1993 • Kleuren zien
30
Het is zonder twijfel een van de mooiste stukjes scheikunde die er zijn: de chemie van kleurstoffen. Bijna oneindig lijkt de variatie in kleurstoffen bij bloemen, fruit, vlinders en gesteenten. En bij de mens zelf: mensen met een donkerbruine huid, een lichtroze huid, blauwe ogen of bruine ogen, zwart haar of blond haar. Al eeuwen lang probeert de mens dat nog verder te verfraaien met make-up en haarverf, maar vooral met kleurige kleding. Dankzij de scheikunde is dat nu op grotere schaal mogelijk dan ooit. De enorme vraag naar goed hechtende en goedkope textielkleurstoffen is in de 19de eeuw de motor geweest achter de stormachtige groei van de scheikunde. Hoe sterk kleur en scheikunde met elkaar zijn verweven, blijkt uit het feit dat een bespreking van kleur en kleurstoffen vanzelf een overzicht oplevert van de verschillende atoommodellen die in de scheikunde een grote rol spelen of hebben gespeeld. Indigo Spijkerbroekenblauw, of indigo, is waarschijnlijk de meest populaire kledingkleurstof. Het is tegelijk een van de langst bekende kleurstoffen, want al in de oudheid wisten de Indiërs dat uit de bladeren van de indigoplant, de indigofera tinctoria, deze kleurstof te winnen was. De hoeveelheid indigo die gemaakt kon worden, bleef vrij klein, en de prijs dus hoog. Pas in de koloniale tijd werd de kleurstofproductie groots aangepakt. Vooral in India en Zuid-Amerika werden veel indigoplantages aangelegd. Het winnen van de indigo uit de indigoplanten is erg arbeidsintensief. De planten moeten na het oogsten een tijdlang geweekt worden totdat ze gaan rotten. Een gele kleurstof gaat dan in oplossing en onder invloed van zuurstof uit de lucht wordt uiteindelijk het blauwe indigo gevormd. Aan het eind van de 19de eeuw waren alleen al in India honderdduizenden boeren bij de teelt van indigo betrokken, en werden de planten door tienduizenden arbeiders verwerkt.
31
199 3
VU
cam
pus
indigo
gereduceerd indigo
Tyrisch purper
Vanaf 1865 waren in Duitsland enkele firma’s bezig met de ontwikkeling van een manier om in het laboratorium indigo te maken. Dat bleek niet mee te vallen. Het kostte alleen al dertien jaar onderzoek om de structuurformule van indigo vast te stellen. Er werd onvoorstelbaar veel geld en energie in het onderzoek gestoken, zo overtuigd was men dat een geslaagde synthese een fortuin op zou leveren. In 1896 had men succes: na dertig jaar hadden onderzoekers bij BASF een winstgevende manier gevonden om indigo te maken. Al snel verdiende het bedrijf kapitalen aan de synthetische indigo terwijl in India de indigoteelt instortte. Binnen enkele jaren waren de indigoplantages verlaten en duizenden werkloos. Van koninklijk purper to haarverf Mooi en fel gekleurde kleding, zoals we die nu kennen, is nog maar betrekkelijk kort voor de gemiddelde burger betaalbaar. Van de oudheid, de middeleeuwen en de tijd tot zo’n anderhalve eeuw geleden, moeten we ons geen al te kleurige voorstelling maken. De meeste dagelijkse kleding had nauwelijks kleur: bruin, naturel of wat wazig groen. Dat had een groot voordeel: aan de kleur was niet te zien of het kledingstuk ooit gewassen was. Alleen de adel en de geestelijkheid konden zich fel gekleurde kleding permitteren. Beroemd was in de oudheid Tyrisch purper dat uit slakken werd gewonnen. Toen een onderzoeker in 1909 nog wat Tyrisch purper maakte, kreeg hij al snel in de gaten hoe duur