Apteczna historia fosforu.

Nową substancją, która opanowała umysły siedemnastowiecznych alchemików był biały fosfor, który wyizolował z moczu alchemik Henning Brandt w 1669 roku. Brand tak naprawdę szukał „kamienia filozoficznego”, czyli substancji, która pozwala na przemianę metali nieszlachetnych w złoto. Przemiana ta nazywana była transmutacją. Brand był zafascynowany nowoodkrytym, świecącym w ciemności materiałem i metodę jego produkcji utrzymywał w najściślejszej tajemnicy. Ze swym wynalazkiem odwiedzał dwory i pałace ówczesnej Europy i żył z pokazów białego fosforu. Znużony podróżami, wystarczająco bogaty, odsprzedał recepturę aptekarzowi Kunkelowi za ogromne pieniądze. Niestety, Kunkel nie dokonał transakcji osobiście tylko przez kolegę, lekarza i aptekarza Kraffta. Krafft odkupił sekret za pieniądze Kunkela, ale nie zamierzał go przekazać nabywcy. Sam objeżdżał ze swoją świecącą inwestycją Europę i powszechnie, jak to już bywa w interesach, wzbudzał zawiść kolegów po fachu.

Krafft w Londynie poznał Roberta Boyla, który również  był żywo zainteresowany fosforem i sam przystąpił do prac nad jego otrzymaniem, co udało mu się w 1680 roku. Kunkel nie zapomniał Krafftowi kradzieży własności i po długich podchodach, wypytał służącego Kraffta, co porabia jego chlebodawca. Służący wiedział tylko tyle, że jego pan do swoich prac potrzebuje dużo zwierzęcego moczu, ale Kunkelowi ta informacja wystarczyła. Już po kilku tygodniach sam zaczął wytwarzać biały fosfor, ale chętnie dzielił się wiedzą. Wkrótce o fosforze mówiło już pół naukowego świata Europy. Fosforem zajmowali się wszyscy, ale to Ambrose Godfrey Hanckwitz, który poznał fosfor wykonując niewdzięczną pracę u Boyle’a, zaczął na nim naprawdę zarabiać. Surowiec do produkcji – mocz, kupował tanio, produkt – biały fosfor sprzedawał bardzo drogo, drożej niż złoto. Swoje laboratorium umieścił nie w jakiejś zapyziałej ruinie, ale najpierw w Apothecaries Hall w Londynie, a potem otworzył swoją własną, elegancką aptekę na Southampton Street. Mieszkał nad nią z całą swoją rodziną, a „cuchnący” interes ulokował nieco dalej od siebie. Jego jedynym dokonaniem było to, że to, co odkryli inni, przekuł na najprawdziwsze złoto. Czyżby to on właśnie był odkrywcą „lapis philosophorum”?

Ciekawostką związaną z fosforem i prawdziwą przemianą jednego pierwiastka w drugi, a więc prawdziwą transmutacją, jest odkrycie córki Marii Skłodowskiej Curie, Ireny. Irena Joliot-Curie  wspólnie z mężem Fryderykiem przeprowadzili przemianę glinu Al²⁹ w radioaktywny izotop fosforu P³², poprzez zbombardowanie cieniutkiej folii aluminiowej rozpędzonymi cząstkami alfa. Za odkrycie sztucznej promieniotwórczości oboje małżonkowie otrzymali Nagrodę Nobla w 1935 roku.

Być może fosfor pozostałby alchemiczną ciekawostką, gdyby nie poważni naukowcy w osobach Antoine’a Lavoisiera, który stwierdził że fosfor to pierwiastek, Jacoba Berzeliusa, który spostrzegł, że fosfor posiada odmianę czerwoną, która spontanicznie pojawia się w czasie po ekspozycji białego fosforu na światło, czy aptekarz Wilhelm Scheele, który odkrył fosfor w kościach. Ale dopiero XIX wiek przyniósł poważne i praktyczne zainteresowanie fosforem. Pierwsze podobne do nam znanych zapałki wymyślił aptekarz John Walker z Stockton on Tees w 1826 roku. Wtedy nie zawierały one jeszcze czerwonego fosforu, ale posiadały znany nam mechanizm zapalania: tarcie. Niestety w wielu krajach przez kilkadziesiąt lat stosowano w zapałkach biały fosfor, który zbierał śmiertelne żniwo. Biały fosfor jest trujący i powoduje trudno gojące się rany. Wspomnieć należy o tzw. „matches girls”, pracownicach przemysłu zapałczanego w Londynie, które pracowały z białym fosforem i masowo cierpiały na martwicę żuchwy i straszliwe owrzodzenia twarzy, a których strajk z 1888 roku odbił się szerokim echem w świecie. A czy ktoś może pamięta, czym próbowała się zabić nieszczęsna lokatorka kamienicy Pani Dulskiej?

Dopiero w 1848 roku Niemiec Rudolf Christian Boettger wymyślił zapałki z czerwonym fosforem. Jego pomysł kupiła szwedzka fabryka zapałek Tidaholm w Joenkoeping, tworząc potem wielki monopol zapałczany, znany jako koncern Kreugera. Jedyna już w Polsce fabryka zapałek w Czechowicach-Dziedzicach, należąca do grupy PCC również ma pewien detal związany z farmacją. Otóż jest zlokalizowana  przy ulicy Ignacego Łukasiewicza, najsłynniejszego polskiego farmaceuty, pioniera przemysłu naftowego i społecznika. Imię Łukasiewicza pochodzi on łacińskiego słowa „ignis”, czyli „płomień”, a więc może samo imię pokierowało losem aptekarza tak, że dzięki niemu zapłonęły w świecie lampy naftowe? Pierwszy i poważny debiut lampy skonstruowanej przez Ignacego Łukasiewicza miał miejsce w 31 lipca 1853 w lwowskim szpitalu, podczas nagłej, nocnej operacji. To właśnie sztuczne oświetlenie stworzone przez lwowskiego aptekarza pozwoliło operować także w nocy lub przy niedostatecznym dziennym oświetleniu. Ciekawe, czym Ignacy zapalił swoją pierwszą lampę naftową?

Do rozwoju przemysłu fosforowego przyczynił się krnąbrny syn aptekarza i handlarza chemikaliami z Darmstadt, Justus von Liebig. Justus urodził się 12 maja 1803 roku i jako dziecko wynajdował przeróżne materiały w laboratoriach taty i stale eksperymentował, nie przykładając się za wiele do nauki. Posłany na naukę aptekarskiego fachu do innego farmaceuty,  Gottfrieda Pierscha, spowodował pożar w jego aptece i tym samym zakończył on praktyczną naukę tego zawodu. Potem pomagał trochę ojcu w jego pracy, ale na szczęście w 1819 rozpoczął studia chemiczne w Bonn. I tak uczeń, który ledwie dawał sobie radę w szkole, nie tylko ukończył studia, ale i został asystentem znanego wówczas profesora chemii i farmacji Wilhelma Gottloba Kastnera.

Justus von Liebig pracował naukowo, prowadził zajęcia dla studentów chemii i farmacji, które cieszyły się ogromnym zainteresowaniem, ponieważ prowadził na nich eksperymenty i pokazy chemiczne. W 1827 roku założył prywatny Instytut Farmacji i Przemysłu Technicznego (działający do 1833), przeznaczony dla przyszłych asystentów farmacji i kierowników handlu technicznego. W 1832 roku założył pismo naukowe „Annalen der Pharmacie”, znane później jako „Liebigs Annalen”. Jego metoda nauczania, odkrycia i pisma wkrótce uczyniły go sławnym w całej Europie. Na jego wykłady o chemii i farmacji przyjeżdżali słuchacze z wielu zakątków starego kontynentu.

Justus von Liebieg miał tak szerokie zainteresowania, że pracował między innymi nad składem chemicznym roślin i zwierząt, fermentacją, analizą chemiczną oraz… kostką rosołową i mlekiem modyfikowanym. Niemniej jednak został zapamiętany i doceniony za naukowe opracowanie i wdrożenie do stosowania fosforowych nawozów sztucznych. W latach 1846–1849 wraz z Edwardem Franklandem i Jamesem Sheridanem Musprattem opracował metodę syntezy rozpuszczalnego w wodzie  superfosfatu, który jest najczęściej stosowanym nawozem fosforowym na świecie do dziś. Produkcja roślinna i zwierzęca nie istnieje bez związków fosforu. Organiczne związki fosforu są stosowane jako środki ochrony roślin np. malation, czyli O,O-dimetyloditiofosforan S-(1,2-bisetoksykarbonylo-)-etylu. Trudno sobie wyobrazić wyżywienie mas ludności bez skutecznej walki ze szkodnikami, jaką zapewniły ludziom pestycydy. Malation i związki podobne służą także w weterynarii do leczenia chorób pasożytniczych u bydła jak np. gzawica, czyli zakażeniem larwą gza bydlęcego. Walka z chorobami pasożytniczymi przyczyniła się w znacznej mierze do wzrostu wydajności  produkcji zwierzęcej na świecie. Związek fosforu, w postaci kwasu fosforowego to także dodatek do żywności. Sztandarowym produktem go zawierającym jest dzieło amerykańskiego farmaceuty i weterana wojny secesyjnej, Johna Pembertona (1831- 1888). Pemberton opracował środek przeciwbólowy, pierwotnie zawierający kokainę i kofeinę, znany dzisiaj jako „coca-cola”. Napój ten stabilizowany i konserwowany jest kwasem fosforowym. Dzisiaj „coca-cola” nie zawiera już kokainy, a i ilość kofeiny została w niej znacznie zredukowana. Kwas fosforowy jest powszechnie stosowany w USA jako konserwant, regulator kwasowości i stabilizator żywności, w Europie raczej zastępowany kwasem cytrynowym.

Fosforany, dzięki swoim właściwościom wiązania jonów dwuwartościowych znalazły zastosowanie jako środki zmiękczające wodę podczas prania. Przemysł detergentowy stosuje fosforan (V) sodu w formie bezwodnej i uwodnionej (Na₃PO₄ i Na₃PO₄^.12 H₂O) oraz wodorofosforan (V) sodu w formie bezwodnej (Na₂HPO₄) i krystalicznej (Na₂HPO₄^.12 H₂O). W przeszłości fosforany były używane jako wypełniacze aktywne w środkach piorących i mydłach, ale dziś stosuje się je rzadko, ponieważ powodują eutrofizację zbiorników wodnych. Związki te mają właściwości zmiękczające wodę, przez wytrącanie strątu jonów metali w formie galaretowatego osadu.

Zmiękczanie wody fosforanami jest także stosowane w procesach uzdatniania wody do celów przemysłowych, w tym wody kotłowej. Wiadomo, że odkładanie się kamienia nie służy instalacjom przemysłowym i pogarsza sprawność procesów ogrzewania, dlatego do wody kotłowej dodaje się fosforanów.

A jak potoczyła się kariera fosforu w medycynie? W zasadzie fosfor nigdy nie zrobił oszałamiającej kariery w lecznictwie. Nigdy nie powstały leki, które zawierają fosfor, a których działanie byłoby wyjątkowo spektakularne czy doniosłe. Owszem, mamy kilka substancji aktywnych w postaci rozpuszczalnych w wodzie fosforanów jak np. fosforan kodeiny czy fosforan pirydoksalu (witamina B6). Ale czy można to porównać do całego bogactwa rozpuszczalnych w wodzie chlorków i chlorowodorków? Lub do takich osiągnięć farmakologii jak leki przeciwnowotworowe lub przeciwpsychotyczne? Czy sprzedawana w aptekach lecytyna, czyli mieszanina fosfolipidów (zestryfikowanych kwasem fosforowym i choliną kwasów tłuszczowych) to coś wyjątkowego? Czy nawet radioaktywny fosfor P³² stosowany w leczeniu rzadkiej choroby krwi – czerwienicy? A może chociaż fosforan cynku używany w stomatologii jako cement i podkład pod trwałe plomby?

