Kabinet kemijskih zanimivosti - 2. del

V prejšnji številki rubrike o kemiji je bilo predstavljenih več spojin iz chemical freak showa (sodeč po imenu serije, o njih v šoli zagotovo ne boste izvedeli). Gre za precej ugledne "osebe", ki so kljub nenavadnemu videzu prejele Nobelovo nagrado, njihove lastnosti na številnih področjih pa je težko preceniti. V tem članku je čas, da se seznanite z naslednjimi izvirnimi liki s področja kemije, ki niso nič manj zanimivi kot kronski etri in njihovi derivati.

kemična drevesa

Podandi, spojine z dolgimi verigami, pritrjenimi na osrednji del molekule, so povzročile nov razred snovi (več o "kemičnih hobotnicah" v članku iz prejšnjega meseca). Kemiki so se odločili povečati število "pipk". Da bi to naredili, je bila vsakemu kraku, ki se konča s skupino atomov, ki je sposobna reagirati, dodana še ena molekula, ki se konča v ustreznih skupinah (dveh ali več; bistvo je povečati število mest, ki bi jih lahko kombinirali z drugimi delci ). Z njim je reagiralo več molekul, nato več itd. Povečanje velikosti celotnega sistema je prikazano na diagramu:

Kemiki so nove spojine povezali z rastočimi vejami dreves, od tod tudi ime dendrimeria (iz grškega dendron = drevo, meros = del). Sprva je tekmoval z izrazoma "arborole" (to je latinščina, kjer arbor pomeni tudi drevo) ali "kaskadni delci". Čeprav je avtor bolj podoben prepletenim lovkam meduz ali neaktivnih vetrnic, imajo odkritelji seveda pravico do imen. Pomembna ugotovitev je tudi povezava dendrimerov s fraktalnimi strukturami.

1. Model enega od originalnih dendrimerjev

stopnja rasti veje

Dendrimeri ne morejo rasti v nedogled (1). Število vej eksponentno narašča in po nekaj do desetih stopnjah pritrjevanja novih molekul na površino sferične mase se prosti prostor konča (celota doseže nanometrske dimenzije; nanometer je milijardka metra). Po drugi strani pa so možnosti manipulacije z lastnostmi dendrimera skoraj neomejene. Fragmenti, prisotni na površini, so lahko hidrofilni (»ljubi vodo«, tj. imajo afiniteto do vode in polarnih topil) ali hidrofobni (»izogibajo se vodi«, vendar so nagnjeni k stiku z nepolarnimi tekočinami, kot je večina organskih topil). ) . topila). Podobno je lahko notranjost molekule polarne ali nepolarne narave. Pod površino dendrimerja so med posameznimi vejami prosti prostori, v katere lahko vnašamo izbrane snovi (v fazi sinteze ali kasneje se lahko tudi pritrdijo na površinske skupine). Zato bo med kemičnimi drevesi vsak našel nekaj primernega za svoje potrebe. In vi, bralec, preden preberete ta članek do konca, pomislite, za kaj lahko uporabite molekule, ki bodo po svoji strukturi "udobne" v katerem koli okolju in katere druge snovi lahko vsebujejo?

Seveda kot zabojniki za transport izbranih spojin in varovanje njihove vsebine. (2). To so glavne uporabe dendrimerov. Čeprav je večina še v fazi raziskovanja, se nekateri že uporabljajo v praksi. Dendrimeri so odlični za transport zdravil v vodnem okolju telesa. Nekatera zdravila je treba posebej spremeniti, da se raztopijo v telesnih tekočinah - uporaba transporterjev se bo izognila tem preobrazbam (lahko negativno vplivajo na učinkovitost zdravila). Poleg tega se učinkovina počasi sprošča iz kapsule, kar pomeni, da je mogoče odmerke zmanjšati in jemati manj pogosto. Pritrditev različnih molekul na površino dendrimera vodi v dejstvo, da jih prepoznajo le celice posameznih organov. To pa omogoča, da se zdravilo transportira neposredno do cilja, ne da bi bilo celotno telo izpostavljeno nepotrebnim stranskim učinkom, na primer pri terapiji proti raku.

2. Model dendrimera, ki vsebuje drugo molekulo

(zgoraj)

Kozmetika je ustvarjena tako na osnovi vode kot maščob. Pogosto pa je aktivna snov topna v maščobi, kozmetični izdelek pa je v obliki vodne raztopine (in obratno: vodotopno snov je treba mešati z maščobno osnovo). Dodatek emulgatorjev (ki omogoča tvorbo stabilne raztopine vode in maščobe) ne deluje vedno ugodno. Zato kozmetični laboratoriji poskušajo izkoristiti potencial dendrimerjev kot transporterjev, ki jih je mogoče enostavno prilagoditi potrebam. S podobnimi težavami se sooča industrija kemikalij za zaščito rastlin. Ponovno je pogosto treba mešati nepolarni pesticid z vodo. Dendrimeri olajšajo povezavo in poleg tega postopoma sproščajo patogen od znotraj, zmanjšajo količino strupenih snovi. Druga aplikacija je obdelava kovinskih srebrovih nanodelcev, za katere je znano, da uničujejo mikrobe. Potekajo tudi raziskave o uporabi dendrimerov za transport antigenov v cepivih in fragmentov DNK v genetskih študijah. Možnosti je več, le uporabiti morate svojo domišljijo.

