Sildiarhiiv: keemia

Amiinid

Meedias levib pidevalt igasugu paanikauudiseid, mille üle seisukohavõtt nõuab tihti rohkem kui hästi arenenud emotsionaalset intelligentsust. Selles postituses annan silmaringi laiendamiseks edasi üsna neutraalse kirjelduse teatud lämmastikku sisaldavatest ühenditest, mille leidumine looduses on väga laialdane ja kasutusvaldkond määramatult suur. Aja ja huvi olemasolul võib Värske Aju mini-keemiatunde korraldada ka tulevikus.

Amiinid on nii looduses kui keemiatööstuses laialt levinud ebameeldiva lõhnaga, kergesti lenduvad, vees lahustuvad ja inimesele mürgised lämmastiku(N)ühendid. Keemiliselt on tegemist ammoniaagi (NH3) derivaatidega. Sõltuvalt asendatud vesinike arvust jaotatakse amiine primaarseteks (orgaanilise asendusrühmaga on asendatud üks vesiniku aatom), sekundaarseteks (asendatud on kaks H+ aatomit) ja tertsiaarseteks (asendatud on kolm H+ aatomit) amiinideks.

amiin
R1, R2 ja R3 tähistavad võimalikke asendusrühmi, R võib olla niisiis nii üksik vesiniku aatom kui ka keeruline süsinikuühend. Kaks täpikest lämmastiku (N) kohal tähistavad aga elektronpaari, mis sidemeid ei loo (lämmastikul on väliskihis 5 elektroni, millest kovalentseid sidemeid moodustavad 3).

Benseenituumaga (fenüülrühmaga) seotud amiine nimetatakse arüülamiinideks (nt. aniliin). Keemiliste omaduste poolest on amiinid aluseliste omadustega, kuna nukleofiilsusstenter  asub lämmastiku kohal (st. et lämmastik tõmbab elektrone veidi enda poole ja tal on kergelt negatiivne laeng).

Looduses on amiinid laialt levinud. Organismides tekivad amiinid näiteks aminohapete lagunemisel (nt. kõigile tuttav kalahais on trimetüülamiin). Amiine leidub rohkelt ka taimedes, sarnaselt loomadega tekivad amiinid taimedes aminohapete lagunemisel, aga mitte ainult. Nt. alkaloidide alla kuuluv meskaliin on samuti keemilises mõttes amiin; meskaliin on tugev hallutsinogeen, mis esineb paljudes kaktuseliste hulka kuuluvates taimedes.

 

trimetüülamiin
trimetüülamiin on tertsiaalne amiin, millel on kalahais.

Meie toidulaual on amiiniderohked näiteks avokaadod, banaanid, sidrunid ja ananassid; köögiviljadest spinat ja hapukapsas; liharoogadest eriti kalatoidud, aga ka veisemaks; kõik kõvemad (vanemad) juustud; tume šokolaad ja ka näiteks vein.

Lisaks sellele on ka paljud närvisüsteemi signaalmolekulid amiinid, näiteks stressihormoon adrenaliin (korrektsemalt epinefriin), „õnnehormoon“ dopamiin, toitu reguleeriv serotoniin; neurotransmitter histamiin jt.   Heterotsüklilisi amiine, mis on pärilikkusaine (DNA ja RNA) ehitusblokkideks nimetatakse ka alusteks (bases).

karamell vähjad
Asovärvide kasutamist toiduainetest on hakatud järjest enam piirama. Mõnedes riikides on keelatud kõik asovärvid, paljudes ainult osad ning ülejäänutes, nagu ka Eestis, on nõue, et asovärve puudutav tarbijainfo on pakendilt leitav.

Amiine kasutatakse asoühendite (nt. asovärvide) sünteesis. Asoühendid sisaldavad R-N=N-R rühma, kus R võib olla kas alküül või arüülrühm, ühtlasi võib öelda, et asoühendid on dimiinide derivaadid. Asovärvide puhul on kahe lämmastikuga seotud reeglina aromaatsed tuuma. EL- s on lubatud kasutada toidus 12 erinevat asovärvi, kuid osade puhul (E110, E104, E122, E129, E102 või E124) tuleb lisada hoiatus asovärvide võimaliku kahjuliku mõju osas laste aktiivsusele ja tähelepanuvõimele. Mõned Euroopa Liidu riigid on kehtestanud ka rangemad piirangud (Leedus üldse keelatud).  Tuntumad asovärvid  on näiteks Tartrasiin (E102) – kollane või punakas värvaine, mida kasutatakse näiteks karastusjookides, puuviljakonservides, maiustustes ning ravimikapslites. Võib põhjustada nõgeslöövet ja allergilist nohu. Väidetavalt võib põhjustada lastel ärrituvust, keskendumishäireid ja hüperaktiivsust. Kinoliinkollast (E104) kasutatakse magustoitudes, kommides, jogurtites. Allergilist reaktsiooni (lööve, seedehäired) esineb eriti aspiriini mittetaluvatel inimestel. Asorubiin ehk karmoisiin (E122) on punane värv, mida kasutatakse karastusjookides ja maiustustes. Amaranti (E123), punakaspruuni värvi, kasutatakse maiustustes, moosides, kondiitritoodetes. Briljantmusta (E151) kasutatakse maiustustes, kastmetes jm. Nimekiri läheb edasi ja edasi.

