Wszyscy w szkole uczyliśmy się o węglu kamiennym, ropie naftowej i gazie ziemnym jako źródłach węglowodorów. I wszystko ok, bo to prawda a na tych węglowodorach oparta jest nasza gospodarka zarówno jako źródłach energii jak i surowcach dla przemysłu chemicznego. Ale gdzie jeszcze je znajdziemy? W aptece, drogerii czy sklepie z farbami znajdziemy terpentynę. Jest to rozpuszczalnik o pięknym leśnym zapachu. No może nie dla każdego pięknym, bo w dużym stężeniu związki chemiczne mają często mniej przyjemny zapach niż w małym stężeniu a nawet zapach może się znacząco różnić, na tyle, że nie jesteśmy w stanie go powiązać z tym samym związkiem. Wąchając terpentynę wprost z butelki może ona mieć mniej przyjemny zapach niż rozrzedzone opary w powietrzu. Jednakże terpentyna powinna większości z nas kojarzyć się z lasem iglastym. I nic dziwnego, bo jest uzyskiwana z żywicy drzew iglastych: żywicę poddaje się destylacji, czyli rozdziałowi składników lotnych od nielotnych (cieczy od ciał stałych w nich rozpuszczonych). Po destylacji żywicy otrzymujemy ciekłą terpentynę i stałą kalafonię. Z czego składa się terpentyna? Jest ona mieszaniną węglowodorów, głównie pinenów o wzorze ogólnym C10H16. Nazwa pinen pochodzi od łacińskiej nazwy sosny: Pinus, zaś końcówka en oznacza że jest to alken. Tak, pineny to kilka izomerycznych alkenów, każdy z nich zawiera jedno wiązanie podwójne i sześcioczłonowy pierścień, stąd też ma wzór typu CnH2n-4, gdyż taki wzór posiadają cykloalkeny o więcej niż jednym pierścieniu. W przyrodzie występuje kilka izomerycznych pinenów różniących się położeniem podstawników w łańcuchu bocznym wobec wiązania podwójnego. Na rysunku poniżej możemy zobaczyć α-pinen:
Czyli mamy kilka pierwszych węglowodorów, które po pierwsze nie występują w paliwach kopalnych lub występują w nich w skrajnie małych ilościach, a po drugie są produkowane przez żywe organizmy, w tym przypadku przez drzewa iglaste, choć znajdziemy je także gdzie indziej w świecie roślin. Pineny są przedstawicielami szerszej grupy węglowodorów zwanej terpenami. Terpeny to najogólniej węglowodory, które można wyprowadzić przez oligomeryzację izoprenu – C5H8, zatem pineny C10H16 są dimerami izoprenu i nazywane monoterpenami, dalej idą tetramery C5H8 czyli C20H32 to diterpeny, C30H48 to triterpeny itd. Bywają też terpeny o nieparzystej ilości jednostek C5H8, np. C15H24 to sekswiterpeny. Warto wspomnieć, że nazwa terpeny zazwyczaj bywa stosowana także do pochodnych tych węglowodorów, aczkolwiek nie jest to właściwe, bo pochodne terpenów to terpenoidy.
A teraz zajmijmy się skórką cytryny, pomarańczy czy mandarynek i klementynek. Czy zastanawialiśmy się, co przy obieraniu tych owoców, lub nawet ściskaniu, tryska z niej? Mając pecha mogło nam się zdarzyć że coś trysnęło nam do oka. Ale co to takiego? Ze skórek tych owoców możemy wydestylować dość znaczne ilości olejku eterycznego. Głównym składnikiem olejku cytrynowego nadającym mu zapach jest limonen. Natomiast olejek pomarańczowy zawiera… też limonen.. Tyle że olejek cytrynowy zawiera L-limonen, a pomarańczowy D-limonen. D(R)-limonen i L(S)-limonen są do siebie odbiciami lustrzanymi, co możemy zobaczyć poniżej:
Oto jakie znaczenie ma zmiana orientacji przestrzennej tych samych podstawników wokół zaledwie jednego atomu węgla w cząsteczce. Nie jest to jedyna taka sytuacja, bowiem np. L-karwon nadaje zapach kminkowi, podczas gdy jego odbicie lustrzane czyli D-karwon pachnie miętą… Nawiązując do przygody Alicji po drugiej lustra, cytryna musiała tam pachnieć pomarańczami, a pomarańcze cytrynami, kminek miętą, mięta kminkiem… Karwon jest tlenową pochodną limonenu, a wiec nie będziemy go dalej rozpatrywać, bo nie jest węglowodorem. Ale wróćmy do limonenu, podobnie jak pinen posiada pierścień sześcioczłonowy i 2 wiązania podwójne, z chemicznego punktu widzenia jest więc dienem. I mała niespodzianka, bo podobnie jak pineny, też ma wzór C10H16, czyli jest też monoterpenem. Ze względu na przyjemny zapach jest stosowany jako środek zapachowy w wielu kosmetykach, środkach czystości a nawet w żywności. Lecz nie tylko, bo podobnie jak terpentyna, jest na tyle dostępny i tani, że bywa używany jako świetny rozpuszczalnik, w tym nawet do farb i lakierów, a do tego opracowano polimery z wykorzystaniem limonenu i dwutlenku węgla, które dają biodegradowalny polimer o właściwościach podobnych do polistyrenu, z którego teraz wykonanych jest wiele przedmiotów jednorazowego użytku (kubeczki, tacki itp), ale wadą jest trwałość w środowisku i zaleganie jego odpadów, polimery na limonenie mogą to zmienić.
Po monoterpenach C10H16 przeskoczymy o kolejną jednostkę C5H8 do sekswiterpenów C15H24. Tutaj przykładem są farnazeny, których kilka izomerów występuje w przyrodzie, przykład farnazenu widzimy poniżej (źródło: Wikipedia):
Jeden z nich jest produkowany przez jabłonie jako składnik wosku pokrywającego zielone jabłka. Niestety pechowo dla jabłoni, bo na zapach tego związku jest czuła owocówka jabłkóweczka, czyli popularny robal w jabłku. Ale może być całkiem odwrotnie, inny izomer farnazenu jest produkowany jest przez ziemniak a jego zapach odstrasza owady. No, przynajmniej większość z nich, bo zauważmy, że poza stonką ziemniaczaną to niewiele owadów atakuje ziemniaki. W przyrodzie bowiem bywa tak, że pewne gatunki oszukują swoich wrogów. Potrafią produkować te same substancje, które dla ich wrogów są np. ostrzeżeniem innych osobników danego gatunku o zagrożeniu, tak więc potencjalny owad czując zapach ostrzegawczy przed niebezpieczeństwem będzie unikał okolicy z której dany zapach pochodzi, a roślina uniknie zjedzenia. Niestety każda akcja powoduje reakcję i niektóre gatunki nauczyły się rozpoznawać te sygnały i dostają wręcz zaproszenie na ucztę… Ot, chociażby stonka. Zostańmy jeszcze przy C15H24. Innym przykładem o tym samym wzorze jest humulen, który swoją nazwę wziął od łacińskiej nazwy chmielu – Humulus. Można się domyślić, że humulen ma coś wspólnego z piwem. A ma, m.i. to on nadaje zapach piwa. Zawarty w chmielu humulen podczas fermentacji ulega częściowo przekształceniu i mieszanina humulenu z produktami przekształcenia nadaje piwny zapach. Czym różni się struktura humulenu od swojego izomeru konstytucyjnego farnazenu widać na kolejnym rysunku zaczerpniętym z Wikipedii:
Krążymy wokół roślin nadal. Oczywiście nie wypiszę tutaj wszystkich roślin i wszystkich węglowodorów przez nie produkowanych. Chcę tylko, byśmy zdali sobie sprawę, że choć w szkole uczymy się o estrach, które często przyjemnie pachną, to jednak zapachy wielu roślin, owoców, kwiatów, to nie sprawa estrów, tylko nienasyconych węglowodorów, bo przecież nikt nie mówi, że węglowodory mają mieć zapach tylko benzyny czy nafty. Bo świat przyrody jest bardzo różnorodny, a organizmy żywe, które nauczyły się wykorzystywać energie jednych reakcji do przeprowadzania innych reakcji (to znaczy reakcji biegnących samorzutnie i z wydzieleniem energii do napędzania reakcji biegnących w sposób wymuszony i wymagających dostarczenia energii, tak jak nurt rzeki napędza młyn), wiec mogą tworzyć wiele fantastycznych związków, których nie dostarczy nam ropa a otrzymanie ich drogą syntezy w laboratorium jest żmudne i drogie. W pewnej piekarni rzucił mi się w oczy plakat reklamujący chlebek z dodatkiem marchewki: „Jesz, piękniejesz a wzrok Ci się wyostrza!”. Oczywiście pomijając chwyt marketingowy w tym haśle, to jednak od dziecka wszyscy wiemy, że należy jeść marchewkę. A dlaczego? bo zawiera prowitaminę A – karoteny. Nawet ich nazwa też pochodzi od marchwi. Czym są z chemicznego punktu widzenia? Mają wzór C40H56, są więc tetraterpenami, ci lepsi z matematyki zauważyli, ze brakuje jeszcze 8 atomów wodoru, bowiem 4 (od tetra)*2(bo musi być parzysta ilość jednostek izoprenowych)*8(bo tyle jest atomów wodoru w cząsteczce izoprenu)=64, a nie 56 więc terpen ten został wzbogacony o wiązania podwójne kosztem 8 atomów wodoru. Terpeny te ulegają w organizmie człowieka przekształceniu w witaminę A. Jest jednak jeden wyjątek, karoten, który nie spełnia rolę prowitaminy, a jest bardzo cenny – likopen. Pełni on inną rolę, m.i. zapobiega powstawaniu komórek rakowych, przeciwdziała też starzeniu się. Szczególnie duże ilości likopenu występują w pomidorach i czerwonych grejpfrutach, którym nadaje czerwoną barwę, ale z naszych rodzimych roślin obficie występuje w owocach dzikiej róży (zwróćmy uwagę, że dzika róża i pomidor ma podobny kolor). Likopen ma barwę czerwoną i bywa stosowany jako barwnik w żywności, ale mimo złej sławy barwników spożywczych (i zresztą słusznie) ten jest dla nas nieszkodliwy a do tego pożyteczny i spotykany naturalnie w żywności, pokazuje go następny rysunek (źródło: Wikipedia):
Przeskoczyliśmy od monoterpenów do tetraterpenów i co dalej? Żeby nie przedłużać, to przeskoczymy znacznie dalej: politerpeny. Przedrostek poli oznacza, że w skład wchodzi wiele jednostek izoprenowych, a skoro tak, to mowa powinna być o polimerach. I rzeczywiście, przyroda dostarcza nam także poliwęglowodorów, tutaj chcę omówić 2 przypadki. Lateks naturalny uzyskiwany z drzew kauczukowca jest wodną dyspersją cis-poliizoprenu, czyli kauczuku naturalnego. Kauczuk naturalny odniósł swoją wielką rolę w rozwoju motoryzacji. Choć dzisiaj potrafimy wytwarzać lepsze kauczuki syntetyczne, nadal dużą rolę pełni i będzie pełnić kauczuk naturalny. Kauczuk naturalny służy do wyrobu gumy, która jest bardzo elastyczna, sprężysta. A czy trzymaliście w rękach piłeczkę golfową? Z czego ona jest wykonana? przed laty produkowano ją z trans-poliizoprenu. Różnica taka, że choć produkt ten sam, to różni się orientacją atomów węgla w przestrzeni co przenosi się na właściwości fizyczne, jak to miało miejsce wcześniej z D-limonenem i L-limonenem. Piłeczką gumową możemy sobie odbijać, a czy piłeczką golfową też? Też, ale odbijanie takiej piłeczki to całkiem co innego niż odbijanie kauczukowej. Taka mała zmiana z przestrzeni a jaki efekt czyni! Trans-poliizopren jest składnikiem innego lateksu naturalnego, ale produkowanego przez inne rośliny, z którego zamiast kauczuku naturalnego otrzymuje się gutaperkę, czyli gutaperka to nic innego jak trans-poliizopren. I tutaj ciekawostka, bo i Polsce mamy rośliny produkujące lateks, zastanawialiście się kiedyś czym jest mleczko wypływające z przełamanej łodygi mlecza? Właśnie lateksem i kto wie, czy uprawa mniszka dla lateksu nie stanie się kiedyś opłacalna. A jeszcze dla unaocznienia pokazuję strukturę kauczuku naturalnego, gdzie widzimy terpenową cegiełkę, czyli jednostkę izoprenu (by się męczyć z rysowaniem wzorów, znowu z lenistwa posłużyłem się gotowcem z Wikipedii):
Oczywiście węglowodory to nie tylko świat roślin, ale ogólnie świat ożywiony, zwierzęta też potrafią je produkować. Poza wspomnianymi feromonami i owadów występują, czasem w dużych ilościach, w zwierzętach. Ot, chociażby olej z wątroby rekina. Olej ten zawiera skwalen i ostatnio zyskał popularność dzięki niemu. Skwalen jest też produkowany przez organizm ludzki, jest on składnikiem tłuszczów występujących w skórze, gdzie pełni funkcję ochronną.
A przy okazji skoro już jesteśmy przy węglowodorach, nie sposób nie wspomnieć też jeszcze o metanie, który powstaje w wyniku anaerobowej przeróbki cukrów przez niektóre bakterie, w reakcji którą można zapisać schematem:
C6H12O6 ===> 3CH4 + 3CO2
Często wydziela się na bagnach, stąd też jego nazwa: gaz bagienny. Gaz ten powstaje również w jelitach, a duże jego ilości zwłaszcza u zwierząt z rozwiniętym jelitem ślepym. Mimo, że jest gazem eksploatowanym głównie ze złóż gazu ziemnego, to jednak organizmy żywe również potrafią go produkować.
Zadaniem tekstu jest tylko przybliżyć czytelnikowi fakt, że węglowodory mamy nie tylko głęboko pod ziemią, ale także żywa natura wytwarza je sama, a do tego wytwarza węglowodory, których nie znajdziemy w ropie, gazie ziemnym czy węglu kamiennym, wywarza układy o dość skomplikowanej strukturze, a te są mniej trwałe i szybko ulegają degradacji w przyrodzie, stąd nie obserwuje się ich dużego nagromadzenia w przyrodzie. Chciałem pokazać, że węglowodory to nie tylko benzyna i nafta, to nie tylko benzen o mdłym zapachu, nie tylko parafina która prawie nie posiada zapachu. To nie tylko szkodliwe i rakotwórcze substancje, jak nas uczą w szkole, bo wiele z nich pełni bardzo ważne funkcje w środowisku, a z tego niekoniecznie zdajemy sobie sprawę. Chcę tylko byśmy zdali sobie sprawę, że rozpuszczalnik w farbie czy lakierze, które kupimy, mógł być wydestylowany z ropy, jak i ze skórki cytryny. Co prawda ten drugi przypadek powszechny nie jest, ale warto o tym pamiętać. Wystarczy w nienasyconych węglowodorach poprzestawiać to i owo i już zaczynają przyjemnie pachnąć owocami, kwiatami, przyprawami i pełnić ważne funkcje w środowisku. I co na to wasi nauczyciele, którzy zawsze podkreślają zapachy estrów jako owocowo-kwiatowe? A jednak estry to nie wszystko!
PS przy okazji przypomniało mi się, że kumen, czyli izopropylobenzen (taki benzen ze śmigiełkiem), z którym swego czasu sporo pracowałem pachnie… marchewką(!) a wg mniejszej ilości osób pachnie selerem. A kumen to wcale nie jest skomplikowany węglowodór, jak widać niżej:
I jest produktem petrochemicznym. Jak widać nieskomplikowane i niezbyt zdrowe węglowodory mogą też przyjemnie pachnieć.
"Karwon jest tlenową pochodną limonenu, a wiec nie będziemy go dalej rozpatrywać, bo nie jest węglowodorem" – Dlaczego karwon "nie jest węglowodorem"?
Bo zawiera atom tlenu, czyli jest tlenową pochodną węglowodoru, a konkretnie to jest ketonem. Tymczasem węglowodory zawierają tylko węgiel i wodór.
Bardzo fajnie się czytało – przystępny język nawet jak na moją kapuścianą głowę 🙂 Bardzo fajny chwyt z kumenem – gdyby nie porównanie do 'benzena ze śmigiełkiem" za Chiny Ludowe bym tego nie zapamiętała 🙂