Chemiluminescencja lofiny
Chemiczne światło
Wiele substancji posiada zdolność do chemiluminescencji, jednak ich praktyczne wykorzystanie jest często problematyczne. Lucyferyna z lucyferazą są drogie i trudnodostępne, proces produkcji singletowej odmiany tlenu może być niebezpieczny z racji używania w nim silnie trujących i żrących substancji, biały fosfor sam w sobie jest wręcz odstręczająco toksyczny. Układ pirogalol-formaldehyd jest stosunkowo tanim i bezpiecznym przykładem chemiluminescencji, ale efekt nie zawsze jest zadowalający. Pochodne szczawianów fenylu także są stosunkowo drogie i rzadko dostępne, a ich samodzielna produkcja w domowych warunkach może nastręczać trudności mniej zaawansowanym chemikom. Synteza luminolu jest możliwa w lepiej wyposażonym laboratorium szkolnym lub uczelnianym, ale niewątpliwie wymaga nieco zachodu. Dlatego w tym artykule zajmę się lofiną C21H16N2, którą w niezbyt skomplikowany sposób można zsyntezować w domowych warunkach, wykorzystując tanie i łatwo dostępne substancje.
Dodatkowo ma to tę zaletę, że własnoręczne otrzymanie substancji dostarcza oczywiście wielkiej satysfakcji, szczególnie jeśli umożliwia ona tak efektowne doświadczenia.
Zaskakujące związki
Powyższy nagłówek nie jest jedynie pustymi słowami - rzeczywiście chodzi tu o interesujące powiązania między, zdawałoby się, zupełnie odrębnymi sprawami. Co wspólnego może mieć rosyjski kompozytor muzyki klasycznej, polski chemik, smakowite migdały oraz poszukiwana przez nas lofina? Postaram się to wyjaśnić.
Aleksander Borodin (na poniższej fotografii) był żyjącym w XIX wieku znakomitym rosyjskim chemikiem. Odniósł wiele wspaniałych osiągnięć na polu chemii organicznej.
Rosjanin miał jednak także inną pasję, którą zajmował się obok pracy naukowej - był kompozytorem. Wraz z Bałakirewem, Cui, Musorgskim i Rimskim-Korsakowem tworzył Potężną Gromadkę - grupę sławnych kompozytorów nawiązujących do tradycyjnej rosyjskiej muzyki ludowej. Komponował symfonie, poematy symfoniczne, fantazje i kwartety smyczkowe. Największe uznanie zdobyła opera "Kniaź Igor", z piękną partią "tańców połowieckich".
Borodin zawsze ubolewał, że był bardziej znany jako kompozytor (co uważał jedynie za uboczne zajęcie) niż naukowiec. My oddajmy mu jednak honor, doceniając go także jako chemika. Otóż Borodin jako pierwszy otrzymał hydrobenzamid, o wzorze strukturalnym:
Hydrobenzamid został wytworzony w wyniku kondensacji aldehydu benzoesowego i amoniaku. Aldehyd benzoesowy jest z kolei substancją, która nadaje migdałom ich charakterystyczny zapach.
Tutaj na scenę wkracza kolejny chemik, tym razem nasz rodak. Mowa tu o Bronisławie Radziszewskim:
Radziszewski jest autorem kilkuset prac naukowych z zakresu chemii; opracował wiele metod otrzymywania związków pierścieniowych. Zajmował się także związkami heterocyklicznymi, czyli takimi, które w pierścieniu zawierają obok węgla także atomy innych pierwiastków. Radziszewski opisał metody syntezy imidazoli, między innymi właśnie lofiny, która formalnie jest 2,4,5-trifenylimidazolem, a jej wzór strukturalny ma postać widoczną poniżej.
Skoro zaczerpnęliśmy nieco wiedzy na interesujący nas temat, to możemy z czystym sumieniem pójść śladem obu uczonych. Synteza lofiny, a następnie pokaz jej świecenia z pewnością zapewnią ciekawe przeżycia - nie tylko natury poznawczej, ale także estetycznej.
