(II. rozší ená a upravená verze)
Ond ej Šim nek
ÚVOD
aneb moje malá chemiluminiscen ní historie S chemiluminiscencí jsem se poprvé setkal v ervenci 2005 na Letním odborném soust ed ní v B stvin , kde nás s ní seznámil m j nyn jší školitel Lá a Drož. Na vlastní o i jsem tehdy m l možnost vid t chemiluminiscenci luminolu, lucigeninu a hlavn chemiluminiscenci za použití bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu. Do té doby jsem sice etl cosi o tom, že existuje n co jako luminol, ale i ten byl pro m tehdy prakticky nedostupný, takže jsem byl „svítícími reakcemi“ velmi nadšený. Od té doby jsem celé své chemické úsilí v noval jen tomu, abych si mohl n co takového, t eba i jen ve zjednodušené form , vyzkoušet v domácím prost edí. Nejnáro n jší bylo sehnat všechny pot ebné chemikálie, ale po p l roce jsem kone n m l vše pot ebné k p íprav DNPO. Vinou starších chemikálií a hlavn malých zkušeností s výrobou jsem sice obdržel jen velmi malý výt žek, ale p esto jsem si v dubnu 2006 mohl zkusit svou první chemiluminiscen ní reakci s DNPO, ímž jsem si splnil sv j malý chemický sen. V tu dobu jsem za al hledat další použitelné fluorescery pro tyto reakce a také jsem napsal úpln první verzi této práce. Poté následovalo p edvedení chemiluminiscen ních reakcí ve škole i pro ostatní studenty. V íjnu roku 2007 jsem si poprvé mohl vyzkoušet syntézu DNPO „na velko“, ve tvrtprovozním m ítku. M l jsem tehdy k dispozici 100 ml oxalylchloridu, takže p edpokládaný výt žek DNPO byl n co málo pod p l kila. Reakci jsem provád l ve ty litrové reak ní soustav , ale vinou vlhkých chemikálií byl m j výt žek zcela nulový – ano, i chybami se lov k u í. Naposledy jsem si syntézu DNPO zkusil v pon kud menším m ítku, reak ní soustava m la asi 1 litr, a to bylo poprvé, co jsem byl s výt žkem spokojený. Od té doby jsme m l možnost prezentovat chemiluminiscenci DNPO na t ech p ednáškách (teoreticky i prakticky) a zárove se snažím sbírat další informace a materiály o chemiluminiscenci. Hlavním impulsem pro rozší ení a upravení této práce byla letošní B stvina, kde jsme m li možnost si adu chemiluminiscen ních reakcí vyzkoušet. V této oblasti je však jeden problém – neexistuje žádná esky psaná publikace s osv d enými návody na chemiluminiscen ní reakce. A práv proto vám k použití nabízím tuto mou kompila ní práci. V tšinu návod , které jsem zde uvedl, jsem sám vyzkoušel, n které jsem doplnil i vlastními poznatky a zkušenostmi. Budu rád, když vám tyto návody p i vlastním pokusni ení pomohou a zárove budu vd ný za jakoukoliv zp tnou vazbu. Na záv r bych vám rád pop ál mnoho zdaru a co nejvíce sv tla
Ondra Šim nek
OBSAH 1. Provedení chemiluminiscen ních reakcí....................................................................1 1.1 Chemiluminiscence luminolu ........................................................................................1 1.2 Chemiluminiscence luminolu v aprotním rozpoušt dle (DMSO) ...................................2 1.3 M sí ní fontána (modifikace chemiluminiscence luminolu)...........................................2 1.4 Oscila ní chemiluminiscen ní reakce ...........................................................................3 1.5 Chemiluminiscence lucigeninu .....................................................................................3 1.6 Chemiluminiscence alkalické sm si pyrogallolu a formaldehydu ..................................4 1.7 Dvoubarevná chemiluminiscence .................................................................................4 1.8 Chemiluminiscence singletového stavu kyslíku ............................................................4 1.9 Chemiluminiscence p i krystalizaci ...............................................................................5 1.10 Chemiluminiscence siloxenu ......................................................................................5 1.11 Chemiluminiscence TDAE ..........................................................................................5 1.12 Malletova reakce ........................................................................................................6 1.13 Chemiluminiscen ní pokus „SUPERNOVA“................................................................6 1.14 Chemiluminiscence oxalylchloridu ..............................................................................6 1.15 Chemiluminiscence za použití bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu (DNPO) ............................6 2. P íprava chemikálií.......................................................................................................9 2.1 Preparace luminolu.......................................................................................................9 2.2 Preparace luminolu – verze II .......................................................................................9 2.3 Preparace lucigeninu..................................................................................................10 2.4 Preparace siloxenu.....................................................................................................10 2.5 Preparace bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu ........................................................................11 3. Obrazová ást.............................................................................................................12 3.1 Chemiluminiscence luminolu ......................................................................................12 3.2 Chemiluminiscence luminolu v aprotním rozpoušt dle ...............................................12 3.3 M sí ní fontána..........................................................................................................13 3.4 Chemiluminiscence alkalické sm si pyrogallolu a formaldehydu ................................13 3.5 Chemiluminiscence singletového stavu kyslíku ..........................................................13 3.6 Chemiluminiscence siloxenu ......................................................................................14 3.7 Chemiluminiscence TDAE..........................................................................................14 3.8 Malletova reakce ........................................................................................................14 3.9 Chemiluminiscence oxalylchloridu ..............................................................................15 3.10 Chemiluminiscence za použití bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu (DNPO) ..........................15 3.11 Chemiluminiscen ní demonstrace, 31.3.2007 v Brn ...............................................16 4. Vysv tlení podstaty chemiluminiscence ..................................................................18 Použitá literatura a ostatní zdroje .....................................................................................20 Recenzenti I. a II. verze....................................................................................................20 Pod kování ......................................................................................................................21