deze stof geweest moest zijn: 12000 purperslakken (Murex brandaris) leverden maar 1,4 gram kleurstof. Gelukkig was dat voldoende om de structuurformule van de stof te bepalen. Dat leverde een verrassing op: het bleek gewoon een indigomolecuul te zijn met daaraan twee broomatomen. De duurste koningsmantels in de oudheid bleken dus geverfd te zijn met een kleurstof, nauw verwant aan de kleurstof van onze tegenwoordige spijkerbroeken. Daarbij viel de kleur van Tyrisch purper nogal tegen: de ‘koninklijke kleur’ bleek lang zo mooi niet als die van veel synthetische kleurstoffen. De ontdekking en grootschalige productie van synthetische kleurstoffen begon in 1856 met een mislukte scheikundeproef. In dat jaar probeerde William Perkin, een Engelse scheikundestudent die in Duitsland studeerde, tijdens zijn vakantie in Londen uit aniline het geneesmiddel kinine te maken. Maar helaas, zijn
proef mislukte. In plaats van kinine kreeg hij een paarsblauwe prut. Dat proeven mislukten was in die tijd heel normaal. De grote verdienste van Perkin was, dat hij de rommel niet weggooide, maar ging testen als verfstof. Het bleek prima aan textiel te hechten. Omdat hij een goed practicumverslag had bijgehouden had hij nu in plaats van een geneesmiddel, het recept voor de eerste synthetische kleurstof in handen: mauveïne zoals hij het noemde. Dit was het begin van een nieuw tijdperk. Perkin wijdde zich verder aan het bouwen van fabrieken om meer van deze en soortgelijke stoffen te maken. Goede en goedkope anilinekleurstoffen veroverden de wereld. Langzamerhand ontstond de kleurrijke samenleving die we nu kennen. Perkin kreeg een ridderorde en werd al gauw schatrijk. Niet alleen zijn de laatste anderhalve eeuw talrijke nieuwe kleurstoffen ontdekt, maar ook werd duidelijk hoe de hechting aan textielvezels tot stand komt. Immers, een kleurstof kan pas op textiel gebruikt worden, als hij goed aan de vezel hecht. Van enkele processen die al sinds de oudheid worden gebruikt, is nu de scheikundige achtergrond duidelijk. Indigo zelf bijvoorbeeld, is onoplosbaar en hecht niet aan de buitenkant van vezels. Verven met indigo kan dus niet: het textiel komt vrijwel kleurloos uit het verfbad. Maar wel kan de indigo met een reductor omgezet worden in een goed oplosbare gele stof (twee keton groepen worden daarbij veranderd in polaire hydroxygroepen). Met die stof kun je heel goed textiel verven. Het wordt dan geel. Wanneer de vezel doordrenkt is met deze stof, kan met een oxidator zoals zuurstof de onoplosbare blauwe indigo weer teruggevormd worden. Dit zit dan opgesloten binnen in de vezels. Beschadiging van de vezels vooral bij ‘stone-washing’ is funest, de indigo spoelt voor een deel weg en de stof wordt bleker. Andere kleurstoffen hechten zich aan de vezel met waterstofbruggen of ionbindingen, of gaan een reactie aan met de vezel. Verschillende soorten vezels kunnen hierbij andere kleurresultaten geven. Zo hechten zure of basische kleurstoffen soms beter aan wol (een eiwitvezel met veel geladen groepen) dan aan katoen, dat een cellulosevezel is. Vaak wordt gebruik gemaakt van een zogenaamd bijtmiddel. Dat is een metaal-zout met meerwaardig positief geladen metaalionen, zoals ijzer, tin en chroomionen. Deze ionen hechten zowel aan de vezel als 32
aan de kleurstof. Door de reactie met de kleurstof verandert bovendien de kleur, zodat soms mooiere en fellere kleuren ontstaan. Kleur in het haar Perkins’ ontdekking bracht ook nieuwe mogelijkheden voor de kappers. Tot dan toe waren voor het kleuren van haren plantaardige stoffen gebruikt zoals indigo, kamille en henna. Deze laatste stof wordt nog steeds toegepast: gecombineerd met metaalzouten is een grote variatie aan kleuren te maken. De ontdekking van anilinekleurstoffen zorgde voor nieuwe en betere haarverven. De gewenste kleurstof wordt in het haar gevormd (ontwikkeld zegt de kapper) door reactie van aniline-achtige stoffen met waterstofperoxide. Door deze reactie worden grotere moleculen gevormd die het haar niet meer kunnen verlaten, zodat het haar blijvend een nieuwe kleur heeft. Een kleurige E-nummerparade Vrijwel iedereen zal ze kennen: Smarties, die fel gekleurde snoepjes waar de meeste kinderen dol op zijn. Een bonte verzameling kleurstoffen, met een aantal mooie voorbeelden van de kleurstoffen die zoal in Nederland toegestaan en gebruikt worden. Op de verpakking van Smarties staat een hele rij E-nummers. Een wijdverbreid misverstand is dat E-nummers op synthetische, dus niet-natuurlijke stoffen zouden wijzen. E 162 bijvoorbeeld is de rode kleurstof die in rode bietjes voorkomt. In worteltjes komt van nature E 160a voor, in paprika’s E 160c en in spinazie zitten grote hoeveelheden E 140. Deze kleurstoffen behoren tot de groep van de natuurlijke kleurstoffen. Vooral de rode paprikakleurstof E 160c wordt vaak in voedingsmiddelen als kleurstof toegevoegd. Ook het toevoegen zelf kan op een ‘natuurlijke’ manier: als de consument graag oranje eierdooiers in het ei wil, worden die door de kip op bestelling geleverd als er in het kippevoer paprikapoeder is bijgemengd. Een tweede groep kleurstoffen wordt gevormd door de natuuridentieke kleurstoffen. Dit zijn kleurstoffen die in de natuur voorkomen, maar die zuiverder of goedkoper synthetisch kunnen worden nagemaakt. Caroteen, het hierboven al genoemde worteltjesgeel, kan uit worteltjes worden geëxtraheerd, maar het kan ook in het laboratorium worden gemaakt. In feite zijn natuurlijke stoffen en natuur-identieke stoffen gelijk, maar verontreinigingen zorgen toch vaak voor geringe verschillen. In natuurlijke stoffen zitten bijvoorbeeld meestal 33
nog resten van andere stoffen en van oplosmiddelen die voor de extractie zijn gebruikt. De derde groep kleurstoffen bestaat uit natuurlijke stoffen waarvan de moleculen een beetje veranderd zijn om andere of betere kleuren te krijgen. Een voorbeeld is de groene kleurstof E 141. Deze is afgeleid van chlorofyl zoals dat in haast alle groene planten voorkomt. Als kleurstof is chlorofyl niet zo geweldig geschikt omdat het onder invloed van licht of warmte geleidelijk ontleedt. De kleur vervaagt dan. Midden in dat chlorofylmolecuul zit een magnesium-ion. Als je dat vervangt door een koper-ion, dan wordt de kleur veel intenser, en is het molecuul stabieler. Wie in Engeland wel eens doperwtjes uit blik heeft gezien, weet hoe fel groen deze kleurstof is. Caramel is een ander voorbeeld van een iets gewijzigd natuurlijk molecuul. Het wordt gemaakt door het voorzichtig verhitten van suiker. Probeer zelf maar eens om thuis caramelvla te maken van suiker. Het blijkt dan erg lastig te zijn om precies de mooie lichtbruine kleur te krijgen. Omdat de grondstof erg goedkoop is, en er nauwelijks beperkingen voor het gebruik van caramel zijn, is het inmiddels verreweg de meest gebruikte