¿Qué tienen en común la malaria y los tintes sintéticos?

La respuesta es un estudiante de Química: William Henry Perkin. Como reto, un profesor le propuso sintetizar desde cero quinina, el fármaco antimalárico, y Perkin pasó horas realizando intentos durante las vacaciones de Pascua.

Tras probar a conseguir el grupo aromático de su estructura química mediante una oxidación (y fallar miserablemente), su vaso de precipitados quedó manchado de cristales que se volvían violetas al lavarlos con alcohol. Había descubierto así la mauveína, el primer tinte orgánico sintético de la historia, que fue muy popular en la época.

"¿Qué tienen en común la malaria y los tintes sintéticos?" fue publicado originalmente el 23 de diciembre de 2016 en la Revista Intersanitaria Nacional Salus.

Adaptado de "El descubrimiento del primer tinte sintético", publicado en este mismo blog.

El descubrimiento del primer tinte sintético

Corría el año 1856 durante las vacaciones de Pascua, y el joven William Henry Perkin, que por entonces contaba con 18 años, se encontraba estudiando en el Royal College of Chemistry de Londres bajo la tutela del químico alemán August Wilhelm von Hofmann (no confundir con el suizo Albert Hofmann, descubridor del LSD).

Como reto, su profesor le había propuesto sintetizar quinina desde cero, un fármaco del tipo alcaloide con propiedades antimaláricas, y Perkin pasó horas en el cobertizo del jardín de la casa de sus padres realizando pruebas. La quinina o chinchona, que se extraía originalmente de la quina, posee en su estructura un grupo aromático de quinolina, y una quinuclidina o amina bicíclica.

Estructura de la quinina.

Para conseguir sintetizarla, a nuestro químico se le ocurrió llevar a cabo la oxidación de anilina utilizando dicromato potásico. El dicromato contenía impurezas de toluidina, un derivado del alquitrán, que reaccionaron con la anilina y obtuvo un producto tipo lodo de color negro, que apuntaba a que la síntesis orgánica había fallado. Decidió sabiamente tirar esta sustancia por el fregadero, y al limpiar el vaso de precipitados con alcohol, partes del mismo se volvían violetas. Posteriormente, se formaban cristales de este color.

Fuente.

El joven Perkin había obtenido el primer tinte orgánico sintético, perfecto para teñir textiles como la seda o el algodón, y podían conseguirse tonos desde el púrpura oscuro a un tono más lavanda. Viendo el potencial de ventas que tenía, ya que nunca antes se había visto un color parecido en la ropa, patentó su sustancia a la que bautizó finalmente como "malva" o "mauveína" (mauveine en inglés) por su parecido con el tono de las flores del mismo nombre.

Estructura química de la mauveína A (C₂₆H₂₃N₄⁺X⁻).
Posee dos moléculas de anilina, una de p-toluidina y otra
de o-toluidina.

Al año siguiente, tras pedirle el capital necesario a su padre, Perkin abrió una fábrica de tintes cerca de los canales de Londres, y su colorante resultó ser muy popular entre la población más "fashionista". Su lanzamiento fue el pistoletazo de salida para la síntesis de otros tintes derivados de la anilina como la fucsina (magenta) o la safranina (rojo), que se descubrieron tras el éxito comercial de la mauveína.

El reconvertido Jack Napier era un gran fan de este color.

La malva fue empleada también en la impresión de sellos en el Reino Unido, y nuestro inventor a la edad de 35 años ya era tan sumamente rico que podía haberse retirado. En vez de eso, se construyó una casa nueva completa con un laboratorio particular, donde siguió investigando y desarrollando compuestos hasta su madurez, cuando fue nombrado miembro de la Royal Society de Londres, y donde fue homenajeado en 1906 por el 50 aniversario de su primer gran descubrimiento.

Fuente:

Wikipedia: William Henry Perkin

Esta entrada participa en la LI Edición del Carnaval de Química, alojada en el blog Scientia de @ScientiaJMLN.

Óxido nitroso: la errática historia de un anestésico

El óxido nitroso (N₂O) también conocido como protóxido de nitrógeno o gas hilarante o de la risa es un gas incoloro e inflamable de olor dulzón. Descubierto a finales del s. XVIII por el químico y ex-sacerdote británico Joseph Priestley, no fue hasta 1840 que se empezó a utilizar como anestésico en cirugías, uso que todavía tiene.

"¿Inflamable significa flamable? ¡Pero qué país!" 