1. PROVEDENÍ CHEMILUMINISCEN
NÍCH REAKCÍ
1.1 Chemiluminiscence luminolu[10] Luminol je odrazovým m stkem v oblasti výzkumu chemiluminiscence – byl objeven roku 1928[4] a od té doby se datují další objevy v této oblasti[3]. P i oxidaci luminolu peroxidem vodíku v bazickém prost edí a za katalýzy dochází k chemiluminiscenci. Bazické prost edí je zde zajišt no alkalickým karbonátovým pufrem, katalyzátorem reakce jsou zde ionty p echodného kovu (nej ast ji se používají ionty m dnaté nebo železnaté i železité, nejvhodn jší pro tuto reakci jsou však ionty kobaltnaté; reakci ale katalyzují i r zné p írodní látky – porfyriny, sperma aj.) Reakci je možno provést i ve zjednodušeném provedení, kdy se bazické prost edí zajistí p idáním hydroxidu sodného nebo draselného[9]. V tomto provedení však nelze použít jako katalyzátor m naté ani železnaté soli, protože by se srážely jejich nerozpustné hydroxidy. Proto v tomto provedení s výhodou používáme jako katalyzátor hexakyanoželezitan draselný, p ípadn hexakyanoželeznatan draselný. Nevýhodou zjednodušeného provedení je fakt, že hydroxidem vytvo ené zásadité prost edí není tak stálé jako prost edí vytvo ené pufrem, a proto je délka vyza ování chemiluminiscence v tomto provedení pon kud kratší. Chemikálie: luminol, 30% roztok peroxidu vodíku, uhli itan sodný, hydrogenuhli itan sodný, uhli itan amonný, síran m natý (p ípadn síran železnatý), destilovaná voda Roztok A: V 60 ml destilované vody rozpus te 0,4 g uhli itanu sodného a 0,2 g luminolu. Po rozpušt ní obou látek p idejte 2,4 g hydrogenuhli itanu sodného, 5 g uhli itanu amonného a 0,4 g síranu m natého (p ípadn železnatého). Po rozpušt ní všech látek dopl te roztok na 100 ml. Roztok B: 6 ml 30% peroxidu vodíku dopl te vodou na 100 ml. Provedení: Chemiluminiscen ní reakci spus te p ilitím roztoku B do roztoku A. Pozn.: Barevnost vyza ovaného sv tla je standardn sv tle modrá, do jisté míry ji lze však ovlivnit p idáním malého množství fluorescen ního barviva (nap . fluorescein pro žlutou, eosin pro oranžovou a rhodamin pro ervenou chemiluminiscenci). NH2
O
NH NH
O
2 OH-
H2O2 NH2 COO-
N2
4 H2O
h
COO-
Dodatek: Po mnoha a mnoha neúsp šných pokusech bylo zjišt no, že intenzita chemiluminiscence závisí spíše na množství a hlavn istot použitého luminolu, než na vlastním reak ním prost edí. Proto zde p idávám ješt další návody k vyzkoušení „ideálních“ podmínek. Je vhodné vycházet z poznatku, že nejú inn jším katalyzátorem pro tuto reakci jsou kobaltnaté ionty, a upravovat pouze pufr (p ípadn bazickou složku roztoku). Návod . 1[11]: roztok A: 1g luminolu a 50 ml 10% roztoku hydroxidu sodného ve 450 ml vody Roztok B: 15 g hexakyanoželezitanu draselného ve 485 ml vody + 1 ml 30% roztoku peroxidu vodíku Návod . 2[5]: roztok A: 0,2 g luminolu, 4 g uhli itanu sodného, 24 g hydrogenuhli itanu sodného, 0,5 g uhli itanu amonného, 0,4 g síranu m natého, doplnit vodou na 1 litr roztoku Roztok B: 5 ml 30% roztoku peroxidu vodíku, 995 ml vody
1
1.2 Chemiluminiscence luminolu v aprotním rozpoušt dle (DMSO)[7] DMSO (dimethylsulfoxid) je aprotní rozpoušt dlo neomezen mísitelné s vodou. K oxidaci luminolu v aprotním rozpoušt dle není t eba katalyzátor, bazické prost edí vytvo ené p idáním hydroxidu sodného nebo draselného zde zcela sta í a k oxidaci zde není t eba peroxid vodíku, ale pouze vzdušný kyslík (prot epání reak ní soustavy). Intenzita vlastní chemiluminiscence je zde mnohem v tší, než ve vodném prost edí (amfiprotní rozpoušt dlo). I zde platí možnost použití fluorescen ních barviv ke zm n barvy chemiluminiscence, avšak prakticky použitelný je pouze fluorescein; ostatní fluorescery chemiluminiscenci zhášejí. Chemikálie: luminol, dimethylsulfoxid, hydroxid draselný Provedení: V Erlenmeyerov ba ce o objemu 100 ml smíchejte 7 g pevného hydroxidu draselného a 6 ml dimethylsulfoxidu. Do sm si p idejte na špi ku špachtle luminolu, ba ku zazátkujte a intenzivn prot epejte. Po chvíli za ne probíhat chemická reakce doprovázená vznikem chemiluminiscen ního zá ení.
1.3 M sí ní fontána (modifikace chemiluminiscence luminolu)[10] Chemikálie: luminol, uhli itan sodný, hydrogenuhli itan sodný, uhli itan amonný, 30% peroxid vodíku, síran m natý, koncentrovaný roztok amoniaku Provedení: P ipravte roztoky A a B obdobn , jako je uvedeno v pokusu 1.1 (i zde platí dodatek z bodu 1.1 – nejd íve vyzkoušejte, v jakém prost edí vám luminol svítí nejdéle a nejintenzivn ji, a z toho poté vycházejte). K pokusu sestavte aparaturu podle obrázku. Dnem obrácenou ba ku je nutno nejprve naplnit plynným amoniakem. V malé varné ba ce zah ejte k varu 10 ml koncentrovaného roztoku amoniaku a trubi kou ho zavád jte do dnem nahoru obrácené ba ky. Po dostate ném napln ní ba ky amoniakem (navlh ený lakmusový papírek p iložený k ústí ba ky zmodrá) ba ku ihned uzav ete zátkou s trubi kami pono enými do obou roztok a vst íkn te do ba ky 10 ml destilované vody ze
2
st íka ky. Amoniak bude mít tendenci se v tomto velmi malém množství vody rozpustit (amoniak je po chlorovodíku nejlépe rozpustným plynem ve vod – ve 100 ml vody se rozpustí 72 g amoniaku, což p i jeho hustot 0,0008 g/cm3 odpovídá 90 dm3 amoniaku[5]) a v ba ce díky tomu dojde k poklesu tlaku. Proto se do ba ky za nou nasávat roztoky A a B a po jejich smísení dojde k chemické reakci, p i níž se uvol uje chemiluminiscen ní zá ení. Dojem z pokusu je umocn n krásou mod e luminiskující tekutiny tryskající do ba ky. I zde lze barvu chemiluminiscence upravit vhodn volenými fluorescen ními barvivy. Tuto reakci lze modifikovat použitím lucigeninu místo luminolu. Výhodou je jistota, že vám lucigenin bude skute n svítit tak, jak má, a relativn dlouhá doba dosvitu chemiluminiscen ního zá ení. Nevýhodou je vyšší cena lucigeninu a pom rn slabá intenzita chemiluminiscence (kterou lze ovšem zesílit p idáním vhodn volených fluorescen ních barviv), dalším problémem je také toxicita a zápach amoniaku, který se používá jako jedna ze složek reak ní soustavy pro luminiscenci lucigeninu.
