Od dębowego liścia przez atrament do świecenia wzbudzonego tlenu
Od dębowego liścia, przez atrament, do świecenia wzbudzonego tlenu
Jak wiadomo, przyroda która nas otacza przeprowadza w gigantycznej skali różnorakie reakcje chemiczne. Mam tutaj na myśli reakcje przeprowadzane przez organizmy żywe, od najprostszych jednokomórkowców po skomplikowane organizmy, np. człowiek. Niektóre związki są produkowane w masowej skali, inne w skali mniejszej a jeszcze inne pojawiają się sporadycznie. I tak o ile celuloza jest produkowana w miliardach ton rocznie przez wszystkie rośliny o tyle niektóre substancje można spotkać tylko w określonej grupie organizmów. W otaczającej nas przyrodzie są dziesiątki tysięcy fantastycznych związków chemicznych! Od dawna chemicy a przed nimi alchemicy uczyli si je izolować z materiału naturalnego i oczyszczać.
Niektóre z nich mogą być dla nas bardzo cenne pod kątem zastosowania co do reakcji chemicznych czy efektownych doświadczeń. I tak też jest w tym, o czym chcę opisać. Dobry chemik powinien nie tylko posługiwać się gotowymi chemikaliami, ale także poznać tajniki ich otrzymywania i dostrzec ich bogactwo w otaczającym świecie, którego często nie zauważamy, niestety. Ale wiele ciekawych związków chemicznych zostało otrzymanych z materiału naturalnego, głównie roślinnego, zanim nauczono się je otrzymywać sztucznie w laboratorium. Dzisiaj wiele chemikaliów można kupić, ale ich cena bywa odstraszająca lub są inne obostrzenia utrudniające życie chemikom. A czy nie jest fascynujące odkryć rąbek tajemnej wiedzy alchemików? Czy nie byłoby dobrze pokonać tę samą drogę, jaką oni przebyli by dojść do odkrycia? Jak kilka wieków temu czy nawet kilkanaście wieków temu, mając ograniczone możliwości sprzętowe i wiedzę, potrafiono otrzymywać niektóre substancje? A jednak spory udział w zachowaniu starożytnej wiedzy jak i ówczesnej, rozwijanej dopiero, mieli alchemicy, czy to w Europie, czy to w Azji.
Wróćmy jednak do roślin. Produkują one dużą różnorodność związków chemicznych. Jak wszyscy wiemy, podstawą życia roślin jest fotosynteza, ale poza produkcją cukrów produkują całą gamę klas związków chemicznych. Weźmy np. owoc pomarańczy. Pokryty jest skórką, która zawiera pęcherzyki wypełnione jakimś płynem. Obierając pomarańczę na skórze zostaje nam jakiś pachnący, tłusty płyn, czasem tryska ze skórki i może trafić w oko. Olej ten jest łatwopalny. Zasadniczym składnikiem tego olejku jest limonen, węglowodorów nienasycony z dwoma wiązaniami nienasyconymi, więc jest alkenem, a konkretnie dienem. I tak mnożąc przykłady okaże się, że wiele roślin produkuje dość specyficzne substancje. Znajdziemy tutaj i węglowodory o fikuśnej strukturze, których synteza w laboratorium wymagałaby wiele pracy i byłaby kosztowna, ale także przeróżne alkohole, fenole, związki karbonylowe, np. kamforę, liczne kwasy organiczne (jak cytrynowy), estry, aminy, związki wielofunkcyjne. Nie można jednak ich wszystkich opisać, za to skupię się na jednym, który można łatwo przerobić na pewien użyteczny chemikowi fenol w bardzo efektownym doświadczeniu.
Już od dawien dawna wykorzystywano przy wyprawianiu skór zwierząt wyciągi z niektórych roślin lub ich części. Wiele bowiem roślin produkuje substancje o takich właściwościach i te substancje nazywamy garbnikami. Typowym garbnikiem roślinnym jest tanina. Tanina zawarta jest w różnych ilościach i spełnia funkcję ochronną, stwarzając warunki niesprzyjające do rozwoju wielu chorobotwórczych mikroorganizmów czy pasożytniczych szkodników. Dzięki jej obecności niektóre gatunki drewna są bardzo trwałe, np. dąb. Źródłem taniny może być kora wielu drzew, np. dębu, świerka czy nawet jodły, dzięki której zawdzięcza ona swoją nazwę, gdyż w starogermańskim języku słowo tanna oznaczało jodłę, a świąteczną choinkę w języku niemieckim nazywa się Tannenbaum. Zasadniczym składnikiem taniny są estry kwasu galusowego i digalusowego. W niektórych roślinach kwas ten występuje w postaci wolnej, ale najczęściej jednak tworzy estry. Natomiast wolnej postaci występuje rzadziej, np. w niewielkich ilościach w liściach herbaty. Najczęściej tworzy pochodne jako tzw. kwas taninowy.
Kwas taninowy to ester kwasu galusowego i digalusowego z glukozą, zawiera zmienne ilości reszt tych kwasów, gdyż glukoza posiada aż 5 grup grup OH mogących ulegać estryfikacji. Pewnym osobliwym źródłem taniny są galasy – narośla na liściach niektórych roślin, np. dębu, buka. Szczególnie okazałe galasy występują na liściach dębu (foto).
Mają kulisty kształt i nieraz ich średnica dochodzi do 3 cm, takie liście z kulistymi naroślami możemy sami znaleźć. Galasy są efektem żerowania larw niektórych owadów. Larwa rozwijając się wewnątrz liścia wymusza na roślinie wytworzenie galasu, który jest pokarmem dla larwy a roślina jednocześnie ogranicza żerowanie larwy do określonego miejsca. Ponieważ jednak galas jest formą obronną rośliny, przeto zawiera on znaczne ilości taniny, a co za tym idzie, kwasu taninowego i galusowego. Sporo tanin zawiera także herbata, ale nie w formie kwasu taninowego, tylko w nieco innych formach. Kwas galusowy tworzy także estry z innymi fenolami dając silnie przeciwutleniacze: w herbacie poza taninami znajdziemy duże ilości galusanu epigallokatechiny. Jednakże ze względu na łatwość utleniania ilość tego związku podczas przechowywania herbaty spada. Poniżej widzimy przykładowe struktury kwasu taninowego opartego na kwasie digalusowym (z lewej) oraz galusowego (z prawej).
Spójrzmy na wzór kwasu galusowego . Jest to kwas 3,4,5-trihydroksybenzoesowy.
Związek będący zarówno kwasem karboksylowym jak i fenolem. Wszyscy chyba słyszeli o reakcji fenolu z chlorkiem żelaza w szkole średniej. Tak samo reaguje kwas galusowy. Z r-rem FeCl3 daje bardzo mocne niebieskoczarne zabarwienie, lepiej widoczne po rozcieńczeniu. Już na początku średniowiecza, bo ok. roku 500 upowszechniono recepturę atramentu, która jeszcze do dziś dzień jest wykorzystywana, choć w znacznej części wyparły ją inne atramenty, ale użycie galasów do produkcji atramentu wspomina już Pliniusz Starszy (23 – 79 n. e.). Taninę uzyskaną z galasów mieszano z roztworem siarczanu żelaza (II), który też daje barwną reakcję. Podczas pisania takim atramentem tlen atmosferyczny utlenia żelazo (II) do żelaza (III) i utrwala czarnobrązowy kolor pisma. Związki posiadające sąsiedztwo grup polarnych z karboksylową ulegają dość łatwo reakcji dekarboksylacji. Prażony kwas galusowy rozkłada się z wydzieleniem dwutlenku węgla i powstaje fenol, zwany od tej metody otrzymywania kwasem pirogalusowym (greckie pyros – ogień).
Jak wiemy, fenole są słabymi kwasami, ale obecność 3 grup OH zwiększa jego kwasowość, dlatego związek ten pierwotnie pospolicie nazywano kwasem pirogalusowym, że względu kwasowe zachowanie w wielu reakcjach chemicznych. Dzisiaj kwas pirogalusowy znany jest wsród chemików najczęściej pod nazwą pirogalol, ale bywa też zamiennie stosowana nazwa kwas pirogalusowy. Fenol ten bardzo łatwo się utlenia w zasadowym środowisku i służy do oznaczania tlenu. Jest więc używany jako reduktor. Już ponad 100 lat temu podczas eksperymentów z pirogalolem pod kątem zastosowania jako wywoływacza fotograficznego zauważono, że pewne r-ry zawierające pirogalol poddane reakcji utleniania świecą w ciemności na czerwono! Jest to spowodowane tym, że w reakcjach tych powstaje wzbudzony tlen, czyli singletowy. Tlen ten przechodząc do stany podstawowego (trypletowego) emituje czerwone światło. Jeśli eksperymentowano w ciemni fotograficznej, to zapewne odkrycie tego było dość łatwe i wzbudziło zdziwienie wśród odkrywców.
Skoro wiele otaczających nas roślin zawiera sporo pochodnych kwasu galusowego, to czy można się pokusić o otrzymanie tego kwasu? Jak się okazuje, można i to całkiem łatwo, na szczęście dla domowych eksperymentatorów. Kwas taninowy był znany alchemikom, ale kwas galusowy został w postaci czystej otrzymany dopiero w 1785 roku przez Scheele. Wykazał on, że kwas taninowy jest innym związkiem niż galusowy. W pierwszej połowie XIX stulecia struktura kwasu taninowego pozostawała zagadką ze względu na jego chemiczne podobieństwo do kwasu galusowego. W 1854 roku Strecker ogrzewając roztwór kwasu taninowego z dodatkiem kwasu solnego otrzymał kwas galusowy i glukozę, udowadniając, że kwas taninowy jest estrem kwasu galusowego oraz glukozy (glikozydem). Kilkanaście lat później odkryto także istnienie kwasu digalusowego (poniżej),
który łatwo hydrolizuje do kwasu galusowego, a kwas taninowy jest glikozydem zarówno kwasu galusowego jak i digalusowego. Kolejna zagadka przyrody została rozwiązana. O otrzymanie kwasu galusowego z materiału roślinnego możemy sami się teraz pokusić. Wokół nas znajduje się wiele surowców, których można do tego użyć, wystarczy rozejrzeć się dokoła. Zasadniczo pierwotną metodą było rozdrobnienie materiału roślinnego, zalanie wodą i odstawienie do fermentacji za pomocą odpowiednich szczepów grzybów, enzymem hydrolizującym taniny jest tannaza. Szybszą i nowszą metodą było ogrzewanie wodnej zawiesiny rozdrobnionego materiału z dodatkiem kwasu siarkowego lub solnego. Podaję oryginalne przepisy z British Pharmacopeia:
1) Jedną część sproszkowanych galasów zalać czterokrotną ilością 20% kwasu siarkowego. Utrzymywać w temperaturze wrzenia przez 1,5 godziny. Gorący wywar przesączyć przez szmatę. Po ochłodzeniu z r-ru wypadają kryształy. Należy je odsączyć lub zebrać w inny sposób, rozpuścić ponownie w gorącej wodzie, dodać węgla aktywnego, zagotować i gorący r-r przesączyć. Po ochłodzeniu powstają kryształy.
2) W naczyniu porcelanowym lub szklanym (ew. plastikowym) proszkowane galasy zalać wodą destylowaną do uzyskania konsystencji rzadkiego ciasta. Pozostawić na na powietrzu na okres około 4 tygodni, uzupełniając wodę destylowaną w miarę potrzeby i mieszając miazgę drewnianym lub plastikowym patyczkiem. Nie należy używać metalowych narzędzi podczas prac z kwasem galusowym! Po fermentacji pastę wycisnąć przez szmatę, a wyciśniętą pozostałość zalać wodą destylowaną i zagotować, utrzymując wrzenie kilkanaście min. Następnie odcedzić gorący przez szmatę, a gorący roztwór przepuścić przez złoże z węglem aktywnym. Po ochłodzeniu pojawiają się kryształy kwasu galusowego. Dalsze oczyszczanie, jeśli jest konieczne, polega na rozpuszczeniu w gorącej wodzie, potraktowaniu węglem aktywnym, odsączeniu gorącego r-ru i krystalizacji.
Oczywiście średnio doświadczony eksperymentator poradzi sobie z tym. Analogiczne procesy można przeprowadzić z innymi surowcami. O wiele mniej pracy nas czeka, jeśli użyć gotowej taniny, kupionej np. w aptece, ale nie może to być tzw. białczan taniny. Otrzymany przez nas kwas galusowy słabo rozpuszcza się w zimnej wodzie (w 15 oC jego rozpuszczalność wynosi zaledwie 1 g), ale w gorącej wodzie jego rozpuszczalność przekracza 30 g. Krystalizuje z jedną cząsteczką wody. Ogrzewany do temperatur ponad 100 oC traci wodę krystaliczną, czyli ok. 10% masy. Ogrzewany dalej zaczyna się rozkładać z wydzieleniem dwutlenku węgla oraz pirogalolu. Ulega sublimacji przy powolnym ogrzewaniu, jak inne kwasy benzoesowe. Podczas sublimacji również ulega rozkładowi na pirogalol, więc ogrzewając kwas suchy kwas galusowy można otrzymać kryształki pirogalolu jako resublimat.
Podam także sposób wytworzenia pirogalolu przez reakcję dekarboksylacji. Dogodnie jest reakcję przeprowadzić w rozpuszczalniku o wysokiej temperaturze wrzenia. Może to być nafta albo podobne do niej rozpuszczalniki czy też rozpuszczalniki o wysokich temperaturach wrzenia. Reakcję przeprowadza się w temperaturze 190-220 oC. Kwas galusowy, który powinien być wcześniej odwodniony, umieszcza się w naczyniu, np. kolbie kulistej, zalewa rozpuszczalnikiem, aby cały kwas był pokryty i ogrzewa się pod chłodnicą zwrotną na łaźni olejowej lub czaszy grzejnej. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury zaczynają się wydzielać pęcherzyki dwutlenku węgla. Temperaturę utrzymuje się aż do zakończenia ich wydzielania. Sam kwas jest prawie nierozpuszczalny w węglowodorach, ale pirogalol lepiej, więc część pirogalolu krystalizuje dopiero po ochłodzeniu mieszaniny. Drugim sposobem jest użycie gliceryny, która jest mniej palna niż węglowodorowe rozpuszczalniki, więc i bezpieczniejsza. Zamiast gliceryny polecam aby spróbować użyć glikolu etylenowego, który wrze w 198 stopniach, więc nadmiarowe ciepło zostanie zużyte na odparowanie rozpuszczalnika. Reakcje można prowadzić w zestawie do destylacji zwrotnej a wylot chłodnicy połączyć z probówką wypełnioną wodą wapienną, celem zaobserwowania końca reakcji, gdyż nie zależnie od użytego rozpuszczalnika nie zawsze jest możliwość obserwacji pęcherzyków dwutlenku węgla powstających w mieszaninie. Pirogalol odsącza się i krystalizuje z chloroformu lub mieszaniny toluen-etanol (ze względu na cenę można użyć taniego izopropanolu, a toluen można zastąpić benzenem). Innym sposobem oczyszczania jest technika resublimacji pirogalolu. Otrzymany pirogalol trzymać szczelnie zamknięty ze względu na tendencję do utleniania.
A teraz kilka doświadczeń do wykonania także w domowych warunkach. Jeśli jest możliwość, możemy kupić nieco taniny albo pokusić się o jej zdobycie z materiału roślinnego. Jeśli mamy możliwość, to latem lub początkiem jesieni zbierzmy nieco galasów. Jeśli takowej możliwości nie ma, można je zastąpić korą świerkową lub dębową, ale te surowce zawierają mniej taniny i są trudniejsze do rozdrobnienia, a najlepsze do użycia są wiórki. Kilkanaście galasów rozdrabniamy np. przez utarcie i zalewamy wodą, ok. 150 ml. Naczynie zamykamy i odstawiamy na jeden dzień. Zamiast czekać dzień, można też otrzymaną masę zagotować przez kilkanaście min. Roztwór ten posłuży do wykonania kilku doświadczeń:
-
Można sprawdzić jego smak, jest gorzki i ściągający, bo kwas taninowy wiąże białka i dzięki tej reakcji garbuje skórę.
-
Sprawdzić odczyn papierkiem wskaźnikowym, jest wyraźnie kwaśny.
-
Na szkiełku lub parownicy ustawić kilka małych gwoździ i zalać roztworem taniny, po kilku godzinach powstaje czarna ciecz. O czym świadczy podobny efekt, jeśli użyć czerwonego wina zamiast r-ru taniny?
-
Do probówki wrzucić kilka kryształów siarczanu żelaza (III) i zadać 2 ml wody destylowanej, po rozpuszczeniu dodać taką samą objętość roztworu taniny. Powstaje czarnoniebieski atrament, kolor lepiej widać po rozcieńczeniu. W przypadku użycia kory świerkowej efekt nie jest tak zadowalający.
-
Wykonać próbę Fehlinga i Tollensa. W pierwszym przypadku powstaje ceglasty osad tlenku miedzi (I), w drugim osad metalicznego srebra (ale nie w postaci pięknego lustra jak bywa z aldehydami).
-
W 2 czystych probówkach umieścić po 2 ml ciekłego białka jaja kurzego. Do jednej dodajemy taką samą objętość r-ru taniny i wytrząsamy. Już po chwili białko jest ścięte i nie wykazuje oznak działalności mikroorganizmów przez wiele dni, podczas białko w drugiej probówce ulegnie zepsuciu. Doświadczenie ilustruje działanie taniny podczas garbowania skór, wiążąc białka zawarte w skórze.
A teraz kilka probówkowych doświadczeń z kwasem galusowym, który mogliśmy sami otrzymać. Sporządźmy kilkadziesiąt ml r-ru kwasu galusowego.
-
1 ml r-ru kwasu zadać w probówce kilkoma kroplami chlorku żelaza (III). Powstaje intensywne atramentowe zabarwienie, reakcja jest bardzo czuła.
-
Wykonać próbę Fehlinga oraz Tollensa, w obu przypadkach wynik jest pozytywny.
-
Maleńką ilość kryształów kwasu galusowego zadać w probówce 1 ml st. kwasu siarkowego (Uwaga!). Podczas ogrzewania probówki powstaje piękne rubinowe zabarwienie od tworzącej się mieszaniny barwników, zwanej brunatem alizarynowym.
-
Mieszanina chlorku baru z wodorotlenkiem potasu wytrąca niebieski osad.
-
Ogrzewać powoli np. w łaźni piaskowej probówkę z kwasem galusowym i zaobserwować resublimację pirogalolu na ściankach wraz z wodą krystalizacyjną, jeśli kwas nie był dostatecznie suchy.
Idąc dalej z kwasu galusowego mogliśmy otrzymać pirogalol. Zatem i z nim można wykonać kilka reakcji probówkowych.
-
Grudkę pirogalolu rozpuścić w probówce z kilkoma ml wody. Dodać ok 1 ml ługu potasowego, probówkę zatakać palcem i wstrząsać co najmniej pół minuty. Nie otwierać! Probówka powinna zawisnąć przyssana do palca, a r-r przybrać kolor brunatny wskutek utleniania pirogalolu. Jeśli tę probówkę, ciągle zamkniętą, wetknąć do zimnej wody i odsunąć palec, to woda zajmie dodatkowe 1/5 objętości probówki, wskutek zużycia tlenu przez pirogalol.
-
Do probówki wlać kilka ml świeżo przegotowanej, ale nie wrzącej wody, dodać nieco r-ru wodorotlenku potasu lub sodu i na koniec r-r pirogalolu i wstrząsnąć celem wymieszania. Woda zabarwia się od góry na brunatno, wskutek dyfuzji tlenu atmosferycznego do wody. Woda nieprzegotowana, wskutek wyższej zawartości rozpuszczonego tlenu brunatnieje w całej objętości bardzo szybko.
-
Do probówki z r-rem pirogalolu dodać r-ru chlorku żelaza (III). Pojawia się czerwonobrunatne zabarwienie (reakcja „atramentowa” fenoli).
Jednakże w tytule i w treści pojawiło się także słowo o świeceniu singletowego tlenu! To doświadczenie jest chyba najlepszym zwieńczeniem całej pracy ambitnego czytelnika, który postanowił przebyć drogę od galasów do pirogalolu. Doświadczenie należy wykonać w ciemności albo na wolnym powietrzu, albo w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, ze względu na gryzące pary w nim powstające. Gwarantuję jednak, że wysiłek się opłaci. Będą nam potrzebne: pirogalol, formalina, węglan potasu oraz nadtlenek wodoru, najlepiej w postaci perhydrolu, ale handlowe wybielacze zawierające po kilkanaście % nadtlenku też są wystarczające. Jeśli posiadamy szczyptę luminolu, to doświadczenie będzie prawdziwą rozkoszą dla chemika-amatora! Zatem do pracy!
Sporządzamy nasycony roztwór węglanu potasu oraz ok. 10% r-r pirogalolu (1 g pirogalolu i woda destylowana do objętości ok. 10 ml). Jeśli mamy luminol, to dorzućmy kilka kryształków do 20 ml r-ru węglanu potasu i dobrze zamieszajmy, gdyż rozpuszcza się dość powoli. W osobnych naczynkach przygotowujemy 10 ml formaliny i 30 ml perhydrolu. Przestrzeganie dokładności nie jest tutaj zbyt wymagane na szczęście. W dużej zlewce, najlepiej o pojemności co najmniej 1 litra umieszczamy 20 ml r-ru węglanu potasu, 10 ml r-ru pirogalolu oraz wlewamy 10 ml formaliny. Najlepiej, jeśli zlewka umieszczone jest na tacce lub kawałku tektury, gdyż zawartość mieszaniny podczas reakcji może wykipieć poza zlewkę. W ciemności wlewamy 30 ml perhydrolu lub handlowego wybielacza opartego na nadtlenku wodoru. Mieszanina mocno się burzy i powstaje czerwone światło! Po kilkunastu sekundach gaśnie, ale jeśli dodaliśmy kryształków luminolu, to miejsce światła czerwonego zajmuje światło niebieskie!. Jest to jedno z najpiękniejszych doświadczeń, jakie można zademonstrować, ale wadą są gryzące pary powstające podczas reakcji. Pod wyciągiem lub na wolnym powietrzu nie ma to jednak znaczenia.
Uff, dotarliśmy do końca artykułu. Wszystkim pasjonatom chemii życzę udanych doświadczeń i satysfakcji z opanowania sztuki otrzymywania substancji z surowca naturalnego 🙂
DMchemik
Literatura:
-
„Chemia organiczna w probówce”; Hermann Roempp, Hermann Raaf; WNT, 1990
-
„Bazar chemiczny”; Stefan Sękowski; WSiP, 1981
-
„Sposób wytwarzania pirogalolu z kwasu galusowego”; Opis patentowy nr 38572, 1955
-
„Experiments on the Origin of Oak-Bark Tannin”; D. E. Hathway; Biochemical Journal, vol. 71, 1959
-
http://www.henriettesherbal.com/
Fotografię zaczerpnięto z ogólnodostępnych zasobów Wikipedii. Rysunki wykonano w programie Symyx Draw.
świetny tekst
Do autora tekstu: Miałbyś sprzeciw jeśli na swoim blogu spróbowałbym wykonać doświadczenia które zaprezentowałeś z podaniem linku do Ciebie?
Witam, wyrażam zgodę. Pozdrawiam.
PS pytać można też na forum portalu.