Cabinet of Chemical Curiosities - Del 2

Förra avsnittet av kemisektionen innehöll flera föreningar från en kemisk freakshow (av seriens titel att döma kommer du definitivt inte att lära dig om dem i skolan). Det är ganska respektabla ”personer” som trots sitt ovanliga utseende belönades med Nobelpriset och deras egenskaper på en rad områden kan knappast överskattas. I den här artikeln är det dags att bekanta sig med nästa ursprungliga karaktärer från kemins rike, inte mindre intressanta än kronetrar och deras derivat.

Kemiska träd

Podander, föreningar med långa kedjor fästa vid den centrala delen av molekylen, har gett upphov till en ny klass av ämnen (mer om "kemiska bläckfiskar" i förra månadens artikel). Kemister beslutade att öka antalet "tentakler". För att göra detta, till var och en av armarna som slutar i en grupp av atomer som kan reagera, sattes en annan molekyl, som slutar i motsvarande grupper (två eller fler; poängen är att öka antalet sektioner som kan ansluta till andra partiklar) . Fler molekyler reagerade med det, sedan fler, och så vidare. Ökningen av storleken på hela systemet illustreras av diagrammet:

Kemister förknippade de nya föreningarna med växande trädgrenar, därav namnet dendrimerium (från grekiskans dendron = träd, meros = del). Den konkurrerade ursprungligen med termerna "arborola" (detta är latin, där berså också betyder trä) eller "kaskadpartiklar". Även om författaren mer liknar maneternas eller stillasittande anemoners trassliga tentakler, har upptäckarna naturligtvis rätt till namn. Sambandet mellan dendrimerer och fraktala strukturer är också en viktig observation.

1. Modell av en av originalets dendrimerer

grenens tillväxtstadium

Dendrimerer kan inte växa i det oändliga (1). Antalet grenar växer exponentiellt, och efter några till tio stadier av fastsättning av nya molekyler på ytan av en sfärisk massa upphör det fria utrymmet (helheten når nanometerdimensioner; en nanometer är en miljarddels meter). Å andra sidan är möjligheterna att manipulera dendrimerens egenskaper nästan obegränsade. Fragment som finns på ytan kan vara hydrofila ("vattenälskande", d.v.s. ha en affinitet för vatten och polära lösningsmedel) eller hydrofoba ("undvika vatten", men benägna att komma i kontakt med opolära vätskor, till exempel de flesta organiska lösningsmedel). lösningsmedel). På liknande sätt kan det inre av en molekