Benzen w napojach

 Od roku nie mogę dokończyć tego wpisu a już dawno go zapowiadałem.

Reakcja jaką chcę teraz opisać, jest na tyle nietypowa, że każdy mający jakieś pojęcie o chemii słysząc o niej, zachodzi w głowę jak to możliwe. Benzoesan sodu pod wpływem witaminy C zamienia się w benzen.

O benzoesanie sodowym i jego właściwościach już pisałem w osobnym artykule - związek raczej nieszkodliwy, powszechny w kwaśnych produktach, chroniąc je przed powstawaniem pleśni. Również witamina C  w zasadzie jest dobrze znana.
Chemicznie rzecz biorąc jest to kwas askorbinowy, będący w zasadzie pochodną glukozy, najczęściej występującą w formie pięciokątnego laktonu, jest to też ciekawy przykład kwasu organicznego, który nie zawiera grupy karboksylowej. Stosunkowo łatwo ulega utlenieniu, będąc dobrym reduktorem a tym samym ma właściwości antyoksydacyjne. Jest dla naszego organizmu niezbędną substancją, biorącą udział w syntezie hormonów, wzmacnianiu naczyń krwionośnych i równowadze komórkowej, nie odpowiada natomiast za odporność na choroby, wbrew temu co mówią reklamy.

Natomiast trzecia substancja, benzen, jest związkiem szkodliwym. Ten najprostszy węglowodór aromatyczny ma cząsteczkę o kształcie regularnego sześciokąta. Odkryty w połowie XIX wieku w smole pozostałej po zgazowaniu węgla, przysporzył chemikom wielkich problemów w ustaleniu struktury. Jest najbardziej charakterystycznym przedstawicielem grupy związków aromatycznych - to jest zawierających sprzężone układy elektronów Pi zdelokalizowanych w całym pierścieniu. Zgodnie z nazwą wiele związków o takich właściwościach posiada  charakterystyczny aromat - benzen ma słaby zapach, określany jako słodki; z dodaną grupą aldehydową staje się migdałowym benzaldehydem, który po dodaniu naprzeciwko grupy metoksylowej staje się aldehydem anyżowym.
W tej historii jednak najistotniejsze są jego właściwości zdrowotne. Podobnie jak inne lotne rozpuszczalniki organiczne jest trujący przy wdychaniu. Ponadto już dawno temu udowodniono że jego metabolity uszkadzają szpik i prowokują rozwój białaczki. Z tego powodu jego dawniej powszechne stosowanie w przemyśle, zostało w znacznym stopniu ograniczone, jest też niedozwolony w dydaktyce szkolnej, przez co przez całe studia nie miałem okazji go nawet powąchać.

Pierwsze informacje o benzenie w napojach pochodziły z lat 80 i początku 90. lecz dotyczyły przypadków użycia do ich produkcji zanieczyszczonej nim wody. Jednak niektórych przypadków nie dawało się w ten sposób wytłumaczyć. Woda użyta do produkcji niektórych napoi była czysta, czyste były składniki, a tymczasem badania gotowych produktów wykazywało istnienie w nich śladowych ilości tego węglowodoru. Jedynym wyjaśnieniem było to, że musi w jakiś sposób powstawać w samym produkcie.
Zaczęto więc sprawdzać różne napoje pod kątem kombinacji składników, stwierdzając, że za każdym razem chodziło o połączenie: kwaśny napój + woda źródlana + witamina C + benzoesan sodu[1]. Co takiego jednak zachodziło?

Pierwsza praca z 1993[2] roku proponowała dosyć nieoczekiwany mechanizm. Na pierwszym etapie mający właściwości redukujące kwas askorbinowy, reagował z kationem metalu przejściowego, obecnego w wodzie, powodując jego redukcję do formy o niższym stopniu utlenienia. Ta z kolei reaguje z tlenem rozpuszczonym w napoju, powodując jego częściową redukcję do anionu nadtlenkowego. Ten przyjmuje pprotony z kwaśnego środowiska tworząc nadtlenek wodoru - czyli wodę utlenioną.
Nadtlenek wodoru reaguje z obecnymi w roztworze zredukowanymi kationami metalu, rozpadając się na jon hydroksylowy i rodnik hydroksylowy. Ostatni etap jest identyczny z zachodzącym w odczynniku Fentona - mieszaninie wody utlenionej i soli żelaza II, używanej do utleniania zanieczyszczeń.

Rodniki to takie atomy lub cząsteczki, które posiadają jeden elektron nie do pary. Każdy elektron jest obdarzony spinem - a więc momentem magnetycznym wynikłym z wewnętrznych ruchów ładunku. Spin ten może przyjmować dwie wartości: +1/2 i -1/2, odpowiadające przeciwnym zwrotom momentu magnetycznego. W takiej sytuacji elektrony zachowują się jak dwa magnesy sztabkowe, obrócone o 180 stopni - przyciągają się, mimo odpychania elektrostatycznego. Z tego powodu elektrony w powłokach wokół atomu najchętniej łączą się w pary. Powstawanie takich par jest przyczyną powstawania wiązań chemicznych.
Jeśli jednak zdarzy się taki wypadek, że jakaś para zostanie rozdzielona, osamotniony elektron poszukuje partnera - i znajdując go w innej cząsteczce doprowadza do reakcji.

Rodnik hydroksylowy należy tutaj do najbardziej agresywnych - ma bardzo dużą skłonność do odbierania elektronów innym cząsteczkom - a więc utleniania ich. Pół biedy gdy takiej reakcji poddaje się cząsteczka wody czy cukru, ale gdy rodnik taki powstanie wewnątrz organizmu, powoduje uszkodzenie białek, lipidów i cząsteczek DNA. Z tego powodu są to cząsteczki najbardziej niebezpieczne dla ustroju.

W naszym jednak przypadku reaktywność rodników jest przyczyną takiego a nie innego przebiegu dalszej reakcji. Gdy rodnik zetknie się z naszym benzoesanem, odbierze mu elektron, przez co cząsteczka ta sama staje się rodnikiem benzylowym. Jest to rodnik bardzo nietrwały - łatwo ulega przegrupowaniu z odszczepieniem dwutlenku węgla. Po tej dekarboksylacji w roztworze pozostaje jedynie nasz benzen.

Czy jednak ten efekt, symulowany w warunkach laboratoryjnych, rzeczywiście występuje w tak skomplikowanych mieszaninach, jak napoje? Skrupulatne badania pokazały, że tak.
W pewnym belgijskim badaniu [3] po sprawdzeniu 134 dostępnych na rynku napoi, benzen wykryto w 20%, z czego w kilku ilość przekraczała maksymalny dopuszczalny poziom dla wody pitnej (1 ppb dla Europy). W podobnym badaniu w USA benzen wykryto w kilkunastu procentach napoi, w czterech przekroczony został amerykański dopuszczalny poziom 5 ppb, w dwóch przypadkach norma ta została przekroczona w koncentratach owocowych aż 20-krotnie[4]. Napoje te zostały wycofane. Podobne wyniki uzyskali kanadyjczycy[5].
A w Polsce?

