Weird Science

Zegar cysteinowy

Reak­cja z bły­skiem

Opi­sy­wany w tym arty­kule pro­ces jest przy­kła­dem tak zwa­nej reak­cji zega­ro­wej. Reak­cja taka pole­ga zwy­kle na sprzęże­niu dwóch rów­no­le­głych reak­cji: szyb­kiej i powol­nej. Efekt obja­wia się prze­ważnie zmianą barwy roz­tworu zacho­dzącą nagle po pew­nym cza­sie - tak jest na przy­kład w przy­padku łatwego do prze­pro­wa­dze­nia w warun­kach domo­wych zegara jodo­wego. W pre­zen­to­wa­nej reak­cji jest jed­nak ina­czej: zamiast zmiany barwy występuje tutaj błysk nie­bie­skiego świa­tła!

Potrzebne mate­riały

By móc prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie potrze­bu­jemy:

Ostrze­że­nie: W tym doświad­cze­niu wyko­rzy­sty­wany jest NaOH, który jest mocną zasadą i ma silne dzia­ła­nie żrące. Lumi­nol ma dzia­ła­nie aler­go­genne i jest podej­rze­wany o wła­ści­wo­ści rako­twór­cze! Należy bezw­zględ­nie uni­kać zanie­czysz­cze­nia oczu lub skóry! Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

3-ami­no­hy­dra­zyd kwasu fta­lo­wego, bar­dziej znany jako lumi­nol, jest nie­stety sto­sun­kowo dro­gim odczyn­ni­kiem. Na szczęscie jed­nak są potrzebne bar­dzo małe jego ilo­ści, więc nawet pół grama tej sub­stan­cji wystar­czy do prze­pro­wa­dze­nia wielu cie­ka­wych reak­cji. Jego wzór struk­tu­ralny:

Ilustracja

Można go też samemu zsyn­te­zo­wać, lecz wymaga to nieco zachodu. Dla chcącego nie ma nic trud­nego! Dla tych, którzy chcie­liby samo­dziel­nie uzy­skać tę sub­stan­cję, zamiesz­czam opis prze­pro­wa­dzo­nej przeze mnie syn­tezy lumi­nolu. Poni­żej zdjęcie próbki otrzy­ma­nego w ten spo­sób związku, który został wyko­rzy­stany także w tym doświad­cze­niu.

Ilustracja: luminol

luminol

Cyste­ina jest orga­nicz­nym związ­kiem che­micz­nym z grupy ami­no­kwa­sów, czyli związ­ków zawie­ra­jących zarówno zasa­dową grupę ami­nową -NH2, jak i kwa­sową grupę kar­bok­sy­lową -COOH.

Ilustracja

Cyste­ina, podob­nie jak pozo­stałe ami­no­kwasy, występuje w for­mie dwóch enan­cjo­me­rów, będących swo­imi lustrza­nymi odbi­ciami. Poni­żej, w postaci zwit­ter­jo­nów, zostały przed­sta­wione oba enan­cjo­mery cyste­iny:

Ilustracja

Do doświad­cze­nia można użyć dowol­nego z enan­cjo­me­rów cyste­iny, ich mie­sza­niny w dowol­nym sto­sunku lub race­matu.

Spo­sób prze­pro­wa­dze­nia

Pierw­szą rze­czą, jaką musimy zro­bić, jest przy­go­to­wa­nie trzech roz­two­rów według poniższego opisu:

Roz­twory mogą być prze­cho­wy­wane przez długi czas, o ile będą szczel­nie zamk­nięte. Roz­twory A i B naj­le­piej prze­cho­wy­wać w lodówce.

Przy­stępu­jąc do doświad­cze­nia należy jed­no­ra­zowo zmie­szać w kol­bie Erlen­mey­era po 25cm3 roz­two­rów A i B, oraz 1cm3 roz­tworu C. Mie­sza­nina musi być następ­nie bar­dzo ener­gicz­nie mie­szana, na przy­kład za pomocą mie­sza­dła magne­tycz­nego. W razie jego braku, ciecz można po pro­stu sil­nie wytrząsać. By móc zaob­ser­wo­wać efekt, należy robić to w ciem­no­ści, tak jak to poka­zuje poniższy film.