Maagaasist ning heitgaasidest sulfiidhappe ja süsihappegaasi tööstuslikuks väljapuhastamiseks kasutatakse erinevaid amiine. Kuna amiinid absorbeerivad hõlpsasti nii H2S kui CO2 on neil potentsiaal ka tulevikutehnoloogiates kasvuhoonegaaside vähendamiseks. Erinevatel amiinidel on mainitud ainete suhtes küllaltki erinevad afiinsused, kuid õiges segus saavutatakse üsna kõrge efektiivsus. Puhastusprotsessides kasutatavad gaasid on veeldunud monoetanolamiin (MEA), diglükoolamiin (DGA), dietanolamiin (DEA), di-isopropanolamiin (DIPA), heksametüleendiamiin (HMDA), N-metüüldietanoolamiin (MDEA), ja metüüldietanolamiin (MDEA).

histamiin
Antihistamiini kasutatakse allergiliste reaktsioonide ravil. Lähemalt vaata lingist!

Kuna paljud neurotransmitterid on, nagu eelpool mainitud, amiinid, siis on ka paljud ravimid sarnaste molekulidega. Näiteks hariliku külmetuse puhul käsimüügis levitavate ravimite üheks levinud koostisosaks on antihistamiin (kloorfeniramiin), mis aitab allergiasümptomite (jooksev nina, silmade vesisus, sügelus) vastu. Kloorpromasiin on rahusti, mis ei kutsu esile unisust (ärevuse ja vaimuhaiguste ravis), kuid surub maha muuhulgas ka luulusid, hallutsinatsioone ja sundmõtteid. Osad amiinid on algselt olnud kasutusel ravimitena, kuid hiljem kantud keelatud ainete nimekirja oma tugeva narkootilise toime tõttu (sõltuvust tekitavad), nt. amfetamiin, metamfetamiin jt.

Lisaks kuuluvad amiinide hulka ka antidepressandid (nortriptüliin, lofepramiin, imipramiin jt). Dieeditooted nt. jõutreeninguga tegelevate inimeste hulgas kultuslikku imagot omav efedriin, mida on kasutatud ka traditsioonilistes külmetusevastastes ravimites.  Amiine on kasutatud ka koht-tuimestuse tegemiseks ning näiteks potentsiravimis Viagara.

Amiine kasutatakse ka kummi tootmise protsessis vulkaniseerimise (kõvendamise) kiirendamiseks. Varasemalt on kasutatud N-nitrosoamiine, millel on kõrged terviseriskid, nüüd katsetatakse ka nn ohutute amiinidega (näiteks sulfiidamiinidega). Nii primaarsed-, sekundaarsed kui ka tertsiaarsed amiinid võivad kuuluda näiteks juuksevärvide koostisesse. Üldiselt amiinid inimesele juuksevärvide, kosmeetika säilitusainete või muude hooldustoodete sees kahju ei tee, kuid teatud reaktsioonide käigus võivad nad muunduda nitrosoamiinideks, mis on loomkatsetele toetudes teadaolevalt tugevad kantserogeenid.

Amiinide kasutamine erinevatel elualadel on niisiis küllaltki sage. Seetõttu on hinnatud ka erinevate ühendite mõju tervisele. Asovärvid on toidus juba paljudes riikides keelatud, ka gaasipuhastustehastest lekkivad amiinid on väidetavalt kantserogeensed. Eriti tähelepanelik peaks olema nitrosoamiinide suhtes, nende kontsentratsioon välisõhus ei tohiks ületada 0,3 ng/m3. Nitrosoamiinid on ka ilmselt kõige tuntumad toksilised amiinid. Kuni viiekümnendateni ei olnud nitrosoamiinid erilist tähelepanu tõmmanud, kuid siis avastati, et keemilises puhastuses sageli kasutatav aine põhjustab rottidel vähkkasvajaid. 70-ndatel avastati, et nitrosoamiinid võivad tekkida ka näiteks lihale nitritite (säilitusaine) lisamise tagajärjel, seetõttu kasutatakse lihatööstuses askorbiinhapet, mis väldib selle reaktsiooni kulgemist ning ühtlasi nitrosoamiinide teket. Ka tubakatoodete kantserrogeensusest suure osa moodustab just nitrosoamiinide grupp.

