Deze guide is bedoeld voor mensen met een basale kennis van (organische) chemie. Mensen die de structuren van verschillende drugs al weten zouden dit misschien handig kunnen vinden om de kennis op te frissen of als referentiemateriaal.
Allereerst is het belangrijk om het begrip "substitutie" te kennen. Substitutie, in de organische chemie, is het proces waarin een atoom binnen een molecuul wordt vervangen door een ander atoom of zelfs meerdere atomen. Een voorbeeld van een substitutiereactie:
Hier gaat Methaan een reactie aan met Chloor, waardoor Chloormethaan en Zoutzuur wordt gevormt. Een waterstofatoom van het methaan is gesubstitueerd door een chlooratoom. Deze speciale groepen heten ook wel zijgroepen.
Bij bepaalde groepen krijgt het molecuul een speciale naam. Hier een paar voorbeelden
Om deze infomatie op drugs toe te passen is het misschien handig om te beginnen bij een simpel stofje.
Amfetamine
Amfetamine (IUPAC: 1-Phenylpropan-2-amine) is deel van een grote groep phenethylamines. Ik behandel amfetamine eerst, want het is een stof waar veel mensen bekend mee zijn. Amfetamine staat aan de basis van heel veel populaire drugs. Het bestaat als een levo- of dextroroterend stereoisomeer, hier komen wij later op terug.
Voorbeelden
In zoutvorm(samen met Sulfaat) staat het oa bekend als speed. Een paar voorbeelden van (populaire) gesubstitueerde amfetamines zijn onder andere: Crystal Meth (N-Methyl-Amfetamine), MDMA (3,4-Methyldioxy-N-Methyl-Amfetamine) en 4-FA (4-Fluor-Amfetamine). Hieronder een paar voorbeelden met structuren.
Cijfers? Wat hebben die hiermee te maken.
Wat betekenen die cijfers nou? Elk C-atoom binnen het amfetaminemolecuul waarom een zijgroep zou kunnen voorkomen is een symbool gezet, een soort van naam. 4-Fluor-Amfetamine betekent niks anders dan "Op C-atoom 4 zit een fluor-zijgroep".
Maar hoe zit het dan met het N-atoom?
Een speciaal geval is methamfetamine. Bij methamfetamine is de zijgroep een methyl. Deze zit niet vast aan een C-atoom, maar aan het N-atoom. Bij stoffen waarin maar één N-atoom zit worden zijgroepen van dit atoom aangegeven met N. Daarom is de naam van Methamfetamine ook "N-Methyl-Amfetamine".
Ik hoor mensen praten over 'dexamfetamine'. Wat is dat nou?
Heel veel aandacht wil ik hier niet aan schenken, maar het is wel handig om te weten. Moleculen zijn niet plat, zoals ze op papier worden weergegeven. Moleculen zijn drie-dimensionaal. Een groot misverstand is dat de werking van moleculen alleen bepaald wordt door de atomen binnen het molecuul. Belangrijk is om te weten dat ook de vorm van een molecuul van belang is. Verschillende vormen van één molecuul noemen we isomerie.
Dextro- en levorotatie, ookwel respectievelijk rechts- en linksdraaiend, zijn vormen van chirale isomerie, ook wel optische isomerie genoemd, deze stoffen hebben namelijk een werking op licht(Voor meer info over de werking op licht raad ik je aan om wikipedia raad te plegen). Een mengsel van 50/50 dextro- en levoroterende moleculen noemt men ook wel een racemaat of racemisch mengsel.
Niet elk molecuul kan meerdere vormen hebben, belangrijk is de aanwezigheid van een "asymetrisch koolstofatoom", een C-atoom waarin elke vertakking uniek is.
De eerste versie, phenethylamine, heeft bij het α-atoom twee H-atomen, dus is niet asymetrisch. Amfetamine heeft een methylgroep en een H-atoom, dus is wel asymetrisch
Zo gauw een molecuul een asymetrisch koolstofatoom bevat, zal het stereoisomerie vertonen. Dit houdt in dat het molecuul in verschillende vormen kan bestaan.
Bij Dextro-amfetamine komt de methylgroep 'naar voren' en gaat het H-atoom 'naar achteren'. Bij Levo-amfetamine is dit andersom. De twee isomeren zijn elkaars spiegelbeeld.
Tot zover het deel over Amfetamine. Een andere interessante stof om te bekijken is:
Tryptamine
Tryptamine (IUPAC: 2-(1H-Indol-3-yl)ethanamine) is een stof die bekend staat als de basis van het aminozuur tryptofaan. Veel lichaamseigen stoffen zijn gesubstitueerde tryptamines. Het is ook niet zo vreemd dat tryptamine-verbindingen vaak psychoactieve werkingen hebben.
Voorbeelden
Bekende gesubstitueerde tryptamines zijn onder andere serotonine(5-Hydroxy-Tryptamine), DMT (N,N-Dimethyl-Tryptamine) en Psilocybine(4-phosphoryloxy-N,N-dimethyltryptamine).
Wordt nog vervolgd.
GABA-agonisten(GHB, GBL, Benzodiazepinen)
Ja, maar GABA-agonisten zijn geen klasse moleculen! Nee, oké, ja, dat klopt. GABA is een neurotransmitter, de meeste GABA-receptoren zorgen voor inhibiterende effected binnen het neuron.
Het enige verschil tussen GHB(gamma-hydroxybutaanzuur) en GABA(gamma-aminobutaarzuur) is dat een amine-groep een hydroxy-groep is!
Ja, maar wat is GBL dan?
Tussen een alcohol en een zuur kan verestering ontstaan, waarbij twee -OH combineren om één -O- te maken, hierbij komt water vrij. Een goed voorbeeld hiervan zijn polyesters, zoals PLA(Polylactic acid of polymelkzuur):
Het resultant van een Zuur-Alcohol reactie waarbij de twee OH-groepen reageren heet een ester.
Dit kan ook met GHB! Dit staat bekend als PHB. Hydroxy-zuren hebben ook nog de eigenschap dat onder een aantal voorwaarden ze een ester kunnen vormen met zichzelf:
Bij GHB gebeurt dit in een zuur mileu (pH < 2), zoals in je maag. De GHB die je inneemt wordt dus in GBL omgezet in je maag! Voor meer informatie hierover, klik hier.
Benzo's lijken helemaal niet op GABA, toch doen ze er iets mee!
Ik wil eigenlijk niet te ver in de theorie van benzo's gaan, want het zijn vrij complexe stoffen en ik snap zelf hun werking ook niet compleet.
Voor een korte uitleg over de werking:
Spoiler! :
Stabiliteit
De stabiliteit van een molecuul verschilt per molecuul en hangt af van veel verschillende factoren. Het belangrijkste deel van stabiliteit zijn bindingen.
Van te voren is het belangrijk om te weten: Alles in de scheikunde wil in een staat van zo weinig mogelijk energie zijn. Hoe lager de energie, hoe stabieler iets is.
Elektronen binden! Mooie deeltjes, toch? Of zijn het nou golven?
Waarschijnlijk heb je wel eens gehoord van de radioactieve β-straling. Elekronen die uit een atoomkern worden geschoten. Simpel gezegd razen deze 'deeltjes' met een enorme snelheid en kunnen bijvoorbeeld je DNA raken en daardoor schade aanbrengen.
Men dacht vroeger dat elektronen strikt deeltjes waren: Een (negatieve) elektron zweeft als een deeltje om een (positieve) kern heen, dit verhaal wordt nog steeds op veel middelbare scholen verteld.
Tegenwoordig weet men beter: Het elektron vertoont dualiteit van golf en deeltje; soms is het een deeltje, soms is het een golf. Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg verteld ons dat we nooit 100% zeker van de plaats én de impuls(Massa en snelheid) van een elektron tegelijkertijd kunnen zijn. Hoe zekerder we zijn van de plaats, hoe onzekerder we zijn over de massa en de snelheid.
Elk electron om een atoomken heen begeeft zich daar in een soort "wolk": een elektronorbitaal, waarin een elektron zich als een golf gedraagt. Het simpelste orbitaal is gewoon een bol om de kern heen(Dit heet het 1s-orbitaal). Hoe dit precies werkt is moeilijk uit te leggen, zelfs een boek over chemie schenkt er al meerdere hoofdstukken aan. Het is belangrijk om te weten dat het binnen dit orbitaal er een kans is dat een elektron zich op een bepaald punt in de tijd op een bepaalde positie begeeft. Voor meer informatie over hoe dit precies zit kun je mij altijd een PB sturen.
Binnen elk orbitaal kunnen er zich maximaal 2 elektronen begeven! Meer hierover komt later.
Bij een binding tussen twee atomen overlappen deze orbitalen elkaar. De twee atomen delen het elektron in deze orbitalen.
Een goed voorbeeld is waterstof. Die een zogenaamde σ-binding(sigma-binding) kan vormen, de sterkste binding tussen atomen die er bestaat:
Waterstof komt - net als bijvoorbeeld Zuurstof - nooit voor als een enkel atoom!
Hier later meer over, ben weer eens klaar met typen.
Testcentra: Een rekencursus (door Einstein)
Verreweg de meeste drugs worden op de markt gebracht in de vorm van een zout, waarin de werkzame stof (MDMA, amfetamine, LSD, ...) chemisch gebonden is aan een andere, inactieve stof, meestal een zuur als HCl, H2SO4 of ingewikkeldere zuren zoals wijnsteenzuur. Deze zouten zijn in de regel makkelijker te behandelen dan de zuivere werkzame stof, die de 'vrije base' of 'freebase'-vorm wordt genoemd. Zo is de vrije base MDMA (laat ik hier MDMA als voorbeeld gebruiken) een olie, terwijl het zout van MDMA met HCl een vaste stof is die tot poeders en pillen kan worden gemaakt. Ook is freebase MDMA slecht oplosbaar met water, terwijl het HCl-zout er prima in oplost.
Eigenlijk zijn deze zouten andere stoffen dan de drugs waar ze van afgeleid zijn, maar in het lichaam worden de twee vormen eenvoudig en snel in elkaar omgezet. Overigens is het beetje zuur dat je zo binnenkrijgt onder normale omstandigheden veel te weinig om op de een of andere manier schadelijk te zijn en is het gebruik van dergelijke zouten ook in de geneesmiddelenindustrie de normaalste zaak van de wereld.
Als je je MDMA-kristallen afweegt weeg je niet alleen werkzaam MDMA, maar ook het zuur dat eraan vast zit: dat zuur is immers niet massaloos. Zelfs zuiver MDMA-kristal zal altijd een percentage 'loos gewicht' bevatten, tenzij je een vrije base hebt. Het percentage aan werkzame stof per 100 mg poeder kan worden uitgerekend door de molecuulmassa's van het zuur en van freebase MDMA met elkaar te vergelijken. MDMA weegt ongeveer 193.2 u per molecuul en HCl weegt ongeveer 36.5 u per molecuul; 100 mg MDMA-HCl bevat dan 193.2/(193.2+36.5) * 100 = 84.1 mg MDMA en 15.9 mg HCl. Een dosis van 150 mg MDMA-HCl bevat dus slechts 126.2 mg MDMA.
Als je je pillen bij het testcentrum aflevert zal men daar alleen de hoeveelheid MDMA van bepalen, hoewel er in die pillen waarschijnlijk evengoed MDMA-HCl verwerkt is. 100 mg MDMA is daar dus echt 100 mg MDMA. Bij het testen is de HCl hoogstens extra ballast die er verder niet ter zake doet voor de sterkte van de pillen. Laat je je zuivere kristal testen, dan zal de uitslag dus ook 84% 'zuiver'heid zijn.
Op dezelfde manier is zuiver amfetaminehemisulfaat meestal 73% 'zuiver'. Elk molecuul zwavelzuur (98.1 u) bindt aan twee amfetaminemoleculen (135.2 u per stuk) en dus is het maximale amfetaminegehalte (2*135.2)/(98.1+2*135.2) = 0.734, oftewel 73.4%.
Dit rekensommetje is de reden dat op medicijnverpakkingen vaak teksten als '20 mg zus-en-zo-hemisulfaat, corresponderend met 17 mg zus-en-zo'.
De algemene methode om het maximaal gehalte aan werkzame stof te bepalen is:
( x * molecuulmassa van de werkzame stof) / (x * molecuulmassa van de werkzame stof + molecuulmassa van het aanwezige zuur) * 100%. Hierin is x een factor die rekening houdt met de hoeveelheid werkzame moleculen die per zuurmolecuul bindt. Deze factor zal vrijwel altijd 1 (HCl, HBr) of 2 (wijnsteenzuur, H2SO4) zijn.
Chemische analyse voor dummies (Door Einstein)
Als je op het punt staat om een lange lijn van het een of andere witte goedje naar binnen te werken is het goed om zeker te weten dat je ook echt het gewenste goedje voor je hebt. Tenzij je in je leven al zó veel LSD hebt gebruikt dat je aan de kosmische energetische vibraties rond het poeder kan voelen met welke stof je te maken hebt, is het de beste methode om het spul naar een testcentrum (of naar een verre neef met een NMR-apparaat) te brengen.
Ik zal hier een paar analysetechnieken uitleggen die al dan niet in het testcentrum worden gebruikt.
Marquis en dergelijke
Eén van de oudste vormen van chemische analyse is het verder laten reageren van de te analyseren stof tot een product dat bijvoorbeeld gekleurd is. Zo kan zetmeel in een oplossing worden aangetoond door er wat jodium bij op te lossen: indien er zetmeel aanwezig is, krijgt de oplossing een dieppaarse tot zwarte kleur.
In de materiaalwereld wordt vaak gebruik gemaakt van het Marquisreagens. Dit reagens is een mengsel van formaldehyde en zwavelzuur. Het toedruppelen van dit mengsel aan een sample zorgt ervoor dat de stof in het sample een reactie aangaat met het formaldehyde en deze reactie levert (vaak) een gekleurd product op. Aan de hand van de kleur zijn bepaalde stoffen uit te sluiten. Als de reactie bijvoorbeeld een groen product oplevert, zal het in ieder geval geen codeïne zijn, omdat codeïne in een dieppaars product omgezet zou worden.
