Weird Science

Synteza luminolu

Pożądana sub­stan­cja

Reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cji zaw­sze cie­szą się zain­te­re­so­wa­niem, ponie­waż w cie­kawy spo­sób wpro­wa­dzają w pro­blem prze­mian ener­ge­tycz­nych zacho­dzących pod­czas reak­cji che­micz­nych.

Wiele sub­stan­cji wyka­zuje zdol­ność do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, między innymi lucy­fe­ryna z lucy­fe­razą, biały fos­for, sin­gle­towa odmiana tlenu czy układ piro­ga­lol-for­mal­de­hyd. Innym przy­kła­dem jest lofina, która pod­czas utle­niana w śro­do­wi­sku alka­licz­nym wydziela zie­lon­ka­wo­żółte świa­tło. Dosyć pro­stą metodę jej syn­tezy opi­sa­łem tutaj.

Dużo wyraźn­iej­szy efekt zapew­nia 3-ami­no­hy­dra­zyd fta­lowy zwy­cza­jowo nazy­wany lumi­no­lem. Związek ten pod­czas utle­nia­nia emi­tuje silne nie­bie­skie świa­tło, dla­tego jest naj­czę­ściej wyko­rzy­sty­wany w trak­cie poka­zów. Ist­nieją też inne, bar­dziej poważne zasto­so­wa­nia che­mi­lu­mi­ne­scen­cyj­nych wła­ści­wo­ści lumi­nolu, między innymi ozna­cze­nia ilo­ści DNA oraz próbek krwi.

Ilustracja

Oczy­wi­ście lumi­nol można kupić w spe­cja­li­zo­wa­nym skle­pie che­micz­nym, jeśli tylko będzie dostępny. Trzeba jed­nak pamiętać, że jest to sub­stan­cja sto­sun­kowo trud­noda do zdo­by­cia i droga. O wiele więk­szą satys­fak­cję daje wła­sno­ręczna syn­teza związku.

Poni­żej przed­sta­wiam wypróbo­waną przeze mnie metodę otrzy­my­wa­nia lumi­nolu. Nie jest to metoda naj­e­fek­tyw­niej­sza, jed­nak jej wielką zaletą jest to, że nie wymaga ona dużych ilo­ści spe­cja­li­stycz­nego sprzętu. Dodat­kową zachętą może być fakt, że w prze­ci­wieńs­twie do innych metod nie jest wyma­gane tutaj uży­cie dużych ilo­ści sto­sun­kowo dro­giego chlorku cyny(II) SnCl2, ani sil­nie tru­jących wie­lo­siarcz­ków o odra­ża­jącej woni. Syn­teza jest eta­powa i pozwala na otrzy­ma­nie lumi­nolu w takiej ilo­ści, jaka z łatwo­ścią wystar­czy do wielu inte­re­su­jących poka­zów.

Czego potrze­bu­jemy?

By prze­pro­wa­dzić tę syn­tezę potrze­bu­jemy:

Ostrze­że­nie: Wszyst­kie czyn­no­ści należy wyko­ny­wać pod dyge­sto­rium lub na świe­żym powie­trzu! Pod­czas prze­pro­wa­dza­nych reak­cji mogą pow­sta­wać drażn­iące i tru­jące gazy; szcze­gól­nie pod­czas nitro­wa­nia ulat­niają się sil­nie tru­jące tlenki azotu! Mie­sza­nina nitru­jąca i stężony kwas siar­kowy(VI) są sil­nie żrące, podob­nie wodo­ro­tle­nek sodu NaOH. Siar­czan hydra­zyny N2H4·H2SO4 jest sil­nie tok­syczny! Przy ope­ro­wa­niu resztą sub­stan­cji i roz­two­rów także należy zacho­wać daleko idącą ostrożn­ość - konieczne są środki och­rony oso­bi­stej! Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

By syn­teza się powio­dła należy bezw­zględ­nie prze­strze­gać zada­nych tem­pe­ra­tur!

Nie można tu zlek­ce­wa­żyć żad­nego ostrze­że­nia! Jaka­kol­wiek nied­ba­łość może skończyć się poważn­ymi obra­że­niami lub zatru­ciem.

Od bez­wod­nika fta­lo­wego do kwasu 3-nitro­fta­lo­wego

Pierw­szym eta­pem na dro­dze do tak pożąd­nego lumi­nolu jest nitro­wa­nie bez­wod­nika lub kwasu fta­lo­wego. Z racji dostęp­no­ści w moich zaso­bach wybra­łem tę pierw­szą możl­i­wość.