Jak widzimy, po pew­nym cza­sie ciecz roz­bły­skuje krót­k­o­tr­wa­łym, ale wyraźnie widocz­nym nie­bie­skim świa­tłem.

Wyja­śnie­nie

Lumi­nol jest związ­kiem, pod­czas utle­nia­nia którego docho­dzi do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, czyli emi­sji świa­tła na dro­dze reak­cji che­micz­nej. Zgod­nie z opi­sa­nym tutaj mecha­ni­zmem tego pro­cesu, by doszło do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji należy spełnić pewne warunki. Roz­twór powi­nien być zasa­dowy - taki odczyn zapew­nia uży­cie moc­nej zasady sodo­wej NaOH. Potrzebny jest także kata­li­za­tor, którym zwy­kle jest związek kom­plek­sowy żelaza, na przy­kład hek­sa­cy­ja­no­że­la­zian(III) lub hem. Jak prze­ko­na­li­śmy się jed­nak w toku doświad­czeń, che­mi­lu­mi­ne­scen­cja lumi­nolu może być także kata­li­zo­wana związ­kami mie­dzi, co wyko­rzy­stano w niniej­szym doświad­cze­niu. Zau­ważmy jed­nak, że tym razem nie wyko­rzy­stu­jemy, jak zwy­kle w podob­nych reak­cjach, żad­nego ener­gicz­nego utle­nia­cza! Skąd­i­nąd wiemy także, że woda jest sil­nym inhi­bi­to­rem reak­cji utle­nia­nia lumi­nolu, więc w śro­do­wi­sku wod­nym nie docho­dzi do jego utle­nia­nia tle­nem pocho­dzącym z powie­trza. W takim razie należy zasta­no­wić się, w jaki spo­sób tutaj może docho­dzić do utle­nia­nia lumi­nolu, które obja­wia się świe­ce­niem?

Klu­czowa jest tutaj rola cyste­iny. Ami­no­kwas ten, szcze­gól­nie w śro­do­wi­sku zasa­do­wym, bar­dzo łatwo utle­nia się two­rząc dimery połączone most­kami dwu­siarcz­ko­wymi (mostki takie pełnią pod­sta­wową funk­cję w ksz­tałt­o­wa­niu prze­strzen­nej kon­fi­gu­ra­cji bia­łek). Dimery takie nazywa się cystyną. Reak­cja dime­ry­za­cji pod­czas ener­gicz­nego mie­sza­nia zasa­do­wego roz­tworu cyste­iny zacho­dzi kosz­tem tlenu atmos­fe­rycz­nego: cyste­ina zostaje utle­niona do cystyny, zaś tlen zre­du­ko­wany do postaci nad­tlenku wodoru H2O2 według rów­na­nia reak­cji:

Ilustracja

Pow­stały nad­tle­nek wodoru jest na tyle ener­gicz­nym utle­nia­czem, że może być wyko­rzy­stany do che­mi­lu­mi­ne­scen­cyj­nego utle­nia­nia lumi­nolu.

W ten spo­sób wyja­śni­li­śmy kwe­stię pow­sta­nia utle­nia­cza koniecz­nego do zaj­ścia reak­cji. Dla­czego jed­nak reak­cja zacho­dzi dopiero po okre­ślo­nym cza­sie? Odpo­wiedź jest pro­sta: wyka­zu­jące dzia­ła­nie kata­li­tyczne jony mie­dziowe są począt­kowo sil­nie skom­plek­so­wane przez pozo­sta­jącą w roz­two­rze cyste­inę. Dopiero po prze­ksz­tałc­e­niu całej dostęp­nej cyste­iny w nie­po­sia­da­jącą zdol­no­ści kom­plek­so­wa­nia mie­dzi cystynę, i co za tym idzie, wytwo­rze­niu odpo­wied­niej ilo­ści nad­tlenku wodoru, docho­dzi do utle­nia­nia lumi­nolu, co obser­wu­jemy w postaci emi­sji nie­bie­skiego świa­tła.

Czas zaj­ścia reak­cji można regu­lo­wać poprzez ilość uży­tej cyste­iny, oraz dobór inten­syw­no­ści mie­sza­nia, w ten spo­sób, że im mniej zasto­suje się cyste­iny i im ener­gicz­niej będzie mie­szany roz­twór, tym czas ocze­ki­wa­nia będzie krót­szy.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa