Kabinet chemických kuriozít - 2. časť

V minulom čísle rubriky chémia bolo predstavených niekoľko zlúčenín z chemickej freak show (podľa názvu série sa o nich v škole určite neučíte). Ide o celkom úctyhodné „osoby“, ktoré napriek svojmu nezvyčajnému vzhľadu získali Nobelovu cenu a ich vlastnosti v mnohých oblastiach možno len ťažko preceňovať. V tomto článku je čas zoznámiť sa s ďalšími originálnymi postavami z oblasti chémie, nemenej zaujímavými ako korunové étery a ich deriváty.

chemické stromy

Podandy, zlúčeniny s dlhými reťazcami pripojenými k centrálnej časti molekuly, dali vzniknúť novej triede látok (viac o „chemických chobotniciach“ v článku z minulého mesiaca). Chemici sa rozhodli zvýšiť počet „chápadiel“. Aby sa to dosiahlo, ku každému z ramien končiacich skupinou atómov schopných reakcie bola pridaná ďalšia molekula končiaca v zodpovedajúcich skupinách (dve alebo viac; ide o to, aby sa zvýšil počet miest, ktoré by mohli byť kombinované s inými časticami). ). Reagovalo s ním viac molekúl, potom viac a tak ďalej. Nárast veľkosti celého systému je znázornený na obrázku:

Chemici spojili nové zlúčeniny s rastúcimi vetvami stromov, preto názov dendrimeria (z gréckeho dendron = strom, meros = časť). Spočiatku súperilo s výrazmi „arborole“ (to je latinčina, kde arbor znamená aj strom) alebo „kaskádovité častice“. Hoci autor vyzerá skôr ako zamotané chápadlá medúz či neaktívnych sasaniek, objavitelia majú, samozrejme, právo na mená. Asociácia dendrimérov s fraktálnymi štruktúrami je tiež dôležitým pozorovaním.

1. Model jedného z pôvodných dendrimérov

štádium rastu vetvy

Dendriméry nemôžu rásť donekonečna (1). Počet vetiev rastie exponenciálne a po niekoľkých až desiatich fázach prichytenia nových molekúl na povrchu guľovej hmoty končí voľný priestor (celok dosahuje nanometrové rozmery, nanometer je miliardtina metra). Na druhej strane, možnosti manipulácie s vlastnosťami dendriméru sú takmer neobmedzené. Fragmenty prítomné na povrchu môžu byť hydrofilné ("milujúce vodu", t. j. majúce afinitu k vode a polárnym rozpúšťadlám) alebo hydrofóbne ("vyhýbajúce sa vode", ale náchylné na kontakt s nepolárnymi kvapalinami, napríklad väčšinou organických). rozpúšťadlá). rozpúšťadlá). Podobne môže byť vnútro molekuly buď polárne alebo nepolárne. Pod povrchom dendriméru sú medzi jednotlivými vetvami voľné priestory, do ktorých je možné zavádzať vybrané látky (v štádiu syntézy alebo neskôr sa môžu naviazať aj na povrchové skupiny). Preto si medzi chemickými stromami každý nájde niečo vhodné pre svoje potreby. A vy, čitatelia, skôr ako dočítate tento článok do konca, zamyslite sa nad tým, na čo môžete použiť molekuly, ktoré budú podľa svojej štruktúry „pohodlné“ v akomkoľvek prostredí a aké ďalšie látky môžu obsahovať?

Samozrejme ako kontajnery na prepravu vybraných zlúčenín a ochranu ich obsahu. (2). Toto sú hlavné aplikácie dendrimérov. Hoci väčšina z nich je ešte len v štádiu výskumu, niektoré sa už aplikujú v praxi. Dendriméry sú vynikajúce na transport liečiv vo vodnom prostredí tela. Niektoré lieky je potrebné špeciálne upraviť, aby sa rozpustili v telesných tekutinách – použitím dopravníkov sa týmto premenám vyhnete (môžu nepriaznivo ovplyvniť účinnosť lieku). Okrem toho sa účinná látka z kapsuly pomaly uvoľňuje, čo znamená, že dávky sa môžu znižovať a užívať menej často. Prichytenie rôznych molekúl na povrch dendriméru vedie k tomu, že ich rozpoznávajú iba bunky jednotlivých orgánov. To zase umožňuje prepravu lieku priamo na miesto určenia, bez toho, aby bolo celé telo vystavené zbytočným vedľajším účinkom, napríklad pri protirakovinovej terapii.

2. Model dendriméru obsahujúceho inú molekulu

(hore)

Kozmetika je vytvorená na báze vody aj tukov. Často je však účinná látka rozpustná v tukoch a kozmetický výrobok je vo forme vodného roztoku (a naopak: vo vode rozpustná látka sa musí zmiešať s tukovým základom). Prídavok emulgátorov (umožňujúci vytvorenie stabilného vodného a tukového roztoku) nefunguje vždy priaznivo. Kozmetické laboratóriá sa preto snažia využiť potenciál dendrimérov ako dopravníkov, ktoré sa dajú ľahko prispôsobiť potrebám. Chemický priemysel na ochranu plodín čelí podobným problémom. Opäť je často potrebné zmiešať nepolárny pesticíd s vodou. Dendriméry uľahčujú spojenie a navyše postupným uvoľňovaním patogénu zvnútra znižujú množstvo toxických látok. Ďalšou aplikáciou je spracovanie kovových nanočastíc striebra, o ktorých je známe, že ničia mikróby. Prebieha aj výskum využitia dendrimérov na transport antigénov vo vakcínach a fragmentov DNA v genetických štúdiách. Možností je viac, len treba zapojiť fantáziu.

Vedrá

Glukóza je najrozšírenejšia organická zlúčenina v živom svete. Odhaduje sa, že ročne sa ho vyprodukuje v množstve 100 miliárd ton! Organizmy využívajú hlavný produkt fotosyntézy rôznymi spôsobmi. Glukóza je zdrojom energie v bunkách, slúži ako rezervná látka (rastlinný škrob a živočíšny glykogén) a stavebná látka (celulóza). Na prelome XNUMX. a XNUMX. storočia boli identifikované produkty čiastočného rozkladu škrobu pôsobením bakteriálnych enzýmov (skrátene KD). Ako už názov napovedá, ide o cyklické alebo kruhové zlúčeniny:

Pozostávajú zo šiestich (variant a-CD), siedmich (b-CD) alebo ôsmich (g-CD) molekúl glukózy, hoci sú známe aj väčšie kruhy. (3). Prečo sú však produkty látkovej výmeny niektorých baktérií také zaujímavé, že dostanú priestor v „Mladej technickej škole“?

3. Modely cyklodextrínov. Zľava doprava: a - KD, b - KD, g - KD.

Po prvé, cyklodextríny sú vo vode rozpustné zlúčeniny, čo by nemalo byť prekvapujúce - sú relatívne malé a pozostávajú z vysoko rozpustnej glukózy (škrob tvorí príliš veľké častice na vytvorenie roztoku, ale môže byť suspendovaný). Po druhé, početné OH skupiny a atómy kyslíka glukózy sú schopné viazať iné molekuly. Po tretie, cyklodextríny sa získavajú jednoduchým biotechnologickým procesom z lacného a dostupného škrobu (v súčasnosti v množstve tisícok ton ročne). Po štvrté, zostávajú úplne netoxickými látkami. A nakoniec, najoriginálnejšia je ich forma (ktorú by ste mali navrhnúť vy, Čitateľ, pri použití týchto zlúčenín): Bezodné vedro, t.j. cyklodextríny sú vhodné na prenášanie iných látok (molekula, ktorá prešla väčším otvorom, nevypadne). nádoba na dne a navyše je viazaná medziatómovými silami). Pre svoju zdravotnú nezávadnosť ich možno použiť ako prísadu do liekov a potravín.

Avšak prvým použitím cyklodextrínov, objaveným krátko po opise, bola katalytická aktivita. Náhodou sa ukázalo, že niektoré reakcie s ich účasťou prebiehajú úplne inak ako pri absencii týchto zlúčenín v prostredí. Dôvodom je, že molekula substrátu ("hosť") sa dostane do vedra ("hostiteľ") (4, 5). Preto je časť molekuly pre činidlá neprístupná a transformácia môže nastať iba na tých miestach, ktoré vyčnievajú. Mechanizmus účinku je podobný pôsobeniu mnohých enzýmov, ktoré tiež „maskujú“ časti molekúl.

4. Model molekuly cyklodextrínu obsahujúcej inú molekulu.

5. Ďalší pohľad na ten istý komplex

Aké molekuly môžu byť uložené vo vnútri cyklodextrínov? Takmer všetko, čo sa zmestí dovnútra – zhoda veľkosti hosťa a hostiteľa je rozhodujúca (ako pri korónových éteroch a ich derivátoch; pozri článok z minulého mesiaca) (6). Táto vlastnosť cyklodextrínov

6. Cyklodextrín navlečený na inom reťazci

molekúl, t.j. rotaxánu (podrobnejšie: v čísle

január)

sú užitočné na selektívne zachytávanie zlúčenín z prostredia. Látky sa teda po reakcii (napríklad pri výrobe liečiv) čistia a oddeľujú zo zmesi.

Iné využitie? V cykle by bolo možné uviesť úryvky z predchádzajúceho článku (modely enzýmov a transportérov, nielen iónových - cyklodextríny transportujú rôzne látky) a úryvok popisujúci dendriméry (prepravujúce účinné látky v liekoch, kozmetike a prípravkoch na ochranu rastlín). Výhody balenia cyklodextrínu sú tiež podobné – všetko sa rozpúšťa vo vode (na rozdiel od väčšiny liekov, kozmetiky a pesticídov), účinná látka sa uvoľňuje postupne a dlhšie vydrží (čo umožňuje menšie dávky) a použitý obal je biologicky rozložiteľný (mikroorganizmy sa rýchlo rozkladajú ). prírodný produkt, metabolizuje sa aj v ľudskom tele). Obsah balenia je chránený aj pred okolím (znížený prístup k uloženej molekule). Prípravky na ochranu rastlín umiestnené v cyklodextrínoch majú formu, ktorá je vhodná na použitie. Je to biely prášok, podobný zemiakovej múke, ktorý sa pred použitím rozpustí vo vode. Preto nie je potrebné používať nebezpečné a horľavé organické rozpúšťadlá.

Pri listovaní v zozname použitia cyklodextrínu v ňom nájdeme niekoľko ďalších „príchutí“ a „vôní“. Zatiaľ čo to prvé je bežne používanou metaforou, to druhé vás možno prekvapí. Chemické vedrá však slúžia na odstránenie nepríjemných pachov a na uchovávanie a uvoľňovanie želaných aróm. Osviežovače vzduchu, pohlcovače pachov, parfumy a voňavé papieriky sú len niekoľkými príkladmi použitia cyklodextrínových komplexov. Zaujímavosťou je, že do pracích práškov sa pridávajú aromatické zlúčeniny balené v cyklodextrínoch. Počas žehlenia a nosenia sa vôňa postupne odbúrava a uvoľňuje.

Čas vyskúšať. "Najlepšie lieči horký liek," ale chutí hrozne. Ak sa však podáva vo forme komplexu s cyklodextrínom, nedôjde k nepríjemným pocitom (látka je izolovaná z chuťových pohárikov). Horkosť grapefruitovej šťavy sa odstraňuje aj pomocou cyklodextrínov. Výťažky z cesnaku a iných korenín sú vo forme komplexov oveľa stabilnejšie ako vo voľnej forme. Podobne balené príchute zvýrazňujú chuť kávy a čaju. V prospech cyklodextrínov navyše hovorí pozorovanie ich anticholesterolovej aktivity. Častice „zlého“ cholesterolu sa viažu vo vnútri chemického vedra a v tejto forme sa vylučujú z tela. Takže aj cyklodextríny, produkty prírodného pôvodu, sú zdravie samotné.