informacje



Pokazywanie postów oznaczonych etykietą historia chemii. Pokaż wszystkie posty
Pokazywanie postów oznaczonych etykietą historia chemii. Pokaż wszystkie posty

piątek, 19 maja 2017

Anegdoty o chemikach i kolorach

Niebieski


Gdy pies nasika chemikowi na ścianę...
Pittakall to prawdopodobnie pierwszy syntetyczny barwnik organiczny*, jaki pojawił się w handlu, choć nie zdobył zbyt dużej popularności i dość szybko zarzucono jego produkcję. Jego przypadkowym odkrywcą był niemiecki chemik Karl Reichenbach. Na początku XIX wieku zarządzając małą fabryką chemiczną zajął się badaniem produktów suchej destylacji drewna, węgla i szczątków organicznych. To on wydzielił ze smoły różne wartościowe frakcje, w tym kreozot, parafinę czy fenol, a także pierwszy olej opałowy nazwany eupinonem.
Kreozot, będący frakcją smoły z drewna drzew liściastych, miał dość charakterystyczną, silną woń oraz dobre właściwości konserwujące, dlatego chemik zaczął stosować go do impregnowania drewna. Do dziś zresztą jest częstym składnikiem impregnatów, na przykład do podkładów kolejowych.
Postanowił wypróbować go także w zastosowaniu dużo bardziej przyziemnym - przeszkadzało mu, że psy sikają mu zewnętrzną ścianę domu, więc posmarował ją kreozotem aby zapach je odstraszał. Psom najwyraźniej było wszystko jedno, bardzo lubiły tam stawać i podnosić nogę, lejąc bezczelnie po wysmarowanej ścianie. Cóż, widocznie nie było to dobry środek na psy.
Przyglądając się ich działalności zauważył jednak ciekawą rzecz - w miejscu gdzie stały plamy moczu, na ziemi pojawiło się wyraźne, niebieskie zabarwienie. A ponieważ był człowiekiem bardzo praktycznym, zaczął czynić próby powtórzenia reakcji. Szybko wykrył, że mocz nie jest w jej potrzebny, stanowił jedynie alkaliczny reagent. Prowadząc destylację surowej smoły stwierdził, że frakcja o temperaturze wrzenia wyższej niż kreozot, po wprowadzeniu do wody wapiennej lub roztworu wodorotlenku baru, po pewnym czasie zamienia się w ciemnogranatowy proszek.

Wprowadził go na rynek jako pigment nadający się do farbowania po rozpuszczeniu w alkaliach. Najwyraźniej jednak nie miał zbyt dobrych właściwości i po pewnym czasie przestał być używany, pojawiając się jedynie od czasu do czasu w historycznych spisach barwników. Dopiero pod koniec XIX wieku ustalono, że jest to związek będący produktem kondensacji pirogallolu, o strukturze podobnej do barwników trifenylometylenowych. W formie anionowej przybierał intensywny kolor. Pigment Reichenbacha był laką, to jest nierozpuszczalną solą barową lub wapniową.
Pittakall jest dziś w zasadzie historyczną ciekawostką. Mam wrażenie, że od ponad stu lat nikt go nie otrzymywał, bo poza wzmiankami w pracach o historii barwników nie znalazłem o nim żadnej dalszej informacji ani tym bardziej zdjęcia próbki. Ponoć miał dość ciemny odcień niebieskiego.[1]

Ftalocyjanina
Kolejny niebieski barwnik także został odkryty niezamierzenie, podczas otrzymywania czegoś innego, i to dwa razy.

W 1927 roku szwajcarscy chemicy Henri Diesbach i Edmond von de Weid zajmowali się znalezieniem lepszej niż już znane metody otrzymywania ftalonitrylu, to jest pochodnej benzenu z dwiema grupami -CN. Znana była już w tym czasie reakcja Sandmeyera, polegająca na podstawieniu soli diazoniowych, gdzie grupa -NN była łatwo zamieniana na inne. Przy jej pomocy otrzymywano ftalonitryl z o-aminobenzonitrylu (a ten z rozkładu termicznego amidu kwasu antranilowego).

Badacze postanowili spróbować nieco innej metody, której substrat był bardziej stabilny i łatwiejszy w otrzymaniu. Była to reakcja Rosenmunda-von Brauna (nie mylić z reakcją Rosenmunda samego, czyli redukcją kwasów do aldehydów) polegająca na podstawieniu halogenku przy pierścieniu aromatycznym, przez anion cyjankowy z cyjanku miedzi.[2]
Jako substratu użyli 1,2-dibromobenzenu. Pomysł był w istocie dosyć prosty, reakcja powinna przebiegać w taki oto sposób:
Produktem powinna być bezbarwna lub nieco żółtawa krystaliczna substancja. Jakież więc było zdziwienie chemików, gdy po reakcji znaleźli w kolbie osad intensywnie niebieski.
Produkt był bardzo trwały, nierozpuszczalny w wodzie i dość trudno w innych rozpuszczalnikach. Po wyznaczeniu przez analizę elementarną składu C26H18N6Cu uznali, że prawdopodobnie mają do czynienia ze związkiem kompleksowym ftalonitrylu i pirydyny, zawierającym jeden atom miedzi i po dwie cząsteczki tych związków [3]. Ale mylili się.

Drugimi odkrywcami byli chemicy w fabryce Scottish Dyes (dziś ICI), którzy w 1928 roku analizowali metodę przemysłowego otrzymywania ftalimidu. Bezwodnik ftalowy był w tej syntezie poddawany reakcji z amoniakiem w stężonym roztworze wodnym, zaś jako reaktorów używano emaliowanych żeliwnych kotłów. Mechaniczne mieszadło powodowało, że emalia z czasem się zdzierała, zaś pilnujący procesu technolodzy zauważyli, że partie produktu z tych najbardziej wytartych kotłów były zanieczyszczone drobnym, niebieskawym osadem. Było zresztą zauważalne, że na niebieskawy kolor zabarwił się odsłonięty metal.
Po zebraniu większej ilości zanieczyszczenia, pracownicy fabryki zdali sobie sprawę z tego, że potencjalnie mógłby to być niezły pigment, miał bowiem niską rozpuszczalność i bardzo dużą siłę barwiącą. Kolejną więc syntezę przeprowadzono dodając do masy wiórki żelazne, był to jednak proces mało wydajny. Należało odpowiedzieć na pytanie, co właściwie zachodzi w reaktorze i jaki  związek otrzymano.

Po wpływem silnych alkaliów związek tracił metal, powstała wolna forma nadal była niebieska ale o dużo słabszym odcieniu. Można było połączyć ją z innymi metalami, zwłaszcza ze szczególnie chętnie wiązaną miedzią, tworząc kompleksy bardzo trwałe i intensywnie zabarwione. Analizy  pokazały, że związek ma charakter aromatyczny i być może zawiera układ skumulowanych pierścieni. Dopiero w 1933 roku Patrick Linstead zaproponował dla związku budowę makrocykliczną, podobną do porfiryny, z czterema fragmentami benzopirolu połączonymi przez mostkowe azoty, co potwierdziły potem badania rentgenowskie.


 Firma ICI zaczęła produkować pigment w 1934 roku po udoskonaleniu metod pod nazwą Monastral Blue, lub błękit ftalocyjaninowy. Był wielkim osiągnięciem. Niebieskich pigmentów było w tym czasie niewiele, w zasadzie istniały tylko nieorganiczne oparte o sole miedzi i ultramarynę, oraz indygo i jego pochodne. Błękit ftalocyjaninowy miał tą zaletę, że będąc barwnikiem organicznym posiadał wysoką odporność na blaknięcie, miał dużą siłę barwiącą, był na tyle słabo rozpuszczalny że nie migrował do innych warstw malarskich, oraz był dosyć odporny na czynniki fizyczne i chemiczne. Związek ten rozkłada się dopiero w temperaturze 600 stopni.
Do dziś jest jednym z najczęściej wykorzystywanych barwników, zwłaszcza do farb do metalu, ale też atramentów czy tuszu do długopisów. Jest na przykład składnikiem standardowego tuszu niebieskiego do drukarek, a ze względu na znikomą toksyczność także pigmentów do tatuażu.

Niezamierzony niebieski pigment
To odkrycie także miało pewien element przypadkowości.

Zespół profesora Subramaniana, na uniwersytecie stanowym w Oregonie, zajmował się badaniami tlenkowych materiałów ceramicznych z solami ziem rzadkich, które mogłyby potencjalnie znaleźć zastosowanie w elektronice. Niektóre mogłyby okazać się  magnesami stałymi, inne nadprzewodnikami niskotemperaturowymi, ferroelektrykami czy superopornikami. Studenci profesora biorący udział w pracach testowali więc różne mieszanki tlenków i chlorków metali, które po wymieszaniu w młynie kulowym na bardzo drobny proszek wypalano w odpowiedniej temperaturze.
Doktorant Andrew E. Smith spróbował pewnego razu nietypowej mieszanki tlenku itru, indu i manganu VI. Dwutlenek manganu jest intensywnie czarny, dlatego po zmieleniu uzyskał ciemnoszary proszek. Następnie wsadził go na chwilkę do pieca aby się wygrzał. Temperatura szybko osiągnęła prawie 1100 stopni, a tlenki przereagowały ze sobą, tworząc nowe połączenie. Akurat to konkretne nie miało szczególnie ciekawych własności elektrycznych czy magnetycznych, lecz jedna właściwość rzucała się w oczy od razu po wyjęciu z pieca - otrzymany proszek okazał się niesamowicie niebieski.[4]
Gdy profesor zobaczył próbkę od razu przyszło mu do głowy, że to może znaleźć zastosowanie. Właściwie jeszcze przed publikacją na temat związku zaczęto starania nad komercjalizacją.

Jak się okazało podczas wyprażania powstaje związek zawierający warstwy tlenku manganu o nietypowej koordynacji w formie bipiramidy trygonalnej. W każdej takiej jednostce atom manganu otoczony jest przez pięć atomów tlenu, w tym trzy w płaszczyźnie warstwy i po jednym nad i pod nią. W takim położeniu oddziaływanie ligandów powoduje rozszczepienie poziomów energetycznych orbitali d manganu w taki sposób, że związek pochłania światło czerwone i zielone dając w efekcie niebieski kolor.

Wcześniej znany był pigment oparty o manganian baru, ale miał małą stabilność, nowy pigment nazwany YInMn nie tylko jest odporny na utlenienie czy redukcję, ale też zachowuje kolor w bardzo wysokich temperaturach i nie blaknie pod wpływem wilgoci. Szybko okazało się, że dobrze nadaje się zarówno do farb olejowych jak i wodnych, a także jako pigment do barwienia mas plastycznych. W tych zastosowaniach ważną własnością jest też jego nietoksyczność. Inne pigmenty nieorganiczne podobnej trwałości zwykle zawierają sole rakotwórczego kobaltu lub sole miedzi.