voedingskleurstof: E 150. Meer dan 95 massa-% van alle toegevoegde voedingskleurstoffen is caramel! Omdat caramel erg vertrouwd klinkt, hebben de meeste mensen daar gevoelsmatig veel minder moeite mee dan met geheel synthetische kleurstoffen. Scheikundig gezien geldt eerder het omgekeerde: synthetische kleurstoffen zijn zuivere stoffen die buitengewoon grondig getest en onderzocht zijn, terwijl caramel een mengsel is van allerlei niet of nauwelijks onderzochte stoffen. Bovendien wordt bij het maken van caramel in de industrie, aan de suiker vaak een klein beetje ammoniumcarbonaat en een sulfiet toegevoegd voor nog betere kleuren. Het stikstof- en het zwavel-atoom in deze stoffen kunnen mee-reageren tijdens het caramelliseren, en daardoor zijn in dit soort caramel moleculen aangetroffen die er niet echt vertrouwenwekkend uitzien. Vooral in cola wordt dit soort caramel ver werkt. De vierde groep kleurstoffen omvat de synthetische kleurstoffen. De bekendste hiervan is tartrazine. Dit is een veel toegepaste, maar ook een nogal omstreden felgele kleurstof. Het is een azo-kleurstof, dat betekent dat in het molecuul een stikstof-stikstof dubbele binding voorkomt. De kritiek op vooral tartrazine richt zich op allergie (overgevoeligheid) voor de
stof en op het veroorzaken van hyperactiviteit bij kinderen. Overgevoeligheid van tartrazine blijkt bij ongeveer 0,05% van de mensen voor te komen. Dit getal zegt alleen iets als je het vergelijkt met de overgevoeligheid voor eieren, koemelk, vis, tomaten en aardbeien. Hiervoor blijkt ongeveer 20% van de mensen overgevoelig te zijn! Net zoals mensen die overgevoelig zijn voor aardbeien beter geen aardbeien kunnen eten, moeten mensen die overgevoelig zijn voor tartrazine, oppassen voor E 102. Gelukkig is het tegenwoordig verplicht om op alle voedingsmiddelen met toegevoegde kleurstoffen te vermelden welke kleurstoffen zijn gebruikt. Tartrazine is ook in opspraak gekomen doordat het bij kinderen hyperactiviteit zou veroorzaken. Inderdaad is in een klein aantal gevallen een verband tussen hyperactiviteit en tartrazine aangetoond, maar tot nu toe alleen in combinatie met het gebruik van conserveermiddelen. Een beperking van felgekleurd snoepgoed kan zeker geen kwaad voor hyperactieve kinderen, maar dat geldt ook voor andere kinderen. Wel blijkt dan al snel hoe moeilijk het is om voedingsmiddelen te vinden waar helemaal geen kleurstoffen aan zijn toegevoegd. Kleurenblind Knalrood is geen stemmig grijs John Dalton, een Engelse chemicus, stelde in de 18e eeuw zijn beroemd geworden atoomtheorie op: alle enkelvoudige stoffen (elementen) bestaan uit atomen, en alle samengestelde stoffen (de verbindingen) bestaan uit moleculen. Ideaal was die theorie niet, want waarom verschillende atoomsoorten samen moleculen vormen en wat de atomen in moleculen bij elkaar houdt, kon zijn theorie niet verklaren. Toch heeft zijn atoomtheorie een enorme invloed gehad. Bij zijn tijdgenoten was Dalton niet alleen bekend om zijn atoomtheorie. Veel opvallender was dat hij kleurenblind was. Op begrafenissen waarbij iedereen in stemmig grijs of zwart verscheen, kon hij in knalrode kleren komen. Daarmee maakte hij meer indruk dan met z’n atoomtheorie. Het bleek dat hij geen rood kon zien. Hij schaamde zich daar helemaal niet voor, maar ging vol enthousiasme het verschijnsel kleurenblindheid onderzoeken en schreef er een dik boek over.
Ik zie, ik zie.... wat jij niet ziet Inmiddels weten we dat kleurenblindheid veel voorkomt, 8% bij mannen en 1% bij vrouwen. De meesten zijn roodkleuren-blind, sommigen zijn groenkleurenblind en heel zeldzaam is blauw-kleurenblindheid. Dit betekent dat gemiddeld in elke schoolklas één leerling zit die kleurenblind is. Doordat kleurenblinden nuanceverschillen kunnen zien die anderen niet opvallen, zien ze in bijgaand plaatje een ander getal dan de meesten. Kleurenzienden kunnen dat andere getal slechts met grote moeite zien. Dat past uitstekend bij de moderne inzichten over de werking van het oog. Als je ergens naar kijkt, vallen de lichtstralen van dat voorwerp achterin het oog op het netvlies. Daarin zitten drie soorten kegelvormige cellen, die elk of voor rood, of voor groen of voor blauw licht gevoelig zijn. Bij kleurenblinden werkt een van deze soorten cellen niet. Als het donker wordt, vervagen de kleuren omdat de kegelvormige cellen ophouden met werken. Gelukkig bezit ons netvlies ook nog staafvormige cellen. Die zijn bij schemering actief. Staafjes zijn meer dan honderd maal gevoeliger dan kegeltjes, maar spelen geen rol bij kleuren zien. Een staafje is zo gevoelig, dat het kan reageren op één enkel foton, dat is de kleinste hoeveelheid licht die er bestaat. Staafjes raken dan ook snel overbelast. Overdag, als er veel licht is, zijn ze nauwelijks werkzaam. Dan spelen ze alleen nog een rol in het ‘perifere’ gezichtsveld, het zien-van-opzij. Ik zie, ik zie, wat ik niet zie Hoe komt het zien nu tot stand? Dat is tegelijk erg moeilijk en erg boeiend: vanaf de oudheid hebben bijna alle filosofen erover nagedacht en hebben alle natuuronderzoekers het onderzocht. Dalton was beslist niet de enige. Het is het te gemakkelijk om te denken dat een plaatje van wat je ziet (op dit ogenblik dus deze letters) als een soort film naar je hersenen gaat om daar bekeken te worden. Dat gebeurt niet: al in het oog worden de signalen voorbewerkt. Als een netvliescel hetzelfde ziet als een naburige cel, wordt vrijwel niets doorgegeven, maar als hij iets verschillends ziet, wordt er een extra signaal meegegeven. Hetzelfde gebeurt in de tijd: als de cel hetzelfde ziet als even daarvoor dooft het signaal uit, een veranderend signaal wordt versterkt. leder weet dat uit de natuur: een dier dat door de kleur niet opvalt is onzichtbaar totdat het zich beweegt. Hoeveel invloed de hersenen op het 34
zien hebben, wordt prachtig geïllustreerd door de proef met de blinde vlek. De blinde vlek is de plaats waar de gezichtszenuw het oog verlaat, daar is het netvlies ongevoelig. Als je met het rechter oog op leesafstand naar het kruisje kijkt, komt de ronde cirkel op de blinde vlek en wordt onzichtbaar. Je ‘ziet’ nu de zwarte kleur op de plaats waarvan je weet dat er wit is. Als je daarna een potlood of iets anders langwerpigs op de witte cirkel legt, zie je het hele voorwerp, dus ook het stukje op de witte cirkel dat je niet kunt zien. Je hersenen vullen het ontbrekende kennelijk zelf aan: je ziet iets wat je beslist niet zien kunt. Daarom zie je normaal de blinde vlek ook niet: de hersenen vullen de ruimte zelf in, zoals ze dat ook doen met alle gebieden die niet veranderen of waar niet veel bijzonders opvalt. Je zou kunnen zeggen dat veel van wat je ziet, een fantasie van de hersenen is. De zenuwcellen van de gezichtszenuw transporteren dus allerlei signalen naar de hersenen, maar hoe worden deze zenuwen geprikkeld ? Dat kan alleen maar door een scheikundige reactie gebeuren. Na lang zoeken is inmiddels duidelijk welke reactie het is. Het blijkt een reactie te zijn die al bekend was van tomaten- en worteltjeskleurstoffen. Daarin zit een gele kleurstof die door bestraling tijdelijk kan veranderen