El descubrimiento del óxido nitroso

Corría el año 1772 y el clérigo, teólogo, filósofo y científico Joseph Priestley, que fue el primero en aislar el oxígeno, entre otros compuestos, se encontraba realizando experimentos químicos cuando calentó nitrato amónico ((NH₄)(NO₃)) en presencia de limaduras de hierro un recipiente de vidrio. De este compuesto se desprendió óxido nítrico (NO) en forma de gas, que fue filtrado a través de agua para eliminar los subproductos tóxicos. La reacción que se produjo a continuación con el agua y el hierro fue la siguiente:

2NO + H₂O + Fe → N₂O + Fe(OH)₂

El hidróxido de hierro (II) precipitaba al fondo del recipiente, y se obtenía como producto principal el óxido nitroso en foma de gas.

Aplicaciones del gas

Tras ensayos iniciales, Priestley pensó que el óxido nitroso tendría utilidad como agente conservante, pero no fue así.

Ya en 1800, Sir Humphry Davy, padre de la electroquímica, trabajaba en la Pneumatic Institution de Bristol (Inglaterra). y pensó que este gas tendría propiedades fisiológicas que experimentó innumerables veces consigo mismo. Tras investigar los efectos del gas purificado tras la inhalación en visitantes de la Institución, decidió llamarlo "gas de la risa", al que se hizo adicto.

No todo eran risas, ya que el consumo continuado del gas de la risa puede provocar dependencia, y a largo plazo puede producir daños a nivel del sistema nervioso central por bloqueo de la acción de la vitamina B12 o cobalamina, llevando a una deficiencia de esta vitamina que se manifiesta con síntomas digestivos, hematológicos y neurológicos.

Estructuras químicas resonantes del óxido nitroso.

Davy también descubrió su efecto anestésico y analgésico, con prometedoras aplicaciones durante "intervenciones quirúrgicas en las que no se produjera una gran efusión de sangre". Sin embargo, durante los siguientes 40 años, el uso primario del óxido nitroso fue recreacional. Incluso, la gente llegó a pagar por inhalar un minuto de la sustancia en exhibiciones de medicina itinerantes y fiestas, y empezaban a sentirse eufóricos y cantar, pelear y, por supuesto, a reír.

En uno de estos shows en 1844 que tuvo lugar en Hartford, Connecticut, entre el público se encontraba el dentista Horace Wells, que observó cómo un voluntario para probar la droga inhaló el gas y bajo los efectos de este se golpeó la pierna contra unos bancos. Cuando se volvió a sentar junto al Dr. Wells, parecía que no era consciente de la herida hasta que el efecto del óxido nitroso despareció. Wells intuyó las posibilidades analgésicas de este gas para su profesión, y al día siguiente quedó con el dueño de la exhibición para realizar un experimento que consistió en administrarse a sí mismo óxido nitroso mientras un colega dentista le extraía una muela. El propio Wells no sintió dolor durante la intervención, y así comenzó el uso médico del N₂O como analgésico.

Al contrario que otros compuestos usados como anestésicos hasta entonces, tales como el éter (dietil ter, extremadamente explosivo) o el cloroformo (CHCl₃), el óxido nitroso presentaba la ventaja de que era más estable y seguro. El uso de este gas se restringe a sedante y analgésico moderado que ayuda a paliar la ansiedad por medio del aumento de la actividad de los receptores GABA_A.

El gas de la risa en la actualidad

En las últimas décadas, este "gas hilarante" se usa además como droga de abuso entre jóvenes y no tan jóvenes en Occidente. La forma de consumo es en globos llenos del gas aspirando entre dos y tres veces seguidas su contenido hasta experimentar una embriaguez o sensación de alegría y bienestar. El efecto dura entre tres y cinco minutos, y al consumirse por vía inhalatoria, se absorbe por difusión en los pulmones y se excreta rápidamente por vía respiratoria de forma inalterada.

Fuentes:
Wikipedia: Nitrous oxide
Medscape, WebMD LLC. (Ally N Alai, 2014): Nitrous Oxide Administration

Cameron, E. & May, P. (1999): Molecule of the Month: Nitrous Oxide. School of Chemistry, University of Bristol

Este artículo porta con orgullo el estandarte del Carnaval de Química en sus Bodas de Oro, que se coordina desde el blog de la asociación JEDA Granada.

La psicodélica historia del LSD

El LSD o dietilamida de ácido lisérgico es una droga semisintética psicoactiva o enteógena que fue sintetizada por primera vez el 16 de noviembre de 1938 por el químico suizo Albert Hofmann mientras trabajaba en los laboratorios de la empresa farmacéutica Sandoz, actualmente parte de Novartis, en Basilea, Suiza.

Lucy in the Sky with Diamonds: El extendido rumor resultó ser falso.

Los antecedentes

Hofmann se encontraba estudiando derivados tipo amida del ácido lisérgico, un compuesto producido por un hongo, el cornezuelo del centeno (Claviceps purpurea). El científico pretendía encontrar sustancias con valor para la industria farmacéutica, en concreto, buscaba estimulantes del aparato respiratorio y el sistema circulatorio, un analéptico.

En este caso, a la molécula de ácido lisérgico le adicionó un sustituyente dietilamida por medio de la reacción con dietilamina, previa activación con cloruro de fosforilo (POCl₃) y obteniendo ácido 1-metil-D-lisérgico como intermedio de reacción. A este producto le puso el nombre LSD-25 (del alemán Lysergsäure-Diethylamid, dietilamida de ácido lisérgico, y el número de molécula que había sintetizado). La guardó "en el cajón", y continuó investigando para sintetizar otros compuestos.

Estructuras del ácido lisérgico y su derivado el LSD.

¿Por qué era especial este LSD-25?

Estructuralmente, más adelante se pudo comprobar que el LSD tiene en su esqueleto una parte análoga al neurotransmisor serotonina (5-hidroxitriptamina o 5-HT), y de esta forma actúa como agonista de varios receptores de esta monoamina.

Estructura química de la serotonina.

Aunque no se conoce todavía el mecanismo exacto por el que produce los efectos que vamos a ver más adelante, se sabe que también es capaz de unirse a los receptores dopaminérgicos D₂.

El guante que se rompió

No fue hasta 1943, casi cinco años después, que salió de ese cajón y se encontraron sus propiedades psicodélicas, término acuñado por el psiquiatra Humphry Osmond en una carta enviada al escritor inglés Aldous Huxley, juntando las palabras griegas "psychē" (alma) y "dēloun"(revelar).

El 16 de abril de ese año, Hofmann decidió volver a sintetizar la molécula, y accidentalmente entró en contacto con ella a través de las manos. Describió los efectos como de agitación combinada con un ligero mareo.

Ya en casa, se acostó y se sintió en un estado como de borrachera no desagradable y con la imaginación extremadamente estimulada. Con los ojos cerrados, como en un sueño, percibió varias imágenes caleidoscópicas y coloridas, hasta que dos horas más tarde estos efectos desparecieron. Cuando regresó al trabajo, valoró las sustancias que había estado manipulando y llegó a la conclusión de que había absorbido parte del LSD-25 a través de la piel de los dedos.

Dumbo alucinando como si se le hubiera roto un guante.

El Día de la Bicicleta

El día 19 de abril decidió probar por sí mismo los efectos de esta potencial droga e ingirió 0,25 mg de la sustancia por vía oral, cantidad que consideró que era el umbral de acción de la droga o la cantidad mínima necesaria para que tuviera efectos en el organismo.

En menos de una hora, Hofmann experimentó cambios repentinos e intensos en la percepción, y le pidió a su ayudante de laboratorio que le acompañara a casa. Como en la época de la Segunda Guerra Mundial había restricciones para usar los vehículos de motor, fueron en bicicleta, y de camino su estado empeoró. 

Cuando llegaron a su casa, además de la ansiedad que estaba sintiendo, el químico llegó a creer que su vecina, la Señora R., que inocentemente le llevó un poco de leche a casa, era una malévola e insidiosa bruja con una máscara de color. Todo giraba alrededor en la habitación y los objetos y muebles habituales de pronto tenía formas amenazantes y grotescas. Hofmann llegó a pensar también que se había vuelto loco, y que el LSD lo había envenenado. Cuando un médico le examinó, no observó anomalías físicas, excepto una midriasis exagerada (dilatación de pupilas).

La vecina de Hofmann. Según él, claro.

Poco a poco, empezó a sentir sensaciones placenteras con colores y formas que se movían al cerrar los ojos, imágenes caleidoscópicas se abrían y cerraban formando círculos y espirales de forma constante. Desde entonces, el 19 de abril de cada año, día del primer viaje de LSD, se conoce como el "Día de la Bicicleta".

"Tripi" rememorando el Día de la Bicicleta.

Resultó que esta droga, que era mucho más potente que otros alucinógenos yas conocidos como la mescalina, en realidad poseía un umbral de acción de 0,20 mg, como se estudió posteriormente, La sustancia, también conocida como lisérgida, representaba para Hofmann un hallazgo muy significativo, ya que una sustancia psicoactiva tan potente sería útil como herramienta en psiquiatría, y no imaginaba que pudiera usarse de forma recreacional.

Lo que ocurrió después

Desde su descubrimiento, los laboratorios Sandoz fueron los únicos que manufacturaron y comercializaron el LSD, que fue puesto a la venta por primera vez en 1947 bajo en nombre comercial Delysid^®. Tenía prometedoras aplicaciones en psiquiatría, pero su abuso en los años 60 hizo que fuera prohibido.

Como curiosidad, el ya mencionado autor de la novela distópica Un mundo feliz Aldous Huxley, fue un fiel defensor de su uso recreacional, e incluso en su lecho de muerte cuando era incapaz de hablar debido a un cáncer de laringe muy avanzado, escribió una nota a su mujer Laura pidiendo "LSD, 100 µg, intramuscular".

Una de las escenas generadas por ordenador del cine que más me impactó
de jovenzuela: la alucinación de El secreto de la pirámide.

Fuentes:

Wikipedia: History of lysergic acid diethylamide

Esta entrada participa en la XLVII Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es ::ZTFNews.

Urea: la síntesis que desmontó una corriente filosófica

En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler logró sintetizar por primera vez a partir de reactivos inorgánicos un compuesto orgánico que además solamente se conocía hasta la fecha como un subproducto de organismos vivos. Tenía 28 años en el momento de su descubrimiento, que supuso un gran avance en la Química y puso en evidencia la hasta entonces ampliamente aceptada doctrina del vitalismo.

La molécula en cuestión era la urea, aislada por primera vez por el científico holandés Herman Boerhaave en la orina humana en 1727, aunque el químico francés Hilaire Rouelle también lo consiguió de forma independiente décadas más tarde..

El vitalismo mantenía que sólo organismos vivos podían producir compuestos orgánicos, y que la química de los seres vivos eran fundamentalmente diferentes de los de la materia inanimada, que no poseía la "fuerza vital". Uno de sus fieles defensores fue el mismísimo Louis Pasteur, que sostenía que únicamente la vida podía catalizar la fermentación.

Wöhler consiguió desmentir esta filosofía debido en gran parte a la casualidad. Se encontraba en su laboratorio de Berlín mientras pretendía sintetizar cianato de amonio puro partiendo de cloruro de amonio y cianato de plata, dos sales inorgánicas. Al mezclar ambos compuestos y calentarlos para evaporar el disolvente, se formaron unos cristales blancos extremadamente similares a los cristales de urea que había aislado previamente de la orina humana y de perro. La reacción simplificada de doble desplazamiento que se produce es la siguiente:

Síntesis de Wöhler.

El químico, conocedor de su gran logro, le envió una carta triunfal a su compañero de profesión sueco J. J. Berzelius, vitalista empedernido. El mensaje fue el siguiente:

"[...] y debo decirle que puedo fabricar urea sin la ayuda de riñones, o incluso de animal, ya que ni hombre ni perro son necesarios. [...] La urea de la orina tiene exactamente la misma composición que el cianato amónico. Y este es el caso".

[„ ... und muss ihnen sagen, daß ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder überhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nöthig zu haben. ... Der Pisse-Harnstoff genau dieselbe Zusammensetzung haben, wie das cyansäure Ammoniak. Und dies ist in der That der Fall."] 

Urea: diaminocetona o amino metanamida.

Al contrario de la creencia popular, Berzelius, a pesar de la evidencia, no cambió de parecer y mantuvo su creencia vitalista. Es más, unos años más tarde, en 1845, Adolph Hermann Kolbe obtuvo de forma sintética a partir de sulfuro de carbono otra molécula supuestamente exclusiva de los organismos vivos, el ácido acético. Pero ni con esas lograron que Berzelius renegara su creencia en esta filosofía.

Sello conmemorativo de 50 ₰ (peniques) de marco alemán. Centenario de
la muerte de Wöhler recordando el descubrimiento de la síntesis de la urea.

Fuentes:

Wikipedia: Wöhler Synthesis

Chemical Heritage Foundation: Justus von Liebig and Friedrich Wöhler

Esta entrada participa en el XLVI Carnaval de Química, alojado en el blog descubrirlaquimica2 de @descubrequimica.