Podczas dalszych badań stwierdzono, że choć związek silnie pochłania światło czerwone, to zarazem silnie odbija podczerwień, osiągając jeden z najwyższych współczynników odbicia dla materiałów niemetalicznych (srebro odbija niemal 100% podczerwieni). Dzięki temu powierzchnie pomalowane farbą z tym pigmentem bardzo mało się nagrzewają, co miałoby znaczenie w przypadku na przykład dachów w cieplejszych krajach

Obecnie pigment zaczyna powoli wchodzić na rynek, niedawno producent kredek świecowych i pasteli Crayola ogłosił wprowadzenie kredki z YInMn, trwa konkurs na wymyślenie nazwy [5].
Jednak wbrew temu co piszą media, pigment nie posiada nowego, dopiero teraz odkrytego odcienia niebieskiego. W najbardziej optymalnym składzie YIn0.8Mn0.2O3 , związek ma kolor błękitu kobaltowego lub nieco cieplejszy, mimo zupełnie różnego przebiegu krzywej absorpcji:

Odcień może płynnie zmieniać się w zależności od stosunku itru do manganu. Dodatek innych metali, na przykład tytanu czy cynku może natomiast zmienić kolor na zielony lub fioletowy.[6]
 W zespole prof. Subramaniana trwają prace nad uzyskaniem pigmentu czerwonego o odcieniu i intensywności nie stosowanych dziś z powodu toksyczności pigmentów rtęciowych jak cynober.

Może jeszcze kiedyś napiszę coś o projektowaniu barwników aby pokazać, jak takie rzeczy otrzymuje się planowo, bez czekania na szczęśliwy przypadek.
-------
* Aczkolwiek wcześniej niż Pittakall bo w XVIII wieku stworzono kwas pikrynowy, przez pewien czas używany do farbowania wełny, zastosowanie jako barwnik znalazł jednak dużo później. Półsyntetyczny był natomiast otrzymany w podobnym czasie indygokarmin, znany jako błękit saksoński, pozyskiwany przez traktowanie indygo dymiącym kwasem siarkowym.

[1] George B. Kauffman, Pittacal - The first synthetic dyestuff, Journal of Chemical Education (12) 1977 str. 753
[2] Sandmeyer-von Braun reaction
[3] De Diesbach, Henri; von Der Weid, Edmond (1927). "Quelques sels complexes des o-dinitriles avec le cuivre et la pyridine". Helvetica Chimica Acta. 10: 886. 
[4]  http://oregonstate.edu/ua/ncs/archives/2009/nov/accidental-discovery-produces-durable-new-blue-pigment-multiple-applications-0
[5] http://oregonstate.edu/ua/ncs/archives/2017/may/pigment-discovered-oregon-state-university-inspires-new-crayola-crayon-color
[6]  http://chemistry.oregonstate.edu/content/story-yinmn-blue

piątek, 22 kwietnia 2016

Reakcja nie całkiem charakterystyczna

Czyli dłuższa anegdota o odkryciu pewnego związku.

Wraz z rozwojem przemysłu w XIX wiecznej Europie, w tym maszyn parowych i pieców hutniczych, duże znaczenie jako paliwo zaczął odgrywać węgiel kamienny. Dla pewnych zastosowań korzystniejszym niż surowe paliwem był koks, otrzymany przez ogrzewanie węgla bez dostępu powietrza tak, że ulatywała zeń woda i lotnie związki. Koks, o wyższej wartości opałowej, zużywano głównie do wytopu stali; gazy palne zużywano do oświetlania ulic w latarniach i jako gaz do kuchenek; wykraplana woda pogazowa zawierająca amoniak była zużywana do produkcji nawozów sztucznych.

 Jedynym produktem ubocznym jaki nie dawał się wprost zastosować była smoła pogazowa, często po prostu wylewana albo po oddzieleniu najbardziej lotnych składników używana do impregnacji drewna. Szybko zainteresowali się nią chemicy świadomi, że jest mieszanką wielu interesujących substancji. Stwierdzili oni na przykład, że przez destylację surowej smoły można otrzymać frakcje o rozmaitych właściwościach. Z jednych odzyskiwano naftalen, z innych dawało się wyprodukować fenol, zaś najlżejsza i niskowrząca frakcja dawała się zastosować jako rozpuszczalnik i olej oświetleniowy. Frakcja ta stanowiła też zresztą uciążliwe zanieczyszczenie gazu koksowniczego używanego do oświetlenia, zauważalne zwłaszcza gdy doprowadzany gaz był jeszcze ciepły. Wykraplała się na chłodnych kloszach latarń i przemieszana z sadzą zbierała na dnie.
Tam też na lepkie zanieczyszczenie zwrócił uwagę w 1825 roku Michael Faraday, który będąc bardzo praktycznym człowiekiem podjął się jej destylacji, chcąc otrzymać palny olej. Przydatnym produktem okazała się jedna z frakcji, o temperaturze wrzenia 80°C. Była to rzadka, lekko żółtawa ciecz spalająca się bardzo kopcącym płomieniem i będąca dobrym rozpuszczalnikiem. W następnych dekadach nauczono się wyodrębniać ją na duża skalę ze smoły pogazowej, a ze względu na obfite występowanie w benzolu, cieczy absorbowanej z gazu koksowniczego na stałych pochłaniaczach, nazwano ją benzenem.

Benzen odegrał dużą rolę w rozwoju chemii organicznej. To od niego pewną grupę niereaktywnych związków, często posiadających charakterystyczny zapach, nazwano związkami aromatycznymi. W tym wczesnym okresie duży problem sprawiało chemikom określenie jego struktury cząsteczkowej. Całkiem niedawno przyjęło się uważać, że pierwiastki składają się z atomów, a związki ze złożeń tych atomów w drobne całostki, nazwane cząsteczkami, o określonej budowie i układzie połączonych atomów. Jedyną informację o przypuszczalnym składzie cząsteczki stanowiły stosunki ilościowe pierwiastków składowych. Wiedząc w jakich ilościach łączą się ze sobą atomy, należało domyśleć się jaką prawdopodobnie tworzyły ze sobą strukturę.
Chemikiem który włożył w tą dziedzinę najwięcej, był opisywany już tutaj August Friedrich Kekule. On to po raz pierwszy na podstawie swych badań ustalił, że węgiel w związkach organicznych łączy się z maksymalnie czterema innymi atomami. W późniejszym okresie zastanawiając się jak połączyć ze sobą budulcowe atomy, doszedł do wniosku, że atomy węgla w bardziej skomplikowanych związkach muszą łączyć się tworząc łańcuchy. Wedle opowiadanej przezeń po latach anegdoty, myśl tą podsunął mu sen w którym dostrzegł tańczące atomy, które w pewnym momencie zaczęły się bawić w lokomotywę.
Pomysł ten nie dawał się jednak zastosować do niektórych związków, czego przykładem był benzen, złożony z węgla i wodoru w stosunku 1:1, i zawierający najwyraźniej sześć węgli. Rozwiązanie podsunął mu kolejny sen, w którym tańczące atomy utworzyły węża, a ten w pewnym momencie uchwycił swój ogon i w takiej formie wirował mu przed oczami. No tak - załóżmy że atomy są połączone w pierścień i mają wolną możliwość przyłączenia jeszcze tylko po jednym, a skład będzie się zgadzał.

Po upływie kolejnych lat chemicy coraz śmielej poczynali sobie z tworzeniem nowych pochodnych tego związku, aż w roku 1879 słynny chemik Bayer, założyciel zakładu produkującego między innymi Aspirynę, zauważył bardzo specyficzną reakcję - gdy wytrząsnął benzen ze stężonym kwasem siarkowym i dodał izatyny, żółtopomarańczowej substancji otrzymywanej z indygo, powstawało wyraźne niebieskie zabarwienie, zauważalne nawet przy niewielkich ilościach substancji. Wyglądało zatem na to, że odkryto prostą i szybką reakcję charakterystyczną, pozwalającą wykrywać benzen.

Odkrycie szybko zostało uznane i niektórzy postępowi profesorowie chemii zaczęli uczyć o tej reakcji na uniwersytetach. Jednym z nich był profesor Wiliam Weith wykładający chemię na uniwersytecie w Zurychu. Miał on specjalny lektorat poświęcony związkom aromatycznym, podczas którego pokazywał najbardziej charakterystyczne reakcje. Niestety na początku 1882 roku zmarł, toteż zajęciami podczas wiosennego semestru zajął się jego bliski przyjaciel Viktor Meyer.
Gdy przygotowywał się do zajęć polecił swojemu asystentowi aby przygotował mu próbkę benzenu. Tylko miał być czysty, tak aby pokaz poszedł bez problemów.
W dniu wykładu asystent dostarczył odpowiednią ilość związku. Meyer omówił historię i strukturę benzenu, po czym przeszedł do omawiania reakcji. Można wyobrazić sobie jak mówi studentom, że gdy teraz wytrząsie benzen ze stężonym kwasem i doda izatyny, to zobaczymy piękny niebieski kolor. Następnie tak jak mówił wytrząsa w próbówce benzen i stężony kwas, dodaje izatynę i... nic się nie dzieje. Powtarza reakcję, bo może coś akurat źle zrobił, ale nic nie pomaga. No cóż, tak się czasem zdarza, powtórzymy na następnych zajęciach.

Po skończonym wykładzie zwrócił się zatem do asystenta z delikatnym zapytaniem, co on u licha mu na te zajęcia przygotował. Bo jeśli nie szyny i nie izatyna, to benzen był zły. Asystent, znany później Traugott Sandmeyer bronił się że ależ skąd, przygotował benzen czysty, jak profesor chciał, wszystko wedle przepisu z dekarboksylacji kwasu benzoesowego bo tylko wtedy dawało się otrzymać zupełnie czysty. To już było zastanawiające. Jeszcze tego samego dnia Meyer wziął komercyjnie dostępny benzen otrzymywany z powęglowego benzolu, wytrząsnął z kwasem, dodał izatyny i otrzymał zgodnie z opisem Bayera piękny niebieski barwnik, znany jako indofenina.
Nie wiedząc co z tym faktem począć, wziął większą ilość komercyjnego benzenu, wytrząsnął z kwasem, oddzieloną warstwę kwasową zobojętnił stwierdzając, że wydzieliła mu się rzadka, lekko żółtawa ciecz o charakterystycznym zapachu, która wydawała się identyczna z benzenem. Meyer sądził zatem, że benzen występuje w dwóch formach, jednej mało aktywnej i drugiej "zaktywizowanej" i wchodzącej w reakcję barwną. Powtórzenie reakcji z otrzymaną cieczą pozwoliło mu na wytworzenie większej ilości niebieskiego barwnika, który wysłał do zbadania Bayerowi. Ten orzekł, że faktycznie jest to indofenina, ale zarazem w analizie elementarnej wyszło mu, że związek zawiera siarkę, której nie było w izatynie. Dalsze testy "aktywizowanego benzenu" pokazały, że musi być to substancja różna od benzenu. W odróżnieniu od niego nie krystalizowała w lodzie, i wrzała w temperaturze 84 stopni, w porównaniu z 80 stopni dla benzenu zupełnie czystego. Wreszcie analiza chemiczna wykazała, że jest to związek zawierający jeden atom siarki, cztery atomy węgla i cztery wodoru.
I tak Meyer odkrył Tiofen.

Odkrycie tiofenu zelektryzowało ówczesnych chemików. Okazało się że przez kilka dekad nie zauważyli, że benzen ze smoły węglowej jest mieszanką dwóch związków, przy czym ten drugi, tiofen, stanowił w niektórych partiach do 10%

Tiofen należy do grupy pięciokątnych związków aromatycznych, w których aromatyczność nadaje im zdelokalizowany układ sześciu elektronów - dwóch pochodzących z wiązań podwójnych na części węglowej i jednej wolnej pary pożyczonej z heteroatomu. Pełnowęglowy odpowiednik czyli cyklopentadien nie jest aromatyczny, a dodatkowo efekty antyaromatyczne tylko zmniejszają jego trwałość. Dążąc do utrwalenia chętnie odszczepia jeden wodór tworząc karboanion cyklopentadienylowy który już jest aromatyczny.
Podstawienie jednego węgla w tym układzie heteroatomem posiadającym wolną parę elektronową tworzy aromatyczną cząsteczkę obojętną. Gdy tym atomem jest tlen, otrzymujemy furan, gdy azot jest to pirol. Udało się także otrzymać analogiczne cząsteczki z niektórymi metalami i półmetalami, takie jak silol z krzemem, arsol z arsenem, stannol z cyną a nawet tytanol z tytanem. Zachowują one częściową aromatyczność, ale znacznie osłabioną.

Dziś możemy już odpowiedzieć na pytanie co takiego zachodziło w próbówce Meyera i co właściwie wykrywała reakcja. Tiofen w odróżnieniu od benzenu jest bardziej reaktywny. Tyle samo bo sześć elektronów stłoczonych jest jednak na mniejszym bo pięcioatomowym pierścieniu. Większe zagęszczenie ładunku (oraz karboanionowe struktury mezomeryczne) powoduje, że chętniej reaguje z czynnikami elektrofilowymi. Takim czynnikiem może być też proton uwalniany przez odpowiednio silny kwas.
Podczas wytrząsania benzolu ze stężonym kwasem, tiofen ulegał protonowaniu i w formie jonowej przechodził do warstwy kwasowej. Dalsza reakcja z izatyną jest dość skomplikowana i nie zupełnie rozgryziona, zaczyna się prawdopodobnie od sprotonowania izatyny i wytworzenia formy z ładunkiem dodatnim, która jako elektrofil atakuje cząsteczkę tiofenu. Powstające połączenie dimeryzuje i ulega przegrupowaniu tworząc niebieski barwnik:
Indofenina występuje w kilku izomerach różniących się konformacją trans/cis na wiązaniach podwójnych, w zasadzie więc powstaje mieszanina izomerów. Reakcja ma dziś jeszcze zastosowanie do oznaczania niektórych mało podstawionych pochodnych tiofenu.

Jakie zastosowania ma tiofen?
Jednym które samo się narzuca jest produkcja barwników. Chętnie jest też używany w syntezach nowych leków. Może zastępować pierścień benzenowy bez utraty właściwości leku, a dzięki łatwiejszemu podstawieniu łatwiej jest wytworzyć różnorodne pochodne.
Najciekawszym zastosowaniem jest jednak wytwarzanie politiofenu, polimeru mogącego przewodzić prąd elektryczny.




Spolimeryzowany tiofen po utlenieniu staje się przewodnikiem typu metalicznego. Utleniony tylko częściowo stanowi natomiast organiczny półprzewodnik. Możliwe jest więc wytworzenie na przykład przezroczystej folii przewodzącej prąd, co powinno znaleźć zastosowanie w ogniwach słonecznych. Szersze zastosowanie znalazła dobrze rozpuszczalna pochodna poli(etylenodioksytiofenu) (PEDOT-PSS), która dzięki przewodnictwu jest używana w powłokach antystatycznych, nie pozwalających na elektryzowanie się powierzchni.
Sam poli(etylenodioksytiofen) jest słabo rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych. Folie i przewody wytworzone z tego materiału są używane w elastycznych wyświetlaczach OLED.

------------
H. D. Hartough, The Chemistry of Heterocyclic Compounds, Thiophene and Its Derivatives,


* https://en.wikipedia.org/wiki/Thiophene
* https://en.wikipedia.org/wiki/Polythiophene

piątek, 28 listopada 2014

Dwie anegdoty o chemikach

Aby przełamać totalny blog-blok, wrzucam na szybko dwie historyjki z cyklu anegdot o chemikach. Już tu pisałem o serendipity - przypadkach doprowadzających do odkryć. Jak się okazuje takich przypadków było w historii znacznie więcej.

Na skutek złej znajomości języka
Język jest w badaniach chemicznych bardzo ważny. Większość publikacji z jakich się korzysta jest w języku angielskim, pewne znaczenie ma może jeszcze niemiecki, i dlatego powinno się te języki znać. Nieporozumienie językowe może bowiem przynieść zaskakujące skutki.

W 1979 roku w Londyńskim Queen Elizabeth College trwały badania nad uzyskiwaniem halogenopochodnych cukrów, mogących mieć właściwości biologiczne. Podejrzewano że pochodne z dużą ilością takich podstawników mogą być przydatne jako środki owadobójcze podobne do DDT. Jednym z takich cukrów była sacharoza czyli cukier stołowy. Posiada ona osiem grup wodorotlenowych które mogą być bez niszczenia cząsteczki zastąpione atomem chloru, dlatego po standardowym chlorowaniu otrzymano mieszaninę podobnych związków z jedną, dwoma, trzema i więcej podstawionych grup w różnym układzie. Po oczyszczeniu poszczególnych związków, prowadzący badania oddał je swojemu magistrantowi, pochodzącemu z Indii Shashikantowi Phadnisowi, polecając ustnie, aby je przetestował.
Doszło tu jednak do nieporozumienia - student zrozumiał nie że związki należy przetestować (testing) tylko posmakować (tasting). Wziął więc łopatką odrobinę na język i wkrótce doniósł osłupiałemu kierownikowi, że jeden z tych związków smakuje niesamowicie słodko. Tak odkryto słodzik sukralozę, ok. 600 razy słodszy od wyjściowej sacharozy i trzy razy od aspartamu. W porównaniu z innymi słodzikami jest bardzo słabo wchłaniany i trwały termicznie, zarazem jednak jako związek chloroorganiczny budzi kontrowersje.[1]

Słodziki mają jakąś specjalną predylekcję do zbiegów okoliczności...

Dlaczego czasem warto zbadać odpady
Charles J. Pedersen pracując w koncernie chemicznym DuPont zajmował się poszukiwaniem nowych związków kompleksujących metale. Zanieczyszczenia jonami metali ciężkich w ropie i paliwach przyspieszały ich utlenianie, a co za tym idzie, pogorszenie jakości. Wymyślił więc związki które tworzyły z jonami żelaza i miedzi dosyć trwałe kompleksy, przerywając utlenianie. W pewnej chwili zainteresował się problemem selektywnego kompleksowania wanadu. Chcąc sprawdzić jaki związek będzie najefektywniej wiązał jego kationy, postanowił zsyntetyzować pochodną katecholu, łącząc ze sobą dwie cząsteczki przez łańcuch diglikolu etylenowego, i pozostawiając wolne dwie grupy hydroksylowe. Rozumował, że powstający mostek eterowy powinien zwiększyć rozstaw między cząsteczkami powstającego fenolu, co jego zdaniem powinno wyraźnie wpłynąć na kompleksowanie wanadu.
Katechol

Aby połączyć dwie cząsteczki katecholu  jednym mostkiem i nie uzyskać polimeru, zabezpieczył jedną z dwóch grup wodorotlenowych tego związku grupą etylową. Następnie przeprowadził reakcję zabezpieczonego związku z chloropochodną diglikolu, spodziewając się uzyskać poszukiwany związek.

Wstawiając reakcję wiedział zarazem, że substrat jest nadal nieco zanieczyszczony wolnym katecholem, uznał jednak że nie przeszkodzi on w reakcji.
Mieszanina poreakcyjna miała postać szarawej, gęstej mazi, którą należało teraz rozdzielić. Gdy rozpuścił ją w metanolu zauważył, że na dnie zebrało się odrobinę białawego osadu. Było to na prawdę niewiele - związek powstał z wydajnością 0,4%, a ponieważ był mało rozpuszczalny, to na pewno nie był to związek poszukiwany. Pedersen zajmował się produkcją określonego związku do określonego celu i nie miał potrzeby wdawać się w szersze analizy. Niemniej zastanowiła go delikatna, włóknista struktura osadu.

Mając na podorędziu spektroskop UV postanowił zbadać czy ma do czynienia z jakimś fenolem - widmo pokazało że musi to być jakaś podstawiona pochodna katecholu. Postanowił dodać nieco wodorotlenku sodu aby zalkalizować roztwór, oczekując że widmo absorpcji albo nie zmieni się, dla związku bez wolnych grup, albo maksimum absorpcji pogłębi się i przesunie się w stronę mniejszych długości fal. Tymczasem jednak zaobserwował dwie zaskakujące rzeczy - widmo nie przesunęło się lecz podzieliło na mniejsze pasma, zaś związek przedtem bardzo słabo rozpuszczający się w metanolu, po zalkalizowaniu rozpuszczał się bardzo chętnie.
Gdyby był to związek fenolowy, zwiększenie rozpuszczalności tłumaczyłoby się tworzeniem soli, fenole są bowiem dosyć kwaśne, jednak widma NMR i w podczerwieni wykluczały taką możliwość. W dodatku jak wykazał, aby zwiększyć rozpuszczalność związku, wystarczała dowolna sól sodu bądź potasu.
Był to zatem związek łączący się z kationami tych metali, choć nie bardzo miał w jaki sposób. Po analizie elementarnej Pedersenowi wyszedł wzór C10H12O3, z czego wynikałaby struktura:
Potem inne badania wykazały jednak że rzeczywista masa cząsteczkowa jest dwa razy większa. A skoro tak musiała to był taka oto piękna struktura:
Tym samym odkrył pierwszy znany eter koronowy.[2]

Nazwa tej grupy związków makrocyklicznych bierze się od struktury, w której możliwa jest konformacja z atomami tlenu skierowanymi w jedną stronę płaszczyzny, niczym szpice w koronie. Mają niesamowite zdolności do kompleksowania - wynaleziony przez Pedersena związek dibenzo-18-korona-6 bardzo selektywnie kompleksuje potas, robiąc to z taką siłą, iż można za jego pomocą oddzielić kationy potasu od innych metali. Inne etery kompleksują sód, wapń czy magnez, każdy z inną siłą, wszystko zależy od wielkości "oczka" które lepiej pasuje do jednych jonów a gorzej do innych. Skompleksowany jon przestaje być reaktywny, dlatego dodatek odpowiedniego związku do badanej mieszaniny, może zamaskować przeszkadzające metale.
Etery takie mogą zmieniać konformację i rozpuszczalność, możliwe jest więc przeprowadzenie normalnie nierozpuszczalnych kationów metali do fazy organicznej. Mogą też przydać się jako katalizatory.

Za badania nad eterami koronowymi, zapoczątkowanymi dokładniejszą analizą odpadowego produktu, Pedersen został w 1987 roku uhonorowany Nagrodą Nobla z Chemii.

------------
[1] http://www.laleva.org/eng/2006/12/the_history_of_splenda_the_bestselling_artificial_sweetener_in_america.html
[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1987/pedersen-lecture.pdf

niedziela, 20 października 2013

Salmiak

Dwa wspomnienia i trochę historii.

Na pierwszym roku studiów jednym z przedmiotów było laboratorium chemii nieorganicznej. Robiliśmy tam różne podstawowe doświadczenia, jak strącanie osadów, spalanie magnezu i sprawdzanie czy na pewno na zimno nie reaguje z wodą (reagował) reakcje redoks itp. Jednym z nich było sprawdzenie reakcji kwasu solnego i amoniaku.
Oba roztwory umieściłem w małych zleweczkach i nakryłem zlewką dużą. Po chwili z jednej z nich zaczął się unosić biały dym:

który z czasem wypełnił całą zlewkę:
Dym wychodził zapewne ze zleweczki z amoniakiem, ale nie jestem pewien. Skąd wziął się ten dym?
Zarówno roztwór amoniaku jak i kwas solny chętnie uwalniają opary lotnych związków w nich rozpuszczonych - a więc gazowy amoniak i gazowy chlorowodór, te reagują ze sobą dając drobne cząstki stałej soli - chlorku amonu nazywanego salmiakiem:
 NH 3 + HClNH 4 Cl

Cząstki są tak drobne że tworzą dym podobny do mgły. Dawniej zresztą mieszanie par tych dwóch związków było sposobem na wytworzenie sztucznego dymu, z czego jednak zrezygnowano z powodu działania drażniącego oczy.

Salmiak jest jedną z najstarszych znanych soli nieorganicznych, pierwszą solą amoniakalną i jednym z pierwszych związków wytwarzanych sztucznie. Występuje naturalnie ale w dość specyficznych warunkach, łatwo bowiem rozkłada się z wydzieleniem lotnego amoniaku i dobrze rozpuszcza w wodzie; zazwyczaj spotyka się go w pobliżu otworów którymi ulatują gorące gazy wulkaniczne, ale też w miejscach wylotu spalin z podziemnych pożarów węgla i torfu czy wewnętrznych pożarów hałd kopalnianych. W mniejszych ilościach powstaje w pobliżu złóż guana powstającego z ptasich odchodów.
Pierwsze informacje na jego temat pochodzą z Egiptu a konkretnie z oazy Siwa, gdzie w starożytności stała znana i często odwiedzana świątynia Ammona. Greccy pisarze opisują iż w pobliżu świątyni, w miejscu gdzie wielbłądy licznych pielgrzymów oddawały mocz w zasoloną ziemię, krystalizowała biała sól o właściwościach ściągających, nazywana Solą Ammona czyli sal ammonicum. Popularna nazwa salmiak jest więc skrótem. Był używany w medycynie jako środek moczopędny, odkażający i przeczyszczający, zewnętrznie jako składnik maści. Alchemicy widzieli w nim pierwiastek lotności, bowiem przy ogrzewaniu sublimował zaś opary po ochłodzeniu ponownie zamieniały się w stałe cząstki w formie już tu pokazanego dymu. W zasadzie nie jest to typowa sublimacja - wprawdzie w parach występuje gazowy związek, ale składają się one głównie ze związków składowych, a więc amoniaku i chlorowodoru, po ochłodzeniu natychmiast reagujących ze sobą.

Otrzymywano na dużą skalę już na początku średniowiecza z popiołu po spaleniu suszonych odchodów krowy, lub wykrystalizowując z ługu mieszaniny soli i starej uryny. W mieszaninie z ałunem był stosowany w zaprawach farbiarskich. Mniej więcej w XV wieku pokazano, że po zmieszaniu z wapnem wydziela ostre opary, łatwo rozpuszczające się w wodzie. W XVIII wieku nauczono się go otrzymywać z produktów suchej destylacji szczątków zwierzęcych, takich jak rogi, kopyta czy skóry, łapiąc opary w wodzie i zakwaszając ją kwasem solnym.
Sam roztwór przed zakwaszeniem, będący w zasadzie wodą amoniakalną, był używany jako odplamiacz. Z suchych oparów krystalizował w tym procesie węglan amonu, zwany z tego powodu "solą rogu jeleniego" i używany jako pierwszy spulchniacz do pieczywa (dziś jest to "amoniak do ciast") oraz składnik soli trzeźwiących.
Współcześnie chlorek amonu jest używany w metaloplastyce jako składnik pasty oczyszczającej powierzchnię metalu przed lutowaniem, lub metalową formę przed odlewem, zwykle ma postać małych kostek lub stanowi warstewkę pokrywającą laseczkę lutu cynowego. Jego użycie opiera się na fakcie, że podczas rozkładu w wysokiej temperaturze reaguje z tlenkami na powierzchni metalu, przeprowadzając je w stosunkowo dobrze lotne w tych temperaturach chlorki, dzięki temu lutowane powierzchnie są czyste i stop będzie dobrze do nich przylegał.
W mniejszym stopniu używa się go jako dodatku spożywczego (jako E510), głównie do ciast i chleba, ułatwia bowiem wyrośnięcie ciasta drożdżowego. W krajach skandynawskich popularnym smakołykiem są cukierki Salmiakki, będące zagęszczonym wyciągiem z korzenia lukrecji zmieszanym z salmiakiem, który przełamuje intensywnie słodki smak lekko ostrym, słonawym posmakiem, wywołującym przejściowe wrażenie utraty smaku. Nie miałem okazji próbować więc dokładniej nie opiszę. Związek bywa też składnikiem syropów na kaszel, jest bowiem wykrztuśny.

Reakcja pomiędzy oparami prowadząca do powstania salmiaku staje się też przyczyną często spotykanego w laboratoriach zjawiska powstawania białego osadu na szkle. Butelki ze stężonymi kwasami i zasadami często są przechowywane z przeszklonym dygestorium z mechaniczną wentylacją zasysającą opary na zewnątrz pomieszczenia. Nocą jednak wyciąg zazwyczaj jest wyłączany, toteż z butelek wody amoniakalnej i kwasu solnego mogą przez drobne nieszczelności ulatniać się opary. Po pewnym czasie wszystkie szyby dygestorium pokryte są białym, mączystym osadem.
O tym jak dalece zajść może ten proces przekonałem się niedawno, gdy szukając opakowania żelu krzemionkowego otworzyłem jedną z szafek, znajdując tak takie oto cudo:

Naczynie z wodą amoniakalną obrosło porowatą masą białych kryształków, przypominającą szron. Ponieważ w tej samej szafce stała butelka ze stężonym kwasem solnym łatwo się było domyśleć przebiegu procesu - w dawno nieotwieranej szafce na butelce amoniaku powstawał salmiak, przez który jednak nadal przesączały się opary z wnętrza naczynia, dlatego małe kryształki mogły powoli narastać tworząc skupiska podobne do białego mchu.

Odstawiłem ją z powrotem. Niech rośnie.

niedziela, 5 maja 2013

Jeszcze garść anegdot

A oto kilka kolejnych anegdot o chemikach, których nie umieściłem w poprzednich wpisach, bo na przykład wówczas o nich nie wiedziałem albo mi nie pasowały. Tym razem bez jednolitego tematu.

Chaos twórczy
Wynalazków dokonuje się w głowach. Nawet gdy dopomaga nam szczęśliwy zbieg okoliczności, trzeba uwagi aby w przypadku dostrzec nowe zjawisko. Często jednak wynalazek jest jedynie końcowym produktem dłuższego procesu, zaczynającego się w umyśle od myśli "a może by tak spróbować inaczej". Istnieją rozbudowane teorie innowacyjności, mające dopomóc w pomyśleniu o problemie na tyle niestandardowo, aby znaleźć dlań nowe rozwiązanie. Systematyczne i logiczne rozpatrywanie wszystkich możliwości, nawet tych najbardziej banalnych i z pozoru nieużytecznych, powinno doprowadzić wynalazcę do celu.
A gdy logika zawodzi, trzeba pomóc szczęściu. Mieszając, bałaganiąc, bawiąc się...

Robert H. Wentorf Jr. był amerykańskim chemikiem, zajmujący się głównie tworzeniem nowych materiałów. Już w latach pięćdziesiątych zwrócił na siebie uwagę pracami na temat przemian fazowych grafit/diament, w których stwierdził, że dla odpowiednio dużych ciśnień grafit stanie się diamentem dzięki katalizatorom w postaci stopionych metalów przejściowych. W kolejnych latach opracował technologię otrzymywania dużych kryształów, nadających się do użytku technicznego, jednak jego największe odkrycie dotyczyło czegoś innego.
Grafit jest polimorficzną odmianą węgla, będącą sześciokątną siatką tworzącą cienkie płaszczyzny, trzymające się siebie dosyć luźno za sprawą oddziaływań międzycząsteczkowych. Strukturę taką można porównać do stosu kartek papieru, w którym kartka składa się ze ściśle powiązanych włókienek, tworzących mocną strukturę, zaś poszczególne arkusze nie rozsypują się tylko za sprawą tarcia. Wentorf udowodnił, że stosując duże ciśnienie można sprawić, że te płaszczyzny zbliżą się do siebie na odległość podobną do tej, w jakiej znajdują się dobrze powiązane atomy w płaszczyźnie, i dzięki odpowiednim warunkom płaszczyzny scalą się, przechodząc w ścisłą i litą strukturę diamentu.

Gdy później szukał informacji na temat podobnych struktur, zwrócił uwagę na azotek boru. Jest to ciekawa substancja, o właściwościach zaskakująco podobnych do węgla. Bor i azot leża po dwóch stronach węgla w układzie okresowym - ten pierwszy ma o jeden elektron walencyjny mniej niż węgiel, a ten drugi jeden więcej. Jeśli połączyć je ze sobą w strukturę naprzemienną, to cała cząsteczka będzie miała tyle samo elektronów, co jej węglowy analog. Borazyna, będąca sześciokątnym pierścieniem z trzema azotami i trzema borami jest na tyle podobna do węglowego analogu, że bywa nazywana nieorganicznym benzenem.

Borazowym analogiem grafitu jest azotek boru - materiał składający się z warstw sześciokątnych siatek, powiązanych tylko oddziaływaniami międzycząsteczkowymi, mający postać miękkiej masy podobnej do wosku.

 Przeprowadził więc w umyśle analogię - jeśli azotek boru jest tak strasznie podobny do grafitu, z którego można zrobić diament, to czemu nie dałoby się zamienić go w borazowy analog diamentu? Idąc tym tropem szedł dalej "logiczną" ścieżką. Eksperymentował z wysokimi ciśnieniami, i stosował katalizatory z metali przejściowych, odpowiednie strukturą do struktur zamierzonych. Próbował zmieniać rozpuszczalniki, szybko zmieniać temperaturę, słowem - robił wszystko to co sprawdzało się w przypadku diamentów. I nic.
Postanowił zatem użyć innej metody, którą określał zasadą "Zrób jak najszybciej dużo błędów, a potem nie popełnij ani jednego". Chodziło zatem o wprowadzenie w proces twórczy chaosu i przypadkowych czynów,  których jednak potem należy wyłuskać rysującą się zasadę prowadzącą do celu. Zaczął więc wrzucać do reaktorów różne przypadkowe rzeczy - śrubkę, monetę, jakiś drucik leżący na stole...
Gdy przeprowadził kolejną syntezę zauważył że na powierzchni drucika pojawiło się kilka ciemnych ziaren, które mogły zarysować szkło. Dalsze badanie wykazało, że jest to poszukiwany materiał o twardości zbliżonej do diamentu. Sukces!
Ale jaką drogą? Drucik wrzucony do reaktora był wykonany ze stopu magnezu. Podczas rozpuszczania drucika w kwasie, aby oddzielić go od ziaren produktu, dawał się wyczuwać zapach amoniaku. Dla chemika stało się jasne, że magnez zareagował z obecnym w mieszaninie amoniakiem, tworząc azotek magnezu, ten zaś okazał się katalizatorem przemian strukturalnych. Dzięki takiemu katalizatorowi udało się produkować materiał, nazywany Borazonem, o twardości podobnej do diamentu, ale znacznie większej odporności chemicznej i termicznej.[1]

