Jak otrzymać Daraprim?

Jak głosi uniwersalna zasada, akcja wywołuje przeciwnie skierowaną reakcję. Monopolista drastycznie zwiększa cenę ważnego leku? Uczniowie australijskiej szkoły średniej opracowują zatem na zajęciach tanią metodę otrzymywania, po to tylko aby utrzeć mu nosa.

Toksoplazmoza to dość częsta choroba pasożytnicza wynikła z zarażenia pewnym pierwotniakiem. Pierwotniak może zarażać różne organizmy, ale żywicielem ostatecznym jest zwykle kot domowy. Kontakt z nim może więc skutkować zarażeniem. Na szczęście u większości ludzi choroba zostaje przebyta bezobjawowo lub z objawami grypopodobnymi, u części przechodzi jednak w formę utajoną, mogąc przyjąć postać bezobjawowego nosicielstwa. Są jednak sytuacje gdy choroba przybiera groźną postać.
Jeśli toksoplazmozą zostanie zarażona kobieta w ciąży, może to skutkować urodzinami dziecka obarczonego wadami rozwojowymi, zarówno fizycznymi jak i intelektualnymi, w dużym nasileniu podobnymi do różyczki wrodzonej. Innym problemem są osoby o osłabionej odporności, a więc na przykład osoby po przeszczepach, chorzy na raka a przede wszystkim chorzy na AIDS. W takim przypadku choroba zajmuje węzły chłonne i może przerodzić się w zapalenie mózgu, siatkówki oka, śledziony, serca lub wątroby.

Standardowo w leczeniu toksoplazmozy używane są preparaty zawierające pirymetaminę, czasem skojarzone z sulfonamidami, a najczęściej stosowanym jest preparat Daraprim. Ostatnio jednak pojawiły się istotne problemy z jego dostępnością. W 2015 roku biznesmen Martin Shkreli wykupił prawa do produkcji i obrotu Daraprimem w USA, po czym zwiększył jego cenę o 5000% [1] Tłumaczył przy tym, że chce tylko zwiększyć zyski firmy, na co prawo mu w pełni zezwala, dotychczas bowiem lek był sprzedawany niemal po kosztach produkcji. Dla chorych z USA znaczenie miało też to, że w kraju tym nie są dostępne preparaty generyczne, czyli "tańsze zamienniki" zawierające tą samą substancję czynną. Dopiero w tym roku Shkreli zgodził się łaskawie zmniejszyć cenę o połowę.
Jego decyzja wywołała na świecie wielkie oburzenie, ale zgodnie z prawem nie można było mu nic zrobić. Jedną z reakcji było zwiększenie produkcji generyków w małych fabryczkach w Indiach i Chinach. Inną, mniej znaną, było podjęcie ciekawego projektu badawczego przez uczniów pewnej australijskiej szkoły średniej.

Gdy sprawa podwyżek cen rozpalała emocje, dr Alice Williamson, chemiczka nauczająca w Sidney Grammar School, wpadła na pomysł aby uczniowie otrzymali substancję czynną preparatu w ramach zajęć koła naukowego, aby pokazać jak absurdalna jest to sytuacja. Z przeglądu literatury wynikało, że synteza związku jest względnie prosta. Co więcej, ponieważ związek po raz pierwszy otrzymano w 1958 roku substancja czynna nie było objęta patentem.
Struktura pirymetaminy nie jest specjalnie skomplikowana:

Za punkt wyjścia uczniowie obrali metodę z już nieaktualnego patentu, która była łatwa do odnalezienia, jest bowiem opisana na Wikipedii:

Substratem od którego startuje droga syntezy, jest para-chlorofenyloacetonitryl "1" poddawany reakcji z propionianem etylu "2", estrem o zapachu ananasa używanym do aromatyzowania żywności. Mechanizm reakcji jest dość prosty - w substracie pomiędzy grupą nitrylową -CN a chlorofenylową znajduje się mostek -CH2-. Ze względu na takie właśnie sąsiedztwo, jest kwaśna, czyli łatwiej niż zwykle jest oderwać od niej protony. Podczas reakcji z etanolanem sodu NaOEt zamienia się w karboanion, a więc związek z ładunkiem ujemnym na węglu. Ten chętnie atakuje węgiel grupy karbonylowej estru, który ze względu na polaryzację wiązań ma lekko dodatni charakter. Po przegrupowaniu powstaje 1-(4-chlorofenylo)-1-nitrylo-1-buten-2-ol "3".
Związek ma strukturę enolu to jest posiada grupę OH przy wiązaniu podwójnym, co jest strukturą nietrwałą. Ten reaguje z diazometanem CH2N2, zamieniając się w metyloeter "4". Ostatni etap to kondensacja z guanidyną w warunkach zasadowych, powodująca zamknięcie pierścienia diazynowego.

O ile etap pierwszy i ostatni mogły być przeprowadzone dość łatwo, to problemem stał się ten środkowy. Diazometan to związek bardzo nietrwały, mogący rozkładać się wybuchowo w kontakcie z metalami, pewnymi solami, szkłem o ostrych krawędziach lub zbyt intensywnym światłem. Dodatkowo jest związkiem silnie trującym, wdychanie niewielkich ilości może wywołać zgon w wyniku uszkodzenia płuc. Mimo szczerych chęci uczniowie nie mogli go używać. Postanowili więc obejść tą trudność i znaleźć metodę alternatywną. Musiał być to proces który zmetyluje grupę -OH a nie przereaguje z łatwo ulegającą hydrolizie grupą nitrylową -CN. Dobieranie warunków i odczynników zajęło im kilka miesięcy, aż wreszcie okazało się, że etap jest możliwy do przeprowadzenia przy pomocy odczynników dostępnych na pracowni. Zastosowali starą metodę eteryfikacji kwasowej. Półprodukt "3" poddali reakcji z alkoholem izopropylowym i stężonym kwasem siarkowym, otrzymując eter, który nadawał się do dalszej reakcji.

Po opracowaniu tego etapu cała synteza okazała się dużo prostsza. Z 17 gramów substratu wyjściowego kupionego w firmie chemicznej (cena 36 $/100 g) otrzymali 3,7 grama pirymetaminy. Gdyby zamienić ją na tabletki Daraprimu ta ilość kosztowałaby w USA ponad 100 tysięcy dolarów licząc po nowych, zawyżonych cenach. Sami uczniowie uwzględniając koszty odczynników i wydajność wskazują, że tą metodą można by produkować preparat w cenie 1-2 dolary za dawkę

Ich praca spotkała się z dużym uznaniem na świecie, ale niestety mimo wszystko nie będzie miała zbyt dużego wpływu na sytuację USA, ze względu na dziwaczne przepisy farmaceutyczne.

Producent tańszego zamiennika leku, zawierającego tą samą substancję czynną, musi dla wprowadzenia na rynek wykonać test potwierdzający, że preparat ma porównywalną farmakokinetykę (wchłanianie, czas osiągnięcia maksymalnego stężenia, okres wydalania itp.) do oryginału. Przypisy obowiązujące w USA mówią, że do testu dla porównania musi być użyty oryginalny preparat specjalnie przekazany przez producenta, stanowiący wzorzec. Z drugiej strony producent oryginału nie jest zobowiązany do dostarczenia próbek porównawczych na potrzeby testu. Jeśli firma będąca monopolistą nie chce wprowadzenia na rynek tańszego zamiennika, to po prostu nie dostarcza swoich wzorców porównawczych, co blokuje całą procedurę.[2]

Nowa metoda może się jednak przydać firmom produkującym lek w innych krajach, bowiem ominięcie bardzo toksycznego reagenta zmniejsza związane z produkcją ryzyko i jest bardziej ekologiczne.
 ------------------------
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrimethamine
*  http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/sydney-schoolboys-take-down-martin-shkreli-the-most-hated-man-in-the-world-20161125-gsxcu5

[1]  http://www.biztok.pl/biznes/lek-na-aids-podrozal-jednej-nocy-o-5-tysiecy-procent_a22320
[2] https://www.theguardian.com/science/2016/dec/01/australian-students-recreate-martin-shkreli-price-hike-drug-in-school-lab

Synteza trójcyklicznej oksazoliny

Oksazoliny to pierścieniowe, pięciokątne związki organiczne, zawierające atomy tlenu i azotu w pozycji 1,3. Możliwe są trzy izomery różniące się położeniem wiązania podwójnego, ja jednak będę się zajmował dziś tylko 2-oksazoliną. (pierwsza od lewej)

Ich użycie jako ligandów w syntezach asymetrycznych wiąże się z dwiema cennymi właściwościami - chętnie kompleksują metale, oraz łatwo jest otrzymać związki z podstawnikami przy centrum stereogenicznym o określonej konfiguracji. Dzięki temu możliwe jest tworzenie ligandów kierujących reakcję do określonego izomeru.

Istnieje kilka różnych metod syntetycznych oksazolin, wszystkie jednak opierają się na wykorzystaniu aminoalkoholi, te zaś otrzymuje się z redukcji naturalnych aminokwasów. W moim przypadku była to synteza Witte'a-Selingera[1] z użyciem nitryli:

Podaje się taki oto mechanizm utworzenia pierścienia[2]:

 Kwas Lewisa aktywizuje nitryl przez przyłączenie do azotu, tworząc kation nitryliowy. Do niego do węgla z ładunkiem dodatnim dołącza się azot aminoalkoholu. W kolejnym etapie pęka wiązanie podwójne w części iminowej, węgiel przyłącza się do tlenu a azot odchodzi. Powstaje pięciokątny pierścień z niezmienioną konfiguracją centr stereogenicznych.

Oksazolina którą miałem otrzymywać miała postać trzech pierścieni skondensowanych, ponieważ przyłączona część przypomina indol, będą ją dalej nazywał indeno-oksazoliną:

Substratem do reakcji był 2-aminobenzonitryl, drugim zaś (1R,2S)-1-amino-2-indanol, ale na początku należało przygotować katalizator - bezwodny chlorek cynku.

Chlorek cynku ma postać białego, drobnego proszku, niestety łatwo łapiącego wilgoć z powietrza. Aby więc uzyskać bezwodny, musiałem go mocno podgrzać - wsypałem go do tygla a ten umieściłem nad palnikiem. Chlorek stopił się w rzadką, ciemną ciecz:

Teraz należało go ochłodzić ale tak, aby nie zestalił się w jedną masę i aby zarazem nie nabrał znów wilgoci. W tym celu tygiel umieściłem w strumieniu argonu pod dużym lejkiem, i intensywnie mieszałem aby rozetrzeć tężejącą masę:

Gdy chlorek był już przygotowany, odważyłem szybko potrzebne ilości reagentów i umieściłem w kolbie. Dodałem chlorobenzenu, wrzuciłem mieszadełko i nasadziwszy chłodnicę zwrotną nastawiłem na mieszanie przez dwa dni:

Reakcja była prowadzona w atmosferze argonu, aparatura wcześniej dobrze wysuszona.

Po przepisowym czasie, mieszaninę reakcyjną odparowałem pod obniżonym ciśnieniem aby usunąć rozpuszczalnik, po czym dobrze zdrapałem z dna łopatką i zalałem 30% roztworem wodorotlenku sodu.  Oksazoliny, jak już tłumaczyłem, chętnie tworzą kompleksy z metalami, tak też działo się z produktem - tworzył dobrze związany kompleks z cynkiem i aby go wyodrębnić, należało ten kompleks czymś rozbić. Reakcja z ługiem służyła właśnie temu.

Gdy dobrze roztarta mieszanina przereagowała, ekstrahowałem z niej właściwy produkt chlorkiem metylenu, trzy razy zlewając warstwę organiczną, którą po wysuszeniu siarczanem magnezu odparowałem. Teraz pozostał mi już tylko rozdział na kolumnie chromatograficznej. Za eluent posłużyła mieszanka heksan/chlorek metylenu 8:1:

Na płytce oświetlonej UV indeno-oksazolina dawała nie zbyt intensywną niebieską fluoryzację (najmocniejsza plamka w środku).
Gdy zebrałem już czystą frakcję, odparowywałem ją, zauważając przy tym szczególną postać - związek krystalizował jako długie, białe igły, na tyle cienkie i giętkie, że podczas odparowywania w obrotowej wyparce splotły się w skręcone włókna, wypełniając kolbkę masą podobną do waty:

Wydajność reakcji była dobra, wynosząc 92%
--------
[1] Konrad Weickhardt, Margareta Zehnder, Tobias Ranf, Carsten Bolm, Synthesis of Optically Active  Bis(2-oxazolines): Crystal Structure of a 1,2-Bis(2-oxazolinyl)benzene ZnCl2 Complex, Chemische Berichte, Volume 124, Issue 5, pages 1173–1180, Mai 1991

[2] Moghadam M. et al. , InCl3 as an Efficient Catalyst for Synthesis of Oxazolines under Thermal, Ultrasonic and Microwave Irradiations, J. Iran. Chem. Soc., Vol. 6, No.2, June 2009, pp. 251-258

Synteza I. - hydroliza i bromowanie

Mocno zaniedbałem opis pracowni, a jestem już faktycznie na półmetku

W poprzednim odcinku opisywałem jak otrzymałem 1,2,4-triazynę z niecyklicznych substratów, była to jednak triazyna podstawiona na miejscu 3 grupą tiometylową -S-Me. Następne dwa etapy, krótsze od tamtego, polegały zatem na zhydrolizowaniu tej grupy do hydroksylowej -OH i jej wymianie na bromkową.

Przyłączona do pierścienia grupa tiometylowa formalnie rzecz biorąc jest drugą połówką tioestru i jako taka ulega hydrolizie w warunkach silnie zasadowych:

Wziąłem więc oczyszczoną triazynę z poprzedniego etapu, a było jej 1,5 g, zalałem 9% roztworem wodorotlenku potasu i mieszałem, ogrzewając pod chłodnicą:

Wylot chłodnicy połączyłem przez rurkę bezpośrednio z kanałem wyciągu, aby ograniczyć rozchodzenie się po pracowni wybitnie śmierdzącego merkaptanu metylu. Niskotopliwa triazyna utworzyła na powierzchni roztworu brązowawy olej, który w miarę postępu reakcji zanikał. Mniej więcej po godzinie olejek zanikł całkowicie, zaś zawartość kolby zmętniała. Odstawiłem ją w chłodne miejsce aby słabo rozpuszczalny produkt się zestalił. Po tym czasie przesączyłem osad na lejku pod próżnią, przemywając niewielką ilością wody i otrzymując 1,2 g jasnokremowej 3-hydroksy-5-fenylo-1,2,4-triazyny. Dla kontroli wykonałem płytkę TLC w układzie chlorek metylenu / metanol 100:1, porównując z próbką tiometylotriazyny:

Jak widać po hydrolizie praktycznie nie pozostało ani trochę substratu, ciemniejsza plamka na początku to zapewne ślady merkaptanu, co jednak nie przeszkadzało w kolejnym etapie

Bromowanie
Trzeci etap polegał na wymianie grupy hydroksylowej na bromkową. Użyłem tutaj jako środka bromującego bromku fosforylu POBr3, mającego postać pomarańczowych, łatwotopliwych kryształków:

Natomiast otrzymana poprzednio i wysuszana hydroksytriazyna, była miałkim, białym proszkiem:

Bromek miał bardzo ostry zapach, jego opary były zresztą trujące. W kontakcie z wilgocią hydrolizował dając białe opary, dlatego odważałem go szybko, zaś chłodnicę podłączoną do kolby dokładnie osuszyłem i zabezpieczyłem rurką ze środkiem suszącym
W tym przypadku nie potrzebny był rozpuszczalnik - po ogrzaniu bromek roztopił się w ciecz, w której rozpuścił się drugi substrat. Całość mieszała się przez godzinę w 120 stopniach:

Po tym czasie przerwałem ogrzewanie a gdy zawartość się ochłodziła, dodałem do środka drobno pokruszonego lodu. Lód topniał w wodę która hydrolizowała bromek. Zawartość kolby ogrzewała się podczas hydrolizy, stąd użycie lodu. Zarazem jednak trzeba było szybko rozetrzeć zawartość na drobno - powstający z hydrolizy bromowodór, uwięziony w porach ziaren, zakwaszał je powodując odwrócenie reakcji, toteż mieszaninę poreakcyjną roztarłem w moździerzu:

i odsączyłem, przemywając osad wodą. Po wysuszeniu zaskakująco przypominał kawę rozpuszczalną. Nie  był to jednak jeszcze produkt, lecz dopiero mieszanina do rozdziału. Oczywiście na kolumnie.

Rozdział w czystym chlorku metylenu przebiegał jednak bardzo łatwo, i nie miałem żadnych atrakcji przy wyparce, zakończyłem więc syntezę z 0,66 g produktu, z wydajnością 44 %

3-bromo-5-fenylo-1,2,4-triazyna okazała się mieć właściwości drażniące - gdy podrapałem się po nosie zanieczyszczonym nią palcem, jeszcze długo piekło mnie w tym miejscu.

Synteza I. - etap pierwszy, męczący

Dawno dawno temu... jeszcze przed wakacjami, obiecywałem że zacznę pisać o syntezach wykonywanych w ramach pracowni magisterskiej. Niestety jak widać zrobił mi się w tej kwestii znaczny poślizg, co zresztą dotyczy wszystkich dłuższych postów. Ledwie coś zacznę, tracę zapał do dokańczania i odkładam rzecz na później. To "zatwardzenie pióra" sprawia że wolę już niczego nie obiecywać.

Skoro już w jednym z wcześniejszych wpisów obszernie objaśniłem o co chodzi z tymi syntezami asymetrycznymi, mogę przejść do opisu pierwszej wykonywanej syntezy, jeszcze z poprzedniego roku studiów. Wówczas to, w drugim semestrze czwartego roku, mając czas przeznaczony na laboratorium w wymiarze jednego dnia tygodniowo, raczej wprawiałem się i wdrażałem do pracy laboratoryjnej, toteż to co robiłem było raczej powtórzeniem już przeprowadzanej syntezy, a nie rozpoczynaniem czegoś nowego. Miało to tą dobrą stronę, że w razie wątpliwości mogłem zajrzeć do notatek osoby robiącej to samo w zeszłym roku.

Moim związkiem końcowym miała być 3-bromo-5-fenylo-1,2,4-triazyna, a uzyskać ją miałem z wyjściowych związków niecyklicznych. Całość reakcji powinna wyglądać tak:

Pierwszy etap który omówię w tym wpisie, dotyczył cyklizacji i wyodrębnienia produktu.
Substratami wyjściowymi był fenyloglioksal i karbamohydrazonotioester metylowy (chyba, po angielsku Methyl carbamohydrazonothioate) w formie jodowodorku. Ten drugi jest tu dostarczycielem dwóch azotów połączonych wiązaniem; grupa tioestrowa jest tu sposobem zabezpieczenia grupy hydroksylowej, która w przeciwnym wypadku też mogłaby wchodzić w reakcję. W obecności słabej zasady, jaką jest wodorowęglan sodu następuje kondensacja grup aminowych do węgli karboksylowych, tworząc sześcioczłonowy pierścień:

Możliwy produkt uboczny, z podstawnikami w ustawieniu 3,6 (a więc para-trizyna), nazywany dalej izomerem 6, powstaje gdy cząsteczki połączą się obrócone, jest go jednak mało, o czym później.
Zgodnie z przepisem odważyłem fenylogliokasal, mający w tym przypadku postać żółtawego proszku o bardzo niemiłym zapachu - dosyć ostrym, jakby czosnkowym ale z kwaśną nutą. Podobnie pachniał kiedyś słoik zepsutych kiszonych ogórków. 

Drugi związek miał formę białego proszku, przechowywano go w lodówce z uwagi na niestabilność. Glioksal i węglan sodu rozpuściłem w kolbie i dodałem drugi substrat. Całość umieściłem na mieszadle magnetycznym (wcześniej wrzuciłem magnetyczny drops), obłożyłem z zewnątrz lodem  i tak to się miało kręcić całą dobę.

Kolejnego dna po ostatnim wykładzie przyszedłem zobaczyć co wyszło. A wyszło mianowicie to, że zastałem w kolbce żółtawą mieszaninę poreakcyjną. Należało ją teraz rozdzielić. Najpierw ekstrahowałem ją chlorkiem metylenu aby oddzielić węglan sodu i częściowo zhydrolizowany hydrazyd, otrzymując brązowy roztwór:

Potem oczywiście nałożyłem na kolumnę i rozdzieliłem chromatograficznie. Wcześniejsze próby na płytce pokazały że w ekstrakcie miałem głównie pożądany produkt i ślady izomeru 6, możliwe do rozdzielenia. Kwestię rozdziału na kolumnie preparatywnej, jej wykonywanie i problemy z tym związane, już tu omawiałem, więc nie będę się u szczegółowo powtarzał. Początkowo użyłem mieszanki CH2Cl2:metanol 100:1 która na płytce dawała dobre rezultaty. Niestety na kolumnie nie specjalnie.
Związek główny strasznie ogonował - za czołem zawierającym główną porcję ciągnął się "ogon" zawierający produkt, co oznaczało że do całkowitego wymycia potrzebne jest przelanie przez kolumnę dużej ilości eluentu. Zdaje się że zużyłem w ten sposób ponad pół butelki chlorku metylenu zbierając 12 frakcji aż prowadząca uznała, że lepiej użyć mieszanki z większa ilością metanolu i dopiero wówczas związek wymył się całkiem.
Kolejnego dnia miałem zająć się przede wszystkim odparowaniem czystych frakcji na wyparce. Jest to przyrząd w którym roztwór umieszczony zostaje w kulistej kolbie zanurzonej w misie z ciepłą wodą i podłączony do chłodnicy pod obniżonym ciśnieniem. Kombinacja niskiego ciśnienia, podgrzewania i rozprowadzania cieczy na ściankach powoduje szybkie odparowanie rozpuszczalnika.

Tak więc nalewałem do kolby kolejne frakcje, i odparowywałem. Pierwsza, drugą, trzecią, czwartą, piątą... a gdy byłem przy dziesiątej zdarzyła się katastrofa. 
Kolbka podłączona do wyparki trzyma się obracającego szlifu trochę za sprawą tarcia a trochę za sprawą przyssania. Dla pewności można założyć plastikowy klips. Gdy odparowałem już wszystkie wcześniejsze frakcje, odszedłem na chwilę a przez ten czas z tej samej pompy ssącej skorzystał ktoś inny aby coś sobie przesączyć. I wyłączył pompę. Gdy powróciłem nie zwróciłem na to uwagi - wlałem do kolbki jedenastą frakcję, nasunąłem ją na szlif, zanurzyłem w misie i włączyłem obrót. Kolbka obróciła się kilka razy i wpadła do misy...
Oczywiście nie do końca odparowany roztwór wylał się do środka i będąc cięższym od wody osiadł na dnie. Łatwo sobie wyobrazić moją reakcję. No ale cóż, nie było na co się dalej złościć, trzeba było ratować co się da. Wybrałem wodę z misy po czym odciągnąłem roztwór z dna pipetką. Zanieczyszczony różnymi osadami z dna i wodą roztwór wlałem do kolby i zasypałem środkiem suszącym. I tak skończył się dzień kolejny.
Na następnej pracowni odparowałem ocaloną frakcję produktu, po czym nałożyłem wysuszoną i przesączoną mieszaninę powypadkową, po czym... nałożyłem na kolumnę i rozdzielałem.

Tym razem poszło mi to szybciej za sprawą lepiej dobranego układu, ale też zeszło na to trochę czasu. Na koniec porównałem obie części ze wzorcem produktu i odparowałem wspólnie, w jednej kolbie, otrzymując 1,5 grama związku. Po odparowaniu początkowo utworzył olejek, który ładnie wykrystalizował:

Porządnie mnie wymęczył ten etap.

Synteza I - Wstęp

Więc...
Dotarłem już w nauce akademickiej do tego momentu, gdy zamiast poprzestawać wyłącznie na powtarzaniu już opisanych i przygotowanych reakcji, muszę zacząć podjąć własną pracę naukową - oczywiście pod bacznym okiem promotora, dr Ewy Wolińskiej.
Dokładnie określonego tematu pracy jeszcze nie mam, ale zasadniczo opierać się będzie ona na syntezie zawierających 1,2,4-triazynę ligandów, do katalizatorów mających posłużyć do syntezy asymetrycznej. Zanim jednak omówię coś z przeprowadzonych syntez, muszę oczywiście objaśnić co też są to te triazyny, ligandy i dlaczego synteza miałaby być asymetryczna; ponieważ jednak objaśnienia te bardzo mi się wydłużyły, uznałem że ten wstęp teoretyczny podam w jednym wpisie, zaś trzy kolejne etapy właściwej syntezy omówię w kolejnych. Teraz więc będzie o tym, czy mogą istnieć "lewe" cząsteczki i jak to się ma do naszego zdrowia:

Jedną z właściwości cząsteczek organicznych, jest posiadanie określonej symetrii. Popatrzcie na swoje ręce; najlepiej wyciągnijcie je przed siebie i połóżcie jedną na drugą, bez obracania ku sobie. Nie nakładają się. Kciuki sterczą w przeciwne strony. Możemy jednak obrócić jedną i złożyć z drugą jak do modlitwy, wtedy ich obrysy będą się nakładały, ale nadal nie będą identyczne, bo ich grzbiety będą skierowane w przeciwne strony. Jak byśmy ich nie obracali, jedna nie stanie się taka jak druga.
To zupełnie oczywiste - jedna jest dłonią lewą a druga prawą. Są do siebie podobne jak lustrzane odbicia. Gdyby ktoś miał idealnie symetryczne dłonie, to lustrzane odbicie jednej wyglądałoby dokładnie tak jak druga.
O bryłach mających tą właściwość, że podobnie jak dłonie, posiadają formę "lewą" i "prawą", które nie dają się na siebie nałożyć przez obrót w przestrzeni, i są do siebie podobne jak lustrzane odbicia, mówimy że są chiralne (od greckiego chira - ręka). Jest wiele takich figur. Istnieją lewe i prawe muszle ślimaków, kwiaty, a z przedmiotów codziennego użytku, nożyczki dla prawo i leworęcznych:

Nie inaczej jest ze związkami chemicznymi. Już na początku XIX wieku skrupulatny badacz Ludwik Pasteur, najbardziej znany z badań nad fermentacją, przyglądając się kryształom soli syntetycznego kwasu winowego zauważył, iż są one asymetryczne, oraż że tworzą dwie odmiany, podobne jak lustrzane odbicia. Gdy zaś oddzielił jedną odmianę od drugiej, po prostu sortując kryształki pincetą, stwierdził że kwas winowy "prawy" zawsze krystalizuje w takiej formie. Uznał więc, że widocznie musi istnieć prawa i lewa odmiana kwasu winowego, które różnią się kształtem cząsteczki. Teoria atomowa była wówczas w powijakach, a co dopiero teoria struktury cząsteczek, toteż przez długi czas ta luźna hipoteza nie znajdowała zainteresowania. Do czasu gdy odkryto wreszcie jak rozłożone są w przestrzeni wiązania z węglem w związkach organicznych.

Węgiel w tych związkach tworzy cztery wiązania z innymi atomami - mogą to być wiązania potrójne, podwójne lub pojedyncze. Ponieważ każde wiązanie stanowi parę elektronową, a każda taka para odpycha się od innej, starają się one rozłożyć w przestrzeni w największym możliwym oddaleniu, co w przypadku czterech wiązań pojedynczych realizuje się w formie rozłożenia tetraedrycznego - to jest atom znajduje się jakby w środku foremnego czworościanu, a wiązania biegną do naroży. Jeśli teraz zdarzy się, że przy każdym z wiązań podczepiona będzie inna grupa, to cała cząsteczka stanie się chiralna, i możliwe staną się dla niej dwie konfiguracje - lewa i prawa, podobne jak lustrzane odbicia, jak to widać na tej pięknej grafice:

Związki chemiczne mające taką właśnie lustrzaną właściwość, to enancjomery, zaś atom węgla (czasem może to być fosfor lub azot, ale rzadziej) wokół którego pojawia się ta szczególna asymetria, nazywany jest atomem asymetrycznym, centrum chiralnym lub też jak zaleca się ostatnio centrum stereogenicznym. Konfigurację podstawników wokół takiego atomu określa się na różne sposoby - najczęściej używana metoda, polega na przypisaniu podstawnikom "ważności", tak że na przykład grupa metylowa jest ważniejsza od podstawnika wodorowego, etylowa od metylowej, a chlorkowa od etylowej. Jeśli teraz tak obrócić nasz asymetryczny atom, aby podstawnik o najmniejszej ważności znalazł się z tyłu, to konfigurację określa kierunek w którym poustawiane są pozostałe - gdy od najważniejszego do najmniej ważnego ruch jest zgodny z kierunkiem wskazówek zegara, to konfiguracja jest określana literą R, gdy jest odwrotnie, konfigurację określamy S. Są też inne typy konfiguracji, na przykład dla cukrów i aminokwasów zwykle używa się oznaczeń D i L.

 Gdy związek ma więcej jak jedno takie miejsce, sytuacja się komplikuje, bo wówczas możliwa jest większa liczba kombinacji - każde centrum może mieć dwie konfiguracje. Kwas winowy ma dwa takie miejsca, stąd możliwe są dla niego trzy odmiany: gdy oba centra mają konfigurację R, gdy oba mają S i gdy jedno ma R a drugie S. Glukoza ma cztery takie miejsca i dla niej możliwych jest 16 odmian, cholesterol ma 8 takich miejsc i teoretycznie mógłby mieć ponad 200 odmian, choć niektóre struktury za bardzo deformowałyby cząsteczkę. Takie odmiany wielocentrowe, nazywamy stereoizomerami, i nie są one już swymi lustrzanymi odbiciami.
Natomiast mieszaniny równych ilości R i S izomerów, nazywamy racematami.

I co z tego?
Izomery różniące się konfiguracją, mają takie same właściwości chemiczne, jednak dość istotne różnice zachodzą w ich oddziaływaniu biologicznym, oto bowiem my sami jesteśmy chiralni.
Podstawowymi związkami strukturalnymi organizmów żywych są białka, te zaś zbudowane są z aminokwasów - związków, zawierających grupę aminową i karboksylową, połączonych do tego samego węgla. Jeśli dwa pozostałe podstawniki są różne, to cząsteczka staje się chiralna i tak właśnie jest w przypadku wszystkich biogennych aminokwasów, z wyjątkiem glicyny. Z tych chiralnych cząsteczek zbudowane są białka, a z białek elementy strukturalne, i jak się okazuje, bardzo często konfiguracja substancji wpływa na reakcje jakim ulega w naszym organizmie. Jednym z takich znanych przypadków, jest limonen - izomer D ma zapach pomarańczy i występuje w skórce tego owocu, izomer L ma zapach terpentyny i występuje w roślinach szpilkowych. Będący jego pochodną karwon ma jeszcze wyraźniejsze różnice zapachu - izomer S pachnie anyżkiem, a izomer R miętą. Inny terpenoid, mentol, ma trzy centra i 8 odmian; odmiana występująca w mięcie polnej i mająca najsilniejsze działanie i zapach, ma konfigurację 1R,2S,5R, pozostałe występują rzadko lub zostały otrzymane sztucznie


W podobny sposób różnią się smaki izomerów - lustrzane wersje substancji słodkich mogą mieć smak kwaśny lub gorzki, choć nie zawsze tak jest. Lustrzana wersja glukozy jest tak samo słodka jak oma, ma jednak jedną ciekawą właściwość - nie pasuje do pierwszego enzymu, rozpoczynającego metabolizm. Powoduje to, że nie jest przetwarzana na energię i zostaje w niezmienionej formie wydalona - byłaby zatem idealnym słodzikiem, słodkim ale nie kalorycznym. Niestety jej produkcja jest nieopłacalna.
Dla nas jednak najistotniejszą kwestią nie jest smak czy zapach, lecz działanie na organizm. Nie zawsze, ale jednak bardzo często to, czy dana substancja będzie dla organizmu obojętna, szkodliwa czy lecznicza, zależy od konfiguracji jej centrów stereogenicznych, jeśli takie posiada. Przykładowo lek przeciwbólowy Ibuprofen jest zwykle syntezowany w formie racematu, jednak właściwości lecznicze ma tylko S izomer, co znaczyłoby, że połowa wyprodukowanego związku jest zupełnie niepotrzebna. Okazało się jednak że obie odmiany mogą zamieniać się w siebie w organizmie. Podobnie jest z Naproksenem - tylko jeden izomer ma właściwości przeciwbólowe, a oba są toksyczne dla wątroby.  
Niekiedy działanie odmian może być skrajnie różne, zależnie od konfiguracji. D-propoksyfen jest środkiem przeciwbólowym; L-odmiana ma silniejsze działanie przeciwkaszlowe, ale w wysokich dawkach. Obie odmiany wycofano z powodu częstych sercowych skutków ubocznych. Naturalny kwas L-askorbinowy jest witaminą C, i bierze udział w pewnych przemianach enzymatycznych; izomer D jest nieaktywny i nie może być nazywany witaminą - choć też jest przeciwutleniaczem. Dlatego też witaminę syntetyczną produkuje się tak, aby otrzymać tylko L-izomer, w czym biorą udział pewne szczepy bakteryjne.
Amfetamina i metamfetamina też mają dwie odmiany - odmiana D pobudza zarówno obwodowy jak i centralny układ nerwowy, i ma działanie narkotyczne; izomer L pobudza tylko OUN i nie wywołuje odurzenia, dlatego też ten izomer bywa stosowany w inhalatorach donosowych, wywołując skurcz naczyń krwionośnych. Inny środek narkotyczny, nikotyna, w naturze występuje w odmianie S(-). Enancjomer R ma podobne działanie lecznice, ale jest znacznie mniej toksyczny - źródła podają że od 20 do 40 razy.
Skrajnym przypadkiem jest niechlubny Talidomid, którego jeden enancjomer zapobiegał mdłościom, bólom głowy i miał działanie uspokajające, a drugi miał działanie teratogenne, uszkadzające płód. Produkowany preparat był racemiczną mieszanką obu izomerów, i zalecany kobietom w ciąży, co doprowadziło do narodzin tysięcy kalekich dzieci, co kiedyś już  opisałem. Obecnie bywa używany w chemioterapii do hamowania rozrostu guza.

Skoro między właściwościami izomerów istnieją na tyle istotne różnice, to chyba najlepiej byłoby wziąć tylko jeden z nich i stosować czysty związek? Jak najbardziej, tyle że nie jest to taka łatwa sprawa gdy mamy je zmieszane. Stereoizomery mają takie same właściwości fizyczne i chemiczne - jedynie czasem różnią się na przykład strukturą krystaliczną, lub szybkością reagowania i można próbować rozdzielać je w ten sposób. Zrobił to choćby Pasteur, sortując kryształki soli kwasu winowego, obie bowiem odmiany tego związku najchętniej tworzą kryształy zawierające tylko jedną z nich. Czynią to na tyle chętnie, że chemikowi udało się przeprowadzić bardzo zabawne doświadczenie - do kuwety z nasyconym racematem kwasu, włożył z jednej strony kryształek odmiany R a z drugiej odmiany S. Kryształy stopniowo rosły, przyjmując do sieci krystalicznej cząsteczki tylko jednej odmiany, takiej samej jak w krysztale zarodkowym, aż otrzymał dwa duże kryształy rozdzielonych izomerów.

Inny pomysł polega na zastosowaniu chiralnych reagentów, tworzących związki o wystarczająco różnych właściwościach. Przykładowo związek nasz w mieszaninie R i S jest lekko zasadową aminą, więc traktujemy go na przykład R,R kwasem winowym. Tworzą się nam dwie sole - RR-winian-R-aminy i RR-winian-S-aminy, które bardzo często różnią się rozpuszczalnością, bo chiralne fragmenty różnie ze sobą reagują. Chwytając kogoś prawą dłonią za prawą, możemy go złapać mocniej, niż prawą za lewą, i podobnie jest w tego typu solach.
Dla tych, gdzie oddziaływania są silniejsze, krystalizacja zachodzi chętniej, więc można je wydzielić przez wielokrotne przekrystalizowanie. Inny pomysł polega na tworzeniu estrów o różnej rozpuszczalności bądź temperaturze wrzenia. Bardziej wyrafinowane sposoby wykorzystują reakcje enzymatyczne - na przykład związek o naturze alkoholu przeprowadzamy w ester kwasu tłuszczowego i traktujemy którąś z esteraz - enzymów trawiennych przywykłych do rozkładania połączeń o jednej konfiguracji. Rozkład na przykład R-estru, daje nam selektywnie wyjściowy alkohol, czysty enancjomerycznie, możliwy do oddzielenia przez ekstrakcję. Jeszcze inna metoda polega na zastosowaniu chromatografii kolumnowej, z wypełnieniem zawierającym chiralne związki - na przykład krystaliczną celulozę - jest to jednak metoda bardzo droga.

A może łatwiej byłoby otrzymywać od razu jeden izomer, a nie mieszaninę dwóch? - w tym właśnie cały ambaras, aby nie powstawały oba na raz. Jeżeli poddajemy reakcjom związki już chiralne, i w trakcie reakcji centrum stereogeniczne nie jest naruszane, to otrzymamy selektywnie czysty izomer produktu, przykładowo redukując naturalne R-aminokwasy, otrzymamy R-aminoalkohole a z tych na przykład pierścieniową R-oksazolinę.  Reakcje, gdy wychodząc z substratu o określonej konfiguracji, otrzymujemy produkt o określonej konfiguracji, nazywamy stereoselektywnymi.
Nieco większy problem sprawiają nam reakcje, w których mamy stworzyć nowe centrum, wychodząc ze związku, który takiego nie posiada. Weźmy sobie taki prosty związek jak 1,3-dimetyloheksen, z jednym wiązaniem podwójnym. I poddajmy go reakcji przyłączenia chlorowodoru. Zgodnie z odpowiednimi prawami, wodór przyłączy się z tej strony wiązania, gdzie jest już drugi, a chlor przy grupie metylowej. I powstanie nam centrum stereogeniczne, mające w otoczeniu - przy jednym wiązaniu grupę metylową, przy drugim chlor, przy trzecim pierścień mający grupę metylową za 4 węgle a z czwartej strony ten sam pierścień, ale z grupą metylową za trzy węgle. Tylko jaka będzie konfiguracja? Mieszana.

Gdy atom chloru atakuje wiązanie podwójne, o płaskiej strukturze, może dotrzeć do cząsteczki z dwóch stron - od lewej i od prawej. Ponieważ cząsteczka jest płaska, szanse obu przebiegów są równe, w efekcie otrzymujemy równomolową mieszankę produktów, powstałych a ataku z lewej i z prawej, czyli R:S 1:1 - a zatem racemat.
Wszystkie metody syntezy, mającej zachwiać tą symetrią - a więc syntezy asymetryczne -  opierają się na utrudnieniu dostępu z jednej strony, co może być osiągnięte na różne sposoby. Związek może być zaabsorbowany na powierzchni kryształu - jedna strona będzie zasłonięta i będzie się nam tworzył jeden produkt. Największe jednak zastosowanie mają specyficzne, chiralne katalizatory. Jak mogą działać?
Weźmy sobie cząsteczkę bardzo podobną do powyższej, ale z grupą hydroksylową, a więc 1-metyloheksen-3-ol. Grupa hydroksylowa przy trzecim węglu sama tworzy centrum stereogeniczne. Teraz przed dodaniem substraktu, używamy katalizatora - odpowiedniego kompleksu zawierającego jakiś metal, tak dobranego, że jon metalu może tworzyć wiązania koordynacyjne z elektronami Pi wiązania podwójnego, i wolnymi parami elektronowymi tlenu. Będzie zatem łączył się z cząsteczką od tej strony, z której jest grupa OH

zasłoni więc sobą jedną stronę, umożliwiając dostęp z drugiej strony. W tym przykładzie nowe centrum będzie miało konfigurację R. Jest to przykład wymyślony, ale pokazuje jak takie selektywne reakcje mogą zachodzić.
Prawdziwym majstersztykiem jest stosowana na skalę przemysłową synteza  1R,2S,5R-mentolu, a więc takiego samego związku jak naturalny. Związkiem wyjściowym jest terpenoid mircen, po katalitycznej izomeryzacji zamieniany na R-cytronellal a ten cyklizowany do ostatecznej cząsteczki z trzema centrami chiralnymi. Twórca tej metody Ryoji Noyori w roku 2001 dostał nagrodę Nobla za prace nad asymetrycznym uwodornieniem.

Triazyny to związki organiczne, składające się z sześcioczłonowych pierścieni, w których znajdują się trzy atomy azotu. Możliwe są trzy ich ustawienia - w pozycjach 1,2,3, a więc wszystkie obok siebie; 1,2,4 - dwa obok siebie a jeden z odstępem; oraz 1,3,5 czyli symetrycznie rozdzielone. W moim przypadku zajmuję się 1,2,4-triazyną.

Pochodne triazyn dosyć chętnie tworzą kompleksy z jonami metali, i niektóre z nich mają zdolność do takiego katalizowania reakcji tworzących nowe centrum stereogeniczne, aby powstawał nadmiar jednego z izomerów, a co za tym idzie, zamiast racematu 1:1 otrzymujemy mieszaninę na przykład 6:4, 7:3 czy też najchętniej, ale rzadko 9:1 i wyższe.

A tym, czym będę się zajmował na pracowni, będzie tworzenie chiralnych ligandów do kompleksów mających wywoływać taką selektywność.

Niebieskie spodnie, purpurowe togi i krwawe ofiary

Dżinsy są fajne. Moda na nie chyba przeminęła, ale na dobrą sprawę nigdy nie na tyle, aby całkiem z nich zrezygnowano. Od ponad stu lat niebieskie spodnie z mocnego płótna służą za wygodny ubiór, jednakowy dla wszystkich krajów i płci. Tym jednak czym zajmę się w tym wpisie, nie jest moda, lecz ów intensywny, niebieski barwnik, który ma zaskakująco długą i osadzoną aż w przeszłości historię.