Na szczęście pod względem badań analitycznych, nie jest u nas tak źle. W badaniu w 2008 roku sprawdzono 60 napoi, śladowe ilości benzenu wykryto w prawie połowie, jednak tylko 11 zawierało go więcej niż dopuszcza polska norma dla wody pitnej. Najwyższe poziomy stwierdzono w "Snipp orange" i "Hoop fruti pomarańcza" a z soków owocowych w soku żurawinowym, zawierającym naturalne benzoesany[6]
 Zatem benzen istotnie pojawia się w tej reakcji. Pozostaje jednak pytanie, czy te wartości są szkodliwe?
Dzienne pobranie benzenu tą drogą oceniono na 10% pobrania z innych źródeł. Ze względu na występowanie w ropie naftowej i podobną temperaturę wrzenia, benzen występuje w benzynie. Opary rozlanej benzyny będą więc go zawierały. Stąd wraz z niespalonymi resztkami przedostaje się do spalin, będąc stale obecny w miejskim powietrzu. Jeszcze więcej benzenu zawiera dym papierosowy, zatem palenie czy też czynne czy bierne, zwiększa narażenie kilkunastokrotnie. Wobec tych ilości, to co mogą zawierać napoje stanowi tak małą ilość, że dla nawet najbardziej zanieczyszczonych trzeba by wypić 20 litrów dziennie, aby tym samym dostarczyć sobie go tyle, ile daje go nam całodzienne oddychanie miejskim powietrzem[7].
Dokładne wyliczenia pokazują, że wzrost ryzyka nowotworu w wyniku ekspozycji z tego źródła jest ledwie istotny statystycznie, i nie przekracza prawdopodobieństwa 1:1000000.[8] Oznacza to że pijąc takie napoje nie dostaniemy skrętu kiszek czy raka żołądka.

Skoro tak - zapyta ktoś - skoro to jest tak mały efekt, to o co cały ten szum? A o to, że z kancerogenami jest tak, że im ich mniej, tym lepiej. Może nie uda się nam natychmiast radykalnie poprawić powietrza w miastach ani skłonić ludzi do rzucenia palenia, ale obligując producentów aby przeciwdziałali tej reakcji robimy mały i szybki krok w dobrą stronę.

Amerykańska FDA zobowiązała producentów do działań, mających zmniejszyć występowanie tej reakcji. reakcję można zahamować przez dodatek EDTA - środka chelatującego metale, uniemożliwiając im katalizowanie produkcji rodników. Inna opcja to napełnianie butelek w atmosferze azotu, aby do środka nie dostał się tlen. Niektóre firmy, jak Coca Cola wycofują benzoesan sodu, na rzecz sorbinianu lub bardziej sterylnej linii produkcyjnej. Nie wiem natomiast czy w Polsce ten problem jest w jakiś sposób zwalczany. Nie znalazłem na ten temat żadnych informacji.
Jeśli zaś chcecie ustrzec się przed takimi napojami, to uważajcie też na żurawinę - zawiera bardzo dużo naturalnych benzoesanów, wystarczy więc zmieszać ją z sokiem pomarańczowym i...
--------
Źródła:
[1] Department of Health and Human Services. Summary of Information on Benzene Formation inFood Products. Memorandum, January 18, 1991
[2] Gardner, L., & Lawrence, G. (1993). Benzene production from decarboxylation of benzoic acid in the presence of ascorbic acid and a transition-metal catalyst Journal of Agricultural and Food Chemistry, 41 (5), 693-695 DOI: 10.1021/jf00029a001
[3] Van Poucke, C., Detavernier, C., Van Bocxlaer, J., Vermeylen, R., & Van Peteghem, C. (2008). Monitoring the Benzene Contents in Soft Drinks Using Headspace Gas Chromatography−Mass Spectrometry: A Survey of the Situation on the Belgian Market Journal of Agricultural and Food Chemistry, 56 (12), 4504-4510 DOI: 10.1021/jf072580q
[4] http://www.fda.gov/Food/FoodborneIllnessContaminants/ChemicalContaminants/ucm055815.htm
[5] http://www.hc-sc.gc.ca/fn-an/alt_formats/hpfb-dgpsa/pdf/securit/benzene_follow_hra-ers-eng.pdf
[6] Małgorzata Jędra, Andrzej Starski, Halina Gawarska, Dorota Sawilska-Rautenstrauch , WYSTĘPOWANIE BENZENU W NAPOJACH BEZALKOHOLOWYCH,  BROMAT. CHEM. TOKSYKOL. – XLI, 2008, 3, str. 382–388 
[7] http://www.nzfsa.govt.nz/consumers/food-safety-topics/chemicals-in-food/benzene/index.htm
[8] Haws, L., Tachovsky, J., Williams, E., Scott, L., Paustenbach, D., & Harris, M. (2008). Assessment of Potential Human Health Risks Posed by Benzene in Beverages Journal of Food Science, 73 (4) DOI: 10.1111/j.1750-3841.2008.00730.x  

O benzoesanie i tym dlaczego nie jest taki straszny Tutaj.

Kiedyś w laboratorium (8.)

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

Fenoloftaleina w stężonym kwasie siarkowym

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

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

Ten straszny benzoesan!

W trakcie przygotowywania dłuższej notki o pewnej ciekawej reakcji zachodzącej w niektórych napojach musiałem opowiedzieć o jednym z jej substratów - kwasie benzoesowym. Jednak, jak już zdążyliście zapewne zauważyć, moje niewinne uwagi wstępne częstokroć rozwlekają się w formę dłuższych chemiko-historycznych dygresji, wprawdzie tworzących z właściwym tematem intrygującą opowieść objaśniającą wiele rzeczy, ale przecież gubiącą właściwy wątek. Tak też stało się i tym razem. Gdy objętość tekstu o benzoesanach przekroczyła trzy akapity zorientowałem się, że albo stworzę długaśną notkę nie wiadomo o czym, albo tak dobrze się zapowiadający "wstęp" przerzucę do oddzielnej notki, do której potem będę we właściwym wpisie linkował i odnosił się. A temat jest przecież ciekawy, i ma pewne powiązania z tym co stanowi o charakterze bloga. Ale najpierw o wonnościach i alchemikach:

Kwas benzoesowy to pospolity związek, występujący naturalnie w wielu roślinach, będący najprostszym aromatycznym kwasem karboksylowym (choć przychodzi mi jeszcze do głowy kwas furanokarboksylowy), w którym do pierścienia sześcioczłonowego doczepiona jest grupa karboksylowa. Może być traktowany jako pochodna toluenu z którego powstaje w wyniku utleniania - i tak też może być otrzymywany. Inna metoda to reakcja Canizarro, w której benzaldehyd potraktowany zasadą zamienia się w alkohol benzylowy i kwas benzoesowy - a zatem jedna część substratu jest redukowana a druga utleniana. Benzaldehyd otrzymuje się hydrolizując dichlorotoluen, po czym oddziela się go i poddaje reakcji, dzięki czemu unika się zanieczyszczenia chloropochodnymi.

O wonnościach i alchemikach:

Związek ma dosyć ciekawą historię, której nie omieszkam tu zreferować. Od wieków w świątyniach i miejscach zgromadzeń palono kadzidła i wonności. W Indiach po dziś dzień pali się patyczki z trocin aromatycznego drzewa sandałowego, nazywane trociczkami - których odległym odpowiednikiem są nasze kadzidełka. Inne aromatyczne rośliny dostarczały podobnych materiałów - z żywicy olibanowej kadzidłowca powstawało prawdziwe kadzidło, z żywicy krzewu balsamowca powstawała Mirra. Wszystkie te materiały były bardzo cenne, stąd zwyczaj dawania ich w darze władcom, utrwalony w nowotestamentowej opowieści o królach czy mędrcach przybyłych do Betlejem. Ich spalanie w świątyniach miało zatem formę cennej ofiary bóstwom, było nawet określone ile kadzidła trzeba spalić przy konkretnych obrządkach. Zastanawiające, że w takiej formie - a więc właśnie ofiary dla Boga, przedostało się kadzidło do Chrześcijaństwa, choć dziś o takiej celowości obrządku kadzenia się wprost nie mówi*
Z celów bardziej praktycznych, wonności oczyszczały atmosferę a ta, w ciasnych budynkach, napełnionych tłumem przybyłych pątników mogła być w dawnych czasach bardzo ciężka. Jednym z tych kadzidlanych materiałów był Styraks, używany do dziś w kościołach obrządku wschodniego.
Arabowie nazywali go "lubān jāwī" (لبان خاوي ) czyli Kadzidło z Jawy - stamtąd bowiem po raz pierwszy go przywieziono. Nazwa w czasach mauretańskich trafiła do Hiszpanów, którzy przekazali ją w zmienionej formie jako Benjawi, z nimi handlowali Włosi, którzy usłyszeli nazwę jako benjuì lub bensui co ostatecznie stało się łacińskim benzoë - stąd dawna nazwa żywicy benzoinowej. Wcześniejsza hiszpańska forma musiała się jednak jeszcze gdzieś zachować, skoro w zupełnie zniekształconej postaci funkcjonuje w języku angielskim jako guma Benjamina[1]
W XVI wieku próbowano otrzymać ze styraksu olejki eteryczne, lecz podczas suchej destylacji otrzymywano jedynie biały proszek, o lekkich właściwościach kwasowych, nazwany kwasem benzoesowym - co ciekawe, jednym z pierwszych alchemików którzy opisali ten proces, był Nostre Dame czyli Nostradamus. W późniejszym czasie znaleziono ten związek jeszcze w migdałach, jako jeden z produktów rozkładu glikozydów cyjanogennych - amigdaliny, zaś pod koniec XIX wieku odkryto, że ma właściwości przeciwgrzybicze i zaczęto używać go do konserwacji owoców.
Wcześniej używano tu chemicznego krewniaka - kwasu salicylowego. Zakodowany w głowach obraz domowych przetworów, jako wekowanych słoików obwiniętych u góry papierem, wiąże się ze praktyką zakrywania słoików, przed zamknięciem wieczka, arkuszem papieru salicylowego nasączonego tym związkiem, zaś jeszcze przed wojną domowe przepisy obejmowały też dodawanie do dżemów "proszku salicylowego", który jako konserwant zabezpieczał przed zapleśnieniem. Jeszcze Stobiński w latach 70. w swej wspaniałej "Chemii i życiu" podaje takie przedwojenne przepisy, już jednak zastrzegając, że dodatek taki może źle odbić się na zdrowiu - jak wspominałem w notce o aspirynie, kwas salicylowy powoduje krwawienia z przewodu pokarmowego i zaburzenia żołądkowe.
Kwas benzoesowy okazał się więc zamiennikiem, o tyle bezpiecznym, że nie wywołującym takich skutków. I rzeczywiście, używa się go dziś, w formie soli, jako konserwantu żywności. Ma właściwości grzybobójcze i bakteriobójcze, a niektóre pochodne są używane jako fungicydy lub leki w grzybicach skóry. Sam kwas benzoesowy, rzadziej używany w stanie czystym, to E 210, sól sodowa to E 211, potasowa E212 a wapniowa E213.

Opisany już Styraks zawiera do 20% kwasu benzoesowego i co najmniej drugie tyle połączeń estrowych o intensywnym zapachu. Uzasadniałoby to skądinąd użyteczność styraksu w kadzidłach - kwas łatwo sublimował i w postaci stałych cząstek osiadał na podłodze, ścianach i pątnikach, zapobiegając rozprzestrzenianiu się w takiej ciżbie chorób bakteryjnych. Inne kadzidła jak mirra czy drzewo sandałowe, też mają takie właściwości, tym samym zalecenia pisarzy starożytnych, aby używać styraksu na rany w formie tynktur czy nasączonych płatków tkaniny, wydają się bardzo trafne.

Zatem benzoesany są obecne w żywności od stu lat. Jednak ostatnio coraz więcej słyszy się o wątpliwościach co do ich używania. Po słynnej reklamie wody smakowej, gdzie aktorka po przeczytaniu składu na etykiecie produktu konkretnej firmy, stwierdziła "wkrótce będziemy świecić" (po czym polecała produkt jakoby pozbawiony żadnych dodatków) benzoesan sodu stał się wręcz symbolem "chemii" w żywności a tym samym dostał się na języki internautów:

Gwiazdami w konserwowaniu żywności są dwa związki: benzoesan sodu i sorbinian potasu. Ten pierwszy, mający oznaczenie E 211, wzmacnia naturalny smak pożywienia, a zarazem niszczy drożdże, pleśnie i wirusy. Chętnie dodaje się go do napoi gazowanych, majonezu, marynat, konserw owocowych i warzywnych. Niestety, ma poważne wady. Jest kancerogenny, a także ma szkodliwy wpływ na procesy zachodzące w naszym mózgu,

Na początku lat 90 ograniczono w Polsce zastosowanie benzoesanu. Do publicznej wiadomości podano, że to z powodu jego znaczenia dla procesów przemian aminokwasów, zachodzących w mózgu (nie podano konkretnie, jakie jest to znaczenie).

Na stronie internetowej jednej z większych firm spożywczych możemy znaleźć informację, że benzoesany spożywane w nadmiarze mogą powodować uczulenia u astmatyków i alergików, a u osób wrażliwych na aspirynę zaburzenia w funkcjonowaniu przewodu pokarmowego (co to znaczy "w nadmiarze", nie podano).[2]

Lista szkodliwych konserwantów

E 210 rakotwórczy (benzoesan, syntetyczny, dodatek do napoi gazowanych, majonezów, marynat, konserw owocowych i warzwynnych, sałatek)
E 211 rakotwórczy (benzoesan sodu, syntetyczny)
E 212 rakotwórczy (benzoesan potasu, syntetyczny)
E 213 rakotwórczy (benzoesan wapnia, syntetyczny)
E 214 rakotwórczy (benzoesan etylu, p-hydroksybenzoesan etylu i pochodne, [3]

Peter Peiper, biolog molekularny z Sheffield University, twierdzi, że benzoesan sodu (E211) jest szkodliwy dla kodu genetycznego. Ten związek chemiczny jest w stanie poważnie uszkodzić mitochondria – mówi Piper. To z kolei powoduje tak wielką degenerację komórek, że z czasem może doprowadzić do choroby Parkinsona czy marskości wątroby. Piper ostrzega, że typ uszkodzenia powodowany przez benzoesan sodu jest powiązany z wieloma chorobami neurodegeneracyjnymi, które pojawiają się w późniejszym wieku. Co więcej, benzoesan sodu w połączeniu z witaminą C tworzy benzen, związek rakotwórczy.[4]

Jeszcze nie tak źle w porównaniu z innymi dodatkami. Znam takie listy E gdzie szkodliwość przypisano wszystkim 1200 substancjom, włącznie z tymi które występują naturalnie w żywności, w tym kwaskowi cytrynowemu (E 330) witaminie C (E 300), pektynom owocowym (E 440) czy azotowi (E 941).

Na początek może rozprawię się z informacją o zabijaniu bakterii jelitowych - benzoesan owszem, jest bakteriobójczy, ale w środowisku kwaśnym (pH w zakresie 2-5). Niszczy bakterie w ten sposób, że jego forma kwasowa jest wchłaniana do komórki i zwiększając kwasowość wewnątrz hamuje metabolizm komórek. Słabo radzi sobie natomiast z bakteriami nawykłymi do kwaśnego środowiska, a więc z bakteriami fermentacji octowej, a prawie w ogóle nie rusza bakterii mlekowych, uważanych powszechnie za korzystne. Po przejściu przez żołądek trafia do jelit, gdzie dzięki obecności żółci panują warunki zasadowe. A w tych kwas benzoesowy traci swoje właściwości.