Pomysł tak głupi, że aż dobry
Z powyższą historią wiąże się jeszcze inna.
Jak to już napisałem, grafit składa się z warstw węgla ułożonego w sześciokątne pierścienie. Za sprawą idealnie aromatycznej struktury takich warstw, w jej obrębie materiał wykazuje wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne. Wiązania w takiej warstwie są ponadto bardzo trwałe, a ona sama bardzo mocna, stąd też po sukcesie z produkcją fullerenów i nanorurek, próbowano uzyskać takie monowarstwy. Niestety przez wiele lat bez rezultatu.
Aż do roku 2004 gdy dwóch  naukowców zaczęło bawić się w pracy. Jak tłumaczyli potem, między poważnymi pracami, od czasu do czasu zajmują się sprawdzaniem luźnych, głupich pomysłów. Jednym z nich było pytanie, czy warstwy grafitu można rozdzielić mechanicznie? I to tak, aby otrzymać jak najcieńszy kawałek?
Wzięli więc kawałek czystego grafitu i przylepili do niego taśmę klejącą, którą potem zerwali. Wraz z taśmą odkleił się kawałek grafitu. Przykleili więc drugi kawałek taśmy do otrzymanego kawałka, i rozdzielili ponownie. Po kilku takich rozrywaniach otrzymali małe kawałki grafitu, które prześwitywały. Badanie wykazały, że składają się z od jednej do kilku warstw. Nowo otrzymany materiał, nazwany grafenem, okazał się mieć na tyle niezwykłe właściwości, że zespoły badawcze zaczęły prześcigać się w metodach tworzenia go w większych ilościach. Naukowcy - Andre Geim i Konstantin Nowoselow otrzymali w 2010 roku Nagrodę nobla, a rolka taśmy klejącej i kawałek grafitu trafiły do muzeum.
Bo źle napisali
W 1886 roku dwaj lekarze Kahn i Hepp zajmowali się badaniem, czy naftalen, znany jako składnik naftaliny odstraszającej mole, będzie dobrym środkiem odrobaczającym przewód pokarmowy. Kupili naftalen w aptece i niespecjalnie przejmując się ostrożnością, podawali różnym pacjentom. Akurat na pasożyty związek pomagał bardzo słabo, ale pacjenci stwierdzili, że po zażyciu proszku ich dolegliwości bólowe się zmniejszyły, a jeśli mieli gorączkę to obniżała się. Zachęceni tym sukcesem doktorzy zaczęli czynić starania nad stworzeniem z tej substancji leku, jednak gdy dokładniej sprawdzili swój surowiec coś ich tknęło. Naftalen ma charakterystyczny zapach, natomiast to co oni posiadali, było bezwonne.
Apteczna etykieta na słoiku okazała się być zapisana tak niewyraźnym, "lekarskim" pismem, że trudno było ją odczytać. Oczywiste stało się więc, że testowali na pacjentach jakąś inną, nieznaną im substancję, przyniesioną im przez pomyłkę. Po analizie chemicznej okazało się, że był to acetanilid - acetylowa pochodna aniliny. [2]
Po dalszych testach substancję wprowadzono na rynek w tym samym roku, pod nazwą Antifevrin. Był to pierwszy lek przecowbólowy nie oparty na salicylanach. Niestety okazało się że wywołuje niedotlenienie i zatrucie, dlatego zastąpiono go mniej szkodliwa fenacetyną. Ta, znana jako składnik popularnej "tabletki z krzyżykiem" też okazała się szkodliwa, dlatego dziś stosuje się już tylko kolejną pochodną aniliny - paracetamol.
Ale o historii odkrycia paracetamolu napiszę za kilka dni....


------
[1] http://www.winstonbrill.com/bril001/html/article_index/articles/51-100/article61_body.html
[2] http://portails.inspq.qc.ca/toxicologieclinique/historique-de-lacetaminophene.aspx

niedziela, 10 marca 2013

Anegdoty o chemikach i ich odkryciach

Sukces wpisu o wypadkach dawnych chemików sprawił, że postanowiłem zebrać jeszcze trochę podobnych przypadków. Tym razem jednak nie o wybuchach lecz o odkryciach, i sposobach w jakie do nich dochodzono. A te bywały osobliwe.

Sprzątając
Odkryć można też dokonywać po doświadczeniach, w trakcie mycia sprzętu i zlewania pozostałości. Przydarzyło się to w roku 1933 Ralphowi Willeyowi, który będąc studentem pracował na pół etatu w Dow Chemical Laboratory, na podrzędnym stanowisku chłopca do mycia próbówek. Za którymś razem przytrafiła mu się kolba której za nic nie mógł domyć, gdyż była od wewnątrz pokryta cienką warstwą półprzezroczystej, twardej substancji. Przekonawszy się wreszcie, że jest to materiał bardzo wytrzymały, zgłosił innemu pracownikowi, że ktoś przypadkiem uzyskał substancję o obiecujących właściwościach. Imię tego pracownika nie jest chyba znane, zaś uważny Willey stał się znany jako odkrywa polichlorku winylidenu (PVDC).

Niemniej spektakularne było odkrycie Williama Perkina.
Już jako mały chłopiec po tym jak starszy kolega pokazał mu jakąś sztuczkę z kryształkami, zainteresował się chemią. Ucząc się w dobrej szkole i wykazując nadzwyczajny talent już jako piętnastolatek rozpoczął studia pod przewodnictwem Wilhelma Hoffmana, zostając wreszcie jego asystentem. W roku 1856 zajmował się on próbami syntezy chininy. Wiedziano z grubsza z badań stosunków pierwiastków że zawiera ona części aromatyczne i azot, toteż sprawdzano różne kombinacje, mając nadzieję że za którymś razem wyjdzie. Osiemnastoletni wówczas Perkin zajmował się utlenianiem aniliny przy pomocy chromianu potasu, niestety otrzymywana ze smoły węglowej anilina była mocno zanieczyszczona i po przeprowadzeniu reakcji otrzymał w naczyniu ciemnobrązową smołę, którą nie w sposób było usunąć.
W zasadzie produkt był do wyrzucenia, jednak gdy płukał naczynie alkoholem zauważył, że zabarwił się on na intensywnie fioletowo-różowy kolor, a zanurzona w nim szmatka zafarbowała się bardzo mocno. W tym momencie domyślił się zastosowań praktycznych i gdy tylko opanował metodę produkcji, ustaliwszy że substratem jest zanieczyszczająca anilinę toluidyna, nie czekając na opinię profesora opatentował drugi znany syntetyczny barwnik, nazwany przezeń moweiną - dowodząc przy tym, że oprócz zapału posiadał też żyłkę do interesów. Przekonał krewnych do założenia pierwszej fabryki i farbiarni i już wkrótce zarobił na niej tyle że w wieku 36 lat mógł odejść od pracy zarobkowej i zajmować się chemią wyłącznie dla własnej satysfakcji - czego mu bardzo zazdroszczę.
W późniejszych latach odkrył kilkanaście innych barwników anilinowych.
Wiktoriańska suknia barwiona moweiną

Pierwszym sztucznym barwnikiem była purpurowa fuksyna odkryta przypadkiem przez jego mentora, Wilhelma Hoffmana rok wcześniej. Nie miał on jednak takich zdolności jak jego student, i zanim opatentował ten związek, ubiegł go pewien francuz.

Bawiąc się
Zawsze po skończeniu ćwiczeń z analityki, gdy pozostawało już tylko wylać poreakcyjne mieszanki i umyć próbówki, zwykłem byłem mieszać ze sobą różne wylewane ciecze, aby zobaczyć co się stanie. Zwykle otrzymywałem różnobarwne warstwy, czasem doprowadzałem do jakiejś barwnej reakcji, ale często też nie działo się nic szczególnego. Bawić się w laboratorium, zasadniczo, nie powinno, ale czasem zabawa może być twórcza.
Gdy w 1930 roku Carrots odkrył nowy polimer, będący produktem kondensacji kwasu dikarboksylowego i diaminy, początkowo wydawało się, że nie znajdzie zastosowania, miał bowiem dosyć niską temperaturę topnienia. Jeden z asystentów, Julian Hill, mieszając w kolbie ze świeżym, jeszcze nie skrzepłym materiałem zauważył, że gdy wyciągnął mieszadełko, na jego końcu powstało równe włókienko. Wydawało się jednak że tym sposobem nie da się otrzymać dłuższych włókiem, jednak gdy szef laboratorium był nieobecny, Hill postanowił się pobawić - na jednym końcu korytarza postawił zlewkę ze stopioną masą, zanurzył w niej bagietkę i odbiegł wyciągając kilkunastometrowe włókno cienkie jak włos. W dodatku gdy już ostygło, można było rozciągnąć je jeszcze bardziej zwiększając jego twardość i wytrzymałość.
Później okazało się, że podczas wyciągania długie cząsteczki polimeru porządkują się wzdłuż, a po rozciągnięciu powstałej nici dodatkowo splatają, dając materiał o bardzo pożądanych właściwościach. Pierwsze tego typu włókna roztapiały się w gorącej wodzie, więc trzeba było poczekać kilka lat, aż znaleziono trudnotopliwy polimer kwasu adypinowego i heksanodiaminy, nazwany Nylonem.[1]

Niechcący i błędnie
Odkryć można dokonać wykonując błędnie znany proces i niechcący prowadząc do niebezpiecznych skutków. Przykładem Karl Neumann, który pracując w laboratoriach BASF zajmował się pewnego razu sulfonowaniem naftalenu. W kolbie reakcyjnej znalazł się więc naftalen i dymiący kwas siarkowy. Zawartość kolby należało co pewien czas mieszać, a że akurat na podorędziu nie było bagietki szklanej, wbrew przepisom zaczął mieszać termometrem. Robił to na tyle intensywnie, że stłukł go a metaliczna rtęć wlała się do środka. Powstający siarczan rtęci stał się katalizatorem wywołującym przemianę części naftalenu do bezwodnika ftalowego, co wykazały analizy "zepsutej" zawartości kolby. Poprzednio stosowany proces polegał na utlenieniu naftalenu tlenem i miał niską wydajność. Teraz można było produkować bezwodnik ftalowy na tyle tanio, że można go było wykorzystać jako substrat w produkcji Indygo. Synteza Neumanna została wprowadzona przez BASF w 1897 roku.

Przez nieumyte ręce
Jedną z podstawowych zasad wpajanych początkującym adeptom pracy laboratoryjnej jest to, aby nie próbować żadnej substancji, nawet wody destylowanej, nie wdychać oparów i i niczego nie jeść, oraz dokładnie myć ręce po pracy. Ma to dość oczywiste uzasadnienie, jako że wiele substancji z którymi można się zetknąć na pracowni jest trujących lub szkodliwych, a i trudno wykluczyć zanieczyszczenie nimi miejsc i naczyń wydawałoby się bezpiecznych. Przekonałem się o tym gdy pewnego razu polizałem lejek z sączkiem szklanym, aby przekonać się o fakturze. Niestety wcześniej lejek był czyszczony stężonym kwasem a poprzedni uczeń go nie przemył, dlatego szybko poczułem pieczenie a przez kilka następnych dni nie czułem smaku na koniuszku języka.. Tak czy siak zdarzało się że chemicy o tych regułach bezpieczeństwa zapominali, a zdarzało się że przy okazji odkrywali ciekawe właściwości badanych substancji.