1.4 Oscila ní chemiluminiscen ní reakce[7] Chemikálie: luminol, síran m natý, hydroxid sodný, thiokyanatan draselný, 30% roztok peroxidu vodíku Roztok A: 10 ml 30% roztoku peroxidu vodíku v 90 ml vody Roztok B: 1,46 g thiokyanatanu draselného ve 100 ml vody Roztok C: 0,4 g hydroxidu sodného a 0,07 g luminolu ve 100 ml vody Roztok D: 0,01 g síranu m natého ve 100 ml vody Provedení: V p tisetmililitrové ba ce nebo kádince slijte roztoky A, B a D. Výsledný roztok má žlutohn dou barvu. Poté p idejte 10 ml rozotku C a zatemn te. Reak ní sm s za ne uvol ovat sv tle modré chemiluminiscen ní zá ení. Poté, co dojde k poklesu intenzity zá ení, p emíst te reak ní nádobu na vyh ívanou magnetickou mícha ku a reak ní sm s pozvolna zah ívejte až na 80 – 100° C. Po krátké induk ní dob dochází k zahájení oscilace mezi tmavou a sv tlou barvou. Fáze tmavé barvy se stává stále kratší a kratší a intenzita sv tlé barvy vzr stá.
1.5 Chemiluminiscence lucigeninu[12] Lucigenin (N,N´-dimethylbis(akridylium)nitrát) je pon kud drahý chemiluminiscen ní indikátor, který byl objeven roku 1925[4]. P i jeho oxidaci vzniká modrozelená chemiluminiscence, která však trvá déle než p i použití luminolu. P i provedení reakce v bazickém prost edí je intenzita chemiluminiscence ješt siln jší. Chemikálie: lucigenin, voda, ethanol, amoniak, 30% roztok peroxidu vodíku Roztok A: 0,1 g lucigeninu ve 100 ml vody Roztok B: 70 ml koncentrovaného roztoku amoniaku, 10 ml 30% roztoku peroxidu vodíku,
3
220 ml ethanolu; do tohoto roztoku p idejte p ímo p ed použitím 3 ml 30% peroxidu vodíku. Provedení: Smíchejte 25 ml roztoku A se 75 ml roztoku B. Dojde k chemické reakci, p i níž se uvol uje modré chemiluminiscen ní zá ení. Chemická reakce postupn slábne, trvá asi 5 – 10 minut. Produktem oxidace lucigeninu je N-methylakridon, který lze znovu p evést na lucigenin (viz oddíl „Preparace“).
1.6 Chemiluminiscence alkalické sm si pyrogallolu a formaldehydu[7] Chemikálie: pyrogallol (1,2,3-trihydroxybenzen), uhli itan draselný, 35% roztok formaldehydu, 30% roztok peroxidu vodíku Roztok A: 1 g pyrogallolu v 10 ml destilované vody Roztok B: 10 ml 35 – 40% roztoku formaldehydu Roztok C: 5 g uhli itanu draselného v 10 ml vody Roztok D: 15 ml 30% roztoku peroxidu vodíku Provedení: Ve stomililitrové kádince smíchejte roztoky A – C. Vzniklou sm s p elijte do prostorné (alespo litrové) Erlenmeyerovy ba ky. Do této sm si p ilijte v zatemn né místnosti roztok D. Sm s za ne ervenooranžov chemiluminiskovat. Zatím není zcela objasn na podstata této chemiluminiscen ní reakce. Existuje teorie, která tvrdí, že chemiluminiscen ní zá ení se uvol uje p i oxidaci kondenza ního produktu pyrogallolu a formaldehydu v zásaditém prost edí uhli itanu draselného. Upozorn ní: Je velice d ležité provád t reakci skute n v prostorné nádob , nebo p i reakci dochází k silnému p n ní a sm s v nádob vzkypí. Pokud provádíte reakci v malé nádob , sm s za ne z ba ky vyst ikovat a na všech p edm tech, na kterých ulpí, vytvo í tmavé skvrny (z vlastní zkušenosti). P i p idávání roztoku D odvra te hrdlo ba ky od sebe i od všech p ihlížejících osob – p i reakci dochází k uvol ování tepla a k následnému varu reak ní sm si, což vede k uvol ování formaldehydu, který štiplav zapáchá a je toxický.
1.7 Dvoubarevná chemiluminiscence[7] Tato reakce je pouze sp ažením chemiluminiscence luminolu a chemiluminiscence pyrogallolu a formaldehydu v alkalickém prost edí. Chemikálie: uhli itan draselný, 35% roztok formaldehydu, pyrogallol, 30% roztok peroxidu vodíku, luminol, hydroxid sodný Provedení: Ve 250 ml kádince, v níž je vloženo magnetické míchadlo a která je umíst na na magnetické mícha ce, rozpus te ve 40 ml vody 0,8 g hydroxidu sodného, 0,005 g luminolu, 25 g uhli itanu draselného a 1 g pyrogallolu. Po dokonalém rozpušt ní všech složek (vzniklý roztok je tmavohn dý) p idejte 10 ml 35% roztoku formaldehydu. Celou reak ní sm s nyní p emíst te do litrové Erlenmeyerovy ba ky. V zatemn lé místnosti do této sm si p idejte 40 ml 30% roztoku peroxidu vodíku. Asi 10 vte in bude pozorovatelná tmavo ervená chemiluminiscence, která se poté zm ní na cehmiluminiscenci sv tle modrou, op t trvající asi 10 vte in. I zde platí upozorn ní pro práci s formaldehydem z p edchozího bodu.