A jak jest z tymi alergiami? Jego struktura chemiczna jest zbliżona do kwasu salicylowego, dlatego u osób nadwrażliwych na salicylany wywołuje objawy podobne do astmy aspirynowej, jedynie trwające krócej ze względu na szybszy metabolizm. Z tego samego powodu może wywoływać alergie u osób wrażliwych, objawiające się wysypkami i podrażnieniami, choć w szerokich badaniach objawy pojawiały się zaledwie u 0,5-0,8% ludzi.

Co do rakotwórczości, nie wiem skąd autorzy takich stron biorą informację, ale gdy tylko grzebię po różnych pracach i artykułach, to za każdym razem związek okazywał się nierakotwórczy i mało szkodliwy. Weźmy choćby takie badania: sześciu mężczyzn zażywało w diecie 0,2-0,4 g kwasu benzoesowego przez dwa miesiące - nie stwierdzono pogorszonego samopoczucia, zmian obrazu krwi, czy składu moczu; albo studenci zażywali związek wedle planu, że najpierw przez pięć dni brali 1 g, potem część przez następne 5 dni brała 1,5 g, potem 2 g i na koniec trzech studentów brało 2,5 g, łącznie przez dwadzieścia dni przyjąwszy dawkę 35 g - stwierdzono takie objawy jak nudności, podrażnienia żołądka czy bóle głowy, objawy zanikły po skończeniu badania.[5] Związek jest też niekiedy używany w leczeniu osób z wrodzonymi zaburzeniami cyklu mocznikowego, aby wraz ze sprzęganą z nim glicyną usuwać nadmiar azotu alternatywną drogą. I tu podawanie dawek rzędu 200-500 mg przez kilka lat nie wywoływało negatywnych skutków. Obecnie ustalona maksymalna dopuszczalna dawka 5 mg/kg masy ciała na dobę została oparta na badaniach nadwrażliwości u alergików, uznając że poniżej tej dawki nie wystąpią u nich żadne objawy.

Wrażliwość zwierząt jest zróżnicowana - dawka toksyczna dla kotów to tylko 450 mg/kg kota, u gryzoni LD50 to prawie 2g/kg szczura. Nie stwierdzono niekorzystnych skutków podawania 500 mg/kg czterem kolejnym pokoleniom szczurów. W innych badaniach nie wykazano działania rakotwórczego w pięciu pokoleniach szczurów i myszy. U ciężarnych szczurzyc uszkodzenia płodu następowały dopiero przy zastosowaniu dawki toksycznej dla matki, w dawkach niższych uszkodzeń nie zanotowano.

Nie stwierdzono aby związek kumulował się w organizmach ani w glebie.[6]

Piotr Pieprz

Najciekawsza kwestia wiąże się z cytowanymi tu wnioskami biologa Petera Pipera, którzy przestrzegał przed piciem napojów, twierdząc że kwas benzoesowy uszkadza mitochondria, w związku z czym uszkadza tkanki, w związku z czym wywołuje Parkinsona i marskość wątroby.
W polskim internecie natykam się tylko na zeszłoroczne kopie wzajemne, w internecie anglojęzycznym znajduję dosłowne kopie aż do 2007 roku, nigdzie jednak nie znalazłem odniesienia do badań jakie przeprowadzał Piper. Nie mogłem znaleźć nic na ten temat w takich miejscach jak PubMed i innych w związku z czym zacząłem podejrzewać, że ktoś taki może nie istnieć - Peter Piper, czyli Piotr Pieprz to bohater starego angielskiego wierszyka - łamacza języka.** Potem oczywiście okazało się, że jest ktoś taki jak prof Peter W. Piper, czyli że wszyscy źle cytowali.
Wydaje się że źródłem jest artykuł z sobotniego dodatku do The Independent "Some soft drinks may seriously harm your health" w którym pan profesor opiera się na wynikach swoich badań z 1999 roku. Oryginalnego artykułu nie mogę znaleźć na stronach gazety, a po kliknięciu na odpowiednie linki wyskakuje mi, że takiej strony nie ma. Mamy zatem ustną opinię opartą na jakiś nieznanych badaniach własnych. Wreszcie okrężną drogą znalazłem pierwotny artykuł.
Co też takiego badał pan profesor? Drożdże.

Drożdże w kroplach.
Powiększenie ok. 400 razy.

Pan Pieprz potraktował drożdże na szalce Petriego roztworem benzoesanu sodu i sprawdzał jak sobie radzą. Dobrze wiadomo, że związek ten jest grzybobójczy, dlatego nie powinno być niezwykłe, że drożdże rozwijały się źle. W dodatku były to specjalne drożdże-mutanty, nie wytwarzające enzymu dysmutazy ponadtlenkowej, która ma za zadanie usuwać z komórki wolne rodniki, dlatego użyto ich jako organizmu modelowego, mającego sprawdzić wpływ związku na wytwarzanie rodników. No i stwierdzono że kwasy organiczne, w tym benzoesowy, sorbowy i propionowy, używane jako konserwanty, uszkadzają mitochondria zmutowanych drożdży z powodu wytwarzania wolnych rodników. Autor pracy wyrażał w związku z tym obawy o możliwy wpływ tych substancji na stres oksydacyjny komórek nabłonka przewodu pokarmowego. Tyle. [6]
Nie wiem jak natomiast odnieść te wyniki do zdrowia człowieka. Ludzkie komórki wytwarzają dysmutazę, więc bronią się przed rodnikami. Skoro tak, to ich mitochondria są chronione. Zatem kwas benzoesowy może dodać od siebie nieco więcej rodników, ale nie musi to przesądzać o uszkodzeniu komórek. Zresztą najwięcej enzymu zawierają komórki wątroby o którą tak się pan Pieprz obawiał. Co do Parkinsona, to aby wywołać jakieś zmiany w mózgu, kwas benzoesowy musiałby być wchłonięty, rozprowadzony we krwi i jeszcze przejść przez barierę krew-mózg, niestety jednak jak wiadomo, po wchłonięciu z przewodu pokarmowego w całości trafia do wątroby, gdzie traktowany jest glicyną i jako pochodna hipurowa wydalany wraz z moczem. Jest nawet używany do badań funkcji wątroby.
Zatem wnioski przedstawione w artykule prasowym były w najlepszym razie nadinterpretacją

Kolorowe napoje

Innym zarzutem stawianym temu związkowi, mającym trochę lepsze moim zdaniem oparcie w faktach, jest możliwość wzmagania nadpobudliwości u dzieci. Takie badania przeprowadzono na zlecenie Brytyjskiej Agencji Standardów Żywności (FSA) i dotyczyły wpływu mieszanek dodatków na stan dzieci nadaktywnych. Popularne media nie zauważyły jednak niuansów pracy i napisały, że dodatki w kolorowych napojach ową nadpobudliwość wywołują. Tymczasem badanie dotyczyło wpływu mieszanek barwników i konserwantów na aktywność dzieci które już są nadaktywne. Badanie polegało na podaniu dzieciom ze stwierdzonym ADHD roztworów czterech barwników i benzoesanu sodu, a następnie obserwacji czy ich zachowanie się zmieniło. Dla porównania części dzieci podano słodzoną wodę. U części dzieci stwierdzono wzrost aktywności, jednak wyniki były nie miarodajne - zależności nie pojawiały się we wszystkich grupach wiekowych, nie u wszystkich dzieci z takim samym natężeniem, u niektórych powtórne dawki nie wywoływały efektu. Uznano zatem, że choć nie jest to pewny dowód, to coś na rzeczy jest.[8] Dlatego też w 2008 ogólnoeuropejska FSA wezwała producentów aby dobrowolnie wycofali podejrzane barwniki z produktów spożywanych przez dzieci - gum, cukierków i napojów[9].

Podsumowując:
Wszystkie panikarskie stwierdzenia, że benzoesany są rakotwórcze, okropnie niebezpieczne, że dostaniemy po nich impotencji, łysienia i skrętu kiszek są bezpodstawne. Doniesienia o genotoksyczności wydają się nadinterpretacją. Jak na razie wszystko wskazuje, że benzoesan sodu należy do najbezpieczniejszych konserwantów, zabezpieczających żywność przed rozwojem bakterii a zwłaszcza wytwarzających rakotwórcze mykotoksyny pleśni.
Jeśli wolicie go unikać, bardzo proszę. Nigdy nie sądziłem aby takie przekąski jak cukierki czy gazowane napoje są zdrowe i mogą stanowić znaczący składnik diety. Ale wybierajcie z rozmysłu a nie z przestrachu. jeśli zaś przerzucicie się na zdrową, ekologiczną, naturalną żywność, to pamiętajcie że od benzoesanów i tak nie uciekniecie, występują bowiem naturalnie w całkiem pokaźnej grupie produktów:

Naturalne benzoesany: Styraks, żurawina i cynamon

Najwyższe stężenia naturalnych benzoesanów występują w owocach żurawiny, aż do 1300mg/100 g suszonych owoców. Z tego powodu jej jagódki nie psują się i zwierzęta wygrzebują je spod śniegu aż do wiosny. Między innymi dzięki nim żurawina ma właściwości zapobiegające zakażeniom pęcherza.
Niewiele mniej mają ich inne owoce leśne, a więc czarne borówki, czerwone jagody, jeżyny, poziomki, a maliny zawierają je pomieszane z salicylanami, co tłumaczyłoby ich wykorzystanie przy przeziębieniach. Całkiem sporo benzoesanów, głównie w formie estrów, zawiera anyżek i fenkuł, oraz ich olejki. Z innych przypraw mają ich całkiem sporo przyprawy korzenne w tym cynamon. Ponadto pojawiają się w serach i grzybach jako produkty fermentacji. Znaczyłoby to, że nasi przodkowie, jedzący wyłącznie naturalne nieprzetworzone jedzenie też często stykali się z tym związkiem, więc dla ludzkości to nie pierwszyzna.

A jak to jest z benzoesanem, witaminą C i benzenem? No cóż, o tym już miałem opowiedzieć, ale zacząłem zbytnio rozwlekle. Jak to z tą reakcją jest, a jest ciekawie, opowiem, ale w następnym wpisie.
-------
*żeby nie zaśmiecać wątku jeszcze bardziej dodam tu na końcu, że ciekawy ślad wonności, jako zastępczej, bo nie krwawej ofiary, znajdujemy w opowieści o Marcie. Gdy do domu Łazarza przybył Jezus, gospodarze oczywiście ugościli go chętnie, zaś jedna z sióstr Łazarza, skropiła gościowi stopy cennym olejkiem i otarła włosami. Opowieść była potem różnie interpretowana, ale ogólny sens jest taki, żeby dawać Panu co się ma najcenniejszego. Zapewne w późniejszych wiekach powoływano się na tą opowieść, aby uzasadnić potrzebność drogich wotów i złota w świątyniach.
**Peter Piper picked a peck of pickled peppers;
A peck of pickled peppers Peter Piper picked;
If Peter Piper picked a peck of pickled peppers,
Where's the peck of pickled peppers Peter Piper picked?!

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Benzoic_acid
[2] http://www.klinika-zdrowia.com/prasa.php?o=czytaj&p_id=10
[3] http://merlin-zdrowie.pl/?id=drobnoustroje
[4] http://www.roik.pl/benzoesan-sodu-e211-szkodliwy-dla-kodu-genetycznego/
[5] http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search/a?dbs+hsdb:@term+@DOCNO+704
[6] http://www.inchem.org/documents/cicads/cicads/cicad26.htm - tu całościowy przegląd badań

[7] Piper, P. (1999). Yeast superoxide dismutase mutants reveal a pro-oxidant action of weak organic acid food preservatives Free Radical Biology and Medicine, 27 (11-12), 1219-1227 DOI: 10.1016/S0891-5849(99)00147-1

[8] http://www.myomancy.com/2007/09/food-colorings-and-hyperactivity/
[9] http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/7340426.stm

Błąd na błędzie - czyli analiza nieznanego związku organicznego

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

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

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

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

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

Barwne związki

Próba ta opiera się na dosyć ciekawym mechanizmie:

Schemat reakcji

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

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

Benzoilowanie

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

Próba Lucasa, wynik fałszywy

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

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

Powstawanie dinitrofenylohydrazydów

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

Próba Legala

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

Ostateczna pochodna

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

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

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

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

Synteza dwuetapowa II : otrzymywanie 1,3,5-tribromobenzenu

Tak więc otrzymałem już 2,4,6-trobromoanilinę, będąca tylko półproduktem, teraz zaś opowiem wam jak otrzymałem produkt finalny.

Tak więc 2,4,6-tribromoanilina ma być zamieniona w 1,3,5-tribromobenzen, który widzicie na obrazku obok. Podstawniki bromkowe ustawione są względem siebie w pozycji meta, niejako na wierzchołkach trójkąta równobocznego.
Tutaj trzeba wyjaśnić rzecz, która mniej obeznanych w Chemii - a zapewne i tacy tu zaglądają - może wprowadzać w błąd, mianowicie numeracja.
Wprowadza się ją dla określenia położenia podstawników względem siebie, tak aby na podstawie samej nazwy można było określić strukturę związku. W tym przypadku atomy bromu, którym wcześniej przypisywaliśmy numerację 2,4,6 w nowym związku są ponumerowane 1,3,5, co jednak nie oznacza że się przesunęły. Ich położenie zarówno względem siebie jak i węgli pierścienia pozostaje takie same, po prostu w pochodnej aniliny grupa aminowa była tą najważniejszą i to od niej zaczynaliśmy numerację; w pochodnej benzenowej numerację zaczynamy od dowolnego atomu bromu - są przecież równocenne - stąd inne cyfry.

