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.