W artykule poświęconym promowaniu używania wzorów szkieletowych narysowałem wzór octanu etylu jako:

Jest w tym tyle prawdy, ile w wymawianiu litery a angielskiego słowa apple {jabłko}, jako polskiego [a], choćby właśnie w wyrazie „j[a]błko”. Wiemy, że patrząc z perspektywy języka polskiego angielskie a(pple) wymawiamy jako coś pomiędzy polskim [a] a polskim [e]. Dobrze oddaje to ligatura æ używana w Międzynarodowym Alfabecie Fonetycznym, która jest niczym innym jak graficznym przedstawieniem tego pośredniego dźwięku, którego graniczne (kanoniczne – nieosiągalne) struktury moglibyśmy przedstawić jako: [a ↔ e]. Jest to bliska analogia do bardziej prawdziwego wzoru octanu etylu, który należałoby przedstawić jako:

Innymi słowy, chemicznym odpowiednikiem ligatury æ byłby poniższy wzór oddający charakter wiązań pojedynczych i podwójnych w strukturach granicznych, jako wiązanie półtorakrotne oznaczone kombinacją linii ciągłej i przerywanej.

W obydwu przypadkach literę/wzór, w piśmie wyrażamy jedną – prostszą, a może raczej historycznie pierwotną, strukturą graniczną, odpowiednio a(pple)/(wzór na rysunku poniżej),

podczas gdy, ligatura æ / (wzór poniżej) maja raczej charakter pomocniczy.

Moglibyśmy sobie jednak wyobrazić, że przyjęto by konwencję używania (chemicznych) ligatur jako pełnoprawnych liter (wzorów), jak to ma, chociażby miejsce w języku francuskim, np. w słowie œuf {jajko}, gdzie francuskie œ to nic innego jak polskie [e] wymawiane z zaokrąglonymi ustami jak do [o], czyli: [e ↔ o] lub [o ↔ e], jeśli przeformułujemy instrukcję jako: „zaokrąglij usta jak do [o] i wymów [e]”.

Czasami jednak można rozpisać 3, 4…10… struktur granicznych związków organicznych i taki bardziej poprawny wzór 'ligaturyczny', teoretycznie lepiej oddający rzeczywistość, w praktyce byłby szalenie nieczytelny, o ile w ogóle możliwy do narysowania.

Wiemy już, że wzory mezomeryczne oddają pewien jedynie intuicyjnie wyobrażalny wzór, który jest czymś pomiędzy narysowanymi – w rzeczywistości nieistniejącymi podstrukturami. Co więcej, charakter tej rzeczywistej cząsteczki niekoniecznie jest w 50% odzwierciedleniem tych struktur kanonicznych, w niektórych przypadkach może to być bardziej 60:40 %, a w innych 90:10 %, albo na odwrót. Nie jesteśmy w stanie oszacować liczbowo tego udziału, ale porównując pary czy zestawy związków, które nieznacznie się różnią, możemy przewidywać wzrost/spadek tendencji do któregoś ze wzorów granicznych i zarazem przewidywać np. różnicę w aktywności, w reakcjach ze związkami o charakterze nukleofilowym/elektrofilowym lub kwasowość związku poprzez stabilizację powstającego anionu.  I tak wiemy, że w poniższym trio związków względną tendencję do zbliżania się rzeczywistej struktury do jednej z kanonicznych obrazuje pogrubiony zwrot strzałki.

Pośrednio przekłada się to na kwasowość (łatwość odrywania) protonów grup metylowych (tioester będzie najbardziej kwaśny, a amid najmniej) oraz tendencją do reakcji partnerów nukleofilowych z grupą karbonylową, również rosnącą od najmniej aktywnego amidu do najbardziej aktywnego tioestru.

Aby analizować tego typu efekty, musimy jednak wpierw ‘poczuć’, czym jest elektroujemność oraz zrozumieć różnicę w wielkości orbitali pierwiastków z poszczególnych szeregów układu okresowego. Na początek jednak wytłumaczę najprostszą kwestię – skąd się wzięły te plusy i minusy w strukturach kanonicznych, czyli tzw. ładunki formalne.

Szanowni Państwo, nazywam się Michał Nowacki i jestem adiunktem w Zakładzie i Katedrze Technologii Leków i Biotechnologii Farmaceutycznej na Wydziale Farmaceutycznym Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego.

Jednym z ważnych obszarów zainteresowania farmacji jest poszukiwanie nowych leków oraz projektowanie, coraz to lepszych, metod syntezy związków zarówno już stosowanych w lecznictwie, jak i dopiero odkrywanych. W zdecydowanej większości są to umiarkowanie złożone związki organiczne wodoru [H], węgla [C], ale też tlenu [O] i azotu [N] czy rzadziej, siarki [S], chloru [Cl], bromu [Br], jodu [I] i fosforu [P], boru [B], fluoru [F] i innych pierwiastków.

Celem cyklu zajęć, które przygotowałem, jest m.in. zachęcenie Państwa do aplikowania w przyszłości na nasz Wydział Farmaceutyczny, a następnie wstąpienia w szeregi koła Studenckiego „Synthesis”, które mam przyjemność współprowadzić wraz z Panią Doktor Martyną Wróbel, a jeszcze w bardziej odległej przyszłości do aktywnego uczestnictwa w badaniach naukowych nad nowymi lekami i metodami ich otrzymywania.

W trakcie warsztatów, wspólnie, w sposób teoretyczny — na papierze/tablicy/ekranie komputera lub smartfona, zaprojektujemy syntezy ważnych związków organicznych z naszego otoczenia: nie tylko leków, ale też substancji zapachowych, pestycydów, feromonów, konserwantów, a nawet materiałów wybuchowych.

Na początek jednak ważna uwaga! Treść, szczególnie, pierwszych wykładów świadomie zawiera liczne uproszczenia zjawisk opisywanych przez mechanikę kwantową i może być przyczyną frustracji osób konserwatywnie podchodzących do chemii. Uważam jednak, że lepiej być w stanie sobie jakkolwiek wyobrazić podstawowe koncepcje w sposób graficzny, w nie do końca poprawny sposób, niż w pełni poprawny opowiadać o nieprzemawiających do wyobraźni słuchaczy koncepcjach, do których opisu angażuje się np. równanie Schrödingera czy rachunek tensorowy. Wiem, że niektórzy mogą być odmiennego zdania; osoby zainteresowane tym bardziej poprawnym opisem odsyłam do książek poświęconych mechanice kwantowej.

Synteza organiczna, która jest narzędziem umożliwiającym otrzymywanie i przekształcanie cząsteczek, przypomina logiczną, czy wręcz strategiczną grę planszową i żeby granie w nią sprawiało nam przyjemność, musimy wpierw poznać i zaakceptować jej podstawowe reguły – reguły stworzone przez siły Natury na bardzo długo przed pojawieniem się człowieka na Ziemi.

Do dyspozycji mamy różne kostki, a właściwie kulki surowców, które możemy łączyć ze sobą, za pomocą wiązań, w użyteczne substancje chemiczne.

Na początku zrobimy sekcję cząsteczki najprostszego surowca z naszej gry — wodoru, który w najprostszej formie występuje jako H₂ i w postaci plastikowego modelu wygląda jak mała hantla.

Każda biała kulka to jądro atomowe, które zbudowane jest tylko z 1 protonu, cząstki naładowanej dodatnio. Co się stanie, jeśli zbliżę do siebie 2 takie cząstki?

Zaczną się odpychać i im bardziej spróbujemy je ze sobą zbliżyć, tym silniej będą się odpychały. Podobnie jak magnesy zbliżone do siebie tym samym biegunem, zrobią wszystko, żeby tylko się ze sobą nie połączyć.

W mikroświecie istnieją również cząstki naładowane ujemnie — elektrony, które umożliwiają łączenie się ze sobą jąder atomowych, w związki chemiczne.

Pomimo tego, że elektron jest 2000 razy lżejszy od protonu, to przyjmujemy, że ich ładunki się wzajemnie równoważą. Protony i elektrony przyciągają się, podobnie jak magnesy zbliżone przeciwnymi biegunami, ale wbrew temu, co widzimy, zbliżając magnesy dostatecznie blisko siebie, nie ‘sklejają się’. I to jest jedna z najważniejszych reguł, którą musimy zaakceptować, choć wydaje się ona pozornie sprzeczna z intuicją. Gdyby jednak tak było, jak podpowiada nam intuicja, to wszechświat uległby natychmiastowej anihilacji — a tak się jednak nie dzieje.

Możemy spróbować to zrozumieć, porównując elektron na przykład do Księżyca, który jest naturalnym satelitą Ziemi (odpowiednika protonu). Jeśli zużyję część energii wytwarzanej w moim organizmie, aby zadziałać siłą swoich mięśni i podskoczyć, to w związku z tym, że działa na mnie siła grawitacji, po chwili zostanę sprowadzony z powrotem na ziemię. Możemy jednak na przykład podpiąć pod rakietę kosmiczną satelitę i wytworzyć za pomocą jej silnika na tyle dużo energii spalając paliwo (np.: hydrazynę: NH₂—NH₂), aby przezwyciężyć siłę grawitacji.

Rakieta wynosząca satelitę wytraca energię, cały czas opierając się sile grawitacji oraz ze względu na zderzanie się z cząsteczkami gazów (opory powietrza). W momencie, gdy wydostanie się poza atmosferę, znajduje się już jednak w próżni i możemy przyjąć, że już nie traci energii w zderzeniu z innymi cząsteczkami, a w pewnym momencie siła przyciągania ziemskiego, która słabnie wraz z oddalaniem się rakiety, równoważy siłę, którą nadaje rakiecie spalanie mieszanki paliwowej, co można kontrolować. W tym momencie wypuszczenie satelity, która ma energię wewnętrzną wynikającą z faktu, że była częścią tej rakiety (podobnie jak ciało człowieka wyskakującego z pociągu ma pęd nadany przez ruch tego pociągu), powoduje, że chęć dalszej ucieczki satelity w kosmos jest równoważona przez siłę przyciągania ziemskiego i satelita zaczyna okrążać Ziemię i ani na nią nie spada, ani nie ulatuje w kosmos, przynajmniej, dopóki przypadkowo nie zderzy się z jakimś większym obiektem.

Księżyc krążący wokół Ziemi, podobnie jak elektron wokół jądra, jest sytuacją, którą już zastaliśmy, ale w związku z tym, że zarówno elektron, jak i Księżyc mają energię, której nie wytracają, przekłada się ona na siłę przeciwstawiającą się ich zderzeniu i zlepieniu z ciałem, które okrążają.

Bardziej naukowe, z zastosowaniem wzorów matematycznych, ale jeszcze dające się zrozumieć, wyjaśnienie, dlaczego elektron nie spada na jądro, znajdziecie Państwo w filmiku (nie mojego autorstwa).

Wynika z tego następująca konstatacja: „ujemnie naładowany elektron nie spada na dodatnio naładowane jądro pomimo istniejącej między nimi siły przyciągania”.

Innymi słowy, elektron pozostaje w ciągłym ruchu, otaczając jądro, ale nie tyle po orbicie, ile po sferze. Wyobraźmy sobie, że mamy 2 balony, włożone jeden w drugi. Do środka tego wewnętrznego wkładamy ziarnko maku i pompujemy go. Następnie pompujemy również, ale nieco mocniej zewnętrzny. Wyobraźmy sobie teraz, że ziarnko maku, które obrazuje rozmiar proton, lewituje w samym środku mniejszego balonu. Elektron możemy sobie wyobrazić jako kilka rzędów wielkości mniejszą cząstkę, która porusza się tak ekstremalnie szybko (tak naprawdę jest jednocześnie falą, ale o tym później), i przez 90-95% czasu jest gdzieś w przestrzeni między pierwszy a drugim 'balonem'. Otrzymujemy zatem rozmyty obraz jej obecności w przestrzeni, która jest wycinkiem kuli i nazywamy tę przestrzeń orbitalem atomowym, pamiętajmy jednak, że tak naprawdę nie ma fizycznej bariery — ścianek balonu, które by ograniczały ruch elektronu, to ograniczenie wynika z posiadanej przez elektron energii i jego siły oddziaływania z jądrem (w tym przypadku pojedynczym protonem).

W kolejnym odcinku opowiem o naturalnej tendencji elektronów, o przeciwnych spinach, do łączenia się w pary.

Odpowiednikiem słów w języku obcym, z których budujemy wypowiedzi, w przypadku chemii organicznej są (proste) związki chemiczne. Ten tekst poświęcę na zapoznanie czytelnika z kilkudziesięcioma rozpuszczalnikami, a zatem substancjami pełniącymi funkcje raczej pomocnicze, które trudno mi jest porównać do czegoś sensu stricte obecnego w językach. Niemniej i one mogą (i często tak się dzieje) posłużyć jako typowy substrat — budulec bardziej złożonych związków. Tutaj jednak ograniczę się do przedstawienia ich podstawowych zastosowań oraz przy okazji zaprezentuję ich struktury i chemiczne skróty/akronimy, pod którymi występują — a to już jest bliskim odpowiednikiem systemu pisma/ortografii języków naturalnych.

Podobnie, jak w przypadku omówionych w poprzednim odcinku różnic pomiędzy przeładowanymi oczywistymi informacjami wzorami strukturalnymi — a będących niezbędnym minimum — szkieletowymi, dysponujemy różnymi sposobami zapisu rozpuszczalników (i innych związków) w formie linearnej, na przykład w tekście lub na schemacie nad/pod strzałką symbolizującą reakcję chemiczną.

Octan etylu możemy zapisać jako:

CH₃COOCH₂CH₃

CH₃CO₂CH₂CH₃

MeCO₂Et

AcOEt[1]

EA[2]

Spośród wymienionych preferuję ten pogrubiony. Wykorzystuje on skróty dwóch często występujących grup: acetylowej (Ac) i etylowej (Et) połączonych atomem tlenu (O). Akronim EA, choć krótszy, nie jest tak jednoznacznie oczywisty, jego percepcja wymaga przekształcenia go z angielskiej nazwy na wzór, więc wymaga dodatkowych operacji umysłowych.

Przy omawianiu poszczególnych rozpuszczalników będę podawał również ich typowe zastosowania, przy czym:

R — to rozpuszczalnik stosowany często do prowadzenia reakcji,

E — do ekstrakcji roztworów wodnych; wyklucza to użycie rozpuszczalników mieszających się z wodą bez ograniczeń, co będę oznaczał symbolem lemniskaty (∞),

C — stosowany często w chromatografii kolumnowej; przy czym C oznacza domyślnie chromatografię na żelu krzemionkowym (faza normalna), a C_o rozpuszczalnik stosowany do fazy organicznej na fazach odwróconych (najczęściej organicznych pochodnych krzemu, zawierających długie alifatyczne łańcuchy, np. tzw. C-18).

Zatem powyższy zapis oznacza, że octan etylu stosowany jest najczęściej do ekstrakcji i chromatografii na fazach normalnych.

Najbliższymi pochodnymi wody (H₂O), są alkohole: metylowy[3]) (MeOH), etylowy (EtOH), izopropanol (i-PrOH) rzadziej n-butanol (n-BuOH) oraz fluorowcowane, lekko kwaśne fluorowcowane pochodne: 2,2,2-trifluoroetanol (CF₃CH₂OH; TFEA) oraz dość drogi heksafluoroizopropanol [(CF₃)₂CHOH, HFIP].

Metanol (MeOH) jako jeden z niewielu rozpuszczalników rozpuszcza wiele soli zarówno organicznych, jak i nieorganicznych.

Inną grupą polarnych rozpuszczalników mieszających się z wodą bez ograniczeń są kwasy karboksylowe: mrówkowy (HCO₂H), octowy[4] (AcOH) i trifluorooctowy[5] (TFA) pełniące często dodatkowo funkcję kwaśnego katalizatora.

Kolejną grupą, aczkolwiek dość różnorodną są etery.

Najważniejszy z nich tetrahydrofuran (THF) to najczęściej stosowany rozpuszczalnik do transformacji prowadzonych w obniżonej temperaturze (często < -70°C). Bardzo często stosuje się go w reakcjach, w których generowane są karboaniony, w czym nierzadko uczestniczy jedna z najsilniejszych zasad znanych w chemii organicznej – n-butylolit (n-BuLi), która reaguje z większością rozpuszczalników (uwaga w temperaturze pokojowej BuLi rozkłada również THF!). Do opisanego powyżej celu stosuje się wyłącznie suszony THF, przetrzymywany „pod argonem” (w atmosferze gazu obojętnego — argonu).

Bliski analog strukturalny — 1,4-dioksan, choć nie nadaje się do powyższych celów (krzepnie już w 12°C), to z powodzeniem może być stosowany w reakcjach wymagających z kolei ogrzewania (temp. wrz. to 101°C; dla THF’u 66°C).

Eter dietylowy (Et₂O) jest, w przeciwieństwie do mieszających się z wodą bez ograniczeń[6] THF’u i 1,4-dioksanu, rozpuszczalnikiem stosowanym najczęściej do ekstrakcji, zwłaszcza związków o niewielkiej, lub umiarkowanej polarności. Ze względu na niską temperaturę wrzenia (35°C) i związane z tym: łatwość samozapłonu oraz działanie narkotyczne na eksperymentatora oraz skłonność do tworzenia wybuchowych nadtlenków[7], (podobnie jak THF i 1,4-dioksan) często zastępowany jest bardziej stabilnym eterem tert-butylowo metylowym (MTBE; temp. wrz. 55°C), który jednak nie powinien być stosowany do ekstrakcji bardzo kwaśnych wodnych roztworów, pod wpływem których może nastąpić jego rozszczepienie.   

Zdecydowanie najrzadziej używanym rozpuszczalnikiem z tej grupy jest eter difenylowy (Ph₂O), który stosowany jest do prowadzenia reakcji wymagających ogrzewania w wysokiej temperaturze (np. termicznych eliminacji czy przegrupowań sigmatropowych). To, co jest jego zaletą (temp. wrz. 259°C) powoduje jednak techniczne trudność związane z pozbyciem się go z mieszaniny poreakcyjnej (ekstrakcje rozpuszczalnikami o niskiej polarności / chromatografia kolumnowa).

Zróżnicowaną klasą, którą łączy m.in. nieograniczona mieszalność z wodą, są rozpuszczalniki polarne aprotonowe do których należą, stosowane głównie w formie ‘suchej’ m.in: aceton (AcMe), acetonitryl (MeCN), dimetyloformamid (DMF), dimetylopirolidon (NMP), dimetylosulfotlenek (DMSO), pirydyna (Py).

Ze względu na zdolność solwatowania kationów bardzo często stosowane są w reakcjach substytucji nukleofilowej (najczęściej S_N2). Ponadto często umożliwiają rozpuszczenie zarówno substancji, które trudno rozpuszczają się w jakichkolwiek innych rozpuszczalnikach, jak i niekiedy pewnej ilość soli nieorganicznych.[8]

Te o najsłabszych ‘zdolnościach’ do rozpuszczania: acetonitryl (temp. wrz. 82°C) i dość reaktywny aceton (56°C) łatwo odparować z mieszaniny reakcyjnej. Pirydynę (115°C), a w szczególności DMF (153°C) można w większości usunąć pod zmniejszonym ciśnieniem na wyparce, pod warunkiem zastosowania tzw. ‘odwróconego łapacza kropel’ uniemożliwiającego powrót oddestylowywanego rozpuszczalnika z powrotem do kolby. W przypadku DMF’u konieczne jest dodatkowo zwiększenie temp. łaźni wodnej do ok 60-65°C.

Alternatywnym/równoległym rozwiązaniem jest wielokrotne odparowanie mieszaniny poreakcyjnej z toluenem (PhMe), który z obydwoma rozpuszczalnikami tworzy azeotropy o niższej temperaturze wrzenia. Innym rozwiązaniem stosowanym w przypadku DMF, NMP (temp. wrz. 202°C), czy DMSO (temp. wrz. 189°C)  jest rozcieńczeniem mieszaniny poreakcyjnej wodą, ekstrakcja możliwie mało polarnym rozpuszczalnikiem organicznym (jeśli to możliwe, najlepiej eterem dietylowym, jeśli nie rozpuszcza on produktu to  np. octanem etylu, po czym frakcje organiczne wielokrotnie przemywa się nasyconym roztworem NaCl w wodzie — tzw. solanką, w której większość związków organicznych się nie rozpuszcza, a te polarne aprotonowe rozpuszczalniki tak). W przypadku pirydyny możliwe jest skuteczne odmycie jej z fazy organicznej za pomocą rozcieńczonych roztworów HCl (pod wpływem których tworzy słabo rozpuszczalną w fazie organicznej sól — chlorowodorek pirydyny), o ile i produkt nie zawiera zasadowych grup (np. aminowych) i jest odporny na działanie kwasów.

W przypadku niedającego się odparować na wyparce DMSO alternatywną metodą jest jego wymrożenie i sublimacja w liofilizatorze.

Warto również wspomnieć, że acetonitryl jest najczęściej stosowanym (w parze z wodą) rozpuszczalnikiem w przypadku rozdziałów chromatograficznych prowadzonych na odwróconych fazach.

Po przeciwnej stronie skali znajdują się rozpuszczalniki niepolarne aprotonowe m.in. heksan (HexH[9]), cykloheksan (CyH[10]), pentan, heptan, toluen (PhMe), benzen (PhH) i ksyleny.

Heksan (w postaci izomerów) oraz mniej toksyczny cykloheksan (uwaga temp. top. 7°C) i toluen stosowane są jako eluenty do chromatografii kolumnowej. Toluen sporadycznie wykorzystywany jest również do ekstrakcji. Specyficznym zastosowaniem toluenu, coraz rzadziej wybieranego benzenu oraz niekiedy cykloheksanu jako rozpuszczalników w reakcjach, jest możliwość tworzenia przez nie azeotropów z wodą, które po skropleniu za pomocą chłodnicy zwrotnej można rozdzielić za pomocą specjalnej nasadki tzw. aparatu Deana-Starksa na wodę i rozpuszczalnik organiczny, który w zamkniętym cyklu wraca do ogrzewanej w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika (tzw. refluksie) kolby reakcyjnej. Taką technikę stosuje się m.in. w kondensacji Knoevenagela lub przekształcania aldehydu lub ketonu odpowiednio w (cykliczny) acetal lub ketal np. za pomocą glikolu etylenowego [HO(CH₂)₂OH], gdzie obecność śladowej choćby ilości wody inhibuje przebieg tych równowagowych transformacji.  

Pentan (temp. wrz. 36°C) stosowany jest czasem do wytrącania i/lub przemywania osadów. Otrzymywane w ten sposób stałe związki często mają postać pyłu, który skutecznie można wyszyć na lejku Schotta i/lub pompie olejowej, w celu pozbycia się resztek rozpuszczalnika.

Heptan (98°C) wykorzystywany jest do ‘pseudo-krystalizacji’. Próbkę zawierającą mniej polarne zanieczyszczenie można zagrzać w heptanie do wrzenia i po schłodzeniu do temp. pokojowej, odsączyć nierozpuszczony osad od przesączu zawierającego niepolarne zanieczyszczenia, co często pozwala w prosty sposób oczyścić związek unikając chromatografii.

Ksylen, występujący w postaci wysokowrzącej (~ 140°C) mieszaniny izomerów (orto, meta, para) podobnie jak omawiany wcześniej eter difenylowy służy do prowadzenia reakcji wymagających ogrzewania w wysokiej temperaturze.

Ostatnią ważną grupą są rozpuszczalniki chlorowcowane m.in. chlorek metylenu (DCM), 1,2-dichloroetan (DCE), chloroform (CHCl₃), coraz rzadziej stosowany czterochlorek węgla (CCl₄) i jeszcze rzadziej chlorobenzen PhCl.

Dichlorometan (temp. wrz. 40°C) stosowany jest zarówno jako rozpuszczalnik (często bezwodny), do licznych reakcji, ale również do ekstrakcji czy chromatografii kolumnowej. Innym zastosowaniem, w parze z heksanem lub heptanem, jest możliwość wykorzystania go do wytrącania na wyparce, w trakcie którego lepiej rozpuszczający związki organiczne DCM jest oddestylowywany jako pierwszy, co dodatkowo radykalnie schładza mieszaninę, co często ułatwia wypadanie czystego związku w postaci osadu lub oleju, znad którego można ściągnąć fazę węglowodorową zawierającą mniej polarne zanieczyszczenia. DCM stosowany jest często również jako rozpuszczalnik do przenoszenia substancji np. z większej kolby do mniejszej (kolby lub fiolki). W połączeniu z metanolem (np. jako 50% roztwór) umożliwia rozpuszczenie większości substancji, które nie rozpuszczają się np. ani w samym MeOH ani w DCM.

Niekiedy jako alternatywę dla chlorku metylenu, zwłaszcza dla reakcji wymagających umiarkowanego ogrzewania, stosuje się wyżej wrzący 1,2-dichloroetan (temp. wrzenia 83°C).

Chloroform używa się często do ekstrakcji, nanoszenia mieszanin reakcyjnych na kolumnę chromatograficzną, ale chyba jego najważniejszym zastosowaniem jest użycie do kilkukrotnego odparowywania próbek oczyszczonego produktu, przed analizą NMR, w celu usunięcia (‘wypchnięcia’) resztek innych rozpuszczalników. Jako że w spektroskopii NMR najczęściej stosowany jest CDCl₃ ‘naturalnie’ zawierający pewną ilość CHCl₃, jego niewielka dodatkowa ilość wynikająca z odparowywania jest bardziej akceptowalna, niż piki od innych rozpuszczalników.

Czterochlorek węgla (temp. wrz. 77°C) podobnie jak benzen, to typowy rozpuszczalnik stosowany do reakcji rodnikowych.

Chlorobenzen (temp. wrz. 132°C) wybierany w analogicznych sytuacjach jak ksylen czy eter difenylowy, jest najbardziej z nich stabilny w warunkach kwasowych, najmniej w silnie zasadowych.

Na tym zakończę to dosyć arbitralne omówienie rozpuszczalników, pośród których zabrakło m.in. dekaliny, nitrobenzenu, disiarczku węgla (CS₂), eteru naftowego (będącego niesprecyzowana mieszanką róznych węglowodorów) czy HMPA, ale taką listę można rozciągać w nieskończoność.

W kolejnym odcinku, przećwiczymy przekształcanie reakcji krótkich syntez z ciężkostrawnej formy zapisu wzorami strukturalno-półstrukturalno-półszkieletowymi pokutującymi dalej nawet w najbardziej współczesnych skryptach i podręcznikach, na łatwo przyswajalne szkieletowe. Mam nadzieję, że powyższy trening na rozpuszczalnikach stanowił wystarczającą rozgrzewkę.  

[1] Uwaga, Ac jest też skrótem od rzadko spotykanego pierwiastka aktynu.

[2] Akronim od angielskiej nazwy ethyl acetate.

[3] Umiarkowanie dobrze rozpuszcza wiele soli organicznych.

[4] Czysty kwas octowy (tzw. lodowaty) krzepnie już w 17°C).

[5] Silny kwas o mocy zbliżonej do kwasów nieorganicznych.

[6] THF, 1,4-dioksan, ale również EtOH lub MeOH ze względu na nieograniczoną mieszalność z wodą często wybierane są jako współrozpuszczalnik w reakcjach hydrolizy, w których stosowany jest wodny roztwór wodorotlenku lub np. kwasu solnego. Rozpuszczalnik organiczny umożliwia rozpuszczenie substratu, a jego mieszalność z wodą umożliwia otrzymanie mieszaniny jednofazowej.

[7] Mechanizm powstawania nadtlenków, które po dziś są powodem najtragiczniejszych w skutkach wypadków w laboratoriach oraz mechanizm działania stabilizatorów (na przykład BHT), które są dodawane do niektórych rozpuszczalników, by temu zapobiec, omówię kiedyś w oddzielnym artykule.

[8] Przydatnym narzędziem do sprawdzania rozpuszczalności soli nieorganicznych w rozpuszczalnikach jest rosyjska baza danych „База данных физико-химических свойств и синтезов веществ”. Jednak, jak się przekonałem w praktyce, rozpuszczalność niektórych soli jest zdecydowanie niższa niż to wynika z powyższej wyszukiwarki i innych tablic chemicznych. Przypuszczam, że tak „świetna” rozpuszczalność niektórych soli wynika z niskiej jakości (dużej zawartości wody) rozpuszczalników i soli nieorganicznych (też niewykluczone, że zawilgoconych, jako, że większość z nich jest higroskopijna), które były używane w pomiarach, te kilkadziesiąt lat temu i nikt tego nie skorygował/zaktualizował. Przy próbie rozpuszczenia sproszkowanego K₂CO₃ w DMF’ie czy DMSO (niesuszonych, CZDA, dopiero co otwarta butelka) nie byłem w stanie rozpusćić kilku, a może i 10-krotnie mniejszej ilości! od tej, która wynikała z tablic.

[9] Półoficjalny, rzadko stosowany skrót.

[10] J.w.

W poprzedniej części nieco wysługując się jednym z moich ulubionych pisarzy — Jackiem Londonem zachęcałem do dogłębnego analizowania reakcji i syntez opisanych w podręcznikach i literaturze fachowej. Żeby ułatwić percepcję przedstawionej w nich/niej wiedzy, moim zdaniem niezbędne jest jak najszybsze przestawienie się na używanie wyłącznie wzorów kreskowych, zwanych również szkieletowymi, zamiast najczęściej stosowanych, w podręcznikach, różnych wariacji wzorów: strukturalnych, półstrukturalnych i częściowo tylko szkieletowych. Autorzy podręczników je stosujący, z niewiadomego mi powodu, traktują Czytelnika jako pozbawionego wyobraźni i nieumiejącego zliczyć do, w porywach, ośmiu. Kurczowe trzymanie się tych wzorów jest najszybszą drogą do znienawidzenia chemii organicznej, a notowanie w ten sposób jest bardzo męczące i nużące, podobnie jak sposób percepcji takich wzorów przez umysł. Uważam, że stosowanie takich wzorów w podręcznikach powinno być karalne, gdyż uniemożliwia uczniom i/czy studentom polubienie tej fascynującej nauki, jaką jest chemia organiczna.

Zachęcam zatem do jak najszybszego odkręcenia bocznych kółek od rowerka i zdecydowania się na znacznie przyjemniejszą przejażdżkę ze wzorami szkieletowymi.

Powyższą, wcale nie nazbyt krzywdzącą, uwagę zobrazuję przykładem związku znanemu Państwu z życia pozalaboratoryjnego. Poniższa substancja jest głównym składnikiem zmywaczy konwencjonalnych lakierów do paznokci[1] oraz jedną z naturalnych substancji zapachowych obecnych w białym winie.

W przedstawionym powyżej modelu ważnego rozpuszczalnika organicznego i surowca do syntez — octanu etylu, bo o nim mowa, kolorem białym oznaczono atomy wodoru (H), czarnym węgla (C) a, czerwonym tlenu (O). Cząsteczka ta jest zaprezentowana w postaci najbardziej stabilnego konformeru, którego wszystkie grupy i atomy są możliwie daleko od siebie, ale należy pamiętać, że jest ona w ciągłym ruchu i następują nieustanne obroty wokół wszystkich wiązań pojedynczych.

Przekształcenie, pokazanego wcześniej, modelu kulkowego w powyższy pokazujący wszystkie informacje plus orbitale elektronowe z parami elektronami, ręcznie – na papierze zajęło mi ok. 45 sekund. Wzór zawiera 8 atomów H, 4 C, 2 O, 8 wiązań — (uwzględniając podwójne =) oraz 3 przedstawione klinem ponad płaszczyznę kartki, oraz 3 poniżej płaszczyzny, dodatkowo 4 orbitale zawierające 2 elektrony na każdym (w sumie 8). Zliczając — aż 40 (bitów) informacji!

Można go uprościć do wzoru półstruktualnego, którego narysowanie zajęło mi ok. 20 sekund i zredukowało liczbę informacji do 22.

Dokonując kolejnych uproszczeń, możemy dojść do różnych wariantów wzorów, na których zapisanie wystarczy < 10 sekund zawierających odpowiednio 12 i 10 informacji. Wzory te charakteryzują się tym, że chowają informacje na temat sposobu połączenia atomów i geometrii cząsteczki, zatem, żeby ją sobie wyobrazić i odtworzyć trzeba dokonać licznych operacji myślowych.

Niestety autorzy większości podręczników, z zupełnie niezrozumiałego dla mnie powodu, z uporem sadysty lubują się w różnych wariantach podobnych wzorów.

Tymczasem wystarczy < 5 sekund, żeby przedstawić octan etylu w postaci przyjemnego dla oka wzoru szkieletowego składającego się z: 2 atomów tlenu i 6 wiązań — (uwzględniając podwójne =) w sumie tylko 8 (bitów) informacji! Wzór ten, zakładając u osoby go odczytującej znajomości prostych reguł, które przypomnę poniżej, zawiera dokładnie te same informacje co wzór strukturalny, którego narysowanie i percepcja zajmuje prawie 10-krotnie więcej czasu i wysiłku!

Wystarczy pamiętać o kilku regułach:

1. Na końcach kresek oraz punktach przegięcia lub łączenia się kresek, niezakończonych literami, domyślnie znajdują się atomy węgla (C),
2. Każdy z niezaznaczonych atomów węgla jest połączony wiązaniami pojedynczymi (—) z taką liczbą atomów wodoru (H), żeby zgromadzić wokół siebie oktet walencyjny. Innymi słowy, zakończenie kreski odpowiada grupie CH₃, punkt zagięcia (>) grupie CH₂, w przypadku punktu, od którego odchodzą 3 rozgałęzienia (Y) CH. Dla punktów, od których odchodzą 4 kreski (np. X lub >=) węgiel nie tworzy dodatkowego wiązania z wodorem.
3. Atomy wodoru (H) musimy zapisać tylko wtedy, gdy są połączone z innym atomem niż węgiel (C), najczęściej: O, N, S, P i.in.
4. Wolnych par elektronowych (dotyczy najczęściej O, N, S, P, Se, F, Cl, Br, I i.in.) nie trzeba zaznaczać, ich domyślna liczba również wynika z reguły oktetu. Jeśli tlen (O) jest połączony dwoma wiązaniami z innym(i) atomem/ami to muszą być wokół niego 4 niewiążące elektrony, czyli ich 2 pary.
5. Stosując wzory szkieletowe, można pokazać wiązanie C—H, jeśli chce się coś wyjaśnić (na przykład odrywanie wodoru przez zasadę (B[2] od angielskiego base). Podobnie można zaznaczyć parę elektronową, chcąc pokazać, że odrywa ona/przyłącza proton od kwasu (H—A; gdzie A^– oznacza anion kwasu; od angielskiego acid).

Taki zapis nie oznacza, że przy węglu grupy metylowej znajduje się tylko jeden atom wodoru (H), lecz, że chcemy pokazać tylko ten jeden, 2 pozostałe pozostają w domyśle.

Podobnie w przypadku pary elektronowej tlenu, możemy (ale nie musimy) pokazać jedną, i w tym wypadku nie oznacza, że jest tylko jedna, lecz, że zależało nam na pokazaniu tej jednej, druga pozostaje „schowana”.

6. Kąty pomiędzy zapisywanymi bądź schowanymi atomami wynikają z hybrydyzacji atomów oraz związanej z tym liczby podstawników, w tym niewiążących par elektronowych, które należy traktować jako podstawniki. Obowiązuje tu zasada na tzw. „chłopski rozum”[3], podstawniki zajmują najodleglejsze miejsca w przestrzeni lub na płaszczyźnie, względem siebie, żeby zminimalizować odpychające oddziaływania między sobą.

Jeśli podstawniki są 4 (hybrydyzacja sp³), to muszą być rozmieszczone w narożnikach tetraedru — kąty (<) między wiązaniami są zbliżone do 110°, im większy podstawnik lub para elektronowa na większym orbitalu (szczególnie w przypadku kolejnych okresów, dotyczy np. atomów, P, S, Se i.in.) tym większe pretensje do zagrabienia większej przestrzeni kosztem pozostałych podstawników, które w konsekwencji tego zbliżają się do siebie i kąt między nimi jest mniejszy. Są to na ogół małe odchylenia, których nie uwzględnia się przy rysowaniu wzorów.[4]

Jeśli są 3 podstawniki (hybrydyzacja sp²) to leżą na płaszczyźnie tworząc kąty ok. 120°.

W przypadku hybrydyzacji sp podstawniki okupują najdalsze możliwe punkty płaszczyzny/przestrzeni — cząsteczka jest liniowa, kąt 180° (CO₂ O=C[5]=O, alkiny R—C≡C—R’, nitryle R—C≡N:, keteny >C=C[6]=C< i inne).

7. Związki mogą występować w różnych konformacjach, najczęściej rysuje się taką, w jakiej grupy są najdalej siebie. Niemniej wszystkie poniższe struktury są równie poprawne i mogą być odwrócone pod dowolnym kątem:

8. Wszystkie odchylenia od powyższych reguł, najczęściej w przypadku ładunku dodatniego na węglu (karbokation), ujemnego (karboanion), niesparowany elektron (rodnik), czy obecności luki elektronowej i pary elektronowej (karbenu) wymagają zaznaczenia tego na wzorze szkieletowym. To zagadnienie omówię dokładniej w kolejnej części materiałów pomocniczych.

Z moich obserwacji i doświadczenia z pracy z magistrantami (polskimi i z zagranicznymi) wynika, że studenci w bardzo różnym stopniu znają reguły zapisu wzorami szkieletowymi. Niektórym nie przeszkadza 5-cio wiązalny węgiel, inni myślą, że zakończenie kreski symbolizuje wodór (H) zamiast grupy metylowej (CH₃), w alkinach i nitrylach podstawniki, zamiast tworzyć kąt 180°, tworzą 120° itd. Najczęściej jednak spotykam osoby, które są (nie do końca) świadomymi użytkownikami tej koncepcji zapisu tzw. znającymi-niepraktykującymi, dlatego zachęcam do przećwiczenia zapisu na najczęściej spotykanych w laboratorium rozpuszczalnikach, które przy okazji pokrótce omówię w kolejnym odcinku.

Często zdarza się również, że osoby zapisują związek w postaci wzoru szkieletowego, po czym niepotrzebnie dodają zbędne informacje, psując ich prostotę, przejrzystość i oszczędność formy. Poniżej przykłady:

Zachęcam również do zapisywania grup funkcyjnych w postaci szkieletowej, zamiast zapisywać je skrótami (np. CO₂Et dla estru, CN dla nitrylu, CHO dla aldehydu czy SO₂ dla sulfonu), znacznie lepiej pozwala to zrozumieć reakcje i mechanizmy przebiegające z ich udziałem. W przypadku pisania pracy magisterskiej, czy publikacji, kosztem waloru dydaktycznego często lepiej jednak zapisywać część grup w postaci skróconej (np. grupę NO₂ czy CF₃), żeby związki zajmowały mniej miejsca na schematach lub po prostu, aby grupy na schematach wzajemnie ze sobą nie kolidowały – zapisywanie 3-wymiarowych struktur na płaskiej kartce generuje niekiedy tego typu problemy.

W celu przećwiczenia zapisu wzorami szkieletowymi w kolejnym odcinku pokrótce omówię kilkadziesiąt najczęściej spotykanych w laboratorium chemii organicznej rozpuszczalników.

Jeśli jednak wolicie wpierw podrążyć problematykę zapisu wzorami mezomerycznymi, wstęp do tego zagadnienia znajduje się tutaj.

[1] W przypadku tzw. hybryd stosowany jest silniejszy rozpuszczalnik, ale bardziej wysuszający skórę — aceton.

[2] Uwaga! W innym kontekście (B) może oznaczać atom boru.

[3] Istnieje metodologia o skrócie VSEPR, która tłumaczy to samo w absurdalnie zawikłany sposób.

[4] Niekiedy odchylenia są znaczne, w cząsteczce siarkowodoru (H₂S) kąt między wiązaniami wynosi 90°, zamiast spodziewanych ~110°.

[5] Stosując zapis zworami szkieletowymi, zamiast litery C stosuje się kropkę.

[6] Analogicznie jak w przypadku CO₂.

Szanowni Państwo,

w ramach działalności w kole zachęcam do czytania czy doczytywania sobie podstawowych informacji z chemii organicznej. Dobrze, jakby mieli Państwo przy sobie podręcznik do chemii organicznej na podorędziu, warto mieć go przy sobie podczas spotkań laboratoryjnych, żebyśmy mogli wskazywać, co warto sobie na bieżąco przypominać. Proszę zatem, aby wszyscy z Państwa, którzy chcą uczestniczyć w jakiejkolwiek formie w zajęciach naszego koła, zaopatrzyli się w miarę "nowy" (wydany w ciągu ostatnich 35 lat)  podręcznik do podstaw chemii organicznej (najlepiej w jego papierową wersję).  Najkrótszą książką, jaką polecam, są "Krótkie wykłady z chemii organicznej" Grahama Patrica. Nie taki zły jest skrypt, będący chyba głównym źródłem, z którego korzystaliście Państwo przy nauce do egzaminu/ćwiczeń z "chemii organicznej" i "preparatyki organicznej" autorstwa Doroty Maciejewskiej, Marii Langwald; linki poniżej). 

Najlepszym obecnie na rynku podręcznikiem jest "Chemia organiczna"; Clayden, Greeves, Warren, (Wothers) – najnowsze polskie wydanie (4 tomowe) jest z 2016 roku (wydaje mi się, że jest tłumaczeniem 1 wydania brytyjskiego oryginału), ale obecnie trudno zdobyć tę książkę, poza tym jej koszt to ponad 400 zł. Nieco tańsza i łatwiej dostępna jest w oryginalnym anglojęzycznym II (lekko zmienionym) wydaniu (1-tomowym) z 2012 roku. Jej wersję elektroniczną można co prawda znaleźć tutaj, ale nie jest to zapewne wersja do legalnego korzystania i decyzję o tym pozostawiam Państwa sumieniu.

Praktycznie wszystkie publikacje, z którymi się Państwo zetkniecie w czasie prac z nami czy pisania pracy magisterskiej, będą po angielsku, więc warto prędzej czy później się z tą książką zaprzyjaźnić, jeśli ktoś z Państwa już wie, że synteza organiczna to jest „to”. W naszej katedrze posiadamy niestety tylko jeden jej (anglojęzyczny) egzemplarz w postaci fizycznej.

Popularnym i lubianym przez polskich studentów podręcznikiem jest "Chemia Organiczna"; McMurry'ego. Pomimo zbliżonej objętości do "Claydena" (ok. 1200 stron) zawiera kilkukrotnie mniej treści. Występuje w polskiej wersji językowej w wydaniu starszym dwutomowym i nowszych 5-cio tomowych. Jej najnowsze wydanie, w pełni legalne (ale po angielsku) dostępne jest tutaj. Co więcej, zauważone przez czytelników błędy są na bieżąco poddawane korekcie. Osobiście nie przepadam za tą książką ze względu na "rozwodnienie" jej treści (co jest cechą wspólną wielu amerykańskich podręczników) i brak omówienia wielu bardziej "nowoczesnych" reakcji (choć wiele z nich ma już kilkadziesiąt lat), ale wiem, że studenci uważają ją za przyjazną w nauce.

Podobną książką, na pierwszy rzut oka zawierającą trochę więcej "nowszego" materiału, jest "Chemia organiczna"; Solomons'a (wydanie polskojęzyczne w 2 tomach). 

Obydwie z wyżej wymienionych książek znajdziecie Państwo w bibliotece WUM; Solomons wydaje się trochę lepszy, ale w bibliotece jest tylko jeden jej egzemplarz i nie wiem, czy można go wypożyczyć. 

Jeśli przeraża Państwa nauka z książek anglojęzycznych lub objętości wymienionych powyżej, to polecam wybrać coś polskiego, krótszego (ok. 600 stron). Tutaj wymienię kilka dostępnych pozycji:

"Chemia organiczna" Floriańczyk, Białecka; 2005; (podobnie jak wszystkie wcześniej wspomniane książki zawiera omówienie podstaw technik identyfikacji związków: NMR, MS, UV-VIS i IR)

"Chemia organiczna" Mastalerz; 2000 (techniki identyfikacji są tu jedynie wspomniane, ale jest w niej wiele ważnych reakcji, których nie ma w pozostałych wymienionych w tej sekcji książkach)

"Chemia organiczna"; Maciejewska, Langwald (tom 1 i 2) to skrypt używany do nauki na naszym wydziale, ale brak w nim jakichkolwiek informacji na temat technik spektroskopowych/alnych.

"Chemia organiczna – krótki kurs" Hart (zawiera elementarne podstawy technik spektroskopowych/alnych).

I wiele, wiele innych książek, jeśli Państwo macie/znacie/lubicie jakieś inne, to proszę się pochwalić, może będą dla nas wystarczające.

Niezależnie, którą z nich Państwo wybierzecie (najlepiej udać się do biblioteki i przekartkować każdą z nich), na pewno łatwiej będzie korzystać z jej papierowej wersji i umożliwi mi to szybsze wskazanie Państwu odpowiednich rozdziałów, których przeczytanie będzie ułatwiać na bieżąco naszą współpracę.

Michał Nowacki