Otrzymywanie
Synteza jest dwuetapowa: najpierw wytworzymy pewną ilość hydrobenzamidu, który następnie przeprowadzimy w lofinę.
W pierwszym etapie będziemy potrzebować tylko dwóch odczynników:
- Aldehyd benzoesowy C6H5CHO,
- woda amoniakalna NH3 25%.
Potrzebne substancje są widoczne na poniższym zdjęciu.
Ostrzeżenie: Woda amoniakalna jest żrąca, a ulatniający się z niej amoniak jest drażniący dla oczu, skóry i dróg oddechowych. Amoniak w większych stężeniach jest silnie trujący. Nadtlenek wodoru w większych stężeniach jest silnie żrący i w kontakcie ze skórą powoduje zmiany martwicze. Opary aldehydu benzoesowego w większych stężeniach są szkodliwe. Alkohol etylowy jest łatwopalny. Lofina w większych ilościach jest trująca, może wykazywać także działanie drażniące. Trzeba stosować środki ochrony osobistej! W czasie produkcji lofiny może dochodzić do uwalniania toksycznych i drażniących par - reakcję należy prowadzić pod wyciągiem lub na świeżym powietrzu! Cyklizacja hydrobenzamidu wymaga wysokich temperatur (około 200°C), może dochodzić do rozprysku wrzącej cieczy! Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Aldehyd benzoesowy jest przejrzystą cieczą, o silnym zapachu migdałów. Należałoby jednak powiedzieć odwrotnie, ponieważ migdały zawdzięczają swój charakterystyczny zapach właśnie tej substancji! Stąd można wysnuć wniosek, że do doświadczenia można użyć aldehydu benzoesowego otrzymanego z nasion Migdałowca zwyczajnego. Ja jednak wykorzystałem czysty aldehyd, otrzymany syntetycznie. Wzór strukturalny tego związku ma postać jak niżej:
Aldehyd benzoesowy łatwo się utlenia, dlatego należy go chronić przed dostępem powietrza. Wraz z postępem utleniania ciecz staje się najpierw żółtawa, a potem brunatna. Do naszego doświadczenia jest potrzebny świeży aldehyd, bezbarwny, lub co najwyżej z delikatnym żółtym zabarwieniem.
Przygotowanie reakcji jest proste. Do kolby wlewamy około 12cm3 aldehydu benzoesowego oraz około 40cm3 wody amoniakalnej o stężeniu 25%. Zawartość mieszamy i odstawiamy na okres 24 do 48 godzin. W tym czasie dochodzi do reakcji opisanej poniższym równaniem.
Po upływie tego czasu zauważamy, że doszło do wytrącenia białego lub kremowego osadu. Jest to właśnie potrzebny nam hydrobenzamid. Osad należy odsączyć, a potem kilkukrotnie przemyć wodą. Ostatnie przemywanie należy wykonać przy użyciu niewielkiej ilości alkoholu etylowego. Hydrobenzamid trzeba dokładnie wysuszyć, ale musi się to odbywać w niezbyt wysokiej temperaturze (maksymalnie 50°C). W innym wypadku mogłoby dojść do hydrolizy związku. Gotowy, suchy hydrobenzamid ma postać białej substancji krystalicznej:
Otrzymaliśmy hydrobenzamid, jesteśmy więc już na półmetku drogi do uzyskania lofiny.
Bronisław Radziszewski opracował dwie metody otrzymywania lofiny: pierwsza została zarzucona po odkryciu drugiej, o dużo większej wydajności. Mimo małej wydajności, zdecydowałem się przeprowadzić pierwszą, historyczną reakcję syntezy lofiny; jej wielką zaletą jest brak konieczności użycia drogich odczynników i dużych ilości rozpuszczalników.
Metoda ta polegała na cyklizacji hydrobenzamidu z użyciem tlenu atmosferycznego. Radziszewski po prostu mieszał ciekły, gorący hydrobenzamid przy dostępie powietrza.
Wprowadźmy hydrobenzamid do zlewki:
Zlewkę następnie ogrzewamy na płycie grzejnej. Po pewnym czasie substancja stopi się; będzie wtedy miała postać słomkowożółtej cieczy:
Podgrzewając ciecz dalej, w pewnym momencie zauważymy zmianę jej barwy na ciemniejszą:
Zgodnie z metodą Radziszewskiego powinniśmy teraz energicznie mieszać ciecz bagietką. Wprowadziłem tutaj jednak pewną prostą, ale ważną innowację, która nieco zwiększa efektywność metody. Zamiast mieszać ciecz zastosowałem napowietrzanie. Do gorącego hydrobenzamidu wprowadziłem szklaną pipetę pasteurowską, przez którą dostarczałem sprężone powietrze, co widać na poniższej animacji:
Strumień sprężonego powietrza dostarcza do roztworu większą ilość tlenu, a także efektywnie miesza ciecz. W czasie prowadzenia reakcji uwalnia się spora ilość drażniących par. Napowietrzanie należy prowadzić przez kilka minut, czas trzeba dobrać eksperymentalnie. Otrzymaną substancję pozostawiamy do ochłodzenia i zestalenia.
Z chemicznego punktu widzenia dochodzi tutaj do cyklizacji hydrobenzamidu w myśl uproszczonego równania reakcji:
Pod wpływem tlenu z powietrza dochodzi do cyklizacji w obrębie cząsteczki hydrobenzamidu - tworzy się zawierający dwa atomy azotu pierścień imidazolowy. W ten właśnie prosty sposób otrzymaliśmy 2,4,5-trifenylimidazol czyli lofinę!
Po ochłodzeniu otrzymujemy szklisty, brązowy stop:
Jest to surowa lofina, zawierająca dużą ilość zanieczyszczeń. Do doświadczeń z chemiluminescencją można użyć nawet zanieczyszczonej lofiny, ale można też ją w prosty sposób oczyścić.
Otrzymany stop należy rozpuścić w jak najmniejszej ilości gorącego etanolu lub izopropanolu. Po ochłodzeniu z roztworu krystalizuje lofina, którą należy przemyć alkoholem, tym razem już zimnym. Tak oczyszczona lofina prezentuje się już o wiele lepiej, jako drobne śnieżnobiałe kryształki.
Udało się: własnoręcznie otrzymaliśmy lofinę! Teraz możemy przystąpić do testowania jej zdolności do chemiluminescencji.
Finał!
By zmusić lofinę do świecenia potrzebujemy, oprócz niej, substancji z listy:
- Wodorotlenek sodu NaOH,
- nadtlenek wodoru H2O2 30% (perhydrol) lub 3% (apteczna woda utleniona),
- chloran(I) sodu NaClO lub heksacyjanożelazian(III) potasu K3[Fe(CN)6],
- woda destylowana, etanol C2H5OH.
Reakcję można przeprowadzić w dwóch wariantach: może być ona wyzwalana przez chloran(I) sodu NaClO lub heksacyjanożelazian(III) potasu K3[Fe(CN)6]. Użycie K3[Fe(CN)6] jest wygodniejsze z racji stałego stanu skupienia, jednak osiągany efekt jest nieco słabszy, niż przy wykorzystaniu NaClO. Na szczęście chloran(I) sodu NaClO jest łatwy do zdobycia i nie trzeba go wcale kupować w specjalistycznym sklepie chemicznym. Związek ten jest składnikiem wielu wybielaczy, szczególnie tych najtańszych. Są one często po prostu roztworami chloranu(I) sodu NaClO, zwykle z dodatkiem wodorotlenku sodu NaOH. Do doświadczenia można użyć bezpośrednio takiego wybielacza, inne jego składniki nie powinny stanowić problemu. Poniżej przedstawię przepis reakcji z wykorzystaniem NaClO.
Musimy przygotować roztwory:
- A - 0,2g lofiny C21H16N2 w 10cm3 etanolu C2H5OH
- B - 3 cm3 nadtlenku wodoru H2O2 3% lub kilka kropli 30% uzupełnić etanolem C2H5OH do objętości 25cm3
- C - 1g NaOH w niewielkiej ilości wody destylowanej, uzupełnić etanolem C2H5OH do objętości 20cm3
- D - 5cm3 chloranu(I) sodu NaClO około 4% (wybielacz) uzupełnić wodą do objętości 20cm3
Roztwory są trwałe, można je dosyć długo przechowywać.
By przeprowadzić reakcję, najpierw należy zmieszać roztwory A, B i C. Następnie przy zgaszonym świetle wlewamy do mieszaniny wolnym strumieniem roztwór D. Doświadczenie przedstawia poniższy film mojego autorstwa.
Podczas dodawania ostatniego roztworu ciecz rozbłyskuje pięknym zielonkawo-żółtym światłem! Jest to doskonale widoczne także na zdjęciach o wydłużonym czasie ekspozycji:
Szybkość reakcji, a co za tym idzie także jasność powstającego światła, silnie zależy od temperatury. Po podgrzaniu reakcja zachodzi energiczniej, więc światło będzie jaśniejsze, ale świecenie będzie trwało krócej.
W przypadku użycia heksacyjanożelazianu(III) potasu K3[Fe(CN)6] postępujemy analogicznie. Jedyną różnicą jest to, że zamiast dolewania roztworu D wrzucamy do mieszaniny A,B i C kilka kryształków K3[Fe(CN)6].
Wyjaśnienie
Lofina jest jedną z pierwszych całkowicie systetycznych substancji chemicznych wykazujących efekt chemiluminescencji. Nic więc dziwnego, że zjawisko jej świecenia zostało dosyć dokładnie zbadane i poznane. Dzięki temu mogę przedstawić proponowany mechanizm tego procesu.
Lofina jako 2,4,5-trifenylimidazol należy do grupy związków chemicznych nazywanych imidazolami. Emisja światła następuje podczas utleniania. Reakcja przebiega prawdopodobnie według poniższego równania.
W środowisku alkalicznym, w obecności jonów podchlorynowych ClO- lub cyjanożelazianowych(III) [Fe(CN)6]3- lofina jest utleniana przez nadtlenek wodoru H2O2 [A.M. García-Campaña, W.R.G. Baeyens, 2000].
Jeden z atomów azotu posiada luźno związany atom wodoru, o właściwościach kwasowych. Drugi atom azotu z kolei ma właściwości zasadowe, więc lofina jako całość jest związkiem amfoterycznym. Podczas utleniania dochodzi do powstania mostka nadtlenowego; utworzony cykliczny nadtlenek jest bardzo nietrwały. Występuje on w stanie wzbudzonym, o wyższej energii niż stan podstawowy. Szybko dochodzi do jego rozpadu; zgodnie z zasadą zachowania nadwyżka energii zostaje oddana do środowiska, tutaj pod postacią światła o długości fali λ=525nm. Światło takie ma barwę zielonkawo-żółtą.
Mechanizm prezentowanej reakcji jest podobny do procesów zachodzących podczas utleniania luminolu, kiedy także dochodzi do chemiluminescencji.
Chemiluminescencja lofiny nie jest jedynie ciekawostką; ma zastosowanie w analityce chemicznej do bardzo czułego wykrywania obecności wielu metali, między innymi kobaltu.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Brzozowski S. M., Ramotowska F., Polski Słownik Biograficzny, tom XXX, Wydawnictwo PAN, Wrocław-Warszawa-Kraków-Gdańsk, 1987,
- Chodkowski A. (red.), Encyklopedia muzyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1995, str. 115,
- Cottman E. W., Cold light brought into the classroom, Journal of Chemical Education, 14(5), 1937, str. 236,
- Radziszewski B. R., Untersuchungen über Hydrobenzamid, Amarin und Lophin, Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 10 (1), 1877, str. 70–75,
- White E. H., Harding M. J. C., The Chemiluminescence of Lophine and Its Derivatives, Journal of the American Chemical Society, 86 (24), 1964, str. 5686–5687.
Marek Ples