Kemia 1: luku 5 Orgaaniset yhdisteet

Lisäaineet

Lisäaineet voivat olla joko peräisin luonnosta tai kemiallisesti tai mikrobien avulla valmistettuja. Tämän perusteella lisäaineet voivat olla luontaisia, luontaisen kaltaisia tai keinotekoisia. Lisäaineeksi hyväksytyn aineen on käytävä läpi perusteellinen turvallisuusarviointi, ennen kuin se hyväksytään käyttöön.

Turvallisuusarvioinnin perusteella määritetään aineen hyväksyttävä päiväsaanti. Jos aineen on todettu aiheuttavan suurina määrinä käytettynä terveyshaittoja ihmiselle, sille määritetään ADI-arvo. ADI tarkoittaa hyväksyttävää päivittäistä enimmäissaantia, jolle ihminen voi altistua joka päivä koko elämänsä ajan ilman terveydellisiä haittavaikutuksia.

ADI-arvo ilmoitetaan milligrammoina henkilön painokiloa ja vuorokautta kohti. Henkilö, joka on yliherkkä aspiriinille, voi saada oireita bentsoehappoa ja sorbiinihappoa sisältävistä tuotteista. Astmaatikoille puolestaan hankalia lisäaineita ovat rikkidioksidi ja sulfiitit.

Orgaaniset yhdisteet

Kaikki orgaaniset molekyylit sisältävät hiiltä ja vetyä. Funktionaalisten ryhmien vuoksi eri yhdisteillä on erilaisia kemiallisia ominaisuuksia. Hiilivetyjä hyödynnettään energiantuotannossa ja muovien raaka-aineina. Hitsauskaasuna käytettävä etyyni eli asetyleeni on yksinkertaisin alkyyni. Hiilivetyjä, joissa on vain yksinkertaisia sidoksia, kutsutaan tyydyttyneiksi hiilivedyiksi ja hiilivetyjä, joissa on yksi tai useampi hiiliatomien välinen kaksois- tai kolmoissidos, kutsutaan tyydyttymättömiksi hiilivedyiksi.

Aiemmin yleisesti liuottimena käytetty bentseeni on yksinkertaisin aromaattinen hiilivety. Nykyään sen käytöstä on kuitenkin suurelta osin luovuttu, koska se kertyy elimistöön ja sen on todettu olevan karsinogeeninen aine. Aineen tilalla käytetään usein toista aromaattista hiilivetyä, metyylibentseeniä eli tolueenia. Tolueeni ei ole elimistölle vaarallinen, koska siitä muodostuu aineenvaihdunnassa vesiliukoista hippurihappoa, joka poistuu virtsan mukana.

Bentseenirenkaassa jokainen renkaan hiiliatomi käyttää kolme ulkoelektronia kolmen kovalenttisen sidoksen muodostamiseen. Jäljelle jäävät kuusi elektronia, yksi kultakin hiiliatomilta, ovat yhteisiä kaikille kuudelle hiiliatomille (delokalisoituneet elektronit).

Jos yhdisteessä on kaksi tai useampia bentseenirenkaita liittyneinä toisiinsa, puhutaan polyaromaattisista hiilivedyistä eli PAH-yhdisteistä. Esim tupakansavussa oleva karsinogeeninen bentsopyreeni ja aiemmin koimyrkkynä käytetty naftaleeni.

Vesimolekyylien vahvat vetysidokset estävät hiilivetymolekyylejä tunkeutumasta veteen, eli aineet eivät sekoitu keskenään. Poolittomiin liuottimiin, esim bensiiniin, hiilivedyt sen sijaan liukenevat hyvin, koska tällöin hiilivedyn ja liuottimen väliset dispersiovoimat ovat samankaltaiset ja molekyylit sekoittuvat toisiinsa.

Alkoholit

Jos alkoholissa ei ole kaksoissidoksia niin se on tyydyttynyt. Jos alkoholimolekyylin hiiliketjuun on liittynyt bentseenirengas, niin kyseessä on aromaattinen alkoholi. Bentsyylialkoholi eli fenyylimetanoli on pienimolekyylisin aromaattinen alkoholi. Huomaa, että moniarvoisissa alkoholeissa hydroksyyliryhmät sijoittuvat aina eri hiiliatomeihin. Alkoholit luokitellaan primäärisiin, sekundäärisiin ja tertiäärisiin sen mukaan, kuinka monta hiiliatomia on liittynyt hydroksyyliryhmää sitovaan hiiliatomiin. Primäärisessä alkoholissa on hydroksyyliryhmää sitovaan hiiliatomiin liittynyt vain yksi hiiliketju. Sekundäärisessä alkoholissa on hydroksyyliryhmää sitovaan hiiliatomiin liittynyt kaksi hiiliketjua.

Metanoli

Metanoli eli metyylialkoholi on väritöntä ja helposti haihtuvaa nestettä. Sitä käytetään mm. liuottimena, kiihdytysajojen polttoaineena sekä jäätymisenestoaineena autojen lasinpesunesteissä. Metanoli on hyvin myrkyllinen aine. Jo 15 ml nauttiminen aiheuttaa täysikasvuiselle ihmiselle sokeuden, ja 30 ml aiheuttaa kuoleman. Metanoli on myrkyllistä, koska se hapettuu elimistössä metanaaliksi ja metaanihapoksi, jotka ovat suurina pitoisuuksina eläville soluille haitallisia aineita.

Metanolin aiheuttama sokeutuminen on seurausta siitä, että metanaali sitoo silmän opsiinia ja estää siten silmän näköherkän pigmentin rodopsiinin muodostumisen. Metanolikuoleman arvellaan johtuvan siitä, että metanolin hapettumistuotteena syntyvä metaanihappo laskee elimistön pH-arvon liian alhaiseksi.

Etanoli                                                                                  

Etanoli eli etyylialkoholi on se alkoholi jota arkikielessä tarkoitetaan. Se on kirkas, polttavanmakuinen neste. Etanolia valmistetaan pääasiassa alkoholikäymisen avulla, jossa raaka-aineena voidaan käyttää sokeria, maltaita, tärkkelystä, marjoja tai hedelmiä. Käymisreaktiossa raaka-aineen sokeri, esim glukoosi tai fruktoosi, muuttuu hiivan entsyymien avulla etanoliksi ja hiilidoksidiksi. Tällä menetelmällä tuotetaan esim olutta ja viiniä.

Käymisteitse on mahdollista tuottaa vain melko laimeaa etanoliliuosta, jonka alkoholipitoisuus on noin 15 tilavuusprosenttia. Kun valmistetaan väkeviä alkoholijuomia, laimea alkoholi väkevöidään tislaamalla. Lääke- ja kosmetiikkateollisuus käyttää suuria määriä etanolia sekä liuottimena että raaka-aineena erilaisissa synteeseissä.

Lääketieteessä etanolia käytetään desinfiointiaineena, koska se tappaa bakteereja. Etanoli denaturoi bakteerien proteiineja, jolloin bakteerit kuolevat. Etanoliin voidaan lisätä denaturointiaineita, jos sitä halutaan käyttää teknisessä käytössä. Tällöin se ei kelpaa nautintoaineeksi ja se voi aiheuttaa mm. ripulia. Osalla käytettävistä denaturointiaineista on lähes sama kiehumispiste kuin etanolilla, joten niiden erottaminen etanolista esim tislaamalla ei onnistu.

Glykoli ja glyseroli

Glykoli eli 1,2-etaanidioli on myrkyllinen alkoholi, koska se hapettuu elimistössä munuaisille vaaralliseksi etaanidihapoksi eli oksaalihapoksi. Glykoli on korkean kiehumispisteensä ansiosta mm. erinomainen jäähdytinneste moottoriajoneuvoissa. Glyseroli sen sijaan on myrkytöntä. Sitä käytetään kosteudensitojana monissa kosmeettisissa tuotteissa, kuten kosteusvoiteissa ja hammastahnoissa.

Adehydit ja ketonit eli karbonyyliyhdisteet

Monet luonnon aromaattiset aldehydit, kuten vanilliini, ovat aromi- tai makuaineita. Aldehydejä ja ketoneja esiintyy runsaasti luonnossa ja monet niistä maistuvat ja tuoksuvat miellyttäviltä. Siksi niitä käytetäänkin mausteina, parfyymeissä, saippuoissa ja ilmanraikasteissa.

Metanaali eli formaldehydi on huoneenlämmössä pistävänhajuinen kaasu. Se on ihmiselle myrkyllistä, koska se saostaa elimistön proteiineja. Sitä on esim tupakansavussa ja sitä käytetään tekstiilien rypistymisenestoaineena. Siksi tekstiilit on syytä pestä ennen käyttöönottoa. Metanaali on erittäin reaktiokykyinen aine ja sitä käytetäänkin muovien, hartsien ja liimojen valmistuksessa.

Formaldehydin 40-massaprosenttista liuosta kutsutaan formaliiniksi. Sitä käytetään biologisten preparaattien säilyttämiseen, koska se lopettaa säilöttävän eliön entsyymitoiminnan, jolloin hajoaminen pysähtyy.

Etanaalia eli asetaldehydiä käytetään lähinnä peilien hopeapinnoitteen valmistamiseen ja etanolin denaturoimiseen. Propanoni eli asetoni on hyvin helposti haihtuva ja syttyvä neste. Se liuottaa hyvin monia orgaanisia aineita ja se onkin yksi tärkeimmistä teollisuusliuottimista.

Elimistössä propanonia syntyy erään rasvan hajoamisreaktion lopputuotteena. Normaalisti propanonia ei kerry elimistöön suuria määriä, koska se palaa siellä hiilidoksidiksi ja vedeksi. Diabeetikoilla propanonia voi kuitenkin kertyä suuriakin määriä elimistöön, jolloin sitä erittyy myös virtsaan. Diabetes voidaan siis todeta osoittamalla, että virtsassa on propanonia.

Karboksyylihapot

Hydroksihapoissa on karboksyyliryhmän lisäksi hydroksyyliryhmä ja aminohapoissa aminoryhmä. Rasvahapoiksi sanotaan sellaisia pitkäketjuisia karboksyylihappoja, joita esiintyy eläin- ja kasvirasvoissa. Karboksyylihappojen oikeita nimiä ja triviaalinimiä:

metaanihappo                       muurahaishappo

etaanihappo                                               etikkahappo

butaanihappo                                             voihappo

oktadekaanihappo                                      steariinihappo

etaanidihappo                       oksaalihappo

butaanidihappo                                           meripihkahappo

bentseenikarboksyylihappo   bentsoehappo

2-hydroksipropaanihappo                          maitohappo

2-hydroksibutaanidihappo                          omenahappo

2-amino-3-hydroksibutaanihappo               treoniini

Metaani- eli muurahaishappo on väritöntä, pistävänhajuista nestettä. Nokkosen ja muurahaisen piston kirvelevä vaikutus johtuu juuri metaanihaposta. Metaanihappoa käytetään AIV-säilörehuliuoksen valmistuksessa, paperin ja tekstiilien värjäyksessä, nahan käsittelyssä ja lääkeainesynteeseissä.

Etaani- eli etikkahappokin on väritöntä ja pistävänhajuista nestettä. Puhdasta etikkahappoa kutsutaan jääetikaksi, koska se kiteytyy jään kaltaiseksi aineeksi alle 16 C:n lämpötilassa. Etikkahappo on teollisesti tärkein orgaaninen happo ja sitä käytetään elintarvikkeiden lisäksi muovien, lääkeraaka-aineiden, väriaineiden, hyönteismyrkkyjen ja elintarvikelisäaineiden tuotannossa.