Można sądzić, że nic ciekawego w medycynie z fosforu się nie urodzi. A jednak! Zainspirowany procesami kotłowymi i praniem, szwajcarski lekarz Herbert  André Fleisch stwierdził w latach 60 XX wieku, że skoro fosforany i pirofosforany wiążą wapń w wodzie, to może potrafiłyby związać wapń w kościach i zapobiec ich odwapnieniu? Utrata wapnia z kości pojawia się w przebiegu pewnych chorób nowotworowych (szpiczak mnogi, choroba Pageta, przerzuty nowotworowe do kości), chorobach układu endokrynnego (nadczynność przytarczyc) oraz w stanie fizjologicznym, jakim jest menopauza. Proces nowotworowy ma bardzo dramatyczny przebieg i odwapnienie kości następuje bardzo szybko, powodując nie tylko łamliwość kości i deformacje szkieletu, ale także niebezpieczne podwyższenie stężenia wapnia we krwi, zwapnienia tkanek miękkich oraz trudny do zniesienia ból. Chirurg pirofosforanów ani polifosforanów zastosować nie mógł, bo są one rozkładane w organizmie przez fosfatazy, enzymy obecne we krwi, więc potrzebował czegoś trwalszego. Tym trwalszym związkiem były bifosfoniany, czyli pirofosforany z mostkiem węglowym w środku (P-C-P). Lekiem, który pierwszy wszedł do lecznictwa był etydronian disodowy, czyli sól disodowa kwasu (1-hydroksyetylideno)-bifosfoniowego.

Herbert André Fleisch miał czym leczyć swoich chorych dzięki temu, że wcześniej niemiecki farmaceuta Theodor Salzer odkrył w 1894 roku bifosfoniany jako zanieczyszczenia handlowego kwasu fosforowego. Theodor Salzer wprawdzie nigdy nie ustalił prawdziwej struktury chemicznej tych związków, ale jego odkrycie nie pozostało bez echa. Dalsze prace nad tymi związkami prowadzili już chemicy Hans von Baeyer wraz z ojcem Adolfem von Baeyerem – noblistą z 1905 roku za syntezę barbituranów. Ciekawe jest to, że do zastosowania bifosfonianów zainspirował lekarza proces zmiękczania wody, ale sam mechanizm działania bifosfonianów na organizm człowieka jest o wiele bardziej złożony. Tylko, że to już zupełnie inna historia…

mgr farm. Marta Orel-Regucka

Piśmiennictwo:

1. Ignacy Eichstaedt, Księga pierwiastków chemicznych, Warszawa: Wiedza Powszechna, 1973
2. Hugh Aldersey-Williams, Fascynujące pierwiastki. W krainie fundamentalnych składników rzeczywistości, Prószyński i S-ka, Warszawa, 2012
3. William Ashwell Shenstone, Justus von Liebig, his life and work (1803-1873), 1901
4. Laurence M. Principe, The aspiring adept, Robert Boyle and his alchemical quest, Princeton University Press, 1998
5. Thomas J Martin, Robert Graham G. Russel, Jean-Philippe Bonjour, In memoriam Herbert Andre Fleisch, Journal of Bone and Mineral Research, 2007
6. Georg Petroianu: Pharmacist Theodor Salzer (1833-1900) and the discovery of bisphosphonates.In: Pharmazie. 66(10), Okt. 2011, S. 804-80
7. http://www.historyofmatches.com/matches-inventors/john-walker/
8. John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.
9. M. F. Crass, A history of the match industry, J. Chem. Educ., 1941,18