3.2: Formula and Molecular Weights

Determining the Empirical Formula of Penicillin

Just as the empirical formula of a substance can be used to determine its percentage composition, the percentage composition of a sample can be used to determine its empirical formula, which can then be used to determine its molecular formula. Taka procedura została faktycznie wykorzystana do określenia wzorów empirycznych i molekularnych pierwszego odkrytego antybiotyku: penicyliny.

Antybiotyki są związkami chemicznymi, które selektywnie zabijają mikroorganizmy, z których wiele powoduje choroby. Chociaż antybiotyki są dziś często uważane za coś oczywistego, penicylina została odkryta zaledwie około 80 lat temu. Późniejsze opracowanie szerokiego wachlarza innych antybiotyków do leczenia wielu powszechnych chorób w znacznym stopniu przyczyniło się do znacznego wydłużenia średniej długości życia w ciągu ostatnich 50 lat. Odkrycie penicyliny to historyczna historia detektywistyczna, w której kluczową rolę odegrało wykorzystanie procentów masowych do określenia wzorów empirycznych.

W 1928 roku Alexander Fleming, młody mikrobiolog z Uniwersytetu Londyńskiego, pracował z powszechną bakterią, która powoduje czyraki i inne infekcje, takie jak zatrucie krwi. W badaniach laboratoryjnych bakterie są zwykle hodowane na powierzchni żelu zawierającego składniki odżywcze w małych, płaskich naczyniach hodowlanych. Pewnego dnia Fleming zauważył, że jedna z jego hodowli została skażona niebiesko-zieloną pleśnią podobną do tej, którą można znaleźć na zepsutym chlebie lub owocach. Takie wypadki są dość powszechne i większość pracowników laboratorium po prostu wyrzuciłaby hodowlę. Fleming zauważył jednak, że bakterie rosły wszędzie na żelu, z wyjątkiem w pobliżu zanieczyszczonej pleśni (część (a) na rysunku) i wysunął hipotezę, że pleśń musi wytwarzać substancję, która albo zabiła bakterie, albo uniemożliwiła ich wzrost. Aby sprawdzić tę hipotezę, wyhodował pleśń w płynie, a następnie przefiltrował płyn i dodał go do różnych kultur bakterii. Płyn zabił nie tylko bakterie, które Fleming pierwotnie badał, ale także szeroki zakres innych bakterii wywołujących choroby. Ponieważ pleśń należała do rodziny Penicillium (nazwanej tak ze względu na ich gałęzie w kształcie ołówka pod mikroskopem) (część (b) na rysunku), Fleming nazwał aktywny składnik bulionu penicyliną.

Ale Fleming nie był w stanie wyizolować penicyliny w czystej postaci, medyczne znaczenie jego odkrycia pobudziło badaczy w innych laboratoriach. W końcu, w 1940 roku, dwóm chemikom z Uniwersytetu Oksfordzkiego, Howardowi Floreyowi (1898-1968) i Ernstowi Chainowi (1906-1979), udało się wyizolować aktywny produkt, który nazwali penicyliną G. W ciągu trzech lat penicylina G znalazła się w powszechnym użyciu w leczeniu zapalenia płuc, zgorzeli, rzeżączki i innych chorób, a jej stosowanie znacznie zwiększyło przeżywalność rannych żołnierzy podczas II wojny światowej. W wyniku swojej pracy Fleming, Florey i Chain otrzymali w 1945 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny.

