahydrobenzene. Jest łatwopalny. Wywołuje podrażnienia skóry. Stosowany jako rozpuszczalnik.

W cykloheksanolu do sąsiednich węgli podczepiona jest grupa OH i atom wodoru. Aby pomiędzy tymi węglami pojawiło się wiązanie podwójne, sąsiadujące podstawniki muszą ulec eliminacji, co wyglądałoby mniej więcej tak:
Jest to zatem właściwie odwodnienie, bo właśnie cząsteczka wody stanowi grupę opuszczającą. Typ zachodzącego procesu określa się jako E1, co oznacza eliminację jednocząsteczkową dwuetapową.
Reakcja zachodzi następująco:
W pierwszym etapie silny kwas mineralny przyłącza wodór do grupy hydroksylowej tworząc grupę HOH, stanowiącą dobrą grupę opuszczającą. Po jej eliminacji na opuszczonym węglu pojawia się ładunek dodatni, co większa kwasowość atomów sąsiadujących. Stanowiąca słabą zasadę cząsteczka wody przyjmuje jeden wodór. Sąsiadujące ze sobą węgle zmieniają hybrydyzację z sp3 na sp2, a pomiędzy nimi pojawia się wiązanie podwójne.
Ponieważ w pierwszym etapie cząsteczka przyjęła a w ostatnim odrzuciła atom wodoru, przyjmuje się że kwas jest w tej reakcji katalizatorem.

A teraz czas na opis nieszczęsnej syntezy:

Do kolby dwuszyjnej, z podłączonym wkraplaczem i deflegmatorem umieściłem mieszaninę 85% kwasu ortofosforowego V**, mającego postać oleistej cieczy, z częścią potrzebnej ilości cykloheksanolu. I oczywiście wrzuciłem kawałek porcelany aby mi dobrze wrzało. Resztę substratu umieściłem we wkraplaczu. U górnego wylotu deflegmatora umieściłem termometr i połączyłem z chłodnicą wodną. Odbieralnikiem była erlenmajerka ze szlifem zanurzona w krystalizatorze z lodem. Wszystkie szlify musiały być nasmarowane silikonowym smarem dla zmniejszenia strat lotnego produktu. Aparatura wyglądała następująco:

Aparatura

Gdy wszystko było przygotowane włączyłem czaszę grzejną, w którą wsadzona była kolba i ogrzewałem zawartość pilnując przy tym, aby temperatura na szczycie deflegmatora nie przekraczała 90 stopni Celsiusza. Zwróciłem przy okazji na bardzo wygląd deflegmatora, który zamiast być wypełniony kształtkami czy połamanymi rurkami jak to bywa, miał postać rury z wypustkami wchodzącymi do jej środka i niemal całkowicie wypełniającymi jej przekrój.

Deflegmator

Podczas ogrzewania powoli wkraplałem pozostały cykloheksanol, co stanowiło zresztą pewien sposób regulacji temperatury - wkroplenie kolejnej porcji zmniejszało ją szybciej niż zmniejszenie grzania przy pomocy regulacji mocy czy podniesienie luźno tkwiącej w koszyczku kolby. Całość syntezy odbywała się w przymkniętym i włączonym dygestorium, a do odbieralnika co pewien czas należało dodać lodu - to zaś z uwagi na dużą lotność oraz silny, niemiły zapach (wręcz smród) produktu, który łatwo się uciekał. I tak się to grzało:

Grzeje się

Gdy cały surowiec został wkroplony, a z chłodnicy przestał kapać produkt, przerwałem ogrzewanie i wsypałem do odbieralnika szczyptę soli. Destylat, stanowiący mieszaninę wody z cykloheksenem rozdzielił się na dwie nie mieszające się warstwy. Całość przelałem do rozdzielacza i oddzieliłem dolną, wodną warstwę:

W rozdzielaczu

Do górnej warstwy dodałem trochę bezwodnego chlorku wapnia, dla usunięcia śladów wilgoci, następnie przelałem ciecz, już w dosyć niewielkiej ilości, z powrotem do osuszonej kolby dwuszyjnej i destylowałem mając zamiar odebrać frakcję z temperatury 81-83 stopni.
Mając zamiar, bo jakoś tak składając ponownie aparaturę zapomniałem nasmarować smarem szlifów. Już na początku ilość powstałego produktu była niewielka, teraz zaś większość z owej drobiny ulotniła się i nim się zorientowałem, nie wiele zostało.
Ostatecznie pozostało mi 8% oczekiwanej ilości, choć teoretyczna wydajność powinna wynosić do 70% [ :( ]

Cykloheksen

Oby następne zajęcia wychodziły mi lepiej.



Ps. W ramach praktyk zrobiłem dużo ciekawych zdjęć i nawet filmiki, więc we wrześniu powinno pojawić się parę ciekawych notek
-------
[1] http://www.ciop.pl/8666.html#rs1

Przepis na podstawie Vogla

* zwykłem linkować odnośniki na temat związków do polskiej Wikipedii, ale w tym przypadku artykuł jest żenująco krótki i doprawdy nie było do czego.
** można też użyć kwasu siarkowego, ale technika wykonania jest wówczas trochę inna