W roku 1878 dwaj chemicy Ira Remsen i Constantin Fahlberg pracowali nad wyodrębnianiem substancji ze smoły węglowej. Po skończonej pracy zaczęli jeść bułki przyniesione z domu jako drugie śniadanie,  zauważyli wtedy, że bułki smakowały bardzo słodko, ale z gorzkawym posmakiem. Remsen myślał nawet, że żona przez pomyłkę posypała masło cukrem, ale potem zauważył ten sam posmak na palcach. Poprzedniego dnia pracowali nad toluenosulfonamidem i nie umyli rąk. Wspólnie opisali syntezę i właściwości związku, nazywając go Sacharyną. Był to pierwszy sztuczny słodzik używany przez cukrzyków, a w czasie wojny również jako zamiennik cukru przy braku dostaw.
Po kilku latach od odkrycia obaj panowie się pokłócili, bo Fahlberg po cichu opatentował metodę syntezy w kilku krajach, nie dając nic wspólnikowi.
Bardzo podobna historia zdarzyła się w 1937 roku, gdy amerykański student chemii  Michael Sveda pracował przy produkcji leków przeciwgorączkowych opartych na sulfonamidach. Paląc papierosa przy laboratoryjnym stole na chwilkę odłożył go w miejsce, gdzie wcześniej kapnął mu jeden z roztworów. Gdy znów wziął go o ust zauważył, że ustnik stał się bardzo słodki. Wkrótce odkryty przezeń słodzik, nazwany cyklaminianem, wprowadzono jako dodatek do gorzkich leków, a potem dosładzano nim napoje.
Kolejnym słodzikiem odkrytym w ten sposób był aspartam. Jego odkrywca Schlatter, szukając leku na wrzody w roku 1965 pobrudził nim dłoń, a potem poślinił palec aby rozdzielić sklejone strony książki. Dwa lata później w identyczny sposób Karl Klaus odkrył acesulfam K.
Poczet oblizujących się chemików zamyka szwajcarski chemik Albert Hofmann, który zajmował się poszukiwaniem silnie działających leków w trujących grzybach. Pochodna kwasu lizergowego, którą stworzył w 1938 roku miała być lekiem na astmę, ale nie została wówczas zbadana. Dopiero w 1943 roku postanowił ponownie przyjrzeć się temu związkowi. Niewielka ilość zanieczyściła mu palce i podczas jedzenia dostała się na usta. Po powrocie do domu doznał uczucia niepokoju, więc położył się do łóżka i przeżył dwugodzinną wizję podobną do fantastycznego snu. Trzy dni potem świadomie zażył większą dawkę, i wracając do domu na rowerze doznał tak silnych halucynacji, że ledwie trafił. Na pamiątkę tego zdarzenia miłośnicy LSD obchodzą 19 kwietnia Dzień Roweru. Ale to już inna historia.
Karteczki nasączone LSD

Te przypadki dotyczyły dobrych stron odkrywanych związków. Jak łatwo się domyśleć o chemikach odkrywających silne trucizny nie mogliśmy usłyszeć, bo nie było by komu ogłosić tego odkrycia.

Bo za długo leżało
Bywa że nowe substancje odkrywane są podczas porządkowania stołu laboratoryjnego, w trakcie sprawdzania starych próbówek i kolb z czymś zapomnianym. Bo przecież niektóre reakcje zachodzą bardzo powoli, i tylko zapominalskość chemika może sprawić, że da on substancjom odpowiednio dużo czasu.

W 1839 roku berliński aptekarz Eduard Simon zajmował się badaniem storaksu - aromatycznej żywicy Ambrowca balsamicznego, o właściwościach odkażających, stanowiącej składnik kadzideł. Próbując uzyskać bardziej aromatyczne składniki przeprowadził destylację z parą wodną i otrzymał oleistą ciecz, którą nazwał styrolem. Zebrał ją do buteleczki, odłożył na półkę i zajął się innymi sprawami. Po kilku dniach okazało się że zawartość butelki zgęstniała do formy twardej galarety, którą nazwał styroloksydem. Kilka lat później podobną substancję uzyskano bez dostępu powietrza. Wreszcie Berthelod stwierdził że w obu przypadkach powstaje ta sama substancja, zaś procesem nie jest utlenianie lecz łączenie cząsteczek w długie łańcuchy. Tak powstające tworzywo sztuczne nazwano polistyrenem. Najpospolitszym jego zastosowaniem jest produkcja styropianu.
Podobna jest historia polichlorku winylu. Chlorek winylu, czyli chlorek etenu, jako pierwszy otrzymał Regnault w 1835 roku. Powstałą lotną ciecz zamknął w buteleczce i położył na parapecie. Gdy po kilku dniach sobie o niej przypomniał znalazł tam brązową, elastyczną masę. Minęło jednak kilka dekad i odkrycia popadło w zapomnienie aż w 1872 roku powtórzyła się w laboratorium Eugena Baumana. Otrzymawszy większą ilość stwierdził, że masa jest podobna do galalitu i gdyby można ją było otrzymywać w dużych ilościach, byłaby dobrą masą plastyczną. Pierwszy zakład produkcji PCW wyglądał osobliwie - na dużym placu ustawiano obszerne butle wypełnione chlorkiem winylu i zostawiano na kilka dni aby świeciło na nie słońce. Potem butle rozbijano a bryły tworzywa przetapiano. Nie był to za bardzo ekonomiczny sposób, więc dopiero wynalezienie katalizatorów polimeryzacji pozwoliło wprowadzić nowy materiał na szeroki rynek.

We śnie
Och, jakże bym tak chciał. Zdrzemnąć się gdzieś a pomysły same przychodzą do głowy. Próbuję zatem drzemek w różnych porach, ale jak na razie bez skutku.
Najbardziej znanym chemikiem, którego sny do czegoś się przydały, był August Kekule - ale nie zrodziły się one z próżni.

W XIX wieku chemia organiczna dopiero raczkowała. Pierwsze syntezy związków organicznych z tych nieorganicznych to lata 20. Pierwsze reakcje na takich związkach zaczęto stosować niedługo później. Jedną z rzeczy jakie nurtowały chemików, była budowa materii - coś co odróżniało jedną substancję od drugiej. W zasadzie jedynym po czym, oprócz ich właściwości fizycznych, rozróżniano między substancjami, był stosunek wagowy składowych pierwiastków. Metan składał się z węgla i wodoru w stosunku 1:4, etan z tego samego, ale w stosunku 1:3 a butan w stosunku 2:5.
Teoria atomowa Daltona pchnęła sprawę do przodu - jeśli pierwiastki składają się z jednakowych cząstek, to związki są różnego rodzaju mieszaninami, w których atomy pierwiastków łączą się ze sobą w różnych kombinacjach. Odkrycie, że różne substancje mogą posiadać ten sam stosunek ilościowy pierwiastków zaciemniło obraz. Wyglądało na to, że różnicą jest nie ilość a sposób łączenia atomów, co siłą rzeczy nasuwało myśl o jakiejś strukturze - tylko jakiej? W powyższych przykładach ze stosunków ilościowych wynikałoby, ze w jednym związku atom węgla łączy się z wodorem przez cztery wiązania, w drugim przez trzy a w kolejnym w bardziej skomplikowany sposób.
Kekule 1857 roku ogłosił, że jego zdaniem liczba możliwych wiązań dla danego pierwiastka jest stała i dla węgla wynosi 4. Rodziło to oczywiste problemy z przypisaniem wszystkim połączeniom odpowiednich atomów i sprawiło że miał się nad czym zastanawiać. Zastanawiał się aż do znużenia. I tak oto, znużony, wracał do domu omnibusem i zdrzemnął się na jednym z siedzeń, gdy przyśniły mu się atomy:
Zatonąłem w marzeniach i przed moimi oczami zaczęły krążyć atomy. Zawsze widziałem te małe twory w ruchu. Teraz widziałem, jak dwa mniejsze łączą się ze sobą w pary, jak większe otaczają dwa mniejsze, a jeszcze większe utrzymywały to wszystko w zawrotnym tańcu. Widziałem, jak większe atomy tworzyły łańcuch, wciągając mniejsze, ale tylko na końcach łańcucha[2]
Obudzony przez konduktora miał gotowe rozwiązanie - ilości wiązań i stosunki będą zachowane, jeśli uznamy, że węgle łączą się same ze sobą tworząc łańcuchy. Tłumaczyło to też stosunki ilościowe w kolejnych, coraz cięższych alkanach, mogąc wywieść je z reguły 2N+2 wskazującej że atomów wodoru jest o dwa więcej niż dwukrotność liczby atomów węgla. Teoria była rozwijana i stosowana do coraz większej ilości związków. Uzupełniono ją, uznając możliwość tworzenia podwójnych wiązań. Aż nasz chemik zajął się próbą ustalenia, wedle tych zasad, struktury benzenu. I poległ.
W przypadku benzenu stosunek ilościowy wynosił 1:1, czyli tyle samo węgla co wodoru. Z badań reakcji podstawienia było wiadomo że zawiera sześć węgli i nijak nie dało się ich połączyć zgodnie z zasadami. Cztery wiązania podwójne się nie mieściły a próby izomerów z bocznymi łańcuchami też nie dawały efektów. I byłby się być może Kekule załamał, gdyby nie drugi sen, jaki naszedł go przed płonącym kominkiem:

Znowu atomy harcowały przed moimi oczami. Tym razem mniejsze grupy trzymały się skromnie z tyłu. Moje duchowe oko, wyostrzone przez powtarzające się podobne wizje, rozróżniło teraz większe twory o różnorodnym kształcie. Długie szeregi, kilkakrotnie ściśle ze sobą złączone, wszystko w ruchu, wijące się wężowato i skręcające się. Patrzę, co się stało? Jeden z węży chwycił swój własny ogon i szyderczo kręcił się przed moimi oczami. Obudziłem się jak rażony piorunem i resztę nocy spędziłem na rozpracowywaniu wniosków z tej hipotezy.[b]
No tak. Jeśli założyć trzy wiązania podwójne i pierścieniową budowę, to wszystko się zgadza.

Czy zatem Kekule miał proroczy sen? Cóż, co do samej opowieści wysnuwane są wątpliwości - chemik opisał je w luźnym przemówieniu z okazji 25 rocznicy swych odkryć, przed tą datą brak poświadczeń. Niewykluczone, że przypisanie snom rozwiązania mogło zasłaniać fakt, że założenia obu teorii zostały dobrane arbitralnie, na zasadzie "tak musi być bo pasuje" i dopiero do nich dołączono poświadczenia doświadczalne. Inni wskazują, że sugestie pierścieniowej budowy tego związku wysnuwano już wcześniej, nie ogłaszając ich jednak jako oficjalnej teorii.
Sen Kekulego bywał zresztą w rozmaity sposób interpretowany - w okresie popularności analizy sennej psycholog Mitserlich uznał że nagłe przebudzenie było wywołane zaniepokojeniem, to z kolei poczuciem utraty władzy; że zaś wedle klasycznej psychoanalizy marzenia senne mają związek ze strefą seksualną, długi wąż gryzący swój ogon został więc przezeń uznany za penisa, nie mogącego podążać, a sen za wyraz frustracji i pożądania, niezaspokojonego po śmierci żony.[3] W taki sposób każdą rzecz można sprowadzić do seksu.
Alternatywne struktury C6H6

Mozołem i pracą
Ale nie zawsze proces odkrywczy wygląda tak ładnie jak to przedstawiałem. Niestety z reguły odkrycie jest końcem długiego procesu, i nawet olśnienie stanowi jedynie początek pracy. Dobitnie przekonał się o tym Paul Ehrlich, twórca chemioterapii. Zgodnie z opracowaną przez siebie teorią "magicznej kuli" wedle której lekiem na określoną chorobę bakteryjną ma być substancja, zatrzymująca ważne procesy w organizmach bakterii i tylko ich, zaczął poszukiwać leku na syfilis.
Wiedział że Atoksyl, lek na śpiączkowe zapalenie mózgu, może też poprawiać stan chorych na syfilis, jednak dopiero w niebezpiecznych dawkach. Uznał zatem że należy znaleźć taką organiczną pochodną arsenu, jaka będzie silnie toksyczna dla prątków kiły, a słabo dla człowieka. Zaczął więc po kolei syntezować - pochodne aminokwasów, kwasów karboksylowych, fenoli, aldehydów itd. Trudno sobie wyobrazić nakład pracy, podczas której tworzył po kilka nowych związków na miesiąc i sprawdzał właściwości. I po kolei stwierdzał, że związki te się nie nadają. Pewną nadzieję dawała arsenofenyloglicyna, zsyntetyzowana jako substancja nr. 418, nawet była testowana w Afryce, ale nie dawała pełnego wyleczenia. Aż wreszcie po czterech latach pracy, w roku 1909 stwierdził, że tym idealnym związkiem jest substancja nr. 606, znana później jako Salwarsan. Paradoksalnie rok wcześniej Erhlich dostał nagrodę Nobla za całkiem inne odkrycia dotyczące surowic odpornościowych.

Serendipity
Skąd biorą się takie szczęśliwe przypadki, nazywane przez anglików "serendipity"? A no stąd, że wszędzie dzieje się wszytko. Jeśli jakieś zdarzenie, proces chemiczny, jest możliwe, to kiedyś musi zaistnieć. Rzecz jednak nie w tym, że pewne zdarzenia mają miejsce, lecz w tym, aby zauważyć je i zrozumieć znaczenie.
W końcu niezamierzona synteza ciekawego związku nie mogła przydarzyć się każdej osobie, a tylko tej, które zajmuje się określonymi procesami - a ta ma większe szanse dostrzec coś ciekawego w tym, co ktoś inny uznałby za nieudany wynik. Jak zauważył trafnie Pauster, któremu podobne przypadki się przydarzały: "Szczęście sprzyja przygotowanym umysłom". Jules H. Comroe opisał przypadkowe odkrycia znacznie dosadniej: "To szukanie igły w stogu siana i odnalezienie córki rolnika". Czego też życzę czytelnikom...
-------
[1]  http://articles.chicagotribune.com/1996-02-04/news/9602040105_1_nylon-du-pont-mr-hill
[2]  http://pl.wikipedia.org/wiki/Friedrich_August_Kekul%C3%A9_von_Stradonitz
[3]  http://www.sgipt.org/th_schul/pa/kek/pak_kek0.htm

piątek, 13 stycznia 2012

Poison story (1.) - Stalinon



Ponieważ mam w tym roku zajęcia z toksykologii, zaraz na początku roku pożyczyłem grubaśną "Toksykologię Współczesną" i zacząłem sobie ją przeglądać, i oczywiście znalazłem dużo rozmaitych ciekawostek, które zapewne na zajęciach mi się nie przydadzą. Ale na bloga będą pasować akurat.
Wpadłem na pomysł, aby opowieści o tych szczególnych przypadkach - a przy tym o danych truciznach - ubrać w formę bardziej literacką, którą przez analogię do "detective story", "Ghost story" i "crime story" nazwałem "Poison story" - czyli opowieść o truciznach. Pierwsza z moich opowieści będzie mówiła o tym, jak groźny może się okazać dosyć pospolity pierwiastek, jeśli tylko wymknie się spod kontroli i dostanie się w ręce człowieka nieodpowiedzialnego. Rzecz o Cynie.


Na początku czerwca 1954 roku we francuskim mieście Saint-Roman-des-Champs, Micheline Proust, żona tamtejszego rolnika, zauważyła na swej piersi bolesne, ropiejące zaczerwienienie w pobliżu sutka. Udała się do lekarza w Niort, który zdiagnozował czyraczność - zapalenie mieszka włosowego wywoływane przez gronkowca złocistego. Przepisał jej Stalinon, uznany lek na choroby skóry, wprowadzony na rynek przed paroma miesiącami. Zgodnie z zaleceniami zażyła rano dwie pigułki, i dwie następne wieczorem. Jednak z każdym dniem czuła się coraz gorzej. Pojawił się ból głowy, obniżona temperatura, wymioty i trudności z widzeniem. Piątego dnia została przewieziona do szpitala, gdzie stwierdzono obrzęk mózgu. Tego samego dnia zmarła, zaś lekarze uznali, że przyczyną śmierci było zapalenie opon mózgowych.
Wkrótce potem 24-letnia Ivette Lautier z Niort, zauważyła ropnie na ramionach i plecach. Lekarz, ten sam zresztą, zdiagnozował czyraczność i przepisał lek. Pięć dni później Ivette trafia do szpitala z wymiotami, drgawkami, halucynacjami i bólem głowy. Za przyczynę śmierci uznano ponownie zapalenie opon mózgowych. Jednak gdy pod koniec czerwca zmarła 24-letnia Michèle Morin z identycznymi objawami, lekarz szpitala w Niort, dr Alain de Lignières, zaczął mieć wątpliwości. Albo w okolicy pojawiła się epidemia zapalenia opon, albo musiał zadziałać jakiś inny, groźny czynnik. Po przejrzeniu dokumentacji stwierdził, że we wszystkich przypadkach objawy chorobowe pojawiły się tuż po zażyciu Stalinolu, dlatego zaalarmował władze sanitarne o podejrzeniu toksyczności preparatu. Powiadomił też prefekta departamentu Deux-Sevres w którym leży Niort, który jeszcze przed wynikami ponownej autopsji i badań toksykologicznych, nakazał wstrzymać obrót lekiem.
Gdy jeszcze trwały badania o podejrzeniach przeczytał pewien lekarz w Chartres, który wkrótce potem zgłosił policji, że w ostatnim czasie dwóch jego pacjentów u których rozpoznał czyraczność, zmarło kilka dni po zażyciu Stalinonu. Obrót lekiem został wstrzymany w całym kraju.

Zanim jednak opowiem co wykazało dochodzenie, cofnę się trochę bardziej w przeszłość. W 1952 roku, francuski farmaceuta Georges Feuillet, po podróży na Madagaskar doznał licznych, bolesnych ropni, rozsianych po całym ciele. Nie mogąc nic poradzić sobie znanymi metodami, zwrócił się do kolegów; ci poznali że mają do czynienia z czyracznością, rozsianym zapaleniem mieszków włosowych i gruczołów potowych, wywołanych gronkowcami lub paciorkowcami. Jeden z nich polecił Feuilletowi preparat z solami cyny, od dawna używanymi w farmakopei do leczenia grzybic, karbunkułów i innych chorób skórnych. Pomogło.
Farmaceuta, zachęcony tym sukcesem, wiedząc przy tym, że jego choroba nie jest wcale taka rzadka, postanowił wykorzystać sole cyny do stworzenia nowego leku. Już przedtem stworzył kilka preparatów, dlatego uznał, że najwygodniejszą formą użycia będą pigułki. Uznał, że najlepsze będą związki organiczne cyny, które lepiej wchłaniały się do organizmu i dzięki równomiernemu rozprowadzeniu oddziaływały na całą powierzchnię skóry. W tym konkretnym przypadku był to dijodek-dietylenek cyny (DIDE), który dzięki postaci jonowej rozpuszczał się w wodzie, a dzięki obecności łańcuchów etylowych, również w lipidach. Dodał do niego kwas linolowy - wielonienasycony kwas tłuszczowy, stosowany w chorobach skórnych i nazywany wówczas witaminą F. Z połączenia łacińskiej nazwy cyny Stannum i lnu Linim + charakterystyczna dla wielu preparatów końcówka -on, powstał Stalinon.



Feuillet wyprodukował własnym sumptem kilkadziesiąt perełek, zawierających po 15 mg DIDE i 100 mg kwasu linolowego i wysłał do Krajowego Laboratorium Kontroli Leków dla badań, równocześnie przekazał część swojemu znajomemu Mougenot, pracującemu w Klinice Wojskowej w Begin, aby przeprowadził testy medyczne. Ten podał preparat ośmiu pacjentom, stwierdził wyleczenie dolegliwości i nie stwierdził skutków ubocznych. Zaopatrzony w pozytywną opinię znajomego i wyniki badań z laboratorium, Feuillet złożył wniosek do Ministerstwa Zdrowia o wprowadzenie nowego leku. Dla ułatwienia procedur napisał, że jego lek jest jedynie modyfikacją innego preparatu Stanolex zawierającego tlenek cyny, dla którego pozwolenie na produkcję właśnie wygasło i do którego prawa wcześniej wykupił.
Jest aż zadziwiające, że to wystarczyło. Prawo farmaceutyczne we Francji nie stawiało wówczas producentom wielu wymagań. Dlatego mając opinię innego lekarza, który nie stwierdził objawów ubocznych, wyniki badań laboratoryjnych, które nie wykazały toksyczności pigułek dostarczonych przez wnioskodawcę, oraz uznając że wnioskodawca jedynie zmodyfikował lek który wcześniej produkował, w czerwcu 1953 roku wprowadzono preparat do obrotu. Nie wydano żadnych dodatkowych zaleceń ani specyfikacji produkcyjnych. Sama produkcja nie była też specjalnie kontrolowana, nie wymagano okresowych badań partii produktu co dziwi, gdyż zaledwie dwa lata wcześniej w wyniku pomyłki laboranta, wypuszczono na rynek zasypkę dla niemowląt z arszenikiem.
Feuillet zlecił firmie Février Decoisy, specjalizującej się w przemysłowych syntezach, produkcję perełek, gdzie przeprowadzano to metodami na poły chałupniczymi. Substancja aktywna nie była nawet dokładnie rozprowadzona, dlatego niektóre pigułki zawierały ślady DIDE, zaś inne ponad trzy razy więcej niż powinny. Jak wykazało późniejsze śledztwo przemysłowo produkowany DIDE był zanieczyszczony trietylenkiem cyny (TET) w ilości do 1,5 mg na pigułkę, a związek ten jest kilkunastokrotnie bardziej trujący od mało toksycznego dietylenku. Dodatkowo pozbawione powłoczki ochronnej, często z pęcherzykami powietrza wewnątrz masy, pigułki utleniały się, przez co związki cyny nabierały toksyczności. Zauważono to już na etapie produkcji, gdy niektóre pigułki, mające postać żółtawych, półprzezroczystych perełek, mętniały i ciemniały. Aby temu zapobiec po prostu pokryto je brązową otoczką. I przez długi czas nikt nie zauważył żadnego zagrożenia.

Gdy jednak w 1954 roku wybuchła afera, ludzie wpadli w panikę. Początkowo wiedziano o kilkunastu przypadkach śmiertelnych, jednak wkrótce z Algierii dotarła wiadomość o śmierci 7 dzieci, którym podano Stalinol na trądzik, wkrótce też przeprowadzono kilkaset ekshumacji w podobnych, podejrzanych przypadkach. Ostatecznie po trzyletnim śledztwie potwierdzono 107 przypadków śmiertelnych i prawie 150 przypadków ciężkich zachorowań. U części z tych osób wystąpiła trwała ślepota lub porażenie kończyn.
Ostatecznie Gregores Meillet został skazany na dwa lata więzienia za nieumyślne spowodowanie śmierci wielu osób i milion franków grzywny, oraz odebrano mu prawo do wykonywania zawodu. Oskarżony został też dyrektor zakładów produkujących pigułki, jednak zmarł zanim ogłoszono wyrok. Rodziny ofiar uzyskały również odszkodowania na łączną sumę ponad 600 mln franków. Po tych wszystkich przypadkach prawo farmaceutyczne we Francji zostało zaostrzone. Rejestracja nowych preparatów musiała się wiązać z przeprowadzeniem kosztownych badań a produkcja ściśle kontrolowana. Było to jednak zbyt późno aby zapobiec skandalowi związanemu z Talidomidem, który wyszedł na jaw dopiero w roku następnym.

Opakowania preparatu zawierały 50 perełek. © DR.

Cyna jest miękkim, srebrzystym metalem z grupy węglowców, o niskiej temperaturze topnienia, stąd chętnie wykorzystuje się ją do lutowania i pokrywania innych metali. Dzięki połyskowi i odporności na korozję, już w starożytności była chętnie wykorzystywana do odlewania rzeźb, zastawy stołowej i wyrobów artystycznych - niestety nie wiele z nich przetrwało do naszych czasów. Niska temperatura topnienia powodowała, że wyroby chętnie przetapiano, ponadto cynę przerabiano na brązy, znaczcie cenniejsze i bardziej przydatne użytkowo.
Inną przyczyną dla której mało dziś znamy dawnych wyrobów cynowych, jest ciekawe zjawisko korozji fizycznej, nazywanej "trądem cynowym". Jeśli przedmiot z cyny jest przechowywany w niskich temperaturach, na jego powierzchni zaczynają się pojawiać szare plamki, wgryzające się w głąb metalu i powodujące jego zamianę w szarawy proszek. Jeśli proszek ten zetknie się w niskiej temperaturze ze zdrową powierzchnią cyny, metal zostanie "zarażony" i również pokryje się plamkami. Plamki stopniowo powiększają się i łączą aż wreszcie cały przedmiot rozsypuje się w drobny, szary proszek w ciągu jednego lub kilku chłodnych sezonów. Sądzi się, że zjawisko rozsypywania się guzików przy mundurach odegrało dużą rolę w klęsce Napoleona pod Moskwą, choć sama kampania trwała dość krótko.
Cyna, podobnie jak leżący nad nią węgiel, może występować w kilku odmianach alotropowych. W temperaturze pokojowej trwałą odmianą jest cyna β nazywana cyną białą, mającą postać srebrzystego metalu. W tej temperaturze metal składa się z drobnych tetragonalnych kryształków, które przy zginaniu pręta cynowego trą o siebie, wydając charakterystyczny skrzyp, nazywany "krzykiem cyny". Jednak w temperaturze niższej niż 13,2 stopnia C trwalsza staje się odmiana α, będąca kruchą masą nie przewodzącą prądu, o strukturze podobnej do diamentu. Zmiana struktury pociąga za sobą zwiększenie objętości, w efekcie powstająca cyna szara rozpada się na drobny proszek, jak to widać na tej animacji poklatkowej.
W normalnych warunkach przemiana następuje bardzo powoli, gdyż energia kinetyczna potrzebna atomom na przesunięcie się w inne miejsce w sieci krystalicznej, jest dość wysoka, dlatego odmiana beta w temperaturach około zera jest jeszcze metastabilna. Natomiast przy silniejszych mrozach, i w obecności domieszek takich pierwiastków jak German czy Krzem, przemiana znacznie przyspiesza. Również kontakt z kryształkami cyny szarej, stanowiącymi zarodki krystalizacji, przyspiesza reakcję, stąd "zakaźność" procesu. Aby przerwać korozję należy po prostu przenieść przedmioty do wyższych temperatur. W ostatnim czasie, w związku z wycofywaniem stopów ołowiowych z elektroniki, rozsypywanie się i przepięcia na lutowanych czystą cyną stykach stają się coraz powszechniejszym problemem.

Jak jednak jest z toksycznością tego metalu? Czy Stalinol to przypadek szczególny, czy też lepiej się cyny bać?
Związki cyny uważa się ogólnie za mało toksyczne, zwłaszcza wiązki nieorganiczne. Mają działanie bakteriobójcze (wspomniane gronkowce), wirusostatyczne, grzybobójcze, przeciwpasożytnicze i pierwotniakobójcze[1]. Jest uważana za mikro lub ultraelement, choć nie wiadomo czy spełnia jakąś funkcję biologiczną.
Wymieniony wpływ na mikroorganizmy uzasadniałby używanie cyny do produkcji opakowań żywności. Najbardziej znane są tu oczywiście puszki z cynowanej blachy, jednak cyny używano w tym celu już od dawna. Chętnie pokrywano nią od wewnątrz rondle i garnki, zwłaszcza te miedziane, bano się bowiem zatrucia grynszpanem, dlatego druciarze umiejący "bielić" garnki zawsze mieli zajęcie. Samo bielenie garnków odbywało się zresztą w ciekawy sposób, związany z opisaną alotropią - garnek rozgrzewano i wrzucano do niego drobne kawałki metalu, a następnie pocierano nimi o ścianki przy pomocy pakuł. Cyna w temperaturze powyżej 161 st. C ulega przemianie do cyny gamma (γ), która podobnie jak cyna szara łatwo rozpada się do drobnego proszku. Proszek, wcierany w rozgrzany garnek przytapiał się do metalu i pokrywał powierzchnię cienką warstewką.
Metalowe puszki z blachy cynowanej wprowadzono na początku XIX wieku, kiedy to zastąpiły szklane konserwy Apparta. Pierwotnie wieczko puszki było lutowane ołowiem lub stopem cyny z ołowiem, co wywoływało możliwość zatrucia. Prawdopodobnie właśnie niestaranne lutowanie i zatrucie ołowiem było przyczyną klęski wyprawy arktycznej podjętej w 1845 roku przez admirała Franklina, która zaginęła i której losy odtworzono na podstawie odnalezionych później szczątków ekipy. Cynowane puszki są dziś nieco mniej popularne, jednak nadal stanowią dużą część rynku.
Czy jednak cyna nie będzie przenikała do żywności?

Miłośnicy konserw wiedzą zapewne, że takie jedzenie może mieć metaliczny posmak, i rzeczywiście, zależnie od odczynu i rodzaju jedzenia, obserwuje się przechodzenie części cyny do zawartości puszki. Jednak w naszych czasach zostało to w znacznym stopniu ograniczone. Najczęściej blacha cynowa jest dodatkowo pokrywana cienką warstwą lakieru, który zapobiega rozpuszczaniu metalu, choć taka powierzchnia zachowuje właściwości bakteriostatyczne. Wiele dzisiejszych konserw w ogóle jest pozbawionych cyny, poprzestając jedynie na warstewce lakieru. Niektóre puszki, stalowe lub aluminiowe, pokrywa się plastikową folią pełniącą podobną rolę.
Dawniej notowano mniejsze lub większe zatrucia, na przykład wiśniami w zalewie czy ananasem w kwaśnym sosie, obecnie jednak ogranicza się stosowanie cyny w opakowaniach takich produktów. W niedawnym badaniu brytyjskim po zbadaniu stu-kilkunastu produktów różnych producentów nie stwierdzono przekroczeń dopuszczalnej wartości 200 ppm.[2] Teoretycznie trzy razy wyższe stężenie powinno wywoływać biegunki i bóle brzucha, dotyczy to jednak cyny nieorganicznej która bardzo słabo wchłania się do organizmu z przewodu pokarmowego i głównie wywołuje objawy nieżytu żołądkowo-jelitowego . Wskazówką na uwalnianie cyny może być zmiana koloru żywności - na przykład wymiana magnezu na cynę w chlorofilu może zabarwiać zielony groszek na szaro, a w przypadku gruszek obserwowano barwę różową[3]. Oczywiście takiej żywności lepiej nie jeść. Ostatecznie puszkowanie żywności pozostaje wciąż jedną z najlepszych metod przechowywania, nie zmieniającą wartości odżywczych i nie wymagającą stosowania konserwantów.

Innym źródłem cyny mogą być ryby, u których stwierdza się niewielkie stężenie organicznych związków cyny, co często jest związane ze stosowaniem tributylenku (TBT) w farbach zabezpieczających statki przed osiadaniem glonów i skorupiaków. Ostatnio zaczęto jednak wycofywać takie preparaty, stwierdziwszy szkodliwy wpływ na hodowle małż. W niektórych masach plastycznych związki cynoorganiczne dodaje się w charakterze utwardzacza, jednak materiały takie nie powinny być używane do pakowania żywności. Zasadniczo wszystkie związki zawierające wiązanie cyna-węgiel są znacznie bardziej toksyczne niż sole nieorganiczne (wyjątkiem jest cynowodór, równie toksyczny jak cyjanowodór). Główną tego przyczyną jest osłabienie wspomnianego wiązania, w wyniku którego łatwo rozpada się na rodniki. Takie połączenie staje się więc środkiem alkilującym, przyłączającym grupy, w tym przypadku etylenkowe, do innych związków organicznych, głównie białek enzymatycznych. Następują zaburzenia fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach co zaburza metabolizm komórkowy, zmienia się też przepuszczalność błon komórkowych. Ponieważ DIDE i TET rozpuszczają się w tłuszczach, mają skłonność do gromadzenia się w lipidowej tkance nerwowej, wywołując neuropatie, martwice neuronów i bardzo silne obrzęki mózgu.
Rzecz ciekawa, że w badaniach nie stwierdzono aby związki cyny miały działanie rakotwórcze a nawet, w badaniu na dużej liczbie szczurów stwierdzono, że w grupie karmionej karmą ze zwiększoną ilością cyny powstało nieco mniej nowotworów niż w grupie kontrolnej. [4] Potwierdzeniem tych dziwnych wyników może być odkrycie, że niektóre związki cynoorganiczne mają właściwości antynowotworowe i mogą być zastosowane w chemioterapii zamiast cis-platyny, na którą rak może się z czasem uodpornić. O ile wiem badania w tej kwestii jeszcze trwają.

Innym zastosowaniem cyny był staniol - cienka folia używania do pakowania stałej żywności, na przykład czekolady, nazywana pozłotkiem lub pazłotkiem, dziś wyparta przez folię aluminiową. Oczywiście nie licząc możliwości połknięcia kawałka folii przez nazbyt ochoczych smakoszy, cyna z takiego źródła do czekolady się nie przedostawała.
I wreszcie, na koniec, czy powyższa historia może nas czegoś nauczyć? Z pewnością w sprawach zdrowia ostrożności nigdy za wiele. O ile się orientuję mniej niż w przypadku leków rygorystyczne przepisy wciąż obowiązują suplementy diety. Na szczęście nikt z producentów preparatów witaminowych nie wpadł dotychczas na pomysł dodawania mikroelementów w formie metaloorganicznej, i miejmy nadzieję, że nie wpadnie, choć są już suplementy zawierające cynę w charakterze mikroelementu - chociaż jak już pisałem, jakakolwiek biologiczna rola cyny nie jest znana.

-------
Źródła i przypisy:

* http://www.cairn.info/revue-francaise-des-affaires-sociales-2007-3-page-123.htm
* http://time-demo.newscred.com/article/010c6e7482e6251c4446c8f97ab4bf80.html/edit
* "Der Spiegiel" Tod dur Stalinon 11.06.1957
* http://www.juripole.fr/memoires/prive/Sandrine_Husson/partie2.html
* http://en.wikipedia.org/wiki/Tin_pest

[1] http://rozanski.li/?p=64
[2] Tin in canned food: a review and understanding of occurrence and effect. Food Chem Toxicol. 2003 Dec;41(12):1651-62.
[3]
Pink discoloration in canned pears, Agric. Food Volume 21, Issue 6, pages 315–319, June 1970
[4] Toxicity of tin and its compounds. Adverse Drug React Acute Poisoning Rev. 1988 Spring;7(1):19-38.

Polecam też dłuższy artykuł: Toksyczne właściwości Cyny, na stronie portalu Siła Wiedzy