Oksaalihappo eli etaanidihappo on huoneenlämmössä kiinteä aine. Sitä on esim käenkaalissa, raparperissa, niittysuolaheinässä ja pinaatissa. Se on suurina pitoisuuksina ihmiselle haitallinen, koska se sitoo elimistöstä kalsiumioneja niukkaliukoiseksi kalsiumoksalaatiksi. Neulamaiset kalsiumoksalaattikiteet saattavat tukkia munuaistiehyet, joten oksaalihappopitoisia ruokia kannattaa syödä kerrallaan vain pieniä määriä.

Bentseenikarboksyylihappo eli bentsoehappo on huoneenlämmössä valkoista, kiteistä ainetta, ja sen natriumsuolaa, natriumbentsoaattia, käytetään yleisesti säilöntäaineena esim hilloissa ja mehuissa. Monet marjat, kuten lakat, puolukat ja karpalot, sisältävät runsaasti bentsoehappoa. Näistä marjoista tehty hillo säilyy pitkään ilman säilöntäaineita, kunhan marjat murskataan jotta mehussa oleva bentsoehappo suojaisi hilloa homehtumiselta.

Amiinit

Luonnossa esiintyviä amiineja ovat mm. histamiini, serotoniini ja etyylifenyyliamiini. Tonnikalasta ja soijasta löydetty histamiini on hormoni, joka laajentaa verisuonia ja lisää mahahapon HCl eritystä. Histamiinin pitoisuus elimistössä kohoaa myös allergisten reaktioiden yhteydessä, ja siksi allergisia henkilöitä hoidetaan histamiinin vaikutuksia estävillä aineilla, antihistamiineilla.

Kun yksi ammoniakkimolekyylin vetyatomeista on korvautunut hiiliketjun sisältävällä ryhmällä, kutsutaan amiinia primääriseksi. Jos kaksi vetyatomia on korvautunut hiiliketjun sisältävällä ryhmällä, kyseessä on sekundäärinen amiini.

Tavallisin aromaattinen amiini on aniliini eli fenyyliamiini. Se on ihmiselle hyvin myrkyllinen, koska se imeytyy helposti ihon läpi verenkiertoon ja muuttaa veren hemoglobiinimolekyyliä siten, ettei se kykene sitomaan happea. Yleensä amiinit liukenevat poolisuutensa vuoksi hyvin veteen, koska vesi- ja amiinimolekyylien välille muodostuu vetysidoksia.

Viininvalmistus

Viinin lisäaineena käytetään määrällisesti eniten rikkiä, joka estää viinin hapettumisreaktioita ja hillitsee mm. maitohappobakteerien kasvua ja monien entsyymien toimintaa. Rikin käyttö on välttämätöntä, jotta viinin laatu säilyy, mutta monille sen käytöstä aiheutuu yliherkkyysoireita. Siksi rikin tilalle ollaan etsimässä uusia aineita. Viineistä voi löytyä liian suuria pitoisuuksia raskasmetalleja, kuten lyijyä.

Alkaloidit eli kasviamiinit

Kasviamiineja ovat esim kofeiini, nikotiini, oopium, atropiini ja koniini. Kaikki alkaloidit ovat amiineja. Koniini on hyvin myrkyllinen, ja suuri filosofi Sokrates tappoi itsensä juomalla kupillisen koniinia eli katkokasviuutetta.

Nitrosoamiinit

Sekundääriset amiinit reagoivat helposti typpihapokkeen HNO2 kanssa, jolloin syntyy karsinogeenisiä N-nitrosoamiineja. Kun syödään nitriittipitoista lihaa, mahalaukun korkea suolahappopitoisuus muuttaa nitriitit typpihapokkeeksi, joka voi reagoida ruuansulatuskanavassa sekundääristen amiinien kanssa nitrosoamiineja muodostaen. Liha- ja makkaravalmisteisiin lisätään pieniä määriä nitriittejä lihan punaisen värin säilyttämiseksi. Nitriitti-ionit sitoutuvat lihan myoglobiiniproteiiniin, jossa ne estävät raudan hapettumista. Raudan hapettuminen muuttaisi lihan värin harmaaksi.