Mie­sza­ninę nitru­jącą, ina­czej zwaną nitrozą, moża przy­go­to­wy­wać na różne spo­soby. Jed­nym z nich jest przy­go­to­wa­nie mie­sza­niny stężo­nych kwa­sów: siar­ko­wego(VI) i azo­to­wego(V). Ja wyko­rzy­sta­łem inną metodę, jaką jest roz­two­rze­nie azo­tanu(V) sodu lub potasu w stężo­nym kwa­sie siar­ko­wym(VI).

W kol­bie Erlen­mey­era odmie­rzamy 50cm3 stężo­nego kwasu siar­ko­wego(VI), następ­nie doda­jemy 13g bez­wod­nika fta­lo­wego C8H4O3 oraz 20g azo­tanu(V) sodu. Ciecz należy ciągle mie­szać, na przy­kład na mie­sza­dle magne­tycz­nym z płytą grzejną. Reak­cja jest egzo­ter­miczna; wraz z jej roz­po­częciem zaczyna rosnąć tem­pe­ra­tura mie­sza­niny. Począt­kowo mętna ciecz po chwili kla­ruje się. Gdy tem­pe­ra­tura zbliży się do 110°C zaczy­nają się obfi­cie wydzie­lać bru­natne tlenki azotu.

Ilustracja: mieszanina nitrująca

mieszanina nitrująca

Po pew­nym cza­sie tem­pe­ra­tura zacz­nie spa­dać; wtedy ciągle kon­tro­lu­jąc tem­pe­ra­turę roz­po­czy­namy deli­katne ogrze­wa­nie ciągle mie­sza­nej cie­czy. Tem­pe­ra­turę 110°C trzeba następ­nie utrzy­my­wać w prze­ciągu godziny. Układu reak­cyj­nego nie wolno prze­grze­wać powy­żej tej tem­pe­ra­tury!

Po upły­wie godziny należy przer­wać ogrze­wa­nie i sch­ło­dzić mie­sza­ninę. Tężeje ona wtedy do postaci wosko­wa­tej. Ostu­dzoną mie­sza­ninę należy prze­nieść por­cjami do 150cm3 lodo­wa­tej wody, za każdym razem dokład­nie mie­sza­jąc. Pod­czas roz­pusz­cza­nia docho­dzi do uwod­nie­nia pow­sta­łych bez­wod­ni­ków 3-nitro­fta­lo­wego i 4-nitro­fta­lo­wego do odpo­wied­nich kwa­sów, co powo­duje wydzie­le­nie dużych ilo­ści cie­pła.

Do dal­szych eta­pów syn­tezy potrze­bu­jemy jedy­nie kwasu 3-nitro­fta­lo­wego, dla­tego musimy go oddzie­lić od kwasu 4-nitro­fta­lo­wego. Na szczę­ście nie jest to zbyt skom­pli­ko­wane, ponie­waż oba izo­mery różnią się wyraźnie roz­pusz­czal­no­ścią. Kwas 4-nitro­fta­lowy łatwo roz­pusz­cza się w wodzie, pod­czas gdy 3-nitro­fta­lowy jest w niej prak­tycz­nie nie­roz­pusz­czalny. Tak więc wystar­czy pozo­sta­wić pow­stałą mie­sza­ninę na 24 godziny, by doszło do wytrące­nia osadu potrzeb­nego nam kwasu.

Ilustracja: wytrącający się kwas 3-nitroftalowy

wytrącający się kwas 3-nitroftalowy

Po tym cza­sie osad należy odsączyć od pozo­sta­ło­ści mie­sza­niny nitru­jącej i kwasu 4-nitro­fta­lo­wego. W tym celu sko­rzy­stamy z sącze­nia próżn­io­wego na lejku Büch­nera ze spie­kiem szkla­nym.

Ilustracja: zestaw do sączenia

zestaw do sączenia

Lejek musi być ze spie­kiem - nie można tu korzy­stać z sączka bibu­ło­wego, ponie­waż uległby on znisz­cze­niu przez pozo­sta­ło­ści kwa­sów.

Osad prze­my­wamy na sączku jesz­cze dwu­krot­nie, każd­o­ra­zowo za pomocą por­cji 30cm3 wody desty­lo­wa­nej. Pro­dukt potem suszymy w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej. Otrzy­many kwas 3-nitro­fta­lowy ma postać bia­łego proszku.

Ilustracja: kwas 3-nitroftalowy

kwas 3-nitroftalowy

Otrzy­ma­łem 3,4g kwasu 3-nitro­fta­lo­wego, przy wydaj­no­ści około 20% w prze­li­cze­niu na użyty bez­wod­nik fta­lowy.

Od kwasu 3-nitro­fta­lo­wego do hydra­zydu 3-nitro­fta­lo­wego

Odwa­żamy 1g kwasu 3-nitro­fta­lo­wego O2NC6H3(COOH)2, następ­nie 0,62g siar­czanu hydra­zyny N2H4·H2SO4 i 1,4g octanu sodu CH3COO­Na­·3H2O. Wszyst­kie sub­stan­cje mie­szamy razem i roz­pro­wa­dzamy w mini­mal­nej ilo­ści wody desty­lo­wa­nej; tak pow­stałą masę umiesz­czamy w nie­wiel­kiej kol­bie Erlen­mey­era. Wodę trzeba następ­nie deli­kat­nie odpa­ro­wać do sucha, tak by tem­pe­ra­tura mie­sza­niny w tym cza­sie nie prze­kra­czała 150°C.

Do kolby ze spie­czoną masą rea­gen­tów wle­wamy 4-5cm3 gli­kolu polie­ty­le­no­wego C2nH4n+2On+1 (n=300) i roz­po­czy­namy ogrze­wa­nie do tem­pe­ra­tury 220°C. Począt­kowo może docho­dzić do sil­nego pie­nie­nia się cie­czy z racji odpa­ro­wy­wa­nia pozo­sta­ło­ści wody. Mie­sza­nina wyraźnie ciem­nieje. W tym cza­sie docho­dzi do kon­den­sa­cji kwasu 3-nitro­fta­lo­wego z uwol­nioną hydra­zyną N2H4, co pro­wa­dzi do pow­sta­nia hydra­zydu 3-nitro­fta­lo­wego. Zadaną tem­pe­ra­turę utrzy­mu­jemy 15 minut. Potem kolbkę wraz z zawar­to­ścią pozo­sta­wiamy do och­ło­dze­nia.

W między­cza­sie przy­go­to­wu­jemy roz­twór 13g piro­siar­czynu sodu Na2S2O5 i 10g wodo­ro­tlenku sodu NaOH w 100cm3 wody desty­lo­wa­nej.

Następ­nie łączymy oba roz­twory i dokład­nie mie­szamy do roz­pusz­cze­nia ewen­tu­al­nych sta­łych pozo­sta­ło­ści; pow­stały roz­twór przyj­muje głęboki bor­dowy kolor.

Ilustracja: roztwór

roztwór

Bez­po­śred­nio potem możemy przy­stąpić do kolej­nego etapu.

Od hydra­zydu 3-nitro­fta­lo­wego do lumi­nolu

Do przy­go­to­wa­nego uprzed­nio roz­tworu wrzu­camy frag­menty spo­żyw­czej folii alu­mi­nio­wej w ilo­ści około 7g, co sta­nowi nad­miar w sto­sunku do pozo­sta­łych rea­gen­tów. Docho­dzi do reak­cji roz­twa­rza­nia glinu, czemu towa­rzy­szy silne roz­grze­wa­nie się roz­tworu oraz wydzie­la­nie dużych ilo­ści wodoru. Dla­tego folię należy doda­wać por­cjami. Prze­bieg reak­cji można zoba­czyć na poniższej ani­ma­cji.

Ilustracja

Dla nas naj­ważn­iej­sze jest jed­nak to, że w toku reak­cji zacho­dzi także reduk­cja hydra­zydu 3-nitro­fta­lo­wego do 3-ami­no­fta­lo­wego (lumi­nolu). Towa­rzy­szy temu roz­ja­śnie­nie barwy roz­tworu. Pro­ces trwa około jed­nej godziny.

Wydzie­le­nie i oczysz­cze­nie lumi­nolu

Mie­sza­nina pore­ak­cyjna obok lumi­nolu zawiera nie­stety mnóstwo zanie­czysz­czeń w postaci pozo­sta­ło­ści sub­stra­tów, pro­duk­tów ubocz­nych, a także nie­prze­re­a­go­wa­nego glinu.

Ilustracja: widoczne zanieczyszczenia

widoczne zanieczyszczenia

Zanie­czysz­czeń sta­łych pozby­wamy się w pro­sty spo­sób za pomocą sącze­nia, teraz już na zwy­kłym sączku bibu­ło­wym. Zbie­ramy kla­rowny prze­sącz barwy jasno­brązo­wej.

Ilustracja: przesącz

przesącz

W razie poja­wie­nia się na powierzchni cie­czy zanie­czysz­czeń ole­i­stych musimy je usu­nąć, naj­le­piej w roz­dzie­la­czu. Prze­sącz uzu­pełn­iamy 50cm3 wody desty­lo­wa­nej.

Teraz trzeba się pozbyć roz­pusz­czal­nych zanie­czysz­czeń, głów­nie związ­ków glinu. W tym celu przy­go­to­wu­jemy roz­twór 25g piro­siar­czynu sodu Na2S2O5 i 100cm3 ace­tonu C3H6O w 200cm3 wody desty­lo­wa­nej. Po połącze­niu obu roz­two­rów wytrącają się zanie­czysz­cze­nia.

Ilustracja: wytrącone zanieczyszczenia

wytrącone zanieczyszczenia

Osad należy oczy­wi­ście odsączyć. Zbie­ramy prze­sącz zawie­ra­jący roz­pusz­czony lumi­nol.

Ilustracja: oczyszczony roztwór

oczyszczony roztwór

Uzy­skaną ciecz wyle­wamy do kry­sta­li­za­tora i pozo­sta­wiamy do całk­o­wi­tego odpa­ro­wa­nia ace­tonu C3H6O i wody.

Ilustracja: surowy luminol

surowy luminol

Po odpa­ro­wa­niu kru­szymy pow­stałą masę i prze­my­wamy dwu­krot­nie, po 50cm3 wody. W ten spo­sób oczy­ścimy nie­roz­pusz­czalny w wodzie lumi­nol z ewen­tu­al­nych zanie­czysz­czeń pozo­sta­łych soli.

Otrzy­many w ten spo­sób związek można oczysz­czać dalej, ale nie jest to konieczne - mini­malne ilo­ści zanie­czysz­czeń nie przesz­ka­dzają w zde­cy­do­wa­nej więk­szo­ści zasto­so­wań.

Ilustracja: gotowy produkt

gotowy produkt

Gotowy lumi­nol może mieć barwę od bia­łej, przez żółtą do jasno­brązo­wej, a jego ilość wynosi poni­żej 1g.

Finał!

Przy­szedł czas na spraw­dze­nie che­mi­lu­mi­ne­scen­cyj­nych zdol­no­ści otrzy­ma­nego przez nas lumi­nolu. Reak­cja może być kata­li­zo­wana hek­sa­cy­ja­no­że­la­zia­nem(III) potasu K3[Fe(CN)6], co dokład­nie opi­sa­łem tutaj. Poniższe zdjęcia przed­sta­wiają efekt tej wła­śnie reak­cji.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Smugi świa­tła ciągną się za nie­wiel­kimi krysz­tałk­ami kata­li­za­tora wrzu­co­nymi do alka­licz­nego roz­tworu lumi­nolu i nad­tlenku wodoru. Po zamie­sza­niu płyn świeci już w całej objęto­ści.

Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja trwa dłu­żej w polar­nych roz­pusz­czal­ni­kach apro­tycz­nych, na przy­kład w  dime­ty­lo­sul­fo­tlenku DMSO. Zmie­nia się wtedy nieco barwa pow­sta­jącego świa­tła.

Ilustracja: chemiluminescencja w DMSO

chemiluminescencja w DMSO

Myślę, że uzy­skany efekt z nawiązką wyna­gra­dza czas spędzony w labo­ra­to­rium.

Akty­wa­cja świe­ce­nia lumi­nolu jest też możl­iwa do zai­ni­cjo­wa­nia kom­plek­sami mie­dzi oraz hemem, co jest pod­stawą sto­so­wa­nej w kry­mi­na­li­styce metody wykry­wa­nia krwi.

Pozo­staje mi już tylko życzyć sza­now­nym czy­tel­ni­kom w pełni uda­nych syn­tez.

Chciałbym podzięko­wać Aga­cie za pomoc w doku­men­ta­cji pro­cesu:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa