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爆肝科學使的磺胺劑狂想曲!認真解析《Dr.STONE 新石紀》EP.15

作者:Celeste偽晴(復健模式)│Dr.STONE 新石紀│2019-10-19 20:09:38│贊助:187│人氣:2570
一、磺胺劑全合成繞口令

 ●煤焦油與苯胺

 煤焦油(Coal tar,或譯煤溚),是乾餾煤的副產物之一。煤焦油是一種成份複雜的混合物,含有一萬種以上的化合物,並且仍有一半以上的成份未被解明。煤焦油的主要成份包含各種烷類、芳香族、酚類、多環芳香烴及雜環化合物等,屬於國際癌症研究機構分類的第一類致癌物質。煤焦油的分餾可以提煉出許多有機化合物,也是許多藥物前軀物的來源。

 在這些成份化合物中,苯胺是其中少數帶鹼性的成份,因此可以簡單的用萃取從煤焦油中粗略分離。所謂萃取(Extraction)是利用物質在兩種不互溶的溶劑之間的溶解度差異,將物質從混合物中分離的技巧。煤焦油中的物質大部份不溶於水而易溶於有機溶劑,這時我們只要想辦法將苯胺轉變成易溶於水的形式,就可以用萃取分離了。

 首先加入鹽酸將苯胺轉為氫氯酸鹽,此時的苯胺鹽便可以溶於水。分離水層和其餘雜質後,加入氫氧化鈉(這一步在動畫或原作漫畫中都未被提及)直到水層呈鹼性,再使用乙酸乙酯等有機溶劑將中和過後的苯胺萃取出來,就可以獲得苯胺了。

 ●有機溶劑乙酸乙酯

 乙酸乙酯(Ethyl acetate, CH₃CO₂C₂H₅),是一種無色、易燃、具揮發性的液體,有特殊的水果香味。乙酸乙酯由於其對有機化合物及一部分鹽類的廣泛溶解性,在有機化學實驗室及工業製程中是常用的有機溶劑。

 故事中,千空試圖使用酒和醋來製備乙酸乙酯。這個反應不難做,首先在酒中加入濃硫酸(同時作為催化劑脫水劑),接著加入醋酸,並將系統加熱至60–70゚C。在這個溫度下,產生的乙酸乙酯會氣化,而原料乙醇和乙酸都還是液態,因此可以同時蒸餾出來。將蒸餾的產物以飽和碳酸鈉水溶液除去水後分離上層,即可得到乙酸乙酯。這個反應約需數小時來完成,並且要注意控制火候,避免產生突沸現象而炸鍋了。

C₂H₅OH + CH₃CO₂H → CH₃CO₂C₂H₅ + H₂O
簡易的乙酸乙酯製備裝置。

 不過,這個製程有點太理想化了。首先,一般的酒和醋裡都含有大量的水,會嚴重稀釋反應物濃度,導致反應速度下降;其次,酒和醋中本來就已經含有不少的酯類雜質,聞到的所謂「酒香味」就是這些雜質所致,使用天然植物釀的酒和醋更是如此,因此可以想見產物中會含有大量的雜質,而且並不容易分開。
 不過,若是千空只是想要有機溶劑,這些雜質並無傷大雅。只不過在後續的烯酮製程中,酯類雜質是有可能會影響到純度的,但是目前我們就先別吐槽了吧,還有很多好吐呢。

 ●從醋中純化冰醋酸

 冰醋酸(Glacial acetic acid, CH₃CO₂H),是含水量低於1%的高純度醋酸。高純度的醋酸在16.7 ゚C以下會凝固,形成透明如冰的結晶,故而得名「冰醋酸」。醋酸雖然酸性不強,但有腐蝕性,會刺激眼及呼吸道,聞起來有濃烈刺鼻的氣味。

冰醋酸晶體

 這邊描述千空製造冰醋酸的方法有點太籠統了,我只能大略推測。
 首先,將食用醋加入燒過的貝殼。理解為加入生石灰(忘記的同學不妨複習一下EP.02),醋酸與氧化鈣反應產生醋酸鈣,是一種對水溶解度很高的鹽。過濾水溶液與難溶鹽,可以初步分離雜質。

 接著,加入濃硫酸。硫酸與鈣離子形成硫酸鈣沉澱,並帶走其餘難溶性硫酸鹽雜質。同時濃硫酸能除去水份,便得到冰醋酸。

 ●經由烯酮合成乙酸酐

 乙酸酐(Acetic anhydride, (CH₃CO)₂O)是醋酸脫水形成的酸酐,常溫常壓下為無色液體,由於與空氣中的水氣反應而帶有醋酸味。在有機化學中,乙酸酐常被用於製造乙酸酯或是乙醯胺,這是一種廣泛的用以保護醇類或胺類官能基的方法。

 由乙烯酮製備乙酸酐的工業製程在1922年被開發。此法以丙酮或醋酸為起始物,鐵或鉑作為催化劑,在低壓的系統中進行反應。常壓下同樣可以進行這樣的反應,但是並不像千空所說的那麼輕描淡寫。畢竟這個方法涉及的中間產物乙烯酮,可是個危險得不得了的東西

 乙烯酮(Ketene, H₂C=C=O),是最簡單的烯酮類化合物。烯酮是化學性質極為活潑的化合物,與任何質子源(proton source,即形式電荷帶正電的氫)都會快速進行反應,結構最單純的乙烯酮更是如此。乙烯酮的致死濃度僅僅只有5 ppm,與柯南中的黑衣人最愛用的毒物氰化鉀相當。擁有這樣的毒性,乙烯酮在常溫常壓下還是氣體,可以想見,如果真的照上面說的「做出來,再倒回去」,千空和西瓜可以說是必死無疑。當然,如果動用了化石爺爺黑科技那另當別論。

 由冰醋酸開始,一整套能安全製備乙烯酮到乙酸酐的設備,大致如下:


 首先,加熱冰醋酸至沸點以上,讓醋酸蒸氣經過燒紅的鐵絲(作為催化劑)。醋酸會脫去水,形成乙烯酮:
CH₃CO₂H → H₂C=C=O + H₂O

 乙烯酮經過冷凝系統,不會被冷凝,維持氣態通入另一瓶冰醋酸中,反應生成乙酸酐:
H₂C=C=O + CH₃CO₂H → (CH₃CO)₂O

 如此一來,便得到乙酸酐了。關於實驗的細節,可以參考以下的影片:


 ●謎之合成25步

 這邊作者直接不解釋了,不過就讓我們對著全合成途徑,試著找找所謂25步是哪25步吧。


  1. 用鹽酸和乙酸乙酯,從煤焦油中萃取苯胺
  2. 將食用醋加入石灰,製成醋酸鈣,同時去除雜質。
  3. 將醋酸鈣加入濃硫酸,取得冰醋酸
  4. 將冰醋酸通過燒紅的鐵管,製成乙烯酮。
  5. 將乙烯酮通入冰醋酸,取得乙酸酐
  6. 將乙酸酐在冷卻下緩慢滴入苯胺中,行乙醯化反應,製成乙醯苯胺
  7. 加入冰水除去剩餘的乙酸酐,分離有機層,取得乙醯苯胺。
  8. 將乙醯苯胺在冷卻下緩慢加入氯磺酸中,進行磺酸化反應,製成對乙醯氨基苯磺醯氯
  9. 將上述反應溶液緩慢倒入冰水中,可見到對乙醯氨基苯磺醯氯結晶析出。以冰水清洗結晶數次,以除去雜質。
  10. 將對乙醯氨基苯磺醯氯以氨水進行取代反應,製成對乙醯氨基苯磺醯胺
  11. 分離有機層,並以乙酸乙酯萃取水層數次,合併有機層取得對乙醯氨基苯磺醯胺。
  12. 將對乙醯氨基苯磺醯胺在鹽酸中加熱,去除乙醯基保護,得到對氨基苯磺醯胺鹽酸鹽(與上圖預測不同,本來以為千空打算用鹼性條件去保護,結果還是使用鹽酸)。
  13. 混合等當量的碳酸與氫氧化鈉,取得碳酸氫鈉
  14. 以碳酸氫鈉鹼化鹽酸鹽,取得磺胺劑對氨基苯磺醯胺

 ●化學實驗不謹慎的下場...Explosion!

 從上述反應的細節不難看出,這個合成的過程是需要非常小心的。幾乎所有反應都是放熱反應,再加上有機溶劑的沸點低,在高溫下容易產生蒸氣,使密閉系統中的壓力激增,進而造成氣壓爆炸。因此,實驗的全程必須要謹慎冷卻才可以。

以粗製冷凝管冷卻反應系統的西瓜。

 除此之外,也別忘了這是石之世界的化學反應,對於反應物中的水份是無法處理的。然而這一套反應流程所使用的試劑,乙酸酐、氯磺酸等都是遇水就會劇烈放熱的藥品,這讓反應的順利進行更加艱難。

 ●25步的反應過後...產率君大丈夫?

 有做過有機合成的就知道,一般的合成實驗,能拿到80%以上的產率就可以鼓掌、90%以上就要謝主隆恩了。經歷了25步的反應,即使我們只算涉及苯胺的四步反應,假設千空都能拿到80%的產率好了,最終也只會拿到40%的產率。所以其他少年漫裡吼的是戰鬥力,這裡吼的則是產率。
 此外,在石之世界裡,想要把副產物完整的分離幾乎是不可能的事,也就是說合成出來的磺胺劑裡面會含有很大量的雜質,而且是什麼還說不定。這種粗製的藥別說治病了,搞不好光雜質就殺死人了。
 好吧,或許石之世界的人都有銅腸鐵胃吧,不過這樣做出來的藥我可是不敢吃的。

二、給幻一瓶可樂

 碳酸水製造機

 碳酸水(Carbonated water)是將二氧化碳溶入水中產生的飲料,二氧化碳溶於水會部份產生碳酸(H₂CO₃),故而得名。
 一般來說,氣體在水中的溶解度隨溫度上升而下降,並隨壓力上升而上升。因此在製作碳酸水的時候,都會利用加壓設備來增加二氧化碳的溶解度,並用彈珠或瓶蓋來保持瓶中的壓力高於室壓,這也是為何打開汽水瓶蓋時氣泡就會大量冒出。


 在石之世界,加壓系統肯定是沒有那麼容易製作的。千空設計的碳酸水製造機,以仍在發酵中的酒桶提供二氧化碳,讓水車在瀑布下旋轉裝有水的竹筒。這樣設計的目的有二:

  1. 透過竹筒的快速旋轉,讓水接觸到氣體的表面積增加,從而提昇溶解的效率。這個就跟我們家中的魚缸都會放一個水車的道理一樣。
  2. 藉由在冰涼的瀑布下沖洗,將整個系統的溫度保持在低溫

 不過,這樣做出來的碳酸水並不穩定,只要一倒出來,就像打開了沒加蓋放久的汽水,氣很快就會消的。還好幻跑得夠快,不然一天的辛勞就白費啦。

 神祕的可樂配方

 可口可樂該算是世界上最神祕的飲料之一了。關於其真實成份的說法眾說紛紜,有人說裡面加入了古柯鹼來讓人欲罷不能,有人說裡面加了咖啡因來讓人神清氣爽...這一切的爭論全都是因為可口可樂公司不曾為他們的這項產品申請專利。據傳曾有個化學家分析出了可口可樂中所有的成份,並以此要脅公司,這些傳聞都足見這個配方的吸引人。

 至今,可口可樂公司已經公布了其中的一些原料,包含香橙肉荳蔻香草等,再加上焦糖作為甜味來源及著色劑,我們就可以大概看出千空流可樂的食譜為何這樣寫了...等等、香草跟香菜可差遠了啊,我可以接受在甜點中放香草,但是什麼東西放了香菜都是混亂邪惡,除非你放的是花澤香菜那我們就是朋友

三、萬能藥療程

 這句話可以說是藥理學中唯一亙古不變的真理。就連傳統上的「抗生素最後防線」萬古黴素(Vancomycin)都有無法殺死的細菌存在,沒有哪種藥物是可以治療所有疾病的。對症下藥才是現代醫療的基礎,這點道理我想千空不會不懂,所以你一開始就別吹噓什麼萬能藥啊。

 結核菌與肺炎鏈球菌
誰來p個城之內下巴給他

 核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)肺炎鏈球菌(Streptococcus pneumoniae)都是會造成人類肺部病變的微生物,前者造成肺結核,後者造成肺炎

 結核病(Tuberculosis)是近十年來致死率高居不下的傳染病,由於病原體多感染肺,因此又稱為肺結核。據世界衛生組織推斷,全世界約有三分之一的人口是結核病帶原者,但由於九成的結核病患者是潛伏型患者,不會出現任何症狀也不會傳染,因此很難早期診斷出來。一旦潛伏型結核病轉為開放型,便可以透過飛沫傳染,致死率更高達50%,典型症狀包括咳嗽、咳血、發燒、夜間盜汗等。
 結核病的診斷中,病灶好發於上肺葉,原因尚未解明。有一說是因結核菌好氧,所以喜歡待在空氣流通較好的上肺葉。臨床上對結核病的診斷並不容易,通常需要做痰液的細菌培養分析才可確診。
 由於結核桿菌擁有特殊的細胞壁結構,可以防禦多數的藥物攻擊,因此對結核病的治療需要使用特殊的抗生素,所以千空說若琉璃得的是肺結核,那磺胺劑是無效的。目前臨床的常用藥物有異煙肼(Isoniazid)利福平(Rifampicin)兩種,且通常需要長達數個月的療程。

左:異煙肼(Isoniazid);右:利福平(Rifampicin)

 肺炎(Pneumonia)是指肺部出現發炎的症狀,可以由多種致病因子引發,微生物、病毒、細菌、真菌甚至寄生蟲都可能,而最常見的病原體則是肺炎鏈球菌。肺炎常作為許多慢性疾病的併發症出現,在老年人口中是主要的死因之一。
 肺炎的診斷通常以胸腔X光佐以生理病徵來判斷,不過無法有效區分病原體的種類。肺炎的典型症狀包括咳嗽、呼吸困難、胸痛、呼吸急促等。若是導致肺積水,可以藉聽診聽到粗糙的呼吸音。但是這些症狀與其他許多肺部疾病共通,有時容易誤判,因此必要時還是需要做痰液和血液培養來確定病因。


 從琉璃的症狀來看,比較類似慢性肺炎。這類肺炎由於初次感染時沒有妥善治療,使得肺部長期發炎,甚至改變肺泡的細微結構。慢性肺炎由於已經影響到肺功能,即使平時沒有症狀,也會經常呼吸困難和氣喘。一旦發展到這個地步,藥物治療也只能清除體內的病原體以確保不會復發,但已經被破壞的肺功能可能只能依靠手術修復了。


 細菌將自身的遺傳因子注入其他細菌中的過程,稱為轉化(Transformation)。廣義來說,基因轉殖便是轉化的運用之一。過往的文獻表明,當肺炎鏈球菌遭到外來的攻擊,便會以轉化的手段將致病的基因轉入其他周圍的細菌中,這是肺炎鏈球菌發展出的競爭手段。

 ●千空流醫療...實在太多槽點了

 一般來說都是先診斷才投藥的吧,哪有人先胡亂餵了一堆藥之後才開始診斷的。投藥的劑量也很有問題,一般成人的建議劑量是每天1.05 g,千空給的量怎麼看都遠遠超過了。
 磺胺劑的典型副作用包括發燒、畏寒、虛弱、喉嚨腫脹、頭痛、暈眩等,所以琉璃服藥之後病情加劇倒下...我怎麼看都覺得千空應該負責啊。順帶一提,磺胺劑的半致死劑量是3700 mg/kg,也就是50公斤的成年人吃185 g的磺胺劑就有可能出事。再加上前面提過的雜質問題,千空你可別醫人不成反害人啊。


【本週總結】
提及的科學議題:3
可行的:1
我懶得吐槽的:2

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づく...
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留言共 17 篇留言

小羽Neko((欠債雲長
又是深奧到看不懂系列RRRR

10-19 20:19

Celeste偽晴(復健模式)
看來我解說的功力還要再加強[e18]10-20 12:54
春雪
看完我終於考上臺大化學系了

10-19 20:20

Celeste偽晴(復健模式)
恭喜(?10-20 12:55
路過的npc
666,這些背後原理的調查太猛拉!

10-19 20:21

Celeste偽晴(復健模式)
我覺得作者更猛,不但能考察這些原理,還能把這些原理變成這麼有趣的形式10-20 12:56
消失的月亮(~I am God~)
如果他們哪天復活個醫生聽到治療過程應該會去先揍千空一頓....

10-19 20:25

Celeste偽晴(復健模式)
不過以千空一個高中生來說能做到這樣已經很好了[e20]10-20 12:58
黑子
這次的內容有夠多XDD

10-19 20:46

Celeste偽晴(復健模式)
寫得有夠累[e26]10-20 12:58
宇宙吃貨胖宅貓
找時間補喵

10-19 21:09

Celeste偽晴(復健模式)
很推薦去補[e19]10-20 12:59
古橋羽修
雖然不太懂 不過好像很厲害 讚

10-19 22:10

Celeste偽晴(復健模式)
感謝支持[e34]10-20 12:59
薩雷茲
不明覺厲

10-19 22:22

Celeste偽晴(復健模式)
跟大部分觀眾看動畫的感受一樣[e29]10-20 12:59
哥很靈殺手
投藥那邊我真的覺得千空很賽,看到老鼠生病的細節就能推出來是肺炎,還蠻猛的就是

10-19 23:03

Celeste偽晴(復健模式)
其實真的有點賽到,這些肺部相關疾病通過臨床症狀不是那麼容易分辨的10-20 13:00
荷月晴(快樂呼吸ing
你到底花了多少時間研究磺胺劑來著? 我幾乎都是直接放棄思考誒...

琉璃吃了為什麼真的有用?你就當她的身體素質原本跟琥珀一樣強好了=w=

10-20 00:26

Celeste偽晴(復健模式)
其實對於有機化學專業的來說要考證這些不算太難,反而是看到槽點很多的劇情會不吐不快[e6]10-20 13:02
玥晴 Luna (#ΦωΦ#)
文組的我,看不懂

10-20 00:33

Celeste偽晴(復健模式)
就算是理組的也不見得看得懂就是了[e20]10-20 13:03
Reika
讓我想起之前大一普化實驗做阿斯匹靈,助教還有特別強調純率一定不行,千萬別拿來吃XD

10-20 01:11

Celeste偽晴(復健模式)
別說普化實驗了,我自己在實驗室裡合的我都沒把握夠純敢吃[e21]10-20 13:04
NekOSuShi
管他的,先給GP就不怕別人說我看不懂了

10-20 02:38

Celeste偽晴(復健模式)
其實看不懂好像也沒什麼可恥的就是[e21]10-20 13:05
我阿芬啦㊣興
大家的重點都是餵藥的畫面!很會

10-20 12:01

Celeste偽晴(復健模式)
我還沒放打馬的版本呢(?10-20 13:21
銀瞳SE
是不是還涉及一點點的海洋生物學啊?
因為有拿海綿這東西過濾...

10-29 01:30

Celeste偽晴(復健模式)
畢竟只是一筆帶過的東西,覺得沒那麼重要就沒寫了
不過天然海綿要變成我們常用的型態要花不少工序就是了10-29 22:51
小小權哥
可樂沒申請專利,因為專利50年,或是多久,就需要公開。所以反而不去申請。

11-25 16:16

Celeste偽晴(復健模式)
印象中是二十年,而且不是過後要公開,是申請專利當下就必須公開,所以才沒有申請11-25 21:24
黑子
補完之後再回來看,吃藥這一段真的滿滿的槽點阿
千空看診流程 小朋友真的別當真

01-23 12:34

Celeste偽晴(復健模式)
姑且還是有在最後放了請勿模仿的警示標語[e7]01-23 22:38
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