in een rode kleurstof. De ruimtelijke structuur aan weerskanten van een dubbele binding verandert daarbij. De scheikunde heeft voor die verschillende structuren de woorden cis en trans bedacht. In het oog gebeurt precies hetzelfde met een molecuul dat erg veel op deze tomaten- en worteltjeskleurstof lijkt en retinal heet. In dit retinal zitten dubbele bindingen. Een dubbele binding is niet vrij draaibaar zoals een gewone binding: dat wordt veroorzaakt door twee extra elektronen in die dubbele binding. Als het molecuul geraakt wordt door een lichtstraal (een foton), verliezen deze bijzondere elektronen even hun taak uit het oog, zodat de binding een halve slag kan draaien voordat hij weer vastgezet wordt. Hierdoor krijgt het molecuul een heel andere vorm: de bocht in het molecuul gaat er uit en het molecuul strekt zich. Door de vormverandering van retinal verandert ook de vorm van het eiwit waar het retinal aan vast zit. De kettingreactie die hiervan het gevolg is, zorgt voor het in gang zetten van het zenuwsignaal. Daarna remt het proces zichzelf en wordt de beginsituatie weer her35
steld. Deze terugreactie gaat vrij langzaam: na vijf minuten is de helft van alle geraakte retinalmoleculen weer teruggevormd, na een half uur vrijwel alles. Deze snelheid is mooi te meten als je even in de zon kijkt. Bijna alle cellen in het getroffen gebied op het netvlies zijn dan aangeslagen, en kunnen niets meer waarnemen totdat het oorspronkelijke retinal weer teruggevormd is. Lasers en kleurstoffen tegen kanker Bij de Faculteit Scheikunde wordt veel onderzoek met licht gedaan in het Lasercentrum van de Vrije Universiteit. Er staat een groot aantal lasers: indrukwekkende lichtkanonnen op zware luchtgeveerde tafels, maar ook veel kleinere. Een van de onderzoekers die daar werken is Arjan Mank. Hij werkt met diode-lasers, waarvan er vijf in een lucifersdoosje gaan. Heel praktisch vindt hij deze kleine lasers, met een kleine aanpassing kun je ze zo aan een 9-volts batterij schakelen en ze hebben waarschijnlijk een levensduur van 20 jaar of langer. Ze geven een prachtige rode lichtstraal. Dalton had deze kleur met z’n kleurenblinde ogen niet kunnen zien en met zijn atoommodel niet kunnen verklaren. Arjan legt snel uit hoe een laser werkt: “Als je je een atoom voorstelt zoals Bohr dat deed, draaien er om de atoomkern elektronen in vaste banen, op verschillende afstanden van de kern. Als een elektron zich door verhitting of bestraling tijdelijk te ver van de kern waagt, valt het al snel weer terug naar de baan waar het in thuis hoort. Bij dat terugvallen straalt het elektron licht uit met een kleur die kenmerkend is voor het soort atoom waarbij het gebeurt. Groen en rood Bengaals vuur, maar ook gele straatlantaarns komen zo aan hun karakteristieke kleuren: door respectievelijk barium-, strontium- en natriumatomen. Einstein voorspelde aan het begin van de 20ste eeuw al dat sommige elektronen ook anders vanuit een hoge baan kunnen terugvallen. Soms wacht een elektron even op een zetje van een
cis-retinal
trans-retinal
langskomende lichtstraal met precies de juiste kleur. Het licht dat nu uitgezonden wordt, heeft dezelfde kleur en richting als de langskomende lichtstraal. Die wordt dus versterkt. Als er maar genoeg elektronen zijn die op dat zetje zitten te wachten, kan de lichtstraal uitgroeien tot een felle lichtbundel. Bekend is de helium-neonlaser, die onder andere in de streepjescode-lezer zit bij de kassa van de supermarkt. Of de diodelaser die in CD-spelers de gegevens van een CD leest. Deze laatste zendt vaak infrarood licht uit dat niet te zien is. Sinds enige tijd zijn er ook diodelasers die rood licht uitzenden; dit zijn de lasers waar Arjan Mank zijn onderzoek mee doet.
ftalocyanine
Kankerbestrijding met kleurstoffen Arjan verricht een promotieonderzoek binnen de vakgroep Analytische Chemie. Hij houdt zich bezig met ftalocyaninen, blauw gekleurde stoffen die gebruikt kunnen worden bij kankertherapie. De structuur van een ftalocyaninemolecuul lijkt wel wat op heem in een hemoglobinemolecuul. Ftalocyanine absorbeert rood licht. Dat is te zien op bijgaande foto, waar een laserstraal valt op een vaatje met een ftalocyanine-oplossing. De rode straal wordt duidelijk zwakker in de vloeistof. Door absorptie komen er elektronen in het ftalocyaninemolecuul in een te hoge baan, maar bij het terugvallen hebben die elektronen een heel merkwaardige eigenschap. Ze kunnen hun teveel aan energie aan zuurstof afgeven, dat daardoor in een bijzondere, actieve toestand raakt die schadelijk is voor lichaamscellen. Die worden vernietigd, en als dat kankercellen zijn, is dat ook de bedoeling. Deze zogenaamde ‘fotodynamische therapie’ bestaat uit het inbrengen van ftalocyaninen in of zo dicht mogelijk bij het gezwel, gevolgd door bestraling met rood licht. Daarvoor is erg veel rood licht nodig, zodat je daarvoor het best een rode laser kunt gebruiken. De therapie werkt vooral bij tumoren die in of dicht onder de huid liggen. Helaas is de therapie nog niet volmaakt. Zo zijn de toegepaste ftalocyaninen in de praktijk nog vaak mengsels van isomeren, waarvan de ene vorm beter werkt dat de andere. Maar welk isomeer werkt het best? En hoe zijn die isomeren te herkenen? Het onderzoek van Arjan Mank hoopt niet alleen de vragen rond de ftalocyaninen te beantwoorden, maar ook de praktische problemen hoe het moet na afloop van de therapie. Ftalocyaninen zijn niet giftig, maar worden slechts langzaam uitgescheiden en
niet afgebroken. Ze blijven dus lang in het lichaam aanwezig. Ook als het niet meer nodig is, kan de stof actieve zuurstof blijven produceren, bijvoorbeeld gestimuleerd door zonlicht. En na vernietiging van de kankercellen worden dan ook gezonde cellen aangetast. De huidige praktijk is dat medici direct na afloop van de therapie stoffen toedienen om geproduceerde actieve zuurstof weg te vangen. Dat is niet de mooiste oplossing voor het probleem. Het zou veel beter zijn als iemand een methode zou vinden om de kleurstof weer vlot uit het lichaam te krijgen, of een afbreekbare stof kan maken met vergelijkbare eigenschappen. Een goede detectiemethode voor de afzonderlijke ftalocyaninen is hierbij een eerste vereiste, en dat heeft dan ook Arjan’s eerste aandacht. Daarna kan hij uitzoeken welk isomeer wat doet. Uiteindelijk kunnen dan onderzoekers van de afdeling farmacochemie samen met medici uitzoeken wat de meest geschikte kleurstoffen zijn voor deze therapie. Elektronenwolken Veel stoffen hebben een kleur, maar dat wil nog niet zeggen dat de kleinste onderdelen van die stof (atomen, moleculen of ionen) ook een kleur hebben. Een los goud-atoom is niet goudkleurig, de kleur ontstaat pas als er een grote hoeveelheid goudatomen bij elkaar in een stukje goud zitten. Anders is dit bij gekleurde koolstofverbindingen zoals indigo, caroteen en tartrazine. De kleuren hangen hierbij niet van het kristal af, maar het molecuul is zelf verantwoordelijk voor de kleur. Hoe komen deze moleculen aan hun kleur? Neem indigo. Waarom is indigo blauw? Dat is een gemakkelijke vraag, maar het antwoord is nogal ingrijpend. Het vraagt om een heel nieuw atoommodel. Vrijwel iedereen leert op school het atoommodel zoals Bohr zich dat in het begin van de 20ste eeuw voorstelde: een atoom bestaat uit een kern, en daaromheen draaien zeer snel een aantal elektronen in banen op bepaalde afstanden van de kern. Voor een los atoom is dit een prachtig model, maar voor moleculen is het minder geschikt. Want elektronen verzorgen ook de bindingen tussen de atomen in een molecuul, en die bindingen draaien helemaal niet rond een kern, ze hebben een min of meer vaste plaats tussen twee of meerdere atoomkernen. Na Dalton en Bohr moet het atoommodel dus opnieuw aangepast worden. We denken ons de elektronen 36
