Τι είναι η φαινολοφθαλεΐνη;

Η φαινολοφθαλεΐνη είναι μια ελαφρώς όξινη οργανική ένωση με μοριακό τύπο C ₂₀ H ₁₄ O ₄ , η οποία είναι μερικώς διαλυτή στο νερό. Τα υδατικά διαλύματά του είναι εντελώς άχρωμα όταν το pH είναι ουδέτερο ή όξινο, αλλά εμφανίζει χαρακτηριστικό βαθύ ροζ χρωματισμό σε διαλύματα με pH 8,3 ή μεγαλύτερο. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τη φαινολοφθαλεΐνη κατάλληλη ουσία για χρήση ως δείκτης pH σε τιτλοδοτήσεις οξέος-βάσης ισχυρών οξέων και βάσεων και ορισμένων ασθενών οξέων.

δομή φαινολοφθαλεΐνης

Η φαινολοφθαλεΐνη είναι μια αρωματική φαινολική ένωση που έχει τρεις ανεξάρτητους δακτυλίους βενζολίου, δύο από τους οποίους έχουν ομάδες υδροξυλίου στη θέση παρα (μετατρέποντάς τις σε φαινολικές ομάδες) και ένας από τους οποίους συντήκεται σε μια 5-μελή λακτόνη (κυκλικό εστέρα). Η δομή φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Αυτή η βασική δομή αντιστοιχεί σε ένα παράγωγο του φουρανίου που ονομάζεται ισοβενζοφουρανόνη, επομένως η συστηματική ονομασία IUPAC για τη φαινολοφθαλεΐνη είναι 3,3-δις(4-υδροξυφαινυλ)ισοβενζοφουραν-1(3Η)-όνη.

Όπως όλες οι φαινόλες, οι υδροξυλομάδες που συνδέονται με τους αρωματικούς δακτυλίους είναι πιο όξινες από τις υδροξυλομάδες των αλκοολών και από αυτές του νερού, καθιστώντας έτσι τη φαινολοφθαλεΐνη ένα ασθενές διπρωτικό οξύ. Όπως θα φανεί αργότερα, η απώλεια πρωτονίων από αυτές τις υδροξυλομάδες προκαλεί κάποιες αλλαγές στη δομή της φαινολοφθαλεΐνης που οδηγούν στην αλλαγή χρώματος που παρατηρείται στη συζυγή βάση.

Το σημείο καμπής της φαινολοφθαλεΐνης

Όπως όλοι οι δείκτες οξέος-βάσης όξινης φύσης, τους οποίους μπορούμε να αναπαραστήσουμε με τον γενικό τύπο HIn, η φαινολοφθαλεΐνη αντιδρά απελευθερώνοντας ένα πρωτόνιο ή μεταφέροντάς το σε κατάλληλη βάση και γίνεται το ιόν που αντιστοιχεί στη συζευγμένη βάση, In ^– . Είναι μια αναστρέψιμη αντίδραση διάστασης οξέος που σχετίζεται με μια σταθερά ισορροπίας ή, στην περίπτωση αυτή, μια σταθερά οξύτητας 10 ^-9 (pKa = 9). Η αντίδραση είναι:

Η σταθερά ισορροπίας για αυτή την αντίδραση δίνεται από:

Αυτή η εξίσωση μπορεί να αναδιαταχθεί σε:

Σε τυπικές συγκεντρώσεις των δεικτών, το χρώμα είναι γενικά παρατηρήσιμο όταν η συγκέντρωση της ιονισμένης φαινολοφθαλεΐνης είναι περίπου μόλις το ένα δέκατο της συγκέντρωσης των πρωτονιωμένων ειδών και η αλλαγή δεν είναι πλέον παρατηρήσιμη όταν το ιονισμένο είδος έχει συγκέντρωση περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από αυτό του ουδέτερου μπαχαρικού.

Με άλλα λόγια, το εύρος που αντιστοιχεί στην αλλαγή χρώματος παρατηρείται όταν η αναλογία μεταξύ των συγκεντρώσεων In ^– και Hin πηγαίνει από περίπου 0,1 σε 10, πράγμα που σημαίνει ότι το pH αλλάζει από:

Ή τι είναι το ίδιο:

Δεδομένου ότι το pKa της φαινολοφθαλεΐνης είναι 9, αυτό σημαίνει ότι το εύρος του pH για την αλλαγή χρώματος είναι μεταξύ 8 και 10, αν και σε ορισμένες αναφορές το εύρος μειώνεται σε 8,2 – 9,8.

Σε πιο ακραίες τιμές pH, όπως κοντά στο 0 ή το 14, συμβαίνουν διαφορετικές αντιδράσεις οξέος-βάσης στις οποίες συμβαίνουν άλλες αλλαγές χρώματος. Ωστόσο, οι ακραίες τιμές αυτών των τιμών pH καθιστούν αυτές τις αντιδράσεις ακατάλληλες για τις περισσότερες εφαρμογές.

Γιατί συμβαίνει η αλλαγή χρώματος;

Οι ουσίες που έχουν ορατά χρώματα έχουν γενικά ένα μέρος του μορίου που είναι ικανό να απορροφά το ορατό φως. Αυτό το μέρος του μορίου ονομάζεται χρωμοφόρο. Οι περισσότερες χημικές ενώσεις είναι ικανές να απορροφούν φως ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κάποιου μήκους κύματος. Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά είναι ικανά να απορροφούν μόνο υπεριώδες φως υψηλής ενέργειας, καθώς η διαφορά ενέργειας μεταξύ του κατειλημμένου μοριακού τροχιακού υψηλότερης ενέργειας (HOMO) και του μη κατειλημμένου μοριακού τροχιακού χαμηλότερης ενέργειας (LUMO) είναι πολύ υψηλή.

Αυτό συμβαίνει, για παράδειγμα, στην περίπτωση της ουδέτερης φαινολοφθαλεΐνης. Το ότι είναι άχρωμο σημαίνει ότι επιτρέπει σε όλο το ορατό φως να περάσει, δηλαδή δεν το απορροφά. Αντίθετα, όταν ιονίζεται, σχηματίζεται ένα σύστημα συζευγμένων διπλών δεσμών που περιέχει ηλεκτρόνια 16 pi που κινούνται ελεύθερα κατά μήκος 15 ατομικών κέντρων κατά μήκος δύο από τους τρεις δακτυλίους βενζολίου του μορίου, όπως φαίνεται στην ακόλουθη εξίσωση (στην οποία ορισμένες ενδιάμεσες μετατροπές παραλείπονται ).

Αυτή η σύζευξη πολλών διπλών δεσμών οδηγεί στο σχηματισμό μεγαλύτερου αριθμού δεσμευτικών και αντι-δεσμικών μοριακών τροχιακών που μειώνει το ενεργειακό χάσμα μεταξύ των τροχιακών HOMO-LUMO, μειώνοντας έτσι την ενέργεια που απαιτείται για τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου στο μόριο. Έτσι, δημιουργούνται ηλεκτρονικές μεταβάσεις που επιτρέπουν στο χρωμοφόρο να απορροφά φως μεγαλύτερου μήκους κύματος.

Στην περίπτωση της φαινολοφθαλεΐνης, που ιονίζεται, απορροφά έντονα φως περίπου 550 nm, που αντιστοιχεί σε ένα χρώμα μεταξύ πράσινου και κίτρινου. Κατά συνέπεια, η λύση εμφανίζεται ως το συμπληρωματικό χρώμα που είναι μεταξύ ροζ και ματζέντα.