La diabetes y el perro de von Mering

Joseph von Mering, el médico alemán que, como ya comentamos en el blog, colaboró en el descubrimiento de los barbitúricos y de las aplicaciones terapéuticas del paracetamol, tuvo otra notable aportación al mundo de la ciencia.

Su gran descubrimiento en el campo de la medicina ocurrió en 1889 en la Universidad de Estrasburgo (Francia) mientras estudiaba con su colega el fisiólogo lituano Oskar Minkowski la función del páncreas en la digestión. En uno de los experimentos que llevaron a cabo, le extirparon este órgano anficrino a un perro para estudiarlo bajo el microscopio.

Tras su pancreatectomía, el animal, que estaba entrenado para no hacer pis fuera de su sitio, comenzó a orinar frecuentemente por el suelo del laboratorio. El cuidador del can observó su poliuria, signo común de la diabetes, y además se percató de una nube de moscas que rondaba la orina.

Alertó a los investigadores de este curioso hecho, y al comprobar la composición del orín descubrieron que poseía una concentración muy elevada en glucosa (glicosuria), otro signo habitual de la diabetes mellitus que ya fue descrito en 1675 por el médico inglés Thomas Willis, y conocido desde la Antigüedad por los Egipcios y otras culturas.

Por casualidad, von Mering y Minkowski habían provocado la enfermedad dulce en un pobre perro, y llegaron a la conclusión de que el páncreas contenía reguladores que controlaban la concentración de azúcar en sangre o glucemia. Su trabajo permitió profundizar la investigación sobre la relación este órgano con la diabetes, y finalmente llevó al descubrimiento de la hormona peptídica insulina, secretada por las células beta del páncreas y empleada de forma subcutánea desde el S. XX como tratamiento de la diabetes mellitus tipo 1 o insulinodependiente.

Estructura de un hexámero de insulina: La insulina se almacena en el organismo
de esta forma, pero es activa como monómero. Foto de Isaac Yonemoto.

Anécdota inspirada por el libro "¡Qué divertida es la ciencia!" de Muy Interesante (2002)

El peculiar descubrimiento del fósforo

El fósforo, con símbolo P y número atómico 15 en la tabla periódica, es un elemento no metálico cuyo nombre, como ya comentamos, deriva de las palabras griegas "phos" y "phoros", que significan "dador de luz". El descubrimiento de este elemento tiene una peculiar historia.

Fue el decimotercer elemento descubierto, en el año 1669 por el alquimista y mercader (la cuestión es diversificar) alemán Hennig Brand en Hamburgo. Brand decidió hervir su propia orina, con la esperanza de que contuviera oro, ya que pensó que al tener colores similares, era lógico que algo tan banal como la orina pudiera albergar el preciado elemento.

El método de extracción era algo complejo, teniendo en cuenta de que se basaba por completo en el método empírico: el residuo negro que quedaba tras la hervir la orina era almacenado durante meses, y después era calentado con arena hasta destilar un aceite rojo y apartarlo. El resto se dejaba enfriar, y se descartaba la sal, y se mezclaba el aceite rojo otra vez con el material esponjoso negro. Se calentaba intensamente la mezcla durante 16 horas para condensar los gases y aceites desprendidos. Finalmente se extraía un material, que se calentaba otra vez para eliminar todo el agua, y el precipitado resultante tras la evaporación y enfriamiento en agua fría, de color blanco, era el fósforo, ya que la orina contiene fosfatos disueltos y fosfato sódico.

Para disgusto del pobre Hennig, el resultado no era ni por asomo el ansiado oro, pero supo que era otra cosa interesante, y lo llamó "fuego frío" por su ligera luminiscencia en la oscuridad. Como Brand tenía cierta reticencia a publicar abiertamente cómo llegó al descubrimiento del fósforo (lo de involucrar fluidos corporales a la química estaba mal visto en la época), decidió vender su hallazgo a otros químicos, Johann Daniel Kraft y Kunckel von Lowenstern.

Brand también vendió su método de extracción corporal de fósforo a Gottfried Wilhelm Leibniz, más conocido por inventar el cálculo de forma independiente a Newton. Leibniz, pensando como un alquimista también, pensó que Brand sería capaz de conseguir la piedra filosofal, que transformaría en oro otros metales menos nobles, si producía una gran cantidad de fósforo. Estamos hablando de litros y litros de orina para conseguirla, y no hace falta decir que fracasaron.

El fósforo se produjo mediante este método hasta la década de 1770, cuando el científico sueco Carl Wilhelm Scheele, descubridor del cloro, comprobó que también podría extraerse de los huesos de animales, un método más barato y efectivo.