Chemia piękna

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa


Ilustracja na okładce Filipchuk Oleg Vladimirovich/Shutterstock

Redaktor inicjujący Agnieszka Trzpil-Gajek

Redaktor Małgorzata Galusowa

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2009

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2009 r., (wyd. I)

Warszawa 2020

ISBN 978-83-01-21208-7

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: mobisfera.pl

Spis treści

Przedmowa

1. Rys historyczny

2. Chemia ogólna 2.1. Atomowa teoria budowy materii

2.1.1. Układ okresowy pierwiastków chemicznych

2.1.2. Budowa atomów

2.2. Cząsteczki i wiązania chemiczne

2.2.1. Wiązanie typu σ

2.2.2. Wiązanie typu π

2.2.3. Wiązania kowalencyjne, spolaryzowane i jonowe

2.2.4. Wiązanie koordynacyjne

2.2.5. Wiązanie wodorowe

2.2.6. Delokalizacja wiązań

2.3. Stany skupienia: stały, ciekły i gazowy

2.3.1. Ciekłe kryształy

2.3.2. Polimorfizm i alotropia

2.4. Mieszaniny substancji

2.5. Stężenia roztworów

2.5.1. Stężenie procentowe

2.5.2. Stężenie molowe

2.5.3. Stężenie molalne

2.5.4. Stężenie normalne

2.6. pH roztworów

2.7. Substancje obojętne, kwasowe i zasadowe

2.8. Roztwory buforowe

2.9. Substancje powierzchniowo czynne

2.9.1. Emulgatory o/w i w/o

2.9.2. Usuwanie brudu

2.10. Osmoza i dyfuzja

2.11. Elektroliza

2.11.1. Ogniwa galwaniczne

2.11.2. Elektrolityczna epilacja

3. Kosmetyczna chemia nieorganiczna

3.1. Nomenklatura substancji nieorganicznych

3.2. Pierwiastki w kosmetyce

3.2.1. Makroelementy

3.2.2. Mikroelementy

3.2.3. Pierwiastki inne

3.2.4. Pierwiastki szkodliwe

3.3. Woda i tlenki

3.4. Kwasy

3.5. Zasady

3.6. Sole

3.6.1. Sole kwasu węglowego

3.6.3. Sole kwasów fosforowych

3.6.4. Sole kwasu azotowego(V)

3.6.5. Sole tlenowych kwasów boru, chloru, bromu i jodu

6.6. Nadtlenki

3.6.7. Sole kwasów beztlenowych

3.7. Substancje pochodzenia mineralnego

4. Kosmetyczna chemia organiczna 4.1. Pojęcia wstępne

4.1.1. Pisownia wzorów związków organicznych

4.1.2. Izomeria

4.2. Węglowodory

4.2.1. Węglowodory o znaczeniu kosmetycznym

4.2.2. Węglowodory terpenowe

4.2.3. Węglowodory aromatyczne

4.3. Alkohole i fenole

4.3.1. Alkohole alifatyczne

4.3.2. Inne alkohole nasycone

4.3.3. Alkohole alifatyczne nienasycone

4.3.4. Alkohole terpenowe

4.3.5. Sterole

4.3.6. Alkohole aromatyczne

4.3.7. Alkohole polihydroksylowe

4.3.8. Fenole

4.3.9. Polifenole

4.3.10. Polifenolokwasy

4.4. Etery

4.5. Aldehydy i ketony

4.5.1. Aldehydy alifatyczne

4.5.2. Aldehydy terpenowe

4.5.3. Aldehydy aromatyczne

4.5.4. Ketony alifatyczne

4.5.5. Ketony terpenowe

4.6. Kwasy karboksylowe

4.6.1. Kwasy alifatyczne nasycone

4.6.2. Kwasy alifatyczne nienasycone

4.6.3. Kwasy aromatyczne

4.7. Pochodne kwasów karboksylowych

 

4.7.1. Estry

4.7.2. Mydła

4.7.3. Fosfolipidy

4.7.4. Laktony

4.7.5. Amidy kwasowe

4.8. Związki wielofunkcyjne

4.8.1. Hydroksykwasy

4.8.2. Aminokwasy i białka

4.8.3. Kwasy aminoowocowe

4.9. Sacharydy

4.9.1. Monosacharydy

4.9.2. Disacharydy

4.9.3. Polisacharydy

4.9.4. Glikozydy

4.10. RNA, DNA, ATP

4.11. Związki krzemoorganiczne

5 Funkcje składników kosmetyków 5.1. Podstawy prawne

5.1.1. Identyfikacja składników zapachowych

5.1.2. Ograniczenia odnoszące się do składników zapachowych

5.1.3. Reprezentatywna lista substancji zapachowych

5.2. Substancje przeciwdrobnoustrojowe

5.2.1. Naturalne substancje przeciwdrobnoustrojowe

5.2.2. Nieorganiczne substancje przeciwdrobnoustrojowe

5.2.3. Organiczne substancje przeciwdrobnoustrojowe

5.3. Substancje barwiące

5.3.1. Substancje brązowiące skórę

5.3.2. Substancje usuwające przebarwienia skóry

5.4. Substancje promieniochronne

5.4.1. Organiczne filtry naturalne

5.4.2. Syntetyczne organiczne filtry UV-A

5.4.3. Syntetyczne organiczne filtry UV-B

5.4.4. Syntetyczne organiczne filtry UV-A+B

5.4.5. Filtry nieorganiczne

5.5. Przeciwutleniacze

5.5.1. Przeciwutleniacze samoistne

5.5.2. Przeciwutleniacze synergistyczne

5.5.3. Przeciwutleniacze kompleksujące

5.5.4. Inhibitory lipooksygenazy

5.6. Substancje powierzchniowo czynne

5.6.1. Mydła

5.6.2. Detergenty

5.6.3. Emulgatory

5.7. Substancje zapachowe

5.7.1. Substancje zapachowe syntetyczne

5.7.2. Substancje zapachowe pochodzenia roślinnego

5.7.3. Substancje zapachowe pochodzenia zwierzęcego

5.7.4. Feromony i atraktanty

5.8. Witaminy

5.8.1. Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach

5.8.2. Witaminy rozpuszczalne w wodzie

5.8.3. Quasi-witaminy

5.9. Surowce naturalne

5.10. Eliksiry młodości

5.11. Immunostymulatory kosmetyczne

5.12. Rośliny amazońskie i andyjskie

5.13. Perspektywy: genomika kosmetyczna

6 Ustawa o kosmetykach

7. Słownik składników kosmetycznych

Przypisy

Przedmowa

Niniejszy podręcznik powstał na podstawie cyklu wykładów z zakresu chemii kosmetycznej dla studentów szkół wyższych o profilu kosmetycznym i kosmetologicznym. Wykłady te mają na celu nie tylko chemiczne wykształcenie wysokiej klasy kosmetyczek, ale również przygotowanie ich do kontynuowania nauki na magisterskich studiach uzupełniających o profilu chemicznym. Dlatego tematyka typowa dla chemii kosmetycznej została wzbogacona o elementy chemii ogólnej z uwzględnieniem chemii fizycznej, niezbędne do uzyskania pełnego wglądu w istotę chemii w ogólności, a chemii kosmetycznej w szczególności. Takie holistyczne podejście umożliwia zrozumienie organizacji materii zarówno na poziomie mikroskopowym (atomowym, cząsteczkowym), jak i makroskopowym (dostępnym naszym zmysłom). Ma również znaczenie dydaktyczne — wszyscy studenci mogą zrozumieć wykładany materiał niezależnie od posiadanej wiedzy wstępnej z zakresu chemii.

Nie wszystko, co służy urodzie, sprzyja zdrowiu. Dermatolodzy oceniają, że 10–20% ludzi cierpi na alergie i inne schorzenia z powodu używania kosmetyków. W ich skład wchodzą substancje, których użycie może być zakazane z powodu działania kancerogennego, toksycznego lub alergizującego. W konsekwencji spektrum substancji o praktycznym znaczeniu kosmetycznym ulega ciągłej zmianie, a każdy podręcznik z zakresu chemii kosmetycznej staje się fragmentarycznie nieaktualny już w trakcie pisania. Z tego względu opis substancji ograniczam przede wszystkim do tych, które były i w najbliższym czasie będą w kosmetyce stosowane, podając jednocześnie informacje o możliwym działaniu szkodliwym.

Finansowanie badań naukowych przez duże koncerny kosmetyczne powoduje znaczną dynamikę odkryć substancji biologicznie czynnych o znaczeniu kosmetycznym — to pozytywny aspekt problemu. Z drugiej strony należy z dużą ostrożnością podchodzić do wyników badań efektywności działania substancji kosmetycznych, przeprowadzanych w laboratoriach koncernów. Czas zwykle weryfikuje skuteczność i spektrum zastosowań nowo odkrytych substancji — tylko nieliczne przechodzą do panteonu kosmetycznego, inne zapadają w kosmetyczny niebyt.

W książce zastosowano dwie komplementarne metody podziału związków chemicznych o znaczeniu kosmetycznym. Pierwsza — opiera się na klasyfikacji chemicznej, w drugiej kryterium podejścia stanowi funkcja substancji w kosmetykach. Podejście to umożliwia opis nawet złożonych związków chemicznych, które zawierają kilka grup funkcyjnych lub mogą pełnić kilka funkcji w kosmetykach.

Załączony „Słownik składników kosmetycznych" sporządzono na podstawie International Cosmetic Ingredients Dictionary. Podane nazwy są zgodne z nomenklaturą INCI (International Nomenclature of Cosmetic Ingredients), stosowaną do oznaczania składników na opakowaniach produktów kosmetycznych. Słownik umożliwia przejście od nazwy INCI substancji do jej charakterystyki chemicznej przez zastosowanie klucza klasyfikacji chemicznej lub funkcyjnej.

Składam serdeczne podziękowania prof. dr. hab. Jerzemu Konarskiemu, prof. dr. hab. Lucjuszowi Zaprutko, prof. dr. hab. Bogumiłowi Bryckiemu, dr. hab. Henrykowi Szymusiakowi, dr. Krystianowi Eitnerowi i dr. Karolowi Kacprzakowi za wartościowe uwagi i sugestie. Dziękuję również żonie Beacie i synowi Julianowi za wyrozumiałość i cierpliwość w czasie trzech lat powstawania niniejszej książki.

Poznań, marzec 2008

Autor

1. Rys historyczny

Nazwa chemia pochodzi od arabskich słów cheme i khem, które oznaczają czary, lub od greckiego słowa chymea — metalurgia. W początkowym etapie rozwijała się w Egipcie (od XXXV w. p.n.e.) i Chinach (od II w. p.n.e.) jako alchemia. Podbijając w VII w. Egipt, Arabowie przejęli rękopisy ocalałe po pożarze Biblioteki Aleksandryjskiej w 47 roku. W ten sposób zgromadzili całą dostępną wiedzę świata starożytnego, która po podboju Hiszpanii w VIII w. rozpowszechniła się w Europie. Za „ojca” alchemii uważany jest Hermes Trismegistos (Trzykroć Wielki), autor pism Corpus Hermetica i Tabula Smaragdina. Najstarszymi ze znanych tekstów chemicznych są dwa zwoje papirusowe znajdujące się w Lejdzie i Sztokholmie — oba powstały w III wieku. Stanowią one w sumie 252 receptury dotyczące wytopu metali, sporządzania barwników oraz otrzymywania imitacji kamieni szlachetnych. Zawarte w nich informacje można traktować jako pierwsze znane chemiczne notatki laboratoryjne.

Do Europy alchemię wprowadził w VIII w. arabski uczony i filozof Geber. Najstarszy europejski dokument alchemiczny zachował się w pochodzącej z XI w. księdze Schedula diversarum partium, napisanej przez kapłana Theophiliusa. Wielu europejskich uczonych średniowiecznych zajmowało się alchemią, np. Albertus Magnus, Roger Bacon, Arnold de Villanova czy też Raymundus Lullus. Ten ostatni pierwszy otrzymał w XIII w. bezwodny alkohol etylowy (100-procentowy), destylując wino z tlenkiem wapnia CaO. Produkt nazwał ultima consolatio corporis humani (największe pocieszenie ciała ludzkiego). Arnold de Villanova nadał alkoholowi etylowemu nazwę aqua vitae (woda życia), zalecając jego stosowanie do przedłużania życia, wzmacniania ciała i przeciwko dżumie. Znanym polskim alchemikiem był Michał Sędziwój (1566–1636) — autor dzieła Dwanaście traktatów o kamieniu filozofów wyprowadzonych ze źródła przyrody, opublikowanego w roku 1604.

Alchemicy zajmowali się poszukiwaniem lub syntezą tzw. kamienia filozoficznego, za pomocą którego usiłowali dokonać transmutacji (przemiany) metali nieszlachetnych w złoto lub srebro. Przy okazji dokonywali wartościowych odkryć i wynalazków, przyczyniając się do rozwoju nauk przyrodniczych: chemii, fizyki i biologii. Niektóre z odkryć dokonanych przez alchemików były przełomowe dla ludzkości (np. odkrycie prochu) i przyczyniły się do rozwoju kultury materialnej i duchowej (np. odkrycie szkła, barwników, porcelany, fajansu, tuszu, atramentu, papieru). Alchemicy wprowadzili metody takie, jak destylacja, cementacja, amalgamowanie, ekstrakcja, kupelacja, rektyfikacja, sublimacja, redukcja, utlenianie. Są one stosowane do dnia dzisiejszego w laboratoriach oraz na skalę przemysłową. W XVII w., wraz z rozwojem nauk przyrodniczych, alchemia metafizyczna upadła, natomiast jej racjonalne elementy zostały włączone do ścisłej nauki — chemii.

 

Słowo kosmetyka pochodzi od greckiego kosmĕtikós, które oznacza biegły w zdobieniu. Jednakże najstarsze przekazy dotyczące chemii kosmetycznej pochodzą ze starożytnego Egiptu, gdzie już 3500 lat p.n.e. produkowano na dużą skalę leki, maści, olejki oraz substancje zapachowe. Panujący w Egipcie suchy i gorący klimat przyspieszał proces starzenia skóry, która traciła swoje funkcje ochronne. Dlatego nacieranie jej tłuszczami stałymi i ciekłymi było nie tylko praktyką kosmetyczną, ale również leczniczą, zapobiegało bowiem infekcjom skórnym. Egipcjanie nie znali procesu destylacji, dlatego podstawą w produkcji substancji wonnych były oleje roślinne aromatyzowane cedrem, cyprysem, cynamonem, kasją i mirrą. Analiza chemiczna egipskiej szminki do oczu wyprodukowanej ok. 2000 lat p.n.e. wykazała obecność minerałów: cerusytu (PbCO3) i bieli ołowianej [2PbCO3 ⋅ Pb(OH)2]. Pełniły one funkcję nieorganicznych filtrów UV, których zadaniem była ochrona wrażliwej skóry okolic oczu przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym. Ponadto sztucznie bielona cera świadczyła o wysokim statusie społecznym użytkownika. Badania archeologiczne wykazały, że biel ołowiana była stosowana w celach zdobniczych już 4000 lat p.n.e. w Mezopotamii. Jako substancję bielącą stosowano również kasyteryt (SnO2), który zidentyfikowano w rozjaśniającym podkładzie kosmetycznym znalezionym w rzymskiej świątyni sprzed 2000 lat w Southwark w południowym Londynie. Godnym uwagi jest fakt, że już 3000 lat p.n.e. mieszkańcy Harrapy (kultura doliny Indusu) stosowali nieznaną w Egipcie destylację substancji lotnych, wykorzystywanych w produkcji wód zapachowych. Badania archeologiczne stanowiska Pyrgos-Mavroraki koło Nikozji wykazały, że ok. 2000 lat p.n.e. produkowano na Cyprze pachnidła na bazie anyżku, bergamotki, cynamonu, liści laurowych, mirtu i żywicy sosnowej.

Początek chemii kosmetycznej lekarskiej w Europie wiąże się z powstaniem w XVI w. jatrochemii (w języku greckim iatrós oznacza lekarz), inaczej zwanej alchemią lekarską. Jatrochemicy zajmowali się przygotowaniem i ordynowaniem substancji chemicznych o właściwościach leczniczych. W leczeniu stosowali silnie działające środki, m.in. rtęć, arsen i antymon. Do głównych przedstawicieli jatrochemii zaliczamy Paracelsusa (1493–1541) i Andreasa Libaviusa (1540–1616). Paracelsus — właściwe nazwisko to Phillipus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim — był profesorem uniwersytetu w Bazylei (1526). Uważał, że głównym celem alchemii jest zwalczanie chorób, wzmacnianie ciała i duszy człowieka oraz przedłużanie życia. Wprowadził wiele nowych lekarstw m.in. opium, rtęć (w leczeniu chorób wenerycznych), sole różnych metali. Drugi ze znanych przedstawicieli jatrochemii — Andreas Libavius — jest autorem znanego dzieła Alchymia wydanego w roku 1597.

Najstarszym kosmetykiem dekoracyjnym jest ochra, zawierająca tlenki żelaza FeO i Fe2O3. Jest to mineralna substancja barwiąca, o kolorze od żółtego do brunatnoczerwonego, którą odkryto w grobach sprzed 100 tys. lat w izraelskiej jaskini Qafzeh. Egipskie przekazy datowane na 3500 lat p.n.e. mówią o zastosowaniu minerału galeny (PbS) do malowania oczu i farbowania włosów. Wyznawcy Horusa już 3500 lat p.n.e. wyrabiali perły ze szkła wapniowo-sodowego, stosowane jako ozdoby. Za dynastii Thinitów (3315–2895 r. p.n.e.) wytapiano jasnoniebieskie szkło, stosowane do produkcji ozdób. Wysoki poziom osiągnęła sztuka barwienia tkanin, szkła, wyrobów glinianych i emalii. Na Krecie już 1600 lat p.n.e. stosowano do barwienia tkanin tzw. „purpurę antyczną” zawierającą 6,6′-dibromoindygo, pozyskiwaną ze skorupek ślimaków Purpura baemostona.

Chemia kosmetyczna pielęgnacyjna i zachowawcza stosowane były w starożytnym Egipcie, gdzie już w 2600 r. p.n.e. otrzymywano blaszki i nici złote o grubości 0,001 mm, stosowane do „odmładzania” ciała. Współczesne badania wykazały, że cienkie złote nici wprowadzone w skórę regenerują ją i stymulują wzrost tkanki łącznej, a efekt „odmłodzenia” utrzymuje się przez okres ok. 10 lat.

Techniki mające na celu podkreślenie i wzmocnienie czynników decydujących o urodzie i elegancji stosowane były przez wszystkie kultury, pod wszystkimi szerokościami geograficznymi, a zadbana skóra, włosy, zęby i paznokcie decydowały i nadal decydują o pięknie ludzkiego ciała.

2. Chemia ogólna

Znajomość chemii kosmetycznej jest równoznaczna z opanowaniem wiedzy dotyczącej właściwości substancji chemicznych, ich formy i sposobu podawania, aktywności biochemicznej (leczniczej, toksycznej), obszaru zastosowań w kosmetyce i kosmetologii oraz zakresu stosowanych stężeń. Jest to zakres wiedzy makrochemicznej. Dogłębne poznanie właściwości substancji wymaga „zejścia” na poziom mikrochemiczny, który obejmuje wewnętrzną budowę atomów i cząsteczek oraz naturę wiązań chemicznych. Badaniem poziomu mikrochemicznego zajmuje się dział chemii teoretycznej, zwany chemią kwantową, który wykorzystuje metody matematyczno-numeryczne w wyjaśnianiu budowy mikroświata (pojedyncze atomy, cząsteczki). Dlaczego należy zastosować w chemii tak specyficzne narzędzia badawcze, jak komputer i matematyka? Otóż poziom mikro jest niedostępny naszym zmysłom, dlatego nie sposób badać metodami eksperymentalnymi pojedyncze atomy lub cząsteczki. Przypomnę, że w 12 gramach węgla izotopu 12C znajduje się 6,023 ⋅ 1023 atomów węgla. Liczba ta zwana liczbą Avogadra jest niewyobrażalnie duża (6 i 23 zera), co oznacza, że atomy węgla (i inne) są niewyobrażalnie małe. W badaniu mikroświata skazani jesteśmy zatem na metody teoretyczne, wsparte obliczeniami matematycznymi i numerycznymi, przy zastosowaniu komputera. W rozdziale 2 zostaną zaprezentowane wyniki badań mikroświata, które umożliwiają zrozumienie budowy i organizacji materii na niewidocznym poziomie mikroskopowym. Ponadto omówione zostaną podstawy chemii fizycznej, niezbędne do sklasyfikowania układów fazowych i zrozumienia zjawisk istotnych dla kosmetyki i kosmetologii.

2.1. Atomowa teoria budowy materii

Materia we Wszechświecie składa się z masy i energii powiązanych słynną relacją Einsteina E = mc2, w której c oznacza prędkość światła w próżni. Znane formy energii to: cieplna, mechaniczna, potencjalna, chemiczna, świetlna. W reakcjach chemicznych suma masy i energii układu zamkniętego jest stała i nie zależy od zmian w nim zachodzących — jest to prawo zachowania materii. Spalając świecę umieszczoną w zamkniętym cylindrze postawionym na szalce wagi, stwierdzamy, że całkowita masa układu nie ulega zmianie, pomimo że świeca ulega spaleniu, a tlen w cylindrze przemianie w ditlenek węgla. Podczas wybuchu bomby atomowej zawierającej 1 kg uranu wyzwalana jest energia 8,23 ⋅ 1013 J, co odpowiada przemianie 0,915 g uranu w energię.

Materia we Wszechświecie zorganizowana jest na poziomie kosmicznym (1026 m), makroskopowym (1 m), mikroskopowym (10−9 m) i submikroskopowym (10−35 m). Dla opisu chemicznego istotnymi będą poziomy: makro — dostępny naszym zmysłom, oraz mikro (atomowy, cząsteczkowy) — niedostępny naszym zmysłom.

Wszystkie obserwowalne makroobiekty posiadające masę zbudowane są z atomów. Zgodnie z atomistyczną teorią budowy materii Demokryta (V w. p.n.e.) i Daltona (1805 r.), uogólnioną w latach późniejszych:

 atomy zachowują swoją indywidualność w reakcjach chemicznych (nie należą do nich przemiany jądrowe);

 wszystkie atomy jednej odmiany izotopowej pierwiastka są jednakowe i mają taką samą masę — od atomów innych pierwiastków różnią się tylko masą i właściwościami;

 chemiczne łączenie pierwiastków polega na łączeniu się ich atomów.