No dobrze - zapyta ktoś - ale po co otrzymywać pochodną benzenową przez anilinę, którą trzeba poddawać przynajmniej dwom reakcjom, zamiast przeprowadzić od razu bromowanie benzenu?
No rzeczywiście, moglibyśmy zbromować benzen, i zapewne dałoby się otrzymać tripochodną, problem natomiast tkwi w tym, jaką pochodną byśmy otrzymali. Możliwe są trzy sposoby w jakie trzy bromy mogą się względem siebie rozłożyć na sześcioczłonowym benzenie - 1,3,5; 1,2,4 i 1,2,3. Co więcej, nie jest wcale takie pewne, czy reakcja zatrzyma się nam na pochodnej trzykrotnie podstawionej.
Aby zbromować benzen należy potraktować go Bromem w obecności chlorku żelaza (III) jako katalizatora. Jest to reakcja substytucji elektrofilowej. Gdy bromowałem anilinę nie było potrzeby dodawania jakiś specjalnych katalizatorów, aby z obojętnej cząsteczki Br2 uzyskać elektrofil, wystarczyła bowiem słaba polaryzacja jaką wzbudzał w niej ładunek zaktywowanego pierścienia, aby na jednym z atomów pojawił się ładunek dodatni, przez co chętnie przyłączał się do aktywnych nukleofilowo miejsc w pierścieniu. Benzen natomiast, pozbawiony podstawników, nie jest tak aktywny, dlatego trzeba stosować dodatki, zwiększające ładunek na atomie bromu.
Chlorek żelaza FeCl3 jest słabym kwasem Lewisa, może więc tworzyć kompleks z bromem. W reakcji z cząsteczką bromu, po przyłączeniu jednego z bromów do jonu kompleksowego, drugi tworzy nietrwały addukt: FeCl3Br⁻.....Br⁺. Ładunek dodatni jest tu silniejszy. Właściwie jest to jakby kation bromowy. Będąc silnym elektrofilem może podłączyć się do pierścienia, tworząc monopochodną.
Dopiero teraz zaczyna się robić ciekawie. Podstawnik Br- ma trzy wolne pary elektronowe, które mogą przechodzić na pierścień wskutek efektu mezomerycznego. Jego działanie na pierścień jest takie samo jak w przypadku choćby fenolu, dlatego jako że już podawałem tu rysunki takich struktur dla aniliny i dla fenolu nie widzę potrzeby tworzenia ich również w tym przypadku. Następne atomy bromu będą się więc podstawiały w pozycjach orto i para względem pierwszego podstawionego, choć z powodu jego dużej elektroujemności przyciągającej bliżej ładunek, najbardziej prawdopodobne będą obie pozycje orto, zatem otrzymamy 1,2,3-tribromobenzen. Dalej prowadzone bromowanie da nam ostatecznie heksapochodną, natomiast produktu o podstawnikach ułożonych tak jak na obrazku, w ten sposób nie otrzymamy.

Chemik czasem musi iść w swych syntezach drogami, które zdają się bardzo okrężne, a jednak często są to jedyne możliwe sposoby otrzymania dokładnie tego co sobie zamierzył.

Tak więc otrzymałem taką pochodną aniliny, w jakiej podstawniki ułożone są we właściwym porządku - teraz należałoby zrobić coś z grupą aminową. W jaki sposób?
Najlepszy sposób na pozbycie się tej grupy, to jej przekształcenie w sól diazoniową a następnie jej rozkład.

Sole diazoniowe to związki, w których cząstka organiczna połączona jest z grupą składającą się z dwóch atomów azotu, połączonych wiązaniem potrójnym. Ponieważ jeden z tych atomów jest jeszcze połączony z cząsteczką organiczną, a ma trzeci stopień utlenienia, to na grupie pojawia się ładunek dodatni, zwykle równoważony jakimś anionem - dlatego są to faktycznie sole jonowe
Są to związki dość nietrwałe - o ile sole arenodiazoniowe można jeszcze wydzielić w stanie czystym i przechowywać w niskich temperaturach, o tyle alkilowe bardzo szybko się rozkładają, wręcz wybuchowo. Szukając informacji do tej notki natknąłem się na opis wypadku w fabryce, gdzie robotnika zabił wybuch kubła farby, wywołany gwałtownym rozkładem bromku 2,4,6-tribromofenylodiazoniowego, jaki zgromadził się w pozostawionym na dłuższy czas naczyniu[2]. Informacja ta bardzo mnie zaciekawiła, bo taki właśnie związek otrzymałem pośrednio w trakcie syntezy. Są to związki bardzo ważne w syntezie organicznej, bo grupa diazoniowa łatwo ulega wymienieniu na wiele innych podstawników, i to w warunkach znacznie mniej agresywnych niż normalnie, z dużą selektywnością.

Samo otrzymywanie soli diazoniowych jest względnie proste - wystarczy dodać do aminy kwas azotowy (III). Jako że sam kwas azotawy (wg. starej nomenklatury) jest bardzo nietrwały, otrzymuje się go in situ poprzez zakwaszenie mocnym kwasem azotanu III sodu. Reakcję powinno się przeprowadzać w niskich temperaturach, aby zapobiec rozkładowi soli, jednak w tym przypadku rozkład był tym, na czym mi zależało. Bo gdy rozkłada się grupa diazoniowa, powstała w miejscu aminowej, powstaje wolny azot i pozbawiona podstawnika cząsteczka organiczna - na przykład nasz produkt, wedle wzoru:

Usuwanie grupy aminowej

I tak powstaje tribromobenzen. A jak się mi to robiło?

Do kolbki dwuszyjnej wlałem produkt z poprzedniego etapu rozpuszczony w rektyfikacie, dolałem odpowiednią ilość kwasu siarkowego i ustawiłem na łaźni wodnej. Do górnego wylotu kolby podłączyłem chłodnicę zwrotną, boczny wylot tymczasowo zatkałem szklanym korkiem. Moja aparatura wyglądała tak (na zdjęciu kolba jest w koszyczku grzejnym, ale potem zamieniłem go na łaźnię, bo się za bardzo grzał)

Aparatura

Podgrzałem zawartość do wrzenia i ostrożnie, małymi porcjami, dodawałem odmierzoną ilość azotynu sodu. Mieszanina burzyła się intensywnie a nawet pryskała, pod wpływem wydzielającego się azotu (nauczyciel opowiadał nem, że mieszanina parokrotnie już wytrysnęła przez wylot chłodnicy, skazując studenta na mycie całego wyciągu)

Burzy się

Po pewnym czasie, gdy zawartość przestała się burzyć, a cały azotan został już dodany, ochłodziłem kolbę i wylałem mieszaninę na dużą ilość wody. Następnie przesączyłem przez lejek Buchnera, otrzymując intensywnie pomarańczowy, igiełkowaty proszek, o miłym zapachu:

1,3,5-Tribromobenzen

Ostateczna wydajność okazała się bardzo dobra. Miałem otrzymać 1 gram, a po dodatkowym oczyszczeniu przez krystalizację z rektyfikatu, uzyskałem dokładnie tyle czystego związku.

Ponieważ zaliczyłem pewne zaległe kolokwia, w najbliższym czasie zrobię zaległe preparaty, ale opisy tych syntez pojawią się już w wakacje, po sesji.

-----
Źródła:
[1] Vogel Arthur Israel, Preparatyka organiczna, WNT 1984,
[2] http://www.crhf.org.uk/incident12.html

Synteza dwuetapowa I : otrzymywanie 2,4,6-tribromoaniliny

Ponieważ tą syntezę przeprowadzałem w dwóch etapach, również dwuczęściowa będzie notka na ten temat. Celem tej syntezy, było przeprowadzenie Aniliny w 1,3,5-tribromobenzen, przy czym reakcja została rozbita na dwie części:
I - otrzymanie z Aniliny jej tribromopochodnej
II - otrzymanie z produktu poprzedniej reakcji, tribromopochodnej benzenu
Musiałem tak dobrać ilości reagentów, aby otrzymać około 1 g końcowego produktu. Zanim jednak opowiem jak do tego doszło, omówię wyjściowe związki:

