KUPARIASPIRINAATIN VALMISTUS KOHDERYHMÄ: Työ on suunnattu kursseille KE2 (Kemian mikromaailma), KE3 (Reaktiot ja energia) sekä KE4 (Metallit ja materiaalit). KESTO: 60 90 min. MOTIVAATIO: Työskentelet lääkesuunnitteluyrityksessä, jossa tehtävänäsi on tutkia uusia lääkevalmisteita kuljettavia metalliyhdisteitä. Tehtävänäsi on valmistaa erä erästä kupariyhdistettä koekäyttöä varten. Yrityksen kehnon rahatilanteen vuoksi joudut tekemään työn mikrokemian välineillä pienillä ainemäärillä. TAVOITE: Kompleksiyhdisteen valmistaminen käytössä olevista lääkeaineista sekä metallisuoloista. AVAINSANAT: Kompleksiyhdiste - Synteesi - Mikrokemia Lääkekemia TAUSTAA Kupariaspirinaatti eli dikuparitetra-asetyylisalisylaatti on epäorgaaninen yhdiste, jonka käyttöä nivelreuman hoidossa ja toisen sukupolven lääkevalmistuksessa on tutkittu eläimillä ja ihmisillä. Lisäksi kupariaspirinaatin on havaittu vaikuttavan hoidoissa paremmin kuin tavallinen aspiriini. Kupariaspirinaattia on tutkittu lisäksi myös PVC-muovin värjäysaineena. Kupariaspirinaatti kuuluu siirtymämetallikompleksiyhdisteisiin. Kompleksiyhdisteellä tarkoitetaan yhdistettä, jossa keskusatomina on yleensä positiivisesti varattu ioni ja sitä ympäröi molekyylit tai negatiivisesti varatut ionit. Kompleksiyhdisteiden toiminta lääkinnässä perustuu niiden ympärille kiinnittyviin ligandeihin (molekyyli, atomi tai ioni). Ligandi vaikuttaa eliön kehossa muuttamalla lääkkeen liukoisuutta ja vaikuttavien aineiden läpäisykykyä kudoksiin. Tässä työssä pääset itse valmistamaan kuparikompleksiyhdisteen. Valmistus suoritetaan mikrokemian välineillä, koska yhdisteiden määrä on yleensä lääkkeissä milli- tai mikrogrammoja. Ensimmäisessä vaiheessa asetyylisalisyylihappo ja kaliumkarbonaatti muodostavat kaliumsuolan (kaliumasetyylisalisylaatin): 2 C 9 H 8 O 4 + K 2 CO 3 2 KC 9 H 7 O 4 + CO 2 + H 2 O
Tämän jälkeen kaksi kupari-ionia ja neljä asetyylisalisylaatti-ionia muodostavat lopputuotteena kiinteän kuparikompleksin (dikupari-tetra-asetyylisalisylaatin eli kupariaspirinaatin): 4 KC 9 H 7 O 4 + 2 CuSO 4 Cu 2 C 36 H 28 O 16 + 2 K 2 SO 4 Kuva: Toni Rantaniitty Liuoksen väri voi muuttua sinivihreäksi, jolloin kuparisulfaatin määrä vähenee ja liuos laimenee. KYSYMYKSIÄ ENNEN TYÖN ALOITUSTA: Mitä tarkoitetaan kompleksiyhdisteellä? Kompleksiyhdisteellä tarkoitetaan molekyyliä, joka koostuu keskusatomista ja siihen sitoutuneista ligandeista. Keskusatomina voi olla esimerkiksi metalli-ioni (työssä kupari) ja ligandit voivat olla molekyylejä, ioneja tai atomeja (työssä aspirinaatti-ionit). Minkä värisiä ovat kuparin yhdisteet? Kuparin yhdisteet ovat vihreitä, sinisiä, ruskeita tai mustia.
Miksi lääkeaineet ovat yleensä orgaanisia yhdisteitä? Kemian opetuksen keskus Orgaaniset yhdisteet kulkeutuvat paremmin solukalvojen läpi kehossa, koska kalvot koostuvat rasvamolekyyleistä (lipideistä). Miten paljon yhdestä aspiriinitabletista on teoriassa mahdollista valmistaa kupariaspirinaattia? Muista huomioida rajoittava tekijä sekä aineiden suhteet kompleksiyhdisteessä. Oletetaan aspiriinitabletin aspiriinipitoisuudeksi 500 mg. M(C9H8O4)= 180.15 g/mol M(K2CO3)=138,21 g/mol n(c9h8o4)=2,775mmol n(k2co3)=1,447mmol n(k2co3)=1/2 n(c9h8o4) Asetyylisalisyylihappo rajoittavana tekijänä! M(CuSO4 + 5 H2O)=249.7 g/mol n(c9h8o4)= n(kc9h7o4)=2,775mmol n(cuso4 + 5 H2O)=1,602mmol n(cuso4)=2/4 n(kc9h7o4) Kaliumasetyylisalisylaatti rajoittavana tekijänä! n(cu2c36h28o16)= 1/4 n(kc9h7o4) M(Cu2C36H28O16)=843.68 g/mol Teoreettinen saanto on 585 mg.