Vedra

Glukoza je najbolj razširjena organska spojina v živem svetu. Ocenjuje se, da se letno proizvede v količini 100 milijard ton! Organizmi uporabljajo glavni produkt fotosinteze na različne načine. Glukoza je vir energije v celicah, služi kot rezervni material (rastlinski škrob in živalski glikogen) in gradbeni material (celuloza). Na prelomu iz devetnajstega v dvajseto stoletje so bili identificirani produkti delne razgradnje škroba z delovanjem bakterijskih encimov (skrajšano KD). Kot že ime pove, so to ciklične ali obročaste spojine:

Sestavljeni so iz šestih (varianta a-CD), sedmih (b-CD) ali osmih (g-CD) molekul glukoze, čeprav so znani tudi večji obroči. (3). Zakaj pa so presnovni produkti nekaterih bakterij tako zanimivi, da jim dajo mesto v »Mladi tehniški šoli«?

3. Modeli ciklodekstrinov. Od leve proti desni: a - KD, b - KD, g - KD.

Prvič, ciklodekstrini so vodotopne spojine, kar ne bi smelo biti presenečenje - so relativno majhni in sestavljeni iz visoko topne glukoze (škrob tvori prevelike delce, da bi tvoril raztopino, vendar se lahko suspendira). Drugič, številne OH skupine in atomi kisika glukoze lahko vežejo druge molekule. Tretjič, ciklodekstrine pridobivamo s preprostim biotehnološkim postopkom iz poceni in dostopnega škroba (trenutno v količini tisoč ton letno). Četrtič, ostajajo popolnoma nestrupene snovi. In končno, najbolj izvirna je njihova oblika (ki bi jo morali vi, Bralec, predlagati pri uporabi teh spojin): Vedro brez dna, tj. ciklodekstrini so primerni za prenašanje drugih snovi (molekula, ki je šla skozi večjo luknjo, ne bo izpadla). vsebnik na dnu, poleg tega pa je vezan z medatomskimi silami). Zaradi neškodljivosti za zdravje jih lahko uporabljamo kot sestavino zdravil in živil.

Vendar pa je bila prva uporaba ciklodekstrinov, odkrita kmalu po opisu, katalitična aktivnost. Po naključju se je izkazalo, da nekatere reakcije z njihovo udeležbo potekajo na povsem drugačen način kot v odsotnosti teh spojin v okolju. Razlog je v tem, da molekula substrata ("gost") pride v vedro ("gostitelj") (4, 5). Zato je del molekule nedostopen za reagente, transformacija pa se lahko zgodi le na tistih mestih, ki štrlijo zunaj. Mehanizem delovanja je podoben delovanju številnih encimov, ki tudi "zamaskirajo" dele molekul.

4. Model molekule ciklodekstrina, ki vsebuje drugo molekulo.

5. Še en pogled na isti kompleks

Katere molekule se lahko shranijo v ciklodekstrinih? Skoraj vse, kar se prilega notri - ujemanje velikosti gosta in gostitelja je ključnega pomena (kot pri koronskih etrih in njihovih derivatih; glej članek iz prejšnjega meseca) (6). Ta lastnost ciklodekstrinov

6. Ciklodekstrin nanizan na drugo verigo

molekule, torej rotaksan (več podrobnosti: v št

januar)

jih naredi uporabne za selektivno zajemanje spojin iz okolja. Na ta način se snovi po reakciji (na primer pri izdelavi zdravil) očistijo in ločijo od zmesi.

Druga uporaba? V ciklu bi bilo možno navesti odlomke iz prejšnjega članka (modeli encimov in prenašalcev, ne samo ionskih – ciklodekstrini prenašajo različne snovi) in odlomek, ki opisuje dendrimerje (prenašalci učinkovin v zdravilih, kozmetiki in fitofarmacevtskih sredstvih). Tudi prednosti embalaže ciklodekstrina so podobne – vse se raztopi v vodi (za razliko od večine zdravil, kozmetike in pesticidov), učinkovina se sprošča postopoma in traja dlje časa (kar omogoča manjše odmerke), uporabljena embalaža pa je biološko razgradljiva (mikroorganizmi se hitro razgradijo). ). naravni proizvod, presnavlja se tudi v človeškem telesu). Vsebina embalaže je tudi zaščitena pred okoljem (zmanjšan dostop do shranjene molekule). Fitofarmacevtska sredstva v ciklodekstrinih imajo obliko, ki je primerna za uporabo. Gre za bel prah, podoben krompirjevi moki, ki ga pred uporabo raztopimo v vodi. Zato ni potrebe po uporabi nevarnih in vnetljivih organskih topil.

Ko brskamo po seznamu uporab ciklodekstrina, lahko v njem najdemo še nekaj drugih »okusov« in »vonj«. Medtem ko je prva pogosto uporabljena metafora, vas lahko druga preseneti. Vendar pa kemična vedra služijo za odstranjevanje slabih vonjav ter shranjevanje in sproščanje želenih arom. Osvežilci zraka, absorberji vonjav, parfumi in dišeči papirji so le nekateri primeri uporabe kompleksov ciklodekstrina. Zanimivo dejstvo je, da se aromatične spojine, pakirane v ciklodekstrine, dodajajo pralnim praškom. Med likanjem in nošenjem se dišava postopoma razgradi in sprosti.

Čas je za poskus. "Najboljše zdravi grenko zdravilo," a je groznega okusa. Če pa ga dajemo v obliki kompleksa s ciklodekstrinom, ne bo neprijetnih občutkov (snov je izolirana iz brbončic). Grenkobo grenivkinega soka odstranimo tudi s pomočjo ciklodekstrinov. Ekstrakti česna in drugih začimb so veliko bolj stabilni v obliki kompleksov kot v prosti obliki. Podobno pakirani okusi izboljšajo okus kave in čaja. Poleg tega opazovanje njihove antiholesterolne aktivnosti govori v prid ciklodekstrinom. Delci "slabega" holesterola se vežejo znotraj kemičnega vedra in se v tej obliki izločijo iz telesa. Tako so ciklodekstrini, izdelki naravnega izvora, tudi samo zdravje.