Anilinę omawiałem już pokrótce w notce o otrzymywaniu benzylidenoaniliny, jednak powtórzę: jest to najprostsza amina aromatyczna, w której do jednego z węgli pierścienia benzenowego przyłączona jest grupa -NH2 . Ma postać bezbarwnej cieczy o zapachu nieświeżych ryb. Jest toksyczna, powoduje rozpad czerwonych krwinek, i łatwo wchłania się przez skórę - dlatego podczas pracy z nią nosiłem rękawiczki. Jednak dla chemika najważniejsza jest jej reaktywność.
Anilina jest pod tym względem podobna do fenolu, gdyż i tutaj zachodzi zaktywowanie pierścienia i ułatwienie ataku elektrofilowego w reakcjach substytucji. Wskutek efektu mezomerycznego, wolna para elektronowa z atomu azotu grupy aminowej może przechodzić na pierścień, tworząc trzy możliwe struktury, w których nadmiarowy ładunek ujemny pojawia się w trzech pozycjach:

Struktury mezomeryczne aniliny

dlatego też podstawniki podstawiają się w tych miejscach, tworząc orto i para pochodne. Jednak anilina jest w reakcjach znacznie bardziej reaktywna. Gdy nitrowałem fenol, musiałem potraktować go stężonym kwasem i przez dłuższy czas mieszać, również dla bromowania wymagane są specjalne warunki, a i tak najpierw otrzyma się monopochodne a dopiero przy dalszym bromowaniu powstaną pochodne bardziej podstawione. Natomiast w przypadku aniliny od razu otrzymujemy pochodną podstawioną w trzech miejscach i nie musimy stosować agresywnych reagentów - natomiast otrzymanie pochodnej z jednym podstawnikiem wymaga całkiem innych niż tu przedstawione, specyficznych reakcji .

Brom

Brom to niemetaliczny pierwiastek chemiczny z grupy fluorowców, mający w temperaturze pokojowej postać brunatnej, łatwo lotnej cieczy - jako drugi pierwiastek po rtęci - wydzielającej cięższe od powietrza, brązowe opary o ostrym, niemiłym zapachu. Stąd zresztą wywodzi się jego nazwa - łacińskie bromos znaczy "smród". Osobiście nie kojarzyłem tego zapachu z niczym konkretnym, był ciężki, nieprzyjemny, ostry niczym chlor ale nie tak świdrujący w nosie. Nawąchałem się go podczas pracowni, aż zaczęło mi się kręcić w głowie - nic zresztą dziwnego, jest bowiem równie jak chlor trujący, a w postaci ciekłej powoduje ciężkie, trudno się gojące oparzenia skóry, stąd praca w rękawiczkach i pod wyciągiem.

Brom ma postać cząsteczek dwuatomowych, lecz chętnie tworzy aniony. Stąd pytanie - skoro tworzy aniony, a więc postać obdarzoną ładunkiem ujemnym, to dlaczego reaguje w substytucji elektrofilowej? Powinien przecież chętniej oddawać jeden nadmiarowy elektron, niż przyjmując podczepiać się do czegokolwiek. Gdy się tak zastanowić, jest to pytanie jak najbardziej słuszne. Gdy nitrowałem fenol, kwas azotowy i siarkowy reagowały ze sobą, dając nietrwały ale dodatnio naładowany kation nitroniowy (NO2+), tutaj natomiast wykorzystywał będę praktycznie tylko sam brom. Otóż jak już pisałem, tworzy on cząsteczki dwuatomowe. Gdy taka cząsteczka zbliży się do pełnego elektronów pierścienia benzenowego, nastąpi jej częściowa polaryzacja - na jednym atomie pojawi się mały ładunek ujemny a na drugiej mały ładuneczek dodatni. To wystarcza, aby jeden atom bromu mógł podstawić się do miejsc z zagęszczonym ładunkiem ujemnym, wypychając wodór, który z drugim bromem utworzy bromowodór, ogółem zatem reakcja przebiegnie tak:

Bromowanie aniliny

I tak oto powstaje nasz półprodukt.

U Vogla* pojawiają się dwie metody prowadzenia syntezy. Pierwsza wymagała złożenia aparatury złożonej z dwóch kolb dwuszyjnych. W jednej kolbie znajduje się brom, zaś rurka odchodząca od bocznego wylotu tej kolby, prowadzi do drugiej, gdzie zanurzona jest w roztworze aniliny w kwasie octowym lodowatym. Boczny wylot drugiej kolby połączony jest z pompką wodną wytwarzającą podciśnienie. Ogółem zatem rzecz miała wyglądać następująco: w kolbie z bromem, włożonej do miski z ciepłą wodą powstają opary gazowego pierwiastka, które następnie są zasysane i wprowadzane bezpośrednio do aniliny w drugim naczyniu. Reakcja miałaby być prowadzona aż do zażółcenia mieszaniny w drugiej kolbie. Byłby to proces trwający około 2 - 3 godziny (przy przepisowej ilości składników) i z wydajnością 63%. Nie mam nigdzie rysunku aparatury i mam nadzieję, że czytelnik jakoś rzecz sobie wyobraził. Nie mam też zdjęcia, bo tego przepisu nie realizowałem, zająłem się drugim podawanym sposobem, będącym znacznie prostszym, szybszym i wydajniejszym. A zatem:

Rozpuściłem w zleweczce odpowiednią ilość aniliny w czterokrotnej objętości stężonego kwasu octowego, służącego za rozpuszczalnik. Z kwasem octowym wymieszałem też płynny brom i umieściłem we wkraplaczu. Do zlewki wrzuciłem mieszadełko magnetyczne, włożyłem ją do krystalizatora napełnionego wodą z lodem i postawiłem na mieszadle. Moja nieskomplikowana aparatura wyglądała zatem tak:

Aparatura

Teraz należało zatem włączyć mieszadło, odkręcić kurek wkraplacza i po wlaniu całej ilości odczekać jakiś kwadrans aż całość się dobrze rozmiesza, przyjmując postać brązowo-pomarańczowej pasty:

Miesza się

Po zakończeniu reakcji zawartość zlewki wylałem na dużą ilość wody a następnie całość przesączyłem pod zmniejszonym ciśnieniem przez lejek Buchnera, kilkukrotnie przemywając wodą dla usunięcia resztek bromu.

Po wysuszeniu tribromoanilina miała postać miałkiego, białego proszku, przypominającego talk:

2,4,6-trobromoanilina

Zaletą tak prowadzonej reakcji, oprócz krótkiego czasu i łatwości przeprowadzania, jest też wydajność - składniki reagują ze sobą ilościowo, co oznacza że cała użyta anilina powinna zostać zbromowana. I rzeczywiście, otrzymałem tyle produktu ile wynikałoby z obliczeń a nawet i trochę więcej, co przypisuję temu, że mając na uwadze małą wydajność moich poprzednich syntez, zaokrąglałem ilości reagentów gdy je odmierzałem.

I tak z głową ciężką od smrodliwego bromu, skończyłem pierwszy etap syntezy. A jak to było z drugim etapem i po co to całe zamieszanie, objaśnię w następnym wpisie.
----
Źródła:
* Vogel Arthur Israel, Preparatyka organiczna, WNT 1984, s. 592-3

Zdjęcia moje. Co do rysunku mezomerii aniliny - nie znalazłem dobrego w internecie, więc przerobiłem w Paincie rysunek mezomerii fenolu, który wykorzystałem w poprzednich wpisach

Otrzymywanie benzylidenoaniliny

Mimo pewnych zaległości udało mi się zrobić kolejny preparat. Oczywiście udokumentowałem ten fakt, aby móc sporządzić nową notkę. Tym razem wytworzyłem Benzylidenoanilinę.

Benzylidenoanilina, czy też dokładniej N-benzylidenoanilina, to związek organiczny, należący do klasy Imin, a więc związków w których atom azotu, połączony jest wiązaniem podwójnym z atomem węgla, tworząc analog grupy karboksylowej. W odróżnieniu od tlenu, azot jest trójwiązalny i wiąże jeszcze jeden podstawnik, którym może być wodór, lub grupa alkilowa - w tym ostatnim przypadku, Iminy nazywane są też zasadami Schiffa.
Zasady Schiffa są zasadami w sensie Lewisa, jako że azot posiada wolną parę elektronową, mogą zatem stać się ligandami silnie zabarwionych kompleksów z metalami ciężkimi, co pozwala wykorzystać je w kolorymetrycznym oznaczaniu tych pierwiastków.

Iminy łatwo można wytworzyć w reakcji kondensacji aldehydów lub ketonów z aminami pierwszorzędowymi. Znalazłem, że ten typ reakcji powinien być nazywany z angielska "Alkylimino-de-oksy-bisubstitution", ale w języku polskim nazwa najwyraźniej nie jest używana i nie ma swego odpowiednika[1].

Reakcja przebiega dwuetapowo:

Pierwszym etapem jest addycja nukleofilowa do węgla w grupie karbonylowej. Ponieważ tlen jest znacznie bardziej elektroujemny od węgla, następuje polaryzacja wiązania między nimi, tak, że na tlenie pojawia się cząstkowy ładunek ujemny a na węglu cząstkowy ładunek dodatni.
Aminy pierwszorzędowe posiadają wolną parę elektronową na atomie azotu, stanowiąc nukleofil - a więc odwrotnie od już omawianych elektrofili, chętnie oddające ładunek ujemny.
Następuje atak nukleofilowy na węgiel grupy karbonylowej:


Tworzy się nietrwały produkt pośredni, w którym następuje przegrupowanie z przeniesieniem aminowych atomów wodoru na tlen. Powstaje grupa HOH będąca dobrą grupą opuszczającą.
A teraz następuje drugi etap, czyli eliminacja powstałej cząsteczki wody. I tak mamy iminę.

Synteza, którą przeprowadzałem na zajęciach, przebiegała właśnie w ten sposób. Substratami reakcji był aldehyd benzoesowy i anilina. Co to za substancje?

Aldehyd benzoesowy, inaczej benzaldehyd to żółtawa, oleista ciecz o intensywnym zapachu migdałów. Nic zresztą dziwnego - występuje w naturze w pestkach owoców i w migdałach, w formie pochodnej glikozydowo-cyjankowej zwanej Amigdaliną która ulega powolnej hydrolizie, na benzaldehyd, glukozę i cyjanowodór, który zresztą - co ciekawe - również pachnie migdałowo. Rozkład ten następuje także w organizmie, na przykład w żołądku, przez co zjedzenie zbyt dużej ilości gorzkich migdałów, może mieć negatywne następstwa zdrowotne.

Anilina to najprostsza amina aromatyczna. Grupa aminowa, będąca w zasadzie cząsteczką amoniaku pozbawianą jednego z wodorów, jest połączona bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym. Przez obecność na azocie wciąż wolnej pary elektronowej anilina ma właściwości zasadowe (w ujęciu Lewisa), mogąc przyjąć proton, stąd też łatwo tworzy sole amoniowe (np. chlorowodorek aniliny). Ma postać bezbarwnej cieczy o niemiłym zapachu (specjalnie nie wąchałem, ale podobno śmierdzi rybami). Jest silną trucizną, powodującą rozpad czerwonych krwinek, może wchłaniać się przez skórę.

Gdy uczyłem się jeszcze w lubelskim technikum chemicznym, prowadząca zajęcia opowiadała nam historię uczennicy, która zajmowała się destylacją aniliny. Podczas rozbierania sprzętu niechcący oblała sobie spodnie resztką destylatu z chłodnicy, ale tylko wytarła to fartuchem i nic nie powiedziała. Dopiero w domu poczuła się słabo, a jej rodzice zauważyli, że zsiniały jej usta, co jest jednym z objawów zatrucia. Oczywiście ją odratowano. Jestem pewien, że każdy nauczyciel ma na podorędziu takie umoralniające opowieści, mające przestrzegać przed zapominaniem o regulaminie. Niektóre mogą być nawet prawdziwe.
Reakcja przebiega wedle omawianego już schematu w następujący sposób:

Anilina + Benzaldehyd = Benzylidenoanilina

A teraz czas na właściwą relację:

Odmierzyłem anilinę i benzaldehyd wedle przepisu[2]:

Benzaldehyd

Oba płyny wlałem do kolbki kulistej na 50 ml, po czym mieszałem przez kwadrans. Zawartość kolby przybrała kolor żółty, mętniejąc od wydzielającego się produktu. Równocześnie mieszanina zagrzała się, zaparowując kolbkę, co wyglądało tak:

Podczas syntezy

Gdy minęło przepisowe 15 minut, zawartość kolby przelałem do zlewki ze spirytusem rektyfikowanym, w którym rozpuściła się, tworząc żółty roztwór. Zlewkę chłodziłem w krystalizatorze z wodę i mieszałem, czekając aż wykrystalizuje. Czekałem, aż wykrystalizuje i mieszałem i mieszałem, aż dorzuciłem do krystalizatora lodu i dalej mieszałem. Mieszałem i czekałem, i w końcu zaniepokoiłem się, że może coś nie wyszło, bo produkt dalej nie krystalizował. W końcu postanowiłem zdrapać, trąc o brzeg zlewki, osad jaki pojawił się na bagietce w miejscu gdzie krople roztworu wyparowały, i wrzucić te okruchy jako zarodki krystalizacji. Pomysł okazał się dobry, bo gdy tylko zamieszałem, zawartość zgęstniała niczym kaszka z mlekiem.

Wykrystalizowany produkt

Teraz pozostawało tylko przesączyć to przez lejek Buchnera, otrzymując lekko żółtawą "kaszę":

Benzylidenoanilina

Benzylidenoanilina to ciało stałe, o gęstości 0,956 g/cm³, nierozpuszczalną w wodzie. Działa drażniąco na skórę i błony śluzowe. inna metodą otrzymywania, może być redukcja N-benzylo-N-nitrozoaminy, co jest jednak procesem długotrwałym i mało wydajnym.[3]
Oprócz zastosowań specyficznych, np. do syntezy kompleksów, służy do otrzymywania innych związków benzylowych. Natknąłem się również na opis ekstrakcyjnego oddzielenia mikrośladów Renu z mieszanin z innymi metalami szlachetnymi, za pomocą benzyloaniliny zmieszanej z chloroformem, jako rozpuszczalnika. [4]

Edit:
Gdy po tygodniu wyjąlem preparat z szafki, okazało się, że zbrązowiał:
co mu się podobno może zdarzyć. Wydajność jednak wyszła mi dość niska, bo 50% teoretycznej, mimo to prowadzący zajęcia był zadowolony, bo związek był mu akurat potrzebny do czegoś innego.
Teoretyczna temperatura topnienia to 52 stopnie, mi zaś wyszedł przedział 49-51, co jest jeszcze dobre. Przy okazji zauważyłem, że brązowa warstewka topi się już w 46 stopniach.
---
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Alkylimino-de-oxo-bisubstitution
[2] Mieczysław Mąkosza "Synteza organiczna" PWN, Warszawa 1972r
[3] www.lookchem.com/N-Benzylideneaniline/
[4] M.M.Khosla & S.P.Rao, Analytical separation of rhenium by extraction with n-benzylaniline in chloroform from sulphuric acid media, Analytika Chimika Acta - podobną metodą ekstrahuje się inne rzadkie pierwiastki
* http://pl.wikipedia.org/wiki/Amigdalina
*http://en.wikipedia.org/wiki/Imine