Cabinet of Chemical Curiosities - Del 2

I forrige utgave av kjemidelen ble flere forbindelser fra det kjemiske freakshowet presentert (ut fra navnet på serien vil du definitivt ikke lære om dem på skolen). Dette er ganske respektable «personer» som til tross for sitt uvanlige utseende ble tildelt Nobelprisen, og deres eiendommer på en rekke områder kan vanskelig overvurderes. I denne artikkelen er det på tide å bli kjent med de neste originale karakterene fra kjemiens rike, ikke mindre interessante enn kronetere og deres derivater.

kjemiske trær

Podands, forbindelser med lange kjeder festet til den sentrale delen av molekylet, har gitt opphav til en ny klasse av stoffer (mer om «kjemiske blekkspruter» i forrige måneds artikkel). Kjemikere bestemte seg for å øke antallet "tentakler". For å gjøre dette, til hver av armene som ender i en gruppe atomer som er i stand til å reagere, ble et annet molekyl lagt til, som ender i de tilsvarende gruppene (to eller flere; poenget er å øke antallet steder som kan kombineres med andre partikler ). Flere molekyler reagerte med det, så flere, og så videre. Økningen i størrelsen på hele systemet er illustrert av diagrammet:

Kjemikere har knyttet de nye forbindelsene til de voksende grenene av trær, derav navnet dendrimeria (fra det greske dendron = tre, meros = del). I utgangspunktet konkurrerte den med begrepene «arborole» (dette er latin, der arbor også betyr tre) eller «cascading partikler». Selv om forfatteren ser mer ut som de sammenfiltrede tentaklene til maneter eller inaktive anemoner, har oppdagerne selvfølgelig rett til navn. Assosiasjonen av dendrimerer med fraktale strukturer er også en viktig observasjon.

1. Modell av en av de originale dendrimerene

grenens vekststadium

Dendrimerer kan ikke vokse i det uendelige (1). Antallet grener vokser eksponentielt, og etter noen til ti stadier med festing av nye molekyler på overflaten av en sfærisk masse, slutter ledig plass (hele når nanometerdimensjoner; en nanometer er en milliarddels meter). På den annen side er mulighetene for å manipulere egenskapene til dendrimeren nesten ubegrensede. Delene som er tilstede på overflaten kan være hydrofile ("vannelskende", dvs. ha affinitet for vann og polare løsningsmidler) eller hydrofobe ("unngå vann", men utsatt for kontakt med ikke-polare væsker, f.eks. de fleste organiske løsningsmidler). løsemidler). På samme måte kan det indre av et molekyl være polar eller ikke-polar i naturen. Under overflaten av dendrimeren, mellom de enkelte grenene, er det ledige rom der utvalgte stoffer kan introduseres (på syntesestadiet eller senere kan de også festes til overflategrupper). Derfor, blant kjemiske trær, vil alle finne noe som passer for deres behov. Og du, leseren, før du leser denne artikkelen til slutten, tenk på hva du kan bruke molekyler som ved sin struktur vil være "komfortable" i ethvert miljø, og hvilke andre stoffer kan inneholde?

Selvfølgelig som beholdere for transport av utvalgte forbindelser og beskyttelse av innholdet. (2). Dette er de viktigste bruksområdene for dendrimerer. Selv om de fleste fortsatt er på forskningsstadiet, er noen av dem allerede i bruk i praksis. Dendrimerer egner seg utmerket til å transportere medikamenter i kroppens vannmiljø. Noen medisiner må modifiseres spesielt for å oppløses i kroppsvæsker - bruk av transportbånd vil unngå disse transformasjonene (de kan påvirke effektiviteten til stoffet negativt). I tillegg frigjøres det aktive stoffet sakte fra kapselen, noe som betyr at doser kan reduseres og tas sjeldnere. Festingen av forskjellige molekyler til overflaten av dendrimeren fører til det faktum at de bare gjenkjennes av celler i individuelle organer. Dette gjør i sin tur at stoffet kan transporteres direkte til bestemmelsesstedet, uten å utsette hele kroppen for unødvendige bivirkninger, for eksempel i anti-kreftbehandling.

2. Modell av en dendrimer som inneholder et annet molekyl

(topp)

Kosmetikk er laget på grunnlag av både vann og fett. Men ofte er det aktive stoffet fettløselig, og det kosmetiske produktet er i form av en vandig løsning (og omvendt: det vannløselige stoffet må blandes med fettbasen). Tilsetning av emulgatorer (som tillater dannelse av en stabil vann-fettløsning) fungerer ikke alltid gunstig. Derfor prøver kosmetikklaboratorier å bruke potensialet til dendrimerer som transportører som enkelt kan tilpasses behov. Kjemikalieindustrien for plantevern har lignende problemer. Igjen er det ofte nødvendig å blande det ikke-polare plantevernmiddelet med vann. Dendrimerer letter forbindelsen og i tillegg frigjør patogenet gradvis fra innsiden, reduserer mengden giftige stoffer. En annen applikasjon er behandling av metalliske sølvnanopartikler, som er kjent for å ødelegge mikrober. Det pågår også forskning på bruk av dendrimerer for å transportere antigener i vaksiner og DNA-fragmenter i genetiske studier. Det er flere muligheter, du trenger bare å bruke fantasien.

Skuffer

Glukose er den mest tallrike organiske forbindelsen i den levende verden. Det er anslått at det produseres årlig i mengden av 100 milliarder tonn! Organismer bruker hovedproduktet av fotosyntesen på forskjellige måter. Glukose er en energikilde i cellene, fungerer som reservemateriale (vegetabilsk stivelse og animalsk glykogen) og byggemateriale (cellulose). Ved begynnelsen av det nittende og tjuende århundre ble produkter av delvis nedbrytning av stivelse ved virkningen av bakterielle enzymer (forkortet KD) identifisert. Som navnet antyder, er disse sykliske eller ringforbindelser:

De består av seks (variant a-CD), syv (b-CD) eller åtte (g-CD) glukosemolekyler, selv om større ringer også er kjent. (3). Men hvorfor er stoffskifteproduktene til enkelte bakterier så interessante at de får plass på «Ung teknisk skole»?

3. Modeller av cyklodekstriner. Fra venstre til høyre: a - KD, b - KD, g - KD.

For det første er cyklodekstriner vannløselige forbindelser, noe som ikke burde komme som en overraskelse – de er relativt små og består av svært løselig glukose (stivelse danner for store partikler til å danne en løsning, men kan suspenderes). For det andre er mange OH-grupper og glukose oksygenatomer i stand til å binde andre molekyler. For det tredje oppnås cyklodekstriner ved en enkel bioteknologisk prosess fra billig og tilgjengelig stivelse (for tiden i en mengde på tusenvis av tonn per år). For det fjerde forblir de helt giftfrie stoffer. Og til slutt, den mest originale er formen deres (som du, leseren, bør foreslå når du bruker disse forbindelsene): En bunnløs bøtte, dvs. cyklodekstriner er egnet for å frakte andre stoffer (et molekyl som har gått gjennom et større hull vil ikke falle ut). beholder i bunnen, og dessuten er den bundet av interatomiske krefter). På grunn av deres helseskadelighet kan de brukes som ingrediens i medisiner og matvarer.

Imidlertid var den første bruken av cyklodekstriner, oppdaget kort tid etter beskrivelsen, katalytisk aktivitet. Det viste seg ved en tilfeldighet at noen reaksjoner med deres deltakelse forløp på en helt annen måte enn i fravær av disse forbindelsene i miljøet. Årsaken er at substratmolekylet ("gjest") kommer inn i bøtta ("vert") (4, 5). Derfor er en del av molekylet utilgjengelig for reagensene, og transformasjonen kan bare skje på de stedene som stikker ut. Virkningsmekanismen ligner på virkningen til mange enzymer, som også «maskerer» deler av molekylene.

4. Modell av et cyklodekstrinmolekyl som inneholder et annet molekyl.

5. En annen titt på det samme komplekset

Hvilke molekyler kan lagres inne i cyklodekstriner? Stort sett alt som vil passe inn - samsvar mellom gjest og vertsstørrelse er avgjørende (som med koronaetere og deres derivater; se forrige måneds artikkel) (6). Denne egenskapen til cyklodekstriner

6. Cyclodextrin spent på en annen kjede

molekyler, det vil si rotaksan (flere detaljer: i utgaven

Januar)

gjør dem nyttige for selektivt å fange opp forbindelser fra miljøet. Dermed blir stoffer renset og separert fra blandingen etter reaksjonen (for eksempel ved fremstilling av legemidler).

Annen bruk? Det vil være mulig å sitere utdrag fra forrige artikkel i syklusen (modeller av enzymer og transportører, ikke bare ioniske - cyklodekstriner transporterer ulike stoffer) og et utdrag som beskriver dendrimerer (transport av aktive stoffer i medisiner, kosmetikk og plantevernmidler). Fordelene med cyklodekstrinemballasje er også like - alt løses opp i vann (i motsetning til de fleste legemidler, kosmetikk og plantevernmidler), den aktive ingrediensen frigjøres gradvis og varer lenger (som gir mulighet for mindre doser), og den brukte beholderen er biologisk nedbrytbar (mikroorganismer brytes raskt ned ). naturlig produkt, det metaboliseres også i menneskekroppen). Innholdet i pakken er også beskyttet mot miljøet (redusert tilgang til det lagrede molekylet). Plantevernmidler plassert i cyklodekstriner har en form som er praktisk å bruke. Det er et hvitt pulver, som ligner på potetmel, som løses opp i vann før bruk. Derfor er det ikke nødvendig å bruke farlige og brennbare organiske løsemidler.

Når vi blar gjennom listen over bruksområder for cyklodekstrin, kan vi finne flere andre "smaker" og "lukter" i den. Mens førstnevnte er en vanlig metafor, kan sistnevnte overraske deg. Imidlertid tjener kjemiske bøtter til å fjerne dårlig lukt og til å lagre og frigjøre ønskede aromaer. Luftfriskere, luktabsorberende midler, parfymer og duftpapir er bare noen få eksempler på bruk av cyklodekstrinkomplekser. Et interessant faktum er at smaksstoffer pakket i cyklodekstriner tilsettes vaskepulver. Under stryking og bruk brytes duften gradvis ned og frigjøres.

På tide å prøve. «En bitter medisin kurerer best», men den smaker forferdelig. Imidlertid, hvis det administreres i form av et kompleks med cyklodekstrin, vil det ikke være noen ubehagelige opplevelser (stoffet er isolert fra smaksløkene). Bitterheten til grapefruktjuice fjernes også ved hjelp av cyklodekstriner. Ekstrakter av hvitløk og andre krydder er mye mer stabile i form av komplekser enn i fri form. Tilsvarende pakkede smaker forsterker smaken av kaffe og te. I tillegg taler observasjonen av deres antikolesterolaktivitet til fordel for cyklodekstriner. Partikler av "dårlig" kolesterol binder seg inne i kjemikaliebøtta og skilles ut fra kroppen i denne formen. Så cyklodekstriner, produkter av naturlig opprinnelse, er også helse i seg selv.