1.8 Chemiluminiscence singletového stavu kyslíku[10] Chemikálie: hydroxid sodný, 30% roztok peroxidu vodíku, manganistan draselný, koncentrovaná kyselina chlorovodíková Provedení: Ve 40 ml ledové destilované vody rozpus te 20 g hydroxidu sodného a do vzniklého roztoku p ilijte 50 ml 30% roztoku peroxidu vodíku. Vzniklým roztokem nechte probublávat chlor, p ipravený reakcí kyseliny chlorovodíkové a manganistanu draselného. Bublinky plynu budou v roztoku erven luminiskovat.
4
Cl2 + 2NaOH H2O2 +NaClO NaClO2
NaClO + NaCl +H2O NaClO2 + H2O *O2 + NaCl
*O2
O2 + h *O2 je „speciální“, tzv. singletový stav kyslíku a práv díky jeho p echodu do stavu základního (tripletového) se uvol uje chemiluminiscen ní zá ení. Singletový stav látek bude podrobn ji vysv tlen níže. P i provedení této reakce p sobí nejlépe, pokud jsou bublinky plynu co nejv tší. Proto nedoporu uji používat fritu – vytvo ilo by se mnoho malých bublinek, které se seskupují do tvaru p ipomínajícího plamen a chemiluminiscence pak nep sobí tak zajímav .
1.9 Chemiluminiscence p i krystalizaci[11] Chemikálie: síran sodný, síran draselný, destilovaná voda Provedení: 81,5 g síranu sodného a 200 g síranu draselného rozpus te za horka v co nejmenším množství vody. Po rozpušt ní všech krystal nechte sm sný roztok chladnout. P i chladnutí se z roztoku vylu ují krystaly podvojného síranu draselno-sodného a objevují se jiskry (první jiskry lze pozorovat již p i teplot okolo 60° C, asi po hodin od zahájení reakce lze pozorovat celé snopky jisker). 2K2SO4 + Na2SO4 + 10H2O
2K2SO4 . Na2SO4 . 10H2O
1.10 Chemiluminiscence siloxenu[1] Siloxen je slou enina k emíku, zjednodušen se dá zapsat jako (Si6H6O3)n. Jeho vzorec p ipomíná kondenzovaná benzenová jádra složená z atom k emíku. Samotný siloxen p i oxidaci nijak nechemiluminiskuje, pokud však atomy vodíku v molekule siloxenu nahradíme halogenem, aminoskupinami nebo hydroxylovými skupinami, pak p i jeho oxidaci vzniká chemiluminiscen ní zá ení žluté až temn ervené, podle stupn substituce. Chemikálie: siloxen, kyselina chlorovodíková, oxida ní inidlo (manganistan draselný) Provedení: Ve 100 ml vody okyselené kyselinou chlorovodíkovou rozmíchejte asi 0,5 g siloxenu (siloxen je ve vod nerozpustný, pouze vytvá í suspenze) a p idejte vhodné oxida ní inidlo (nejlepší pro tuto reakci je použít oxida ní inidlo se standardním redoxním potenciálem 1173 26 mV (nejvhodn jší je použít manganistan draselný). Po p idání oxida ního inidla lze pozorovat chemiluminiscen ní zá ení, jehož barva je ovlivn na stup em substituce vodíkových atom v molekule siloxenu. Dodatek: P i použití roztoku manganistanu draselného jako oxida ního inidla dávejte pozor – p i p ílišné koncentraci bude roztok tmavofialový a chemiluminiscence nebude pozorovatelná. Proto je pot eba použít bu roztok mén koncentrovaný, nebo jiné oxida ní inidlo (nap íklad peroxodisíran).
1.11 Chemiluminiscence TDAE[7] Chemikálie: tetrakis(dimethylamino)ethylen Provedení: Do suché stomililitrové Erlenmeyerovy ba ky kápn te trošku TDAE, ba ku zazátkujte a zatemn te místnost. Ihned dochází ke vzniku mechov zeleného chemiluminiscen ního zá ení. Pokud jeho intenzita poklesne, na chvilku odzátkujte ba ku – vpušt ním dalšího vzdušného kyslíku bude reakce pokra ovat. Intenzita chemiluminiscen ního zá ení je tak silná, že je viditelné i za denního sv tla.
5
Alternativní provedení: Do sklen né trubi ky, dlouhé asi 1 m (a o pr m ru asi 3 cm) umíst te stejn dlouhý pásek filtra ního papíru. Trubi ku na jedné stran zazátkujte. Na druhé (nezazátkované) stran kápn te na konec filtra ního papíru trošku TDAE a zazátkujte ji také na této stran . Po chvilce dojde op t ke vzniku chemiluminiscen ního zá ení, které je pozorovatelné na celé ploše proužku filtra ního papíru. I zde platí, že p i uhasínání intenzity chemiluminiscence lze trubi ku na chvilku odzátkovat a chemiluminiscen ní reakci tak reaktivovat.
1.12 Malletova reakce[7] Chemikálie: violanthron, dichlormethan, manganistan draselný, koncentrovaná kyselina chlorovodíková, hydroxid sodný, 30% roztok peroxidu vodíku, luminol Provedení: Ve 20 ml dichlormethanu rozpus te na špi ku špachtle violanthronu. K vzniklému roztoku p idejte 60 ml vychlazeného 6M roztoku hydroxidu sodného a 20 ml 30% roztoku peroxidu vodíku. Nakonec do vzniklého roztoku p idejte asi 0,2 g luminolu. Po rozpušt ní všech složek nechte roztokem probublávat chlor, p ipravený reakcí kyseliny chlorovodíkové a manganistanu draselného. Dojde k vyza ování dvoubarevné chemiluminiscence – modré díky luminolu a r žovofialové díky violanthronu.
1.13 Chemiluminiscen ní pokus „SUPERNOVA“[10] Chemikálie: violanthron, luminol, dichlormethan, hydroxid sodný, N-bromsukcinimid (N-bromimid kyseliny jantarové), 30% roztok peroxidu vodíku Provedení: V kádince smíchejte 10 ml 30% roztoku peroxidu vodíku se 40 ml 10% roztoku hydroxidu sodného (oba roztoky p edem vychla te na 4 – 8° C). Do vzniklé sm si p idejte 10 ml dichlormethanu, ve kterém je rozpušt no na špi ku špachtle violanthronu. Vzniklou heterogenní sm s intenzivn míchejte na magnetické mícha ce. P ídavkem asi 1 g pevného N-bromsukcinimidu dojde ke vzniku ervené chemiluminiscence violanthronu. Pokud do reak ní sm si p idáte 0,02 g luminolu, m žete po p idání N-bromsukcinimidu sledovat „dvojí“ chemiluminiscenci – modrou (luminol) a ervenou (violanthron).
1.14 Chemiluminiscence oxalylchloridu[7] Oxalylchlorid (ethandioylchlorid, chlorid kyseliny š avelové) je toxická a dráždivá kapalina snadno p ipravitelná chlorací bezvodé kyseliny š avelové vhodným chlora ním inidlem (chlorid fosfore ný, chlorid karbonylu aj.). Tato reakce (konkrétn chemiluminiscence anthracenu a oxalylchloridu v prost edí dichlormethanu a peroxidu vodíku) byla první z chemiluminiscen ních reakcí peroxooxalát a odstartovala výzkum a vývoj látek, jejichž použitím dochází ke vzniku nejintenzivn jšího chemiluminiscen ního zá ení v bec – bis(aryl)oxalát [4]. Chemikálie: oxalylchlorid, dichlormethan, peroxid vodíku, vhodné barvivo (rhodamin pro ervenou luminiscenci, 9,10-difenylanthracen pro modrou, rubren pro žlutou). Provedení: Ve stomilitrové Erlenmeyerov ba ce rozpus te ve 25 ml dichlormethanu asi 50 mg vybraného barviva. K tomuto roztoku p idejte 4 ml 30% roztoku peroxidu vodíku. Do vzniklé sm si odpipetujte 2 ml 4% roztoku oxalylchloridu v dichlormethanu. Dojde k chemické reakci doprovázené chemiluminiscen ním zá ením, jehož barevnost záleží na použitém barvivu.
1.15 Chemiluminiscence za použití bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu (DNPO) Bis(aryl)oxaláty jsou dnes nejpoužívan jší chemiluminiscen ní látky, objevené ve druhé polovin 20. století[4]. A koli je jejich cena vyšší, k reakci je jich pot eba pouze malé množství. Intenzitu a barvu chemiluminiscen ního zá ení lze jedoduše volit pomocí použitého fluoresceru a
6
rozpoušt dla. Volbou vhodných fluorescer lze pokrýt prakticky celé barevné spektrum v etn ultrafialového a infra erveného zá ení[3]. Komer n používané fluorescery jsou r zné substituované anthraceny a naftaceny (nap . 9,10-difenylanthracen, bis(fenylethynyl)naftacen) a jiná aromatická barviva, nap . violanthron, perylen, rubren, nilská erve a jiná). Tato barviva sice vynikají vysokou intenzitou produkovaného chemiluminiscen ního zá ení, avšak jejich cena je p íliš vysoká (cena jednoho gramu takového barviva se pohybuje v ádech tisíc (perylen, difenylanthracen) až desetitisíc korun (nilská erve ) [14]. Proto jsem se zam il na barviva, která jsou b žná a levná, a uvol ují co nejintenzivn jší chemiluminiscen ní zá ení. P i oxidaci bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu peroxidem vodíku v aprotním rozpoušt dle (ethylacetát, dioxan, methoxyethanol, dimethoxyethan, dialkylftaláty, aceton, je použitelný i slab protogenní ethanol[4]) dochází ke vzniku nestabilního meziproduktu – dioxethandionu (dimeru oxidu uhli itého). Tento meziprodukt se symetricky rozpadá, vznikají dv molekuly oxidu uhli itého a ur ité množství energie. Tato energie je pohlcena p ítomným fluorescerem (fluorescen ní barvivo) a p i použití vhodného barviva je vyzá ena v podob viditelného zá ení[3]. Šedá je teorie, zelený strom života – aneb kdo chce z teorie znát více, nech mne kontaktuje, a ti ostatní už mohou chystat zatemn ní .
Chemikálie: bis(2,4-dinitrofenyl)oxalát, 30% roztok peroxidu vodíku, rozpoušt dlo (ethylacetát, dioxan, 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan, ethanol), fluorescer Provedení[3]: K 20 ml p ipraveného rozpoušt dla p idejte 0,3 g bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu a 0,02 g p íslušného fluoresceru. Po rozpušt ní p idejte do sm si v zatemn né místnosti 1 ml 30% peroxidu vodíku. Roztoky není vhodné p ipravovat dop edu, protože jsou pon kud nestabilní (DNPO se asem rozkládá). P ehled fluorescer , rozpoušt del a barev chemiluminiscence najdete v následujícím p ehledu.
Fluorescery s velmi slabou intenzitou chemiluminiscence
k v e r c e t i n – dioxan – bílá c h i n a l d i n o v á k y s e l i n a – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – bílá m o r i n – dioxan – žlutozelená k o n g o e r v e – ethylacetát – bílá
Fluorescery se slabou intenzitou chemiluminiscence
f l u o r e s c e i n – ethylacetát /2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – zelená a u r a m i n – dioxan – zelená k a r b a z o l – ethylacetát – fialová (dlouhotrvající) r i b o f l a v i n – ethylacetát – sv tle žlutá b i l i r u b i n – ethylacetát – bílá do oranžova f l u o r e x o n – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – oranžová a n t h r o n – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – bled modrá
7
u m b e l l i f e r o n – dioxan – bílá
Fluorescery se st ední intenzitou chemiluminiscence
f l u o r e x o n ( k a l c e i n ) – ethanol – zelená h a e m a t o x y l i n – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – žlutá e o s i n – ethanol + 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan (v pom ru 1:2) – oranžová (dlouhotrvající) e r y t h r o s i n – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – oranžová k a r b a z o l – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – modrá (dlouhotrvající) e o s i n + k a r b a z o l – ethylacetát – bílá (karbazolu 2x více než eosinu) c h l o r o f y l – ethylacetát – syt ervená 9 - b e n z o y l a n t h r a c e n – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – b lav modrá u m b e l l i f e r y l o c t o v á k y s e l i n a – dioxan – modrá r i v a n o l – ethylacetát – modrozelená
Fluorescery se st edn silnou intenzitou chemiluminiscence
s a f r a n i n – dioxan – oranžová a k r i d i n o v á žlu – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – žlutá e r y t h r o s i n – ethylacetát – žlutá l u c i g e n i n – ethylacetát – tyrkysová
Fluorescery se silnou intenzitou chemiluminiscence
a k r i d i n o v á o r a n ž – 2-methoxyethanol nebo 1,2-dimethoxyethan – žlutá (dlouhotrvající) k u r k u m i n – dioxan (p íp. ethylacetát – nevyzkoušeno) – žlutá p y r o n i n G – dioxan (p íp. ethylacetát) – od žluté postupn do bílé ( ím více pyroninu, tím více je chemiluminiscen ní zá ení oranžové) e o s i n – ethylacetát – žlutá
Fluorescery s velmi silnou intenzitou chemiluminiscence
r h o d a m i n B – ethylacetát (p íp. dioxan) – oranžová ( ím více rhodaminu, tím je chemiluminiscen ní zá ení tmavší) r h o d a m i n S – viz rhodamin B p e r y l e n – ethylacetát – sv tle modrá
8
2. P
ÍPRAVA CHEMIKÁLIÍ
2.1 Preparace luminolu[10] Chemikálie: ftalanhydrid, koncentrovaná kyselina dusi ná, koncentrovaná kyselina sírová, glycerol, síran hydrazinia, hydroxid sodný, dithioni itan sodný, kyselina octová Provedení: 175 g ftalanhydridu smíchejte s 175 ml 65% kyseliny dusi né a 175 ml 97% kyseliny sírové v litrové Elrenmayerov ba ce. Sm s zah ívejte 3 hodiny na vodní lázni. Potom sm s nalijte do 3 l studené vody. Získáte sm s dvou izomer kyseliny nitroftalové, námi požadovaný 3-nitro-izomer je ve vod nerozpustný. Po filtraci je možno jej rekrystalizovat ze studené ledové kyseliny octové. Výt žek je cca 70 g.
Ve dvacetimililitrové kádince smíchejte 1 g kyseliny 3-nitroftalové, 3 ml glycerolu, 15 ml vody, vodný roztok síranu hydrazinia a vodný roztok hydroxidu sodného. Sm s zah ívejte na 120° C po dobu 8 – 10 minut (cílem této operace je vyva it p ebyte nou vodu, glycerol má vyšší bod varu než 120° C a z stane v roztoku). Sm s ochla te na 100° C, p idejte 15 ml horké vody a vzniklou sraženinu odfiltrujte. Výt žek je asi 0,7 g. K t mto 0,7 g p idejte 5 ml 10% roztoku hydroxidu sodného a 3 g dithioni itanu sodného za vzniku hn do erveného roztoku, který pova te cca 5 minut. Poté p idejte 2 ml kyseliny octové a sv tle žlutý produkt (luminol) na frit odsajte. Výt žek je asi 0,2-0,3 g.
2.2 Preparace luminolu – verze II[13] Chemikálie: ftalanhydrid, koncentrovaná kyselina dusi ná, koncentrovaná kyselina sírová, hydrazin hydrát, triethylenglykol, hydroxid sodný, hydrogensulfid sodný (p ípadn jiné reduk ní inidlo, nap . dithioni itan sodný jako v bod 2.1), kyselina octová Provedení: P íprava kyseliny 3-nitroftalové je obdobná jako v bod 2.1. Ve zkumavce na pískové lázni zah ejte sm s 1 g 3-nitroftalové kyseliny a 2 ml 8% vodného roztoku hydrazinu a zah ívejte, dokud se pevná látka nerozpustí. P idejte 3 ml triethylenglykolu a zkumavku upevn te ve vertikální poloze v horké pískové lázni. Roztok zah ívejte, aby se vyva ila p ebyte ná voda, proto nechte teplotu pískové lázn vzr st až na 215°C, tuto teplotu udržujte po 2 minuty. Poté p esta te zah ívat, zkumavku ochla te asi na 100° C (p i této operaci se z roztoku vylou í krystaly pevné látky), p idejte 15 ml horké vody, zkumavku ochla te pod tekoucí vodou a odfiltrujte vylou enou žlutou nitrolátku. Získaný produkt vložte do isté zkumavky, p idejte 5 ml 3M roztoku hydroxidu sodného, pe liv zamíchejte a ke vzniklému ervenohn dému roztoku p idejte 3 g erstvého hydrogensulfidu sodného. Pevnou látku, která ulp la na st nách, spláchn te troškou vody. Sm s za míchání zah ejte k varu, tuto teplotu udržujte po dobu 5 minut. Poté p idejte 2 ml ledové kyseliny octové, zkumavku ochla te pod tekoucí vodou a promíchejte.
9
Vylou ený sv tle žlutý produkt (luminol) zachy te na filtru. Z filtrátu je poté ješt možné získat malé množství luminolu. Dodatek: Z t chto dvou uvedených zp sob p ípravy luminolu je druhý spolehliv jší a výt žn jší.
2.3 Preparace lucigeninu[11] Chemikálie: N-fenylanthranilová kyselina, kyselina sírová, kyselina dusi ná, uhli itan sodný, hydroxid sodný, dimethylsulfát (dimethylester kyseliny sírové), hydroxid draselný, kyselina chlorovodíková, trichlorid fosforylu, brombenzen, ho ík, amoniak, methanol, benzen Provedení: 42,7 g N-fenylanthranilové kyseliny smíchejte se 100 ml 90% kyseliny sírové. Sm s zah ívejte cca 4 hodiny na vodní lázni (použijte chlorkalciovou rourku). Poté sm s postupn nalijte do vroucí vody a vzniklou sraženinu (akridon) po p ti minutách odfiltrujte. Zbytky kyseliny odstra te roztokem uhli itanu sodného. Teplota tání akridonu je 344 – 346° C, výt žek je asi 90%. 39 g akridonu rozpus te ve 200 ml ba ce v malém množství vody s 8 g hydroxidu sodného a poté p idejte 0,2 mol dimethylsulfátu (asi 19 ml). Po 2 hodinách stání zkontrolujte pH a pokud alkalická reakce vymizela, roztok pova te asi 1 hodinu pod zp tným chladi em s 20 ml 20% roztoku hydroxidu draselného. Po okyselení koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou se vylou í N-methylakridon, který odfiltrujte. 15 g N-methylakridonu pova te 30 minut s 45 ml trichloridu fosforylu v olejové lázni vyh áté na 120° C. Vychladlou sm s rozmíchejte s diethyletherem a vylou ený 9-chlor-N-methylakridiniumdichlorofosfát zfiltrujte a vysušte za pokojové teploty. 7,5 g ho íkových hoblin rozpus te ve sm si 50 g brombenzenu a 200 ml etheru a veškerý 9-chlor-N-methylakridiniumdichlorofosfát postupn vneste do tohoto roztoku. Po ukon ení reakce 15 minut refluxujte. Po nalití sm si do 200 ml 2M kyseliny chlorovodíkové za chlazení ledem 15 minut míchejte, nakonec zalkalizujtee vodným roztokem amoniaku. Vypadne cca 12 g N,N´-dimethyldiakridinu. N,N´-dimethyldiakridin odfiltrujte a pova te 3 hodiny s methanolem, odfiltrujte a pova te 1 hodinu s benzenem. Po odfiltrování produkt rozmíchejte s 450 ml horké 1 M kyseliny dusi né a za horka p efiltrujte. Po ochlazení se vylou í lucigenin nitrát jako žlutý prášek. Výt žek je asi 60%.
2.4 Preparace siloxenu[1] Chemikálie: silicid vápenatý, kyselina chlorovodíková, ethanol, diethylether Provedení: 5 g jemn rozet eného silicidu vápenatého v kádince o objemu 800 ml p elijte 50 ml koncentrované kyseliny chlorovodíkové (v digesto i) a sm s n kolik minut míchejte. Po chvíli
10
nastává prudká reakce, kapalina se siln zah ívá a p ní. Po zmírn ní reakce p idejte dalších 25 ml koncentrované kyseliny chlorovodíkové a za míchání zah ívejte reak ní sm s asi 5 minut k varu. Pak sm s z e te 150 ml vody a va te dalších 5 minut. Vzniklou žlutou suspenzi odlijte od nezreagovaného šedého silicidu vápenatého a sedlinu zachy te na Büchnerov nálevce. Pak ji promyjte vodou a nakonec 95% ethanolem a diethyletherem. Po vysušení preparát uchovávejte v hn dé lahvi. V suchém stavu je stálý jen n kolik dní, déle vydrží pod z ed nou kyselinou chlorovodíkovou. Siloxen vzniká podle rovnice: 6n H+ + 3n CaSi2 + 3n H2O
(Si6H6O3)n + 3n H2 + 3n Ca
2.5 Preparace bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu[3] Chemikálie: 2,4-dinitrofenol, oxalylchlorid, triethylamin, dichlormethan Provedení: Roztok 36,8 g (0,2 mol) 2,4-dinitrofenolu ve 400 ml dichlormethanu, ke kterému p idáte 27,8 ml (0,2 mol) triethylaminu, ochla te na 5° C. Po ochlazení p idejte 9,6 ml (0,11 mol) oxalylchloridu. Sm s stále míchejte a teplotu udržujte na 5 – 10° C po dobu 45 minut. Po 45 minutách nechte sm s oh át na laboratorní teplotu a stále míchejte další 3 hodiny. Poté odsajte vylou ený produkt (bílý amorfní prášek) na frit a promyjte 300 ml dichlormethanu pro dokonalé odstran ní hydrochloridu triethylaminu. Posledním krokem je sušení za sníženého tlaku p i laboratorní teplot pro dokonalé odstran ní dichlormethanu. Výt žek je 41,2 g (97,5 % teorie) v podob bílého amorfního prášku.
Dodatek: P ed vlastní preparací se, prosím, ujist te o tom, zda jsou všechny použité chemikálie bezvodé (hlavní problém bývá s dinitrofenolem a triethylaminem). Nejlépe to zjistíte tak, že malý podíl dinitrofenolu rozpustíte v dichlormethanu a sledujete, zda se na hladin dichlormethanového roztoku nevylou í vrstvi ka vody. Totéž prove te i s triethylaminem. V p ípad zjišt ní i malého množství vody je pot eba chemikálie vhodným zp sobem vysušit, jinak by p i reakci nevznikl bis(2,4-dinitrofenyl)oxalát, ale došlo by k hydrolýze oxalylchloridu, tudíž by produktem reakce byla kyselina š avelová. Nejjednodušeji se triethylamin vysuší kousky sodíku (dichlormethan oxidem fosfore ným) a následným p edestilováním, 2,4-dinitrofenol vysušíte azeotropickou destilací s toluenem, nebo jednoduše v exsikátoru nad kyselinou sírovou. I vzniklý produkt, DNPO, je pot eba nejprve d kladn promýt dichlormethanem (to z toho d vodu, že obsahuje zbytkovou kvartérní amoniovou s l triethylamonium chlorid (vzniklou reakcí triethylaminu s chlorovodíkem, který se p i reakci uvol uje), která je hygroskopická, váže do sebe vzdušnou vlhkost a tím p sobí hydrolýzu DNPO. Po dokonalém promytí produktu dichlormethanem se doporu uje vysušení za sníženého tlaku, ale z vlastní zkušenosti mohu íci, že naprosto posta í vysušení na Petriho misce ležící na h ejícím topení.
11
3. OBRAZOVÁ
ÁST
3.1 Chemiluminiscence luminolu
luminol + eosin
luminol + fluorescein
luminol + rhodamin
3.2 Chemiluminiscence luminolu v aprotním rozpoušt dle
12
3.3 M sí ní fontána
3.4 Chemiluminiscence alkalické sm si pyrogallolu a formaldehydu
3.5 Chemiluminiscence singletového stavu kyslíku
13
3.6 Chemiluminiscence siloxenu
3.7 Chemiluminiscence TDAE
3.8 Malletova reakce
14
3.9 Chemiluminiscence oxalylchloridu jako fluorescer je zde použit rubren
3.10 Chemiluminiscence za použití bis(2,4-dinitrofenyl)oxalátu (DNPO)
15
3.11 Chemiluminiscen ní demonstrace, 31.3.2007 v Brn lucigenin
16
chemiluminiscen ní semafor
17
4. VYSV
TLENÍ PODSTATY CHEMILUMINISCENCE
U osmého pokusu jsem vám slíbil vysv tlit teorii chemiluminiscence. Pokusím se vám tedy nejd íve vysv tlit teorii chemiluminiscence kyslíku a pak ji zobecnit. Na obrázku je zachycen diagram znázor ující energetické hladiny molekulových orbital a jejich obsazení jednotlivými elektrony v molekule kyslíku O2 v základním, tzv. tripletovém stavu (v základním stavu je nap íklad kyslík ve vzduchu, který dýcháme)[6].
Na poslednim molekulovém orbitalu (tzv. HOMO orbital – nejvyšší obsazený orbital, z anglického the highest occupied molecular orbital), kterým je zde *2p orbital, jsou dva elektrony, které nejsou spárované, takže multiplicita „normální“ molekuly kyslíku je tripletová. Pokud by se však tyto dva elektrony spárovaly („p esko ily“ oba do orbitalu *2p), získáme kyslík singletovaný (excitovaný stav oproti kyslíku ve vzduchu). Energie vazby v t chto molekulách je nižší oproti vazb v normální tripletové molekule a proto je singletový kyslík mnohem reaktivn jší. Sám proto op t p echází do základního stavu, p i emž svou nadbyte nou energii vyzá í v podob viditelného sv tla[4,9]. U ostatních luminiskujících látek je situace obdobná. Samoz ejm se v tšinou jedná již o mnohem složit jší systém molekulových orbital , ale základní princip z stává zachován. V základním stavu má látka (nap . fluorescer pyronin G) dva elektrony v HOMO orbitalu. Po dodání energie jeden z nich vyhodí do tzv. LUMO orbitalu (nejnižší neobsazený molekulový orbital – z anglického the lowest unoccupied molecular orbital). Takto vzniklý stav je velmi nestabilní a zárove bohatý na energii. Dochází proto k návratu elektronu z orbitalu LUMO do orbitalu HOMO a zárov k vyzá ení chemiluminiscence. Základní schéma naleznete na obrázku.
18
19
Použitá literatura a ostatní zdroje: [1] Holzbecher Z.: Luminiscen ní analysa. Praha, Nakladatelství SAV 1957. [2]
ervinka O., D dek V., Ferles M.: Organická chemie. Praha, SNTL 1970.
[3]
ernoch V., Drož L., Cihelník S.: Chemiluminiecence demonstrations using bis-(2,4-dinitrophenyl)oxalate. Diplomová práce. Univerzita Karlova, Praha 2005.
[4]
ernoch V.: Chemické sv tlo – lightstick. Nepublikovaná práce.
[5]
trnáctová H. a spol: Pokusy pro školu a zájmovou innost. Praha, Prospektrum 2000
[6] Vacík J. a kol.: P ehled st edoškolské chemie. Praha, SPN 1999 [7] Faszination kaltes Licht [online]. Wien: Fachsaft Lehramt, posl. úpravy 2004 [cit. 2007-08-03]. Dostupné na WWW: http://kaltes-licht.fsla.at/. [8] Delights of chemistry [online]. Leeds: University of Leeds, posl. úpravy 2.7.2003 [cit. 2006-03-14]. Dostupné na WWW: http://www.chem.leeds.ac.uk/delights/texts/expt_26.html. [9] Courses of chemistry [online]. Old Main: The Pensylvania state University, posl. úpravy 2.9.2007 [cit. 2006-03-14]. Dostupné na WWW: http:// courses.chem.psu.edu/chem36/ Chem36H/IndivExpt1/829%20Light%20Stick.pdf.
[10]
Projekt chemiluminiscence [online]. Ústí nad Labem: Univerzita J.E.Purkyn ,
posl. úpravy 4.9.2007 [cit. 2007-09-04]. Dostupné na WWW: http:// projekt-cl.ujep.cz/. [11]
Uranit – zábavná chemie [online]. Praha: Uran, posl.
úpravy 18.11.2005 [cit. 2007-09-04]. Dostupné na WWW: http://uranit.wz.cz. [12]
Chemistry – instruction support lab [online]. Turlock: California State University,
posl. úpravy 26.7.2007 [cit. 2007-04-03]. Dostupné na WWW: http://science.csustan.edu/stkrm/Recipes/Recipes-Lucigeni.htm. [13]
Luminol – instructory chemistry [online]. Louisville: Bellarmine University,
posl. úpravy 25.6.2007 [cit. 14.7.2007]. Dostupné na WWW: http://cas.bellarmine.edu/chem117a/lab/luminol.htm. [14]
Aldrich: Katalog laboratorních chemikálií 2005 – 2006 ( eská republika).
Fotografie: Faszination kaltes Licht, Markéta Zajícová, Václav Parcha ský
Odborná recenze I. verze: Ing. Dalibor Ko iš Markéta Zajícová Lukáš Kaufman
20
Odborná recenze II. verze: Bc. Dušan Trefilík Kate ina Holá Petr Motloch
Zvláštní pod kování: Mgr. Ladislav Drož, Ph.D, firma Azacycles, Ltd., Kladno za mnoho cenných p ipomínek, rad, a za n které poskytnuté chemikálie Vlasta Divišová & Mgr. Jan Bauer, Gymnázium Opatov, Praha za poskytnutí zázemí k první p íprav DNPO a pomoc p i organizaci první p ednášky Mgr. Michal ezanka, P F UK, Praha za poskytnutí n kterých chemikálií a možnosti dalších prezentací Ing. Lubomír Moc, firma HiChem, Praha za bezplatné poskytnutí v tšiny fluorescer
© Ond ej Šim nek, Praha 2007
[email protected]
21