VÄLINEET: Huhmare ja survin Pieni keitinlasi 3 Mikrokoeputkea Mikrokoeputkiteline Keittolevy Vaaka Suppilo + suodatinpaperia Finnpipettejä Muovisia teelusikoita Coctail-tikkuja KÄYTTÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTELY Suojalasit, -takki ja -hanskat! Kuparisulfaatti on haitallista ja ympäristölle vaarallista. Kaliumkarbonaatti on ärsyttävä aine. Huuhtele roiskeet runsaalla vedellä heti usean minuutin ajan. KEMIKAALIT: Asetyylisalisyylihappotabletti (aspiriinitabletti) Kiinteä kaliumkarbonaatti Kiinteä kuparisulfaatti Tislattu vesi Kupariyhdisteet kerätään raskasmetallijätteeseen. Aspiriini kerätään aspiriinijätteeseen. SYNTEESIN KULKU: Jauha aspiriinitabletti huhmareessa. Miksi tabletinpala jauhetaan? Vuorovaikutuspinta-ala kasvaa ja liukoisuus paranee. Kaada jauhettu aspiriini koeputkeen, lisää finnpipetillä 5 ml tislattua vettä ja sekoita. Miltä seos näyttää? Seos on valkoista ja heterogeenistä, koska tabletti ei liukene kokonaan veteen. Lisää 200 mg kaliumkarbonaattia ja sekoita. Miltä seos näyttää? Miksi kaliumkarbonaattia lisätään? Seokseen muodostuu kaasua, koska aspiriinitabletin asetyylisalisyylihappo ja kaliumkarbonaatin karbonaatti-ioni reagoivat keskenään muodostaen hiilihappoa, joka kuplii ulos hiilidioksidikaasuna.
Suodata mahdollinen aspiriinisakka pois suppilolla ja suodatinpaperilla ja kerää neste puhtaaseen koeputkeen. Miltä seos näyttää? Seos on homogeeninen, läpinäkyvä ja väritön, koska kaliumkarbonaatin ja asetyylisalisyylihapon reaktiossa muodostui hiilidioksidin ohella myös asetyylisalisyylihapon kaliumsuolaa. Punnitse sekoittamisen jälkeen tyhjään koeputkeen 400 mg kidevedellistä kuparisulfaattia (kuparisulfaatti pentahydraattia) ja liuota se 4 ml:aan tislattua vettä. Kuumenna koeputkea pienessä puoliksi vedellä täytetyssä keitinlasissa keittolevyllä. Sekoita. Miksi seosta kuumennetaan? Kuumentaminen nopeuttaa reaktion tapahtumista ja kuparisulfaatin liukenemista. Kaada suodatettuun nesteeseen kuumaa kuparisulfaattiliuosta. Älä sekoita. Huom! Liuos saattaa vaahdota! Mitä tapahtuu? Millaiseksi nesteen väri muuttuu? Reaktiossa muodostuu kiinteää dikuparitetra-asetyylisalisylaattia. Nesteen väri on haalean vaaleansininen, koska osa kuparisulfaatista ei reagoinut kaliumasetyylisalisylaatin kanssa. Punnitse valmistamasi kupariaspirinaatin massa ja laske % saanto. POHDINTA KYSYMYKSIÄ: Miksi teoreettinen saanto ei ollut sama kuin saamasi saanto? Reagensseja ja valmistamaasi ainetta on voinut jäädä välineisiin matkan varrella. Lisäksi kaikki reagenssit eivät ole välttämättä reagoineet. Miten voisit vaikuttaa saantoprosenttiin? Mahdollisimman huolellisella työskentelyllä. Arvioi tuotteesi puhtautta. Voisiko sitä käyttää jo lääkkeenä?
Tuotetta, kuten mitään muutakaan laboratoriossa valmistettua ei saa syödä, välineistä, pöydältä jne. on voinut siirtyä ei-haluttuja kemikaaleja seokseen. Lisäksi emme tiedä kuinka paljon reagoimatonta kuparisulfaattia on yhä jäljellä seoksessa. Jotkut saattoivat saada hieman eriväristä kupariaspirinaattia kuin toiset, mistä tämä voisi johtua? On mahdollista, että osalla on muodostunut yhden kupariatomin sisältävää kompleksia, jossa on kaksi asetyylisalisylaatti-ionia. Tällöin väri on vaaleampi.
LÄHTEET: Allan, J. R. et al. (1991). A Study of the Performance of Bis(acetylsalicylate) Copper(II) and the Cobalt(II), Nickel(II) and Copper(II) Complexes of Pyridine-3,4-dicarboxylic Acid as Colouring Materials for Poly(vinyl chloride) and Polystyrene. European Polymer Journal, 27(3), s. 669-672. Tiivistelmä: Bis(acetylsalicylate) copper(ii) and complexes of pyridine-3,4-dicarboxylic acid with cobalt, nickel and copper have been prepared. Bis(acetylsalicylate) copper(ii) and the complexes of pyridine-3,4-dicarboxylic acid with cobalt and nickel have octahedral structures. The copper complex of pyridine-3,4-dicarboxylic has a tetrahedral structure. The performance properties of the complexes as colouring materials for poly(vinyl chloride) and polystyrene have been investigated: weather resistance, light fastness, migration resistance and heat stability have been considered. Copper Development Association Inc. (2000). Medical Uses of Copper in Antiquity. Innovation (June 2000): http://www.copper.org/publications/newsletters/innovations/2000/06/medicine-chest.html Iqbal, M. S. et al. (2008). Pharmacokinetic Study of Copper(II) Acetylsalicylate. Biological Trace Element Research, 124: s.283-288. Lederle, E. & Kollbrunner, F. (1982). Arzneimittel auf der Grundlage von Kupfer(II)- acetylsalicylat und seine Verwendung in der Therapie. Patentti. Liu, W. et al. (1998). Potential Application of Copper Aspirinate in Preventing and Treating Thromboembolic Diseases. Metal-Based Drugs, 5(3), s. 123-126. Ma, Z. & Moulton, B. (2007). Mixed-Ligand Coordination Species: A Promising Approach for Second Generation Drug Development. Crystal Growth & Design, 7(2), s. 196-198. Versuchschemie (2012): http://www.versuchschemie.de/topic,16690,- Kupferacetylsalicylat.html Kokeellisen työn on koostanut Toni Rantaniitty.