Amiine kasutatakse ka CO2 ja H2S eemaldamiseks heitgaasidest.
Amiine kasutatakse ka CO2 ja H2S eemaldamiseks heitgaasidest.

Enamik amiine siiski ohtlikud mutageenid ei ole, vähemalt kui neid otstarbe kohaselt tarvitada (see kehtib üldiselt kõigi ainete kohta maailmas). Kuid arvesse võttes nende aluselisi omadusi, on selge, et suurtes kogustes võivad nad olla söövitavad ning keskkonnas või inimkehas võivad nad moodustada ohtlikke kompleksühendeid, osade amiinide puhul on mürgised juba aurud. Paljusid amiinühendeid pole siiski piisava põhjalikkusega veel uuritud, et öelda, kas nad avaldavad tervisele mingit kahjulikku mõju või millistes kontsentratsioonides peaks nende koguseid keskkonnas hoidma, eriti puudutab see sünergilisi mõjusid ja vähemkasutatavaid või hiljuti avastatud aineid.

DNA
Nagu näha juuresolevalt jooniselt, siis on amiinid  üks järjekordne keemiliste ainete grupp, ilma milleta inimene ka kõige parema tahtmise korral läbi ei saaks. Seda, kas nad mõnes ühendis inimesele või keskkonnale ohtu kujutavad, peab aga analüüsima iga konkreetse juhtumi valguses.

Amiinide kasutamine inimesepoolt nii toiduaine-, kosmeetika-, ehitus- kui ka rasketööstuses on laialdane, samuti on nad asendamatud ained biokeemias – kõikide elusorganismide sees mängivad nad mingisugust rolli. Kuigi nagu iga teise ainega seoses, võib ka amiinide juures välja tuua tervise- ja keskonnariske seoses nende sünteesitud vormide vale kasutamisega, on tegemist siiski asendamatu orgaanilise keemia funktsionaalgrupiga, mille tähtsus ja kasutamise erinevad võimalused on märksa rikkalikumad, kui käesoleva postituse maht võimaldab.

Allikad üldiselt märgitud tekstis, lisaks ka: Solomons, G. T. W., Fryhle, G. B. 2011. Organic Chemistry. 10-th edition International student edition. Kui on soovi vormistatud kohtviidetega tööd saada, siis andke kommentaarides märku!

Kuidas õppida loodusteadusi? (“science” vs klassikaline mudel põhikoolis)

Kes lähemalt mu tegemistest teavad, on ehk kuulnud, et sellest sügisest alates õpetan ma Maidla Põhikoolis loodusaineid. Sellega, ja Noored Kooli programmiga, seoses on mul ka senisest märksa erinevamad õpingud käsil. Avaldan siinkohal modifitseeritud kujul ainedidaktikas kodutööna kirjutatud essee erinevate õpetatavate ainete (keemia, loodusõpetus ja füüsika) vaheliste seoste leidmisest.

paljud minu katseseadmed on samast ajajärgust (tundub mulle)

Loodusainete integratsioonist põhikoolis

Kuna mul on au ja meeleheitlik töökohustus erinevaid loodusaineid korraga õpetada, siis on mul mõnes mõttes parem ja sügavam ülevaade loodusainete vahelisest integratsioonist Eesti põhikooliastmes kui üht ainet õpetaval loodusõpetuse või keemiaõpetajal. Olen pannud kirja mõningaid mõtteid ainete integreeritusest (mille mahtu ma värske aju jaoks koomale tõmbasin) ning võimalustest, kuidas loodusharidust ehk parandada saaks.

Mis on science? Mõnes mõttes oleks muidugi lihtsam (eriti kui neid aineid nagunii kõiki õpetada) nimetada see asi mingi üldisema nimetusega ja õpetada keemiat ja füüsikat segamini või koos (vrld – USA-s on sellise aine nimeks ”science” – teadus). Sellisel juhul hägustuksid õpilase jaoks küll ainete piirid (kas see on üldse oluline, on muidugi iseküsimus), kuid nad omandaksid terviklikuma teadusliku maailmapildi ning 4 tundi ”science’it” nädalas võimaldaks paremini planeerida laboritöid, katseid jmt. Selline ajaline paindlikus võimaldaks õpetajal ka õppematerjali väiksema pingega suhtuda – kui mõni teema raskeks osutub, saab selle jaoks aega võtta jne.

Abstraktsest mõtlemisest ja loomingulisusest räägin edaspidi ilmselt pikemalt

Täielik integratsioon ja selle ohud. 7-nda klassi loodusõpetus on kavandatud sissejuhatusena keemiasse ja füüsikasse. Käsitletakse algtõdesid mõlemast distsipliinist, kuid võib-olla kuidagi liiga üleruttavalt ja kõike-haarata-püüdvalt. Vahel tundub seitsmenda klassi loodusõpetus sellise silmaringiainena – natuke kõigest kõike. Võib-olla võiks selles vanuses saada õpilased veel rohkem loodust ja vähem õpetust. Eriti arvestades fakti, et seitsmendas klassis on õpilased kõige sügavamas murdeeas ning paljut sel perioodil õpitust ei salvestata kuigi hoolega. Tore on muidugi see, et seitsmenda klassi ainekava jätab ruumi rohkete katsete jaoks, mis aine populariseerimise koha pealt on muidugi hea.  Samuti ei tohi unustada, et abstraktne mõtlemine kui selline alles teismeeas üldse välja kujunema hakkabki – seetõttu oleks suhteliselt mõttetu ponnistada keerulisemaid reaktsioonivõrrandeid oluliselt palju enne 15-ndat eluaastat.

Science’i epic fail? Nüüd aga tähelepanu faktile, et 7-nda loodusõpetus ongi kõige lähem asi sellele nn science’ile (pangem talle siinkohal pealkirjaks loodusteadus) ning see üldistustamise tendents võib kanduda edasi kõigile loodusainetele! Üldise loodusteaduse abil (ehk siis keemia, füüsika, bio jne ühendamisega üheks õppeaineks) lasti igatahes Saksamaal mõneks ajaks loodusharidus – vähemalt testitulemuste järgi – põhja.

Kuidas toota vesinikku?

Kramp teemal – kummas aines me seda õppisimegi? Millist vastust sobib anda? (Mis sest, et mõlemas aines sobiks kohati sama vastus). Kuigi seoseid kosmose ja aineklasside vahel võib olla raske ning kunstlik tuua, tuleb aine ehitust käsitleda mõlemas aines ja õpilastele aitab kõvasti kaasa tervikpildi kujunemisele see, kui nad teavad, et keemias ja füüsikas räägitakse ikkagi samast ainest (kohati tundub, et nende peas eksisteerivad kaks ”ainet”).

Terminite ühtlustamine. Mulle tundub, et juhtudel, kui keemiat ja füüsikat annavad erinevad õpetajad (mis on enamikul juhtudel) õpilastele erineva terminoloogia. Samuti ka ülesannete lahendamise loogika. Ülesanded on üldse minu silmis probleemseks kohaks, sest kui õpilane ei taju ülesande tekstis selget vihjet tema lahendamiseks sobilikule algoritmile, siis ta lihtsalt ei julge üldse alustadagi. Ülesannete puhul peaksid õpilased ideaalis omandama sellise üldise ülevaatliku loogilise loodusteadusliku lähenemise – Mis andmed mul on? Mida ma otsin? Milliseid valemeid/algoritme saan selleks kasutada? jne. Siin peaksid keemia- ja füüsikaõpetajad küll omavahel koostööd tegema.

Kui kaugele integreerimisega minna? Lõppude-lõpuks ei ole mõtet juuksekarva lõhki ajada. Põhikoolis tuleb õppida põhilisi teadmisi ja kui optikat ja aineklasse paralleelselt õppides ei õnnestu säravaid seoseid (põhikoolitasemele vastavaid) välja mõelda, pole neid mõtet kas kunstlikult tekitada. See tekitaks ainult suuremat segadust.  Loomulikult võiks rääkida ka loodusainete integratsioonist humanitaarainetega (teadusarengu roll ajaloos, ühiskonna arengu avardavad võimalused teaduslikule mõtteviisile jne), rääkimata matemaatikast, aga nagu näete on palju millest mõelda ka puhtalt loodusainete endi juures.

P.S. Kui keegi on õppinud välismaal sellist integreeritud loodusõpetust, oleksin kommentaaridest vägagi huvitatud. Olen kuulnud USA mudelist, kust Eestisse elama kolinud noormees oskas küll väga hästi filtreerida, kuid aine ehitusest või keemilistest valemitest ei teadnud midagi…