Het precieze mechanisme zal ik jullie besparen, maar het Marquis-reagens werkt door twee moleculen van het te analyseren materiaal aan elkaar vast te hechten, precies op zo'n plek dat het product zichtbaar licht zal absorberen. Het kleurgebied waarbij dit gebeurt is afhankelijk van de verdere structuur van het product en dus ook van de oorspronkelijke moleculen.
GC/MS
De techniek die bij het testcentrum wordt gebruikt is GC/MS (of LC/MS, maar het principe daarachter is hetzelfde). GC/MS is eigenlijk een combinatie van twee technieken, gaschromatografie (GC) en massaspectrometrie (MS). Het te analyseren sample wordt eerst door een gaschromatograaf geleid, waarna de uitvoer naar de massaspetrometer gaat. GC/MS is een krachtige techniek, waarmee veel informatie over een mengsel kan worden verkregen.
Het doel van de gaschromatograaf is het voorsorteren van de verschillende stoffen die in het mengsel aanwezig zijn. De GC bestaat uit een lange kolom die gevuld is met een speciaal materiaal en waar gas doorheen stroomt. Het te analyseren mengsel wordt aan één kant van de kolom geïnjecteerd, waarna de stoffen door de kolom naar het andere uiteinde stromen, waar ze worden gedetecteerd. De snelheid waarmee een stof door de kolom stroomt is afhankelijk van de molecuulstructuur en dus werkt de GC als een soort 'voorsortering' voor eventuele onzuivere mengsels.
Hoewel de GC registreert wanneer er moleculen langs de detector gaan en bijhoudt hoeveel van die moleculen er zijn, geeft het weinig tot geen informatie over de precieze molecuulstructuur. Daarom wordt de uitvoer van de GC-kolom (inmiddels dus zuivere stoffen) in een massaspectrometer geleid, waarbij steeds een nieuw massaspectrum wordt gemaakt als er wat nieuws de GC uit komt. De MS werkt door moleculen als het ware in stukken te schieten en de massa van die stukken te detecteren. De moleculen worden gebombardeerd met energetische elektronen en vallen uit elkaar. Dit uiteenvallen gebeurt volgens bepaalde principes die vrij goed bekend zijn en zo is aan de hand van de fragmenten vaak een goede constructie te geven van de oorspronkelijke molecuulstructuur. Bij het analyseren van materialen zijn alle bestanddelen normaal gesproken al eens met MS geanalyseerd (behalve in het geval van zeer nieuwe drugs) en daarom is het vaak eenvoudig te zeggen welke stof verantwoordelijk is voor welk massaspectrum.
Infraroodspectroscopie
Deze techniek wordt bij mijn weten niet in testcentra gebruikt (althans niet als standaardanalyse), dus ik zal het hier beknopt houden. Het principe achter IR-spectroscopie is eenvoudig, maar de informatie die wordt verkregen kan erg waardevol zijn.
Als infrarood licht door een materiaal wordt gestuurd, zal een deel van dit licht geabsorbeerd worden door de bindingen in het molecuul. Deze bindingen kunnen trillen en wanneer er licht geabsorbeerd wordt zal de energie van deze trilling veranderen. Elke binding absorbeert echter alleen infrarood licht van bepaalde golflengtes ('kleuren'). Deze golflengtes hangen af van het soort binding (C-C, C-H, C=O) en de atomen in de buurt. Door bij veel golflengtes te meten hoeveel van het licht er wordt geabsorbeerd wordt een IR-spectrum verkregen met informatie over de chemische bindingen in het molecuul. Zo wijst een smalle, sterke piek bij 1600-1700 cm-1 op de aanwezigheid van een C=O-binding in je molecuul - bijvoorbeeld cafeïne (bevat C=O) in speed (hoort eigenlijk geen C=O te bevatten).
NMR-spectroscopie
NMR is, misschien naast GC/MS, de techniek die de meeste informatie oplevert over een te analyseren stof. Van de hier besproken analysemethoden is het ook veruit de moeilijkste om uit te leggen. Omdat deze techniek niet standaard bij testcentra wordt gebruikt zal ik het ook hier kort houden.
In de NMR-spectroscopie worden moleculen in een zeer sterk magnetisch veld gehouden. De kernen van de atomen (vaak waterstofatomen in het geval van de veel gebruikte 1H-NMR-techniek) in een molecuul reageren hierop op een manier die afhankelijk is van de hoeveelheid elektronen in de buurt. Je kunt elektronen zien als losse deeltjes, maar in dit geval is het beter ze te beschouwen als een snel bewegende wolk. Elk waterstofatoom levert een piek in het 1H-NMR-spectrum, die opschuift naarmate er meer of minder van de elektronenwolk omheen hangt, wat afhangt van de molecuulstructuur via allerlei subtiele effecten.