Który to już niebieski barwnik omawiam? Była ultramaryna, był błękit pruski i błękit egipski, zatem czwarty. Jak widać niby jeden kolor, a tyle fascynujących substancji może się pod nim kryć. A więc:

Błękit indygo, bo tak nazywa się ta substancja, to pigment naturalny na pewno znany już w starożytności, pierwotnie otrzymywany z liści krzewu Indygowca barwierskiego. Najstarsze wzmianki o użyciu indygo pochodzą z Indii z IV w p.n.e., ponadto znany był w Chinach i Japonii. Do europy przedostawał się za pośrednictwem kupców, wraz z ultramaryną, będąc znany już w starożytnej Grecji. Grecy nazywali go błękitem indyjskim a ich rzeczownik indicón ( ινδικόν) rzymianie zamienili na łacińskie indocum, skąd za pośrednictwem włoskiego przeszedł do języka angielskiego w formie indigo, skąd bierze się polska wersja. Był to barwnik bardzo drogi, zarazem dosyć trwały, nadający się do nadruków na tkaninach oraz farbowania jedwabiu. Przez następne lata w okresie średniowiecza kontakty z krajami dalekiego wschodu były niezbyt regularne, toteż bardzo trudno dostępne indygo osiągało ceny większe niż złoto.

Urzet barwierski

  Czasem w zastępstwie używano tańszego i bardzo podobnego błękitu z urzetu barwierskiego, stosunkowo pospolitej rośliny rosnącej też w Polsce. Źródła nie precyzują tej kwestii ale wygląda na to, że dopiero w XVII wieku zorientowano się, że indygo z urzetu i z indygowca to ta sama substancja, mimo to te indyjskie było nadal uważane za "oryginalne" i lepsze.
  W każdym razie po wytyczeniu morskich szlaków do Indii, ilość sprowadzanych stamtąd towarów - w tym naszego barwnika - gwałtownie wzrosła, i aż do czasu założenia upraw indygowca w koloniach w Ameryce południowej, były Indie monopolistą. Jeszcze na początku XIX wieku prace pokazujące, że z urzetu można otrzymać barwnik takiej samej jakości były uważane za odkrywcze, bo wszyscy mieli wbite do głów, że indygo jest wyłącznie indyjskie. Jeszcze w połowie tegoż wieku w prasie pisano, że cena indygo z "indyj wschodnich" jest horrendalna i powinno się ją zastąpić innymi roślinami. Mimo to właściwie aż do wynalezienia metod syntezy chemicznej kupowano je głównie z dalekiego wschodu, kontrolowanego wówczas przez anglików promujących swój wyrób jako jedyny prawdziwy.
  Odwrotne działania podjęła Francja. Tam w XVI wieku zakazano używania tego barwnika. Intensywna propaganda mówiła, że do barwienia używa się żrącej mieszanki, dlatego noszenie takiej tkaniny jest szkodliwe, pisano też że indygo jest trujące i nazwano je "błękitem diabła". Identyczne działania podjęto w Niemczech. W obu tych krajach wstrzymanie importu barwnika, który w tym czasie zaczął napływać ze wschodu w większych ilościach, miało na celu ochronę dochodowych upraw urzetu, było więc formą eliminowania konkurencji.

Japońska fabryka indygo

Wieść o żrącej mieszance nie była całkowicie bezpodstawna. Indygotyna, będąca właściwym barwnikiem, ma postać proszku nierozpuszczalnego w wodzie i tłuszczach, toteż zazwyczaj używano jej w charakterze pigmentu do farby, którą pokrywano tkaniny. Pigment rozpuszczał się w stężonych kwasach i w ten sposób można było próbować farbowania tkanin - sposób ten był jednak bardzo niszczący.

Indygotyna będąca właściwą substancją barwiącą, może być traktowana jako dimer pochodnej indolu:

  Silne wiązania wodorowe między wodorem a tlenem bardzo stabilizują cząsteczkę, zaś wiązania międzycząsteczkowe powodują, że związek sublimuje dopiero w temperaturach powyżej 300 stopni, mają także silny wpływ na kolor - to właśnie oddziaływania między cząsteczkami powodują silne przesunięcie batochromowe (a więc maksimum długości pochłanianego światła, przesuwa się w kierunku czerwieni) przez co związek przybiera barwę błękitną. Monomeryczne indygo w stanie gazowym jest nieoczekiwanie czerwone.
  W stanie naturalnym występuje w formie prekursora - beta glukozydu indoksylu. Glukozyd ten musi być rozłożony, co w przypadku dawnych fabryk przeprowadzano przez fermentację - liście rozdrabiano i wsypywano do kadzi, zalewając wodą i odczekując, aż zajdzie proces co w ciepłym klimacie trwało kilkanaście godzin. Po tym czasie liście oddzielano od żółtawego roztworu, który mieszano starając się wzburzyć powierzchnię i napowietrzyć objętość. W trakcie tego procesu uwolniony indoksyl utleniał się i dimeryzował a płyn nabierał głębokiego, błękitnego koloru. Indygo osiadało na dnie, skąd po wybraniu i przesączeniu trafiało do suszenia. Barwnik prasowano do formy kilkufuntowych cegiełek.

  Produkcja europejska z urzetu barwierskiego była bardziej kłopotliwa. Liście zbierano i ucierano w kotłach drewnianymi tłuczkami, lub w młynach. Z dobrze roztartej masy ugniatano ręcznie kulki, które suszono i w takiej formie magazynowano. W farbiarniach rozcierano kulki z niewielką ilością wody, po czym masę rozkładano warstwami na półkach w specjalnych pomieszczeniach i co pewien czas zwilżano, tak aby mogła przebiegać powolna fermentacja. Ponieważ podczas tego procesu rozkładowi ulegają też białka, a sam urzet zawiera dosyć dużo związków siarki, podczas fermentacji wydzielał się silny smród, przez co królowa Elżbieta I wydała nawet specjalny zakaz produkcji barwnika bliżej niż 5 mil od miast. Po dwóch tygodniach fermentację przerywano, masę suszono i ucierano na proszek zawierający właściwy barwnik[1]

  Jego strukturę rozwikłano w połowie XIX wieku i zaczęto wówczas czynić usilne próby syntezy. Pierwszy proces wprowadził Bayer w 1878 roku, gdzie utleniano izatynę - naturalną substancję będącą zredukowaną formą indygo. Ponieważ jednak izatynę otrzymywano wówczas z roślin, reakcja była mało wydajna.
  Prawdziwym przełomem było jednak wprowadzenie procesu BASF, do czego zresztą przyczynił się przypadek - jak to już opisywałem, laborant w tej wielkiej firmie chemicznej Karl Neumann zamieszał termometrem w reaktorze z naftalenem. Termometr stłukł się a rtęć utworzyła z kwasem siarkowym sól, będącą katalizatorem utleniania naftalenu do kwasu ftalowego. W ten sposób związek ten stał się nagle bardzo tani i opłacalna stała się pewna odkryta nieco wcześniej droga syntezy indygo:

Kwas ftalowy w reakcji z amoniakiem był zamieniany w imid, ten po hydrolizie w kwas antranilowy; w reakcji z glicyną otrzymywano kwas N-fenyloglicyno karboksylowy, który w warunkach odwadniających cyklizował do znanego już nam indoksylu, a ten utleniał się do indygo.

Ostatecznie najlepszą metodą, stosowaną do dziś dla produkcji barwnika w pełni syntetycznego, jest reakcja Pflegera. Substratem wyjściowym jest N-fenyloglicyna, otrzymywana przez acylowanie aniliny. Stapiana z wodorotlenkiem i z amidkiem sodu ulega dehydratacji przez co przyczepiona cząsteczka glicyny zamyka się w pięcioczłonowy pierścień, tworząc indoksyl; ten, po rozpuszczeniu stopu w wodzie, pod wpływem tlenu z powietrza ulega utlenieniu i dimeryzacji, tworząc właściwy związek:

Metodę wprowadzono w 1901 roku. Już w 1904 roku tylko 4% używanego barwnika pochodziło z upraw.

   Indygotyna jest nierozpuszczalna w wodzie ani tłuszczach. Skoro tak to jak barwi się nią tkaninę? Jeśli zredukujemy barwnik łagodnymi reduktorami, przeprowadzimy go w rozpuszczalną ale bezbarwną pochodną nazywaną leuko-indygo (i.białe). Tradycyjną metodą używaną od dawna przez farbiarzy, było mieszanie zawiesiny barwnika z nieświeżym moczem - zawarty w nim mocznik redukował indygo. Chińczycy natomiast wsypywali barwnik do podgrzewanych kadzi, wewnątrz których rozwijały się beztlenowe bakterie gnilne, wytwarzające silnie redukujące środowisko. Nieco później stwierdzono. że mniej kłopotliwym sposobem jest rozprowadzenie indygo w kwaśnym roztworze z kawałkami aktywnego metalu - żelaza lub cynku - który roztwarzając się wytwarzał wodór, in statu nascendi redukujący dodaną substancję. Użycie takich chemikaliów było jednak kłopotliwe, z uwagi na możliwość zatrucia lub poparzenia pracowników.
  Dopiero w 1880 roku wprowadzono proces glukozowy, gdzie reduktorem jest po prostu glukoza w warunkach alkalicznych. Dzięki temu farbowanie stało się znacznie prostsze, zaś odcień jaki można było uzyskać, był zdecydowanie głębszy.

  Współcześnie na skalę przemysłową używa się jednak ditionianu i metod elektrochemicznych - w kadziach farbowniczych prowadzona jest elektroliza. Na jednej z elektrod wytwarzany jest reduktor, a barwnik jest redukowany, tkanina jest zanurzana w kadzi i przedmuchiwana powietrzem. Po przepłukaniu wodą luźne cząstki barwnika są zawracane do redukcji. Taki proces stosuje się przy produkcji płótna na dżinsy.
  Wielokrotnie zanurzając tkaninę w bezbarwnym roztworze i wystawiając ją na powietrze, powodowano powtórne utlenienie do formy barwnej już wewnątrz włókna, która połączona z włóknami dobrze do nich przylegała

Znamy dziś liczne pochodne indygo, o obiecujących właściwościach. Jedną z częściej spotykanych jest indygokarmin - pochodna z dwiema grupami sulfonowymi, dobrze rozpuszczająca się w wodzie i używana jako barwnik spożywczy. Wbrew nazwie jest to związek intensywnie błękitny. W odróżnieniu od budzącego podejrzenia błękitu brylantowego, nie jest szkodliwy i po spożyciu zostaje w całości wydalony z moczem, przejściowo zabarwiając go na niebiesko-zielony kolor.

*  *  *

  Innym słynnym barwnikiem starożytności była purpura Tyryjska. Wedle legendy odkrywcą jej miał być sam Herkules, a dokładniej jego pies, który podczas nadmorskiego spaceru zaczął gryźć dużego morskiego ślimaka, wyrzuconego na plażę przez falę. Drażniony skorupiak wydzielił śluz o intensywnym, fioletowym kolorze. Wydaje się jednak że ta późna legenda powstała jako kolejna próba mitologicznego objaśnienia znanych faktów - wedle Piliniusza Starszego zbiór barwnika miał rozpoczynać się od wschodu Syriusza, nazywanego Psią Gwiazdą, a więc raczej zimą. Gwiazdozbiór wielkiego psa, w którym znajduje się Syriusz, ma być odpowiednikiem psa Herkulesa, stąd też zapewne źródło mitu.
Tym skorupiakiem od którego wszystko się zaczęło, był Rozkolec, ceniony również z powodu dekoracyjnej muszli. Znaleziska nagromadzeń porozbijanych muszli każą sądzić, że ślimak ten był zbierany - zapewne dla barwnika - już w XVIII wieku p.n.e.

  Ilość barwnika wydzielanego przez jednego osobnika jest niezmiernie mała. Aby uzyskać porcję zdatną to zafarbowania tkaniny, należało przerobić kilkanaście tysięcy rozkolców. Barwnik był zatem bardzo drogi i szybko stał się wyznacznikiem statusu.W starożytnym Rzymie przywilej noszenia tytułowych "purpurowych tóg" mieli tylko senatorowie. Wbrew jednak popularnym wyobrażeniom, utrwalonym w sztuce, purpurowy był jedynie pas materiału przy rąbku. Znalazłem informację, że toga w całości wybarwiona, była używana tylko do ubrania ofiar rytualnych.
  Barwnik pozwalał otrzymać intensywny kolor, w przybliżeniu będący ciepłym fioletem lub chłodną purpurą, przy czym w pewnym stopniu kolor zależy od warunków - wilgotny jest bardziej niebieski. Sama procedura była jednak niejasna - wiadomo było, że ślimaki były rozbijane i moczone w kadziach na słońcu. Następnie gotowano je, oddzielając tłuszcz i mięso, a pozostały płyn odparowywano powoli przez kilka dni z dodatkiem alkaliów, aż otrzymano czerwoną ciecz, używaną do farbowania. Po wyschnięciu kolor wełny stawał się nieco chłodniejszy, intensywny i intrygujący.
  Podobnie jak w przypadku indygo, purpura tyryjska nie rozpuszcza się w wodzie, toteż barwienie musiało odbywać się z wykorzystaniem formy leuko, nie bardzo jednak wiadomo jak otrzymywano ją w starożytności. Piliniusz, który opisał proces, pisze że płyn z rozgotowanych ślimaków gotowano z alkaliami w ołowianym kotle - nie wiadomo jednak o jakie plumbum mu chodziło - "nigra" czyli właściwy ołów, czy też "alba" czyli cynę. W tym drugim przypadku powstawały sole cyny, które dobrze nadawały się do redukcji purpury. Sugerowano też użycie miodu czy bakterii beztlenowych, ale pozostaje to sprawą niejasną.

  Dawne techniki otrzymywania i używania purpury stopniowo zanikały wraz z upadkiem cesarstwa rzymskiego i Bizancjum. Ostatni historyczny opis pozostawił Wiliam Cole z XVII wieku, piszący na temat farbowania wełny na wybrzeżu kanału brystolskiego. Rybacy łapali żywe ślimaki, po czym drażnili je, skłaniając do wydzielenia płynu zawierającego prekursor. Płyn ten nabierano na palce i rozprowadzano na wilgotnej wełnie. Takie "dojenie" ślimaków było mniej wydajne, ale nie zabijało ich, pozwalając na powtórny odłów. Po wystawieniu na słońce, wydzielina żółkła, zieleniała, przechodziła w chłodny, morski kolor i przez szarawy błękit stawała się purpurowa. Równocześnie wydzielał się charakterystyczny zapach, podobny do czosnku lub nieświeżych ryb, który przestawał być wyczuwalny po kilku praniach, będąc uważanym za oznakę oryginalności tkaniny. Ten sam sposób barwienia od dawna był używany w Ameryce Południowej, gdzie występują podobne ślimaki, a nawet przetrwał do dziś, dzięki czemu możemy obserwować jego przebieg:

   Pierwsze próby zidentyfikowania właściwej substancji były niełatwe. Już w 1879 roku Schunck przerobił 9 tysięcy ślimaków, tnąc je na kawałki i gotując, aż otrzymał zaledwie 7 mg właściwego barwnika. Stwierdził jedynie, że zawiera azot, po czym stracił cierpliwość. Jednak w następnym roku dowiedział się, że barwnikiem o bardzo podobnym wyglądzie, uzyskiwanym z ślimaków, barwi się tkaniny w Nikaragui. Zdobył szmatkę zafarbowaną w ten sposób, po czym gotował ją w różnych rozpuszczalnikach, uzyskując ostatecznie 99 mg barwnika. Jego zdaniem była to ta sama substancja, którą nazwał punicyną.
   Więcej od niego cierpliwości miał Friedlander, niemiecki chemik znany jako odkrywca wielu pochodnych indygo, dobrze nadających się do farbowania na żywe kolory. Udało mu się zdobyć dobre źródło żywych mięczaków, toteż mógł przeprowadzać produkcję na większą skalę. Ze ślimaków wycinał właściwy gruczoł, który rozcierał, odsączając wydzielinę. Płynem nasączano bibułę, którą wystawiano na powietrze i słońce, pod wpływem których ciemniała i zabarwiała papier na fioletowo. Papier następnie macerował w kwasie siarkowym, a po rozcieńczeniu wodą otrzymywał osad, z którego ekstrahował właściwy barwnik, w formie intensywnie zabarwionych kryształków.
  Po kilku tygodniach z 12 tysięcy skorupiaków udało mu się uzyskać 1,4 g właściwego związku. Nie było to więc zbyt wiele, ale najzupełniej wystarczało do analizy elementarnej.
  Wynik był dosyć nieoczekiwany - związek miał skład C16H8Br2N2O2 i wobec tego zawierał dobrze związany brom, co w naturalnych związkach organicznych jest bardzo rzadkie. W dodatku musiał stanowić pochodną dobrze już znanego indygo. Ostateczna struktura zawiązku ma następującą postać:

  Jak widać, jest to indygo podstawione bromem. Tym samym dwa najcenniejsze barwniki starożytności okazują się nieoczekiwanie powiązane.
  Podobnie jak w przypadku indygo, kolor purpury tyryjskiej zależy w dużej mierze od oddziaływań międzycząsteczkowych. W roztworach w rozpuszczalnikach polarnych, substancja jest niebieska - podobny kolor daje się uzyskać na jedwabiu, jeśli do farbowania użyto roztworu o bardzo małym stężeniu. W stanie stałym, lub przy dużym stężeniu, cząsteczki tworzą dimery i większe agregaty o tym charakterystycznym, ciepłym kolorze. W wydzielinie ślimaków występuje w formie prekursora - siarczanu bromoindoksylu. Po wydzieleniu, jest hydrolizowany przez enzym (jeśli jest tu naturalne uwolnienie wydzieliny) lub za sprawą rozkładu i podgrzewania (jak to drzewiej bywało podczas przetwarzania pociętych ślimaków), po czym  utlenia się do zielonej tyriwerdyny. Ta rozkłada się na świetle do dibromoindygo z wydzieleniem niemile pachnącego siarczku dimetylu.