Jak tylko udało im się wyizolować czystą penicylinę G, Florey i Chain poddali związek procedurze zwanej analizą spaleniową (opisanej w dalszej części tego rozdziału) w celu ustalenia, jakie pierwiastki były w nim obecne i w jakich ilościach. Wyniki takich analiz są zwykle podawane jako procenty masowe. Odkryli oni, że typowa próbka penicyliny G zawiera 53,9% masy węgla, 4,8% masy wodoru, 7,9% masy azotu, 9,0% masy siarki i 6,5% masy sodu. Suma tych liczb wynosi tylko 82,1%, a nie 100,0%, co sugeruje, że musi istnieć jeden lub więcej dodatkowych elementów. Rozsądnym kandydatem jest tlen, który jest powszechnym składnikiem związków, które zawierają węgiel i wodór; nie zakładaj, że „brakująca” masa jest zawsze spowodowana tlenem. Może to być każdy inny pierwiastek. Z powodów technicznych trudno jest jednak bezpośrednio analizować tlen. Zakładając, że cała brakująca masa jest spowodowana tlenem, to penicylina G zawiera (100,0% – 82,1%) = 17,9% tlenu. Na podstawie tych udziałów masowych można określić wzór empiryczny i ostatecznie wzór cząsteczkowy związku.

Aby określić wzór empiryczny na podstawie udziałów masowych pierwiastków w związku takim jak penicylina G, udziały masowe muszą być przekształcone na względną liczbę atomów. Dla wygody przyjmijmy, że próbka związku ma masę 100,0 g, chociaż rozmiary próbek używanych do analiz są zwykle znacznie mniejsze, zwykle w miligramach. To założenie upraszcza arytmetykę, ponieważ 53,9% procent masy węgla odpowiada 53,9 g węgla w 100,0 g próbki penicyliny G; podobnie, 4,8% wodoru odpowiada 4,8 g wodoru w 100,0 g penicyliny G; i tak dalej dla innych pierwiastków. Każdą masę dzieli się następnie przez masę molową pierwiastka, aby określić, ile moli każdego pierwiastka jest obecnych w próbce 100,0 g:

W ten sposób 100.0 g penicyliny G zawiera 4,49 mol węgla, 4,8 mol wodoru, 0,56 mol azotu, 0,28 mol siarki, 0,28 mol sodu i 1,12 mol tlenu (zakładając, że cała brakująca masa to tlen). Liczba cyfr znaczących w liczbie moli pierwiastków waha się od dwóch do trzech, ponieważ niektóre z danych analitycznych zostały zgłoszone tylko do dwóch cyfr znaczących.

Wyniki te dają stosunek moli różnych pierwiastków w próbce (4,49 mol węgla do 4,8 mol wodoru do 0,56 mol azotu, i tak dalej), ale nie są to stosunki liczb całkowitych potrzebnych do wzoru empirycznego – wzór empiryczny wyraża względne liczby atomów w najmniejszych możliwych liczbach całkowitych. Aby otrzymać liczby całkowite, należy podzielić liczbę moli wszystkich pierwiastków w próbce przez liczbę moli pierwiastka obecnego w najmniejszej ilości względnej, którym w tym przykładzie jest siarka lub sód. Wyniki będą stanowiły indeksy pierwiastków we wzorze empirycznym. Z dokładnością do dwóch cyfr znaczących wyniki są następujące:

Wzór empiryczny penicyliny G to zatem C16H17N2NaO4S. Inne eksperymenty wykazały, że penicylina G jest w rzeczywistości związkiem jonowym, który zawiera kationy Na+ i aniony – w stosunku 1:1. Złożona struktura penicyliny G (rysunek) została określona dopiero w 1948 roku.

W niektórych przypadkach jeden lub więcej indeksów we wzorze obliczonym przy użyciu tej procedury może nie być liczbami całkowitymi. Czy oznacza to, że interesujący nas związek zawiera niecałkowitą liczbę atomów? Nie; błędy zaokrągleń w obliczeniach, jak również błędy doświadczalne w danych mogą skutkować stosunkami niecałkowitymi. W takiej sytuacji, interpretując wyniki należy kierować się rozsądkiem, jak pokazano w Przykładzie 6. W szczególności, współczynniki 1,50, 1,33 lub 1,25 sugerują, że należy pomnożyć wszystkie indeksy we wzorze odpowiednio przez 2, 3 lub 4. Tylko wtedy, gdy stosunek jest w granicach 5% wartości całkowitej, należy rozważyć zaokrąglenie do najbliższej liczby całkowitej.

.