Χρήσεις της φαινολοφθαλεΐνης

Η φαινολοφθαλεΐνη είναι γνωστή εδώ και εκατοντάδες χρόνια, επομένως έχει πολλές εφαρμογές. Ωστόσο, τα πιο συνηθισμένα είναι τα ακόλουθα:

Δείκτης τελικού σημείου σε τιτλοδοτήσεις οξέος-βάσης

Λόγω της χρωματικής της μετάβασης μεταξύ pH 8,2 και 9,8, η φαινολοφθαλεΐνη είναι κατάλληλη ως δείκτης οξέος-βάσης στις ακόλουθες τιτλοδοτήσεις οξέος-βάσης:

• Τιτλοδοτήσεις ισχυρών οξέων με ισχυρές βάσεις.
• Τιτλοδοτήσεις ασθενών οξέων με ισχυρές βάσεις.
• Τιτλοδοτήσεις ισχυρών βάσεων με ισχυρά οξέα.

Ωστόσο, η φαινολοφθαλεΐνη δεν είναι κατάλληλη ως δείκτης σε ισχυρές τιτλοδοτήσεις ασθενούς οξέος , καθώς το εύρος pH στο οποίο συμβαίνει αλλαγή χρώματος της φαινολοφθαλεΐνης συνήθως πέφτει στη ζώνη όπου σχηματίζεται το ρυθμιστικό ή ρυθμιστικό κατά τη διάρκεια αυτών των τιτλοδοτήσεων, παρά κοντά στο σημείο ισοδυναμίας .

Αυτό προκαλεί την επίτευξη του τελικού σημείου της φαινολοφθαλεΐνης μιας τιτλοδότησης ασθενούς βάσης ισχυρού οξέος πολύ πριν από το σημείο ισοδυναμίας, παράγοντας έτσι ένα πολύ υψηλό χαμηλό σφάλμα στην τιτλοδότηση.

Ως δείκτης pH σε καλλιέργειες βακτηρίων

Η διφωσφορική φαινολοφθαλεΐνη χρησιμοποιείται στη μικροβιολογία ως δείκτης pH σε ορισμένα επιλεκτικά μέσα καλλιέργειας για τον εντοπισμό βακτηρίων θετικών στην όξινη φωσφατάση. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται με τη μορφή ενός παραγώγου που ονομάζεται διφωσφορική φαινολοφθαλεΐνη διαλυμένη σε αλκαλικό ρυθμιστικό διάλυμα. Εάν το βακτήριο εκφράζει όξινη φωσφατάση, υδρολύει τις φωσφορικές ομάδες, απελευθερώνοντας φαινολοφθαλεΐνη και δημιουργώντας την αλλαγή χρώματος σε ροζ.

Δοκιμαστικό αντιδραστήριο Kastle-Meyer

Το τεστ Kastle-Meyer είναι μια γρήγορη και εύκολα εφαρμόσιμη ιατροδικαστική εξέταση που αποκαλύπτει την παρουσία αιμοσφαιρίνης σε ένα δείγμα και έτσι βοηθά στην επιβεβαίωση εάν ένα ιατροδικαστικό δείγμα περιέχει αίμα. Εκτός από την αιμοσφαιρίνη, ορισμένες άλλες ουσίες όπως ορισμένα μέταλλα και ορισμένα λαχανικά αντιδρούν με τη φαινολοφθαλεΐνη στο τεστ Kastle-Meyer, δίνοντας πολλά ψευδώς θετικά, επομένως η δοκιμή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οριστική για την παρουσία αίματος σε δείγμα σκηνής εγκλήματος. Ωστόσο, ένα αρνητικό τεστ αποκλείει την παρουσία αιμοσφαιρίνης, επομένως αυτό χρησιμοποιείται συνήθως ως πρώτη γρήγορη εξέταση που, εάν είναι θετική, απαιτεί την εφαρμογή μιας πιο ειδικής και επιλεκτικής εξέτασης.