*   *   *

Na koniec pozostał nam jeszcze trzeci składnik niniejszego wpisu - błękit Majów.

   Majowie stanowią okrutny paradoks kultury. Wysoko rozwinięta cywilizacja, która potrafiła budować niesamowite kamienne budowle, dobrze opanowała matematykę i astronomię czy wreszcie stworzyła wielkie imperium, równocześnie dosłownie wykrwawiała się przez głęboko w niej zakorzeniony kult bogów żądnych ofiar. Krew to symbol życia i siły. Bogowie w wierzeniach południowej ameryki byli istotami nieustająco podtrzymującymi prawidłowe działanie świata, ale podobnie jak ludzie, męczyli się. Dlatego trzeba było ich karmić krwią.
   Nie będę się tu jednak wdawał w opisy makabrycznych praktyk, lecz skupię się na intrygującym elemencie ich cywilizacji, jakim są doskonale zachowane malowidła, oczywiście zachowane tylko wówczas, gdy zostały odkryte już w naszych czasach, gdy chrześcijanie o inkwizycyjnych zapędach nie mogli ich już zniszczyć. Jedną z charakterystycznych cech tych przedstawień, było chętne - zwłaszcza dla przedstawień o charakterze religijnym - używanie intensywnego, błękitnego pigmentu, nazywanego błękitem majańskim. Pełnił on w ich sztuce rolę równie ważną, co ultramaryna w średniowiecznej sztuce europejskiej, stanowiąc składnik tła na którym rozgrywają się ważne sceny. Lecz i tu objawia się religijny wtręt - wedle dawnych zachowanych relacji w wielu miejscach składano ofiary z ludzi i cennych przedmiotów, które po pomalowaniu na niebiesko, wrzucano do lejów krasowych nazywanych cenote. W niektórym takich lejach na dnie znaleziono kilkumetrowe warstwy niebieskiego mułu, przemieszanego z kośćmi.
   Jedną z rzeczy, jakie od początku uderzały archeologów, był niezwykle intensywny kolor, zachowany pomimo kilku wieków w wilgotnym środowisku. Gdzieniegdzie rysunki wykonane błękitem majów, zachowały się nawet na powierzchniach zewnętrznych. Nie blaknie od światła, jest odporny na działanie rozcieńczonych kwasów, a i w stężonych roztwarza się opornie. Można by rzec - pigment idealny. Zdecydowanie lepszy od znanej w Europie ultramaryny, której dzieje i procesy niszczące kolor opisałem dawno temu.

Wiadomo, że był używany przez Majów, i prawdopodobnie Azteków przez kilka wieków aż do przybycia Europejczyków. Wraz ze zniszczeniem dawnej kultury, zastosowanie pigmentu zmniejszyło się, jednak bywał używany w niektórych malowidłach chrześcijańskich. Od czasu do czasu pojawiał się w późniejszych czasach, aż do XIX wieku, gdy to sprowadzany z meksyku pigment używany do fresków stał się słynny jako błękit kubański, tam bowiem chętnie używano go w budynkach kolonialnych.

   Nic dziwnego, że substancja o tak ciekawych właściwościach, zainteresowała naukowców i malarzy. Początkowe badania dawały wyniki co najmniej zaskakujące - pigment najwyraźniej nie był naturalnym minerałem, lecz został wytworzony sztucznie, równocześnie zaś nie zawierał w swoim składzie metali przejściowych, których jony nadają zwykle barwę substancjom nieorganicznym. Głównym składnikiem wydawał się pałygorskit - biała glinka o włóknistej strukturze, i dobrych właściwościach chłonnych, używana w Ameryce południowej jako lek odtruwający, działający podobnie do węgla lekarskiego. Zagadkę rozwiązały dopiero badania spektroskopowe w podczerwieni, dzięki którym ustalono, że pigment składa się z glinki połączonej z pochłoniętym w nią... indygo.

   Źródłem barwnika był w tym przypadku południowoamerykański gatunek indygowca indigofera suffruticosa, natomiast metoda wytwarzania wiązała się z podgrzewaniem mieszaniny barwnika i glinki do wysokich temperatur. Na dobrą sprawę dopiero niedawno odkryto w jaki sposób proces ten mógł być prowadzony. W 2008 roku archeolodzy odnaleźli misę na kadzidło, zawierającą pozostałości błękitnego osadu, będącego popiołem pokadzidlanym. Prawdopodobnie więc Majowie sporządzali kadzidła z kopalu, zmieszanego z glinką zafarbowaną indygo. Podczas spalania, w trakcie obrzędów poświęconych bogowi deszczu, wytwarzająca się temperatura około 200 stopni powodowała wnikanie barwnika w głąb struktury minerału. Niewykluczone że w taki właśnie sposób przypadkowo odkryto tą substancję.
   Inne techniki jakimi udało się odtworzyć ten pigment, polegały na zmieszaniu roztworu ze zmacerowanych liści indygowca, zawierającego nieutlenioną formę, z glinką i napowietrzaniu przez bełtanie. Indygo wytrącało się wewnątrz ziaren glinki, i po odsączeniu było wraz z nią wypalane.
Interesującą kwestią jest wewnętrzna struktura substancji - cząsteczki krzemianów tworzą mikroskopijne pory o dobrych właściwościach chłonnych i jonowymiennych, podobnie jak zeolity. Gdy cząsteczka indygo zostanie wchłonięta, podczas wypalania glinka zmienia strukturę, tracąc część wody, zaś w powstałe miejsce wpasowuje się barwnik. Najdrobniejsze pory pomiędzy poszczególnymi resztami kwasu krzemowego  tworzą klatkowatą strukturę, dobrze chroniącą związek organiczny przed czynnikami zewnętrznymi.

   Właśnie dlatego pigment nie rozkładał się nawet w stężonych kwasach, choć cząsteczka barwnika by tego nie przetrzymała. Siłę związania barwnika z glinką zwiększały wiązania wodorowe z grupami Si-OH i wodą związaną w tych samych porach. Przypomina mi to trochę strukturę ultramaryny - stanowiąca o kolorze nietrwała cząsteczka anionorodnika trójsiarczkowego, zamknięta w klatkach struktury sodalitu, okazywała się wystarczająco trwała aby przetrzymać kilka wieków na murach Kaplicy Sykstyńskiej.
Ponadto część związku utleniała się do dehydroindygo, tworzącego kompleks z glinem, a powstałe połączenie jest nawet nieco silniej zabarwione, niż by to wynikało z ilości wchłoniętego związku.[2][3]
Duża trwałość tego połączenia, nietoksyczność związków wyjściowych i wreszcie brak metali ciężkich powodują, że pigment ten, i jego pochodne o innych kolorach, mogą znaleźć zastosowanie jako ekologiczne składniki farb.

Taka mała cząsteczka, a taką ciekawą ma historię...
-------

[1] http://www.botgard.ucla.edu/html/botanytextbooks/economicbotany/Isatis/
[2] Polette-Niewold, L., Manciu, F., Torres, B., Alvarado, M., & Chianelli, R. (2007). Organic/inorganic complex pigments: Ancient colors Maya Blue Journal of Inorganic Biochemistry, 101 (11-12), 1958-1973 DOI: 10.1016/j.jinorgbio.2007.07.009
[3] Chiari, G., Giustetto, R., & Ricchiardi, G. (2003). Crystal structure refinements of palygorskite and Maya Blue from molecular modelling and powder synchrotron diffraction European Journal of Mineralogy, 15 (1), 21-33 DOI: 10.1127/0935-1221/2003/0015-0021
* Christopher J. Cooksey, Tyrian Purple: 6,6’-Dibromoindigo and Related Compounds, Molecules 2001, 6, 736-769
* http://traditionsmexico.phanfare.com/2402728#imageID=38400562 - farbowanie purpurą w Meksyku
* http://www.azulmaya.com/
* http://www.chriscooksey.demon.co.uk/tyrian/mollusc.html
* http://www.denimsandjeans.com/denim/manufacturing-process/dyes-used-for-denim-dyeing-a-description/ 
* http://woad.wordpress.com/  - blog poświęcony farbowaniu urzetem
* http://www.woad.org.uk  - Strona poświęcona urzetowi
* http://backreaction.blogspot.com/2008/03/cookies-palygorskite-and-maya-blue.html - zabawny artykuł objaśniający strukturę błękitu majów za pomocą ciasteczek i dropsów