Lösning till 120 år gamla pussel avslöjar nya kemiska fenomen

0
6

Källa: © Royal Society of Chemistry

I det 19th århundradet Emil Fischer upptäckte att acetaldehyd phenylhydrazone hade en udda egendom – fast hade mer än en smältpunkt. Och detta kemiska oddity har skam apotek i över 100 år

Bland de många kemiska mysterier dyker upp i 19th century, acetaldehyd phenylhydrazone (APH) kan vara en av de märkligaste och mest förvirrande. Tyska forskare Emil Fischer, vinnare av 1902 kemi Nobelpriset för socker och purin syntes, till en början gjorde APH 1877, och samtidigt undersöka phenylhydrazine reaktivitet. I 1896, han rapporterade att ovanligt att det fanns tre utbytbara former, olika smältpunkter, 63-65°C, 80°C och 98-101°C.

Den grundläggande vetenskapen om olika ssd-formulär var bara fram, så var detta ett intressant pussel. Forskarna var oense om det var två eller tre former, och vad exakt det smälter poäng var. Fischers oenighet om ämnet med fransk kemist M H Causse vände sig särskilt bitter, men i slutändan fanns det inga publikationer om det efter 1913. Moderna vetenskapsmän kan anta att skillnaderna var för att de var att studera ett orent material. Men nu, ett team av forskare i Europa har grävt djupare – och funnit en tidigare okänd relation mellan kristallina fasta ämnen och deras smält former.

Vi var då inför att behöva dilemmat mellan att skriva om de termodynamiska lagarna i universum, eller misstro det bevis på våra egna ögon

Terry Threlfall, University of Southampton

Mysteriet återuppstod 2008 av Terry Threlfall, som har varit en ledande gästforskare vid University of Southampton sedan 1999, efter pensioneringen från läkemedelsindustrin. Efter att hitta Fischer ‘s studie, medan trålning gamla tyska tidningar, som han och hans kollegor i Simon Coles” team gjorde APH för sig själva, som bygger på protokoll från den 19: e och tidig 20th århundraden. I dessa metoder, recrystallising APH från en blandning av vatten och etanol med ett spår av alkali ger en hög smältpunkt form. Med hjälp av ett spår av syra i stället ger låg smältpunkt form.

Att undersöka omöjligt

När de undersökte olika produkter med hjälp av enkel-crystal x-ray analys, solid-state NMR-och infraröd spektroskopi, de var identiska, Threlfall berättar Kemi Världen. Både exklusivt visade APH med en Z – dubbel-bond-isomer. Baserat på befintlig kunskap, bör detta inte ha varit möjligt. “Vi var då inför att behöva dilemmat mellan att skriva om de termodynamiska lagarna i universum, eller misstro det bevis på våra egna ögon”, säger han.

Källa: © University of Southampton

Att arbeta i team av Simon Coles (vänster), Terry Threlfall (höger) plockade upp och sedan hjälpte till att lösa den 120-åriga kemisk mystik av acetaldehyd phenylhydrazone

Han diskuterade problemet med termodynamik expert Manuel Minas da Piedade från University of Lisbon, Portugal, vid en konferens. Tillsammans, Lissabon och Southampton lag provat olika tekniker för att identifiera skillnader. Under 2012 gjorde de ett genombrott när de bestämde sig för att studera olika former’ egenskaper så att de smälter. NMR fann att trots till synes identiska partiklar, den smälter var annorlunda. Hög smältpunkt APH, beredd med ett spår av alkali, var som Z – isomeren när smält. Den låg smältpunkt-form, beredd med en aning syra, omvandlas till E – isomeren. Manuel var dock fortfarande förbryllad över hur den här smältande omvandling skulle kunna resultera i en förändring av smältpunkt,’ Threlfall påminner om.

Källa: © 2019 American Chemical Society

Strukturen av acetaldehyd phenylhydrazone

Efter Threlfall presenterade dessa resultat på en annan konferens, Hugo Meekes från Radboud University i Nijmegen, Nederländerna, tog upp utmaningen. Hans team växte APH kristaller och studerade dem med solid-state NMR, efter smältningen av varierande temperatur. De upptäckte att kvardröjande spår av syra katalysera APH att isomerise i smält tillstånd, och snabbt nå en låg smältpunkt jämvikt mellan E – och Z-isomerer. “I avsaknad av dessa spår eller i närvaro av spår av bas för att neutralisera den syra som kan isomerisering blir i sig långsamt för APH, vilket leder till en hög observerade smältpunkt,’ Meekes förklarar.

Ett varnande exempel

Situationen där olika fasta ämnen producera samma smälta är väl känt, men samma fast bildar två olika smälter är till synes tidigare okända, Threlfall lägger till. “Det är sannolikt att vara sällsynta, men intressant ändå i vår förståelse av ssd-beteende”, säger han.

Timothy Easun från University of Cardiff samtal studien “i en vacker del av det arbete som visar hur viktigt att förstå icke-jämvikt stater och mindre komponenter av kemiska och fysiska processer kan vara”. “Det är den varnande berättelse om karakterisering av metoder som är särskilt övertygande,’ tillägger han. “Endast genom att undersöka den dynamiska process som smälter sig med hjälp av moderna NMR-tekniken var den mekanism avslöjats.’

Threlfall, ser en ytterligare pusselbit i den tvist mellan Fischer och Causse. Causse hävdade att alla villkor som används för att göra APH sannolikt produceras en annan ‘buren’ struktur. Fischer var oeniga om det mesta, men Threlfall har funnit att Causse var ibland rätt. Forskarna försöker ta reda på under vilka villkor detta sker, men så långt har träffat en tom vägg’.

Meekes, under tiden, har varit med beaktande av de nyupptäckta fenomen när samråd för läkemedelsföretagen. Ett företag använder smältpunkt mätningar för kvalitetskontroll, och var tvungen att kasta partier när värden var för höga. “Jag är ganska säker på APH fall var mycket annorlunda från deras problem,” Meekes betonar. “Men det fick mig att inse att det kan finnas andra substanser som kan leda till felaktiga slutsatser genom att helt enkelt mäta smältpunkt med standardmetoder.’

Referenser

C Bernades på al, Cryst. Tillväxt Des., 2019, DOI: 10.1021/acs.cgd.8b01459

Andy ExtanceA science skribent baserad i Exeter, STORBRITANNIEN