Στη φαρμακολογία ως καθαρτικό

Από τις αρχές του 20ου αιώνα είναι γνωστό ότι η φαινολοφθαλεΐνη είναι ικανή να δρα ως καθαρτικό καθαρτικό. Το κάνει δρώντας στο εντερικό νευρικό σύστημα όπου διεγείρει την παραγωγή μονοξειδίου του αζώτου, το οποίο εμποδίζει τα έντερα να επαναπορροφήσουν ιόντα νερού, νατρίου και χλωρίου από τα κόπρανα, διευκολύνοντας έτσι τις κινήσεις του εντέρου. Ωστόσο, αυτή η ένωση έχει διακοπεί ως καθαρτικό λόγω των ανεπιθύμητων παρενεργειών της, συμπεριλαμβανομένου ακόμη και του καρκίνου και της απώλειας της λειτουργίας του εντέρου.

Στην ιατρική ως διαγνωστικός παράγοντας

Το χρώμα της φαινολοφθαλεΐνης στο βασικό μέσο χρησιμοποιείται ως διάγνωση της νεφρικής λειτουργίας, ιδιαίτερα στη μελέτη των υπολειμμάτων ούρων στην ουροδόχο κύστη. Είναι επίσης μια κοινή αιτία κόκκινων ούρων σε ασθενείς που κάνουν υπερβολική χρήση καθαρτικών που προέρχονται από φαινολοφθαλεΐνη.

βιβλιογραφικές αναφορές

Cantor B., D.A. (2018, 11 Αυγούστου). φαινολοφθαλεΐνη . Διαδραστική και διασκεδαστική επιστήμη. https://cienciainteractivaydivertida.wordpress.com/2017/11/01/fenolftaleina/

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Χημεία (10η ^έκδ .). Εκπαίδευση McGraw-Hill.

EcuRed. (ν). Φαινολοφθαλεΐνη – EcuRed . Συνεργατική εγκυκλοπαίδεια στο κουβανικό δίκτυο. https://www.ecured.cu/Fenolftale%C3%ADna

φαινολοφθαλεΐνη . (σφ-α). Εργαστήριο Έκπτωσης. https://www.laboratoriumdiscounter.nl/en/chemicals/az/f/fenolftaleina/

φαινολοφθαλεΐνη . (σφ-β). Χημεία.είναι. https://www.quimica.es/enciclopedia/Fenolftale%C3%ADna.html

Hanai, T. (2016). Ποσοτική Αξιολόγηση Μηχανισμών Διάσπασης στη Φαινολοφθαλεΐνη και τις Συναφείς Ενώσεις . J. Comput. Chem Jpn., 15.1. 13–21. https://www.researchgate.net/publication/301942181_Quantitative_Evaluation_of_Dissociation_Mechanisms_in_Phenolphthalein_and_the_Related_Compounds

Herrera C., D., Fernández P., C., Coria A., GA, Manzo D., J., Aranda A., GE, & Hernández A., ME (2015, 16 Οκτωβρίου). Τα καθαρτικά φαινολοφθαλεΐνης και η σχέση τους με την ανάπτυξη καρκίνου . mediagraphic.com. https://www.medigraphic.com/pdfs/veracruzana/muv-2015/muv152f.pdf

Hornerov, M. (2015, 11 Οκτωβρίου). Δοκιμή Kastle–Meyer . ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΙ ΧΗΜΕΙΑ. https://cuadernofyq2015sp3e13.wordpress.com/2015/10/11/prueba-de-kastle-meyer/

Ακαδημία Khan. (2015). Σύζευξη και χρώμα . Ακαδημία Khan. https://www.khanacademy.org/science/organic-chemistry/spectroscopy-jay/uv-vis-spectroscopy/v/conjugation-and-color-1

Λύκειο AGB. (ν). ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΞΙΝΟΒΑΣΙΚΕΣ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ . liceoagb.es. https://www.liceoagb.es/quimigen/acibas11.html

Restrepo V., CA (nd). Βασική Νεφρολογία 2 – Κεφάλαιο 2: Εργαστηριακές εξετάσεις στη νεφρολογία . Asocolnef.com. http://asocolnef.com/wp-content/uploads/2018/03/Cap02.pdf