liever in elektronenwolken, die soms een gewone bolvorm hebben, maar vaak ook heel interessante vormen zoals halters, of druppels die allemaal naar verschillende kanten ‘vallen’. Hiernaast zijn enkele wolken getekend. Die zien er heel anders uit dan de vertrouwde elektronenbanen van Bohr. Een atoombinding tussen twee atomen in een molecuul stellen we ons dan voor als twee elektronenwolken, van elk atoom één, die naar elkaar toe gericht zijn en met elkaar zijn versmolten. Deze gemeenschappelijke wolk heet nu een atoombinding. Het zijn de streepjes die je in elke structuurformule ziet staan. Voor de stevigheid van de moleculen zijn ze heel belangrijk, maar voor de kleur van de moleculen niet. Bijzondere pi-elektronen Voor de kleur zijn andere elektronen van belang: bijzondere elektronen die niet zijn betrokken bij gewone bindingen. Ze zitten bijvoorbeeld vaak in stikstofatomen. Het stikstofatoom in ammoniak (NH3) heeft drie elektronen nodig voor de gewone bindingen met de waterstof-atomen maar houdt daarna nog twee bijzondere elektronen over, die het bijvoorbeeld kan gebruiken om de extra H in NH4+ te binden. Ook zuurstofatomen bezitten bijzondere elektronen. Verder komen ze altijd in dubbele bindingen voor: één binding daarin is een gewone atoombinding maar de tweede, extra binding wordt gevormd door deze bijzondere elektronen. Omdat deze bijzondere elektronen niet mee doen aan de gewone bindingen, zitten ze ook niet tussen de atomen in het molecuul, maar in elektronenwolken er onder en er boven. Als je ruimtelijke molecuulmodellen van kleurstoffen bekijkt, zie je dat het grote moleculen zijn. Bovendien zijn ze vlak en zitten er opvallend veel dubbele bindingen in. Daardoor hebben bijna alle atomen in het molecuul van die bijzondere elektronen. Scheikundigen noemen deze elektronen vaak pi-elektronen. In kleurstofmoleculen zorgen ze ervoor dat het molecuul netjes vlak blijft. In het indigo-molecuul is dat goed te zien: als je alle atomen met pi-elektronen zou inkleuren, kun je vrijwel het hele molecuul kleuren. Alleen aan de rand zitten waterstofatomen die niet meedoen. Voor de rest zijn het allemaal koolstofatomen met een dubbele binding, zuurstof- en stikstofatomen.
37
Broodjes Hamburger Al deze pi-elektronen zitten niet tussen de atomen in het vlak, want daar zitten immers de gewone atoombindingen, maar vooral in wolken onder en boven zo’n vlak molecuul. Deze wolken kunnen met elkaar versmelten en er ontstaat één grote elektronenwolk. Een kleurstofmolecuul lijkt daardoor een beetje op een broodje hamburger: alle atomen en gewone bindingen zitten in de hamburger, en de pi-elektronen verzamelen zich in de broodjes daaronder en daarboven. Als het broodje nu maar groot genoeg is, kunnen de pi-elektronen daarin iets dat de strak gebonden elektronen in de hamburger zelf niet kunnen: een beetje energie uit zichtbaar licht absorberen. De pi-elektronen zitten minder vastgebonden dan de elektronen die voor de bindingen zorgen, ze zijn beweeglijker en kunnen met licht dat een geschikte kleur heeft mee gaan trillen. Daarbij absorberen ze deze kleur licht. Bij het indigo-molekuul is geel licht daar erg geschikt voor: geel licht wordt door de pi-elektronen geabsorbeerd. Als wit licht op een indigo-molekuul valt, wordt alles teruggekaatst behalve het gele licht. Dat teruggekaatste licht ziet er dan blauw uit. Indigo-blauw. Kleurstofmoleculen zijn dus makkelijk te herkennen: grote moleculen met een groot ononderbroken gebied in het molecuul waar alle atomen over deze bijzondere pi-elektronen beschikken. Die zorgen er voor dat het molecuul vlak blijft, en geven door lichtabsorptie het molecuul een kleur. Niet alleen textielkleurstoffen zijn zo te herkennen: ook indicatoren hebben dergelijke moleculen. Een van de bekendste zuur/base indicatoren is fenolftaleïne. Dit heeft een prachtige paars-rode kleur, maar met een zuur kun je een koolstofatoom midden in het molecuul van z’n pi-elektronen beroven. Dat heeft dramatische gevolgen, want daardoor kunnen deze elektronen niet langer meehelpen om het molecuul vlak te houden. Twee grote stukken van het molecuul kantelen en draaien weg uit het vlak. Er is niets meer van dat mooie hamburgermodel over, en het molecuul is op slag kleurloos.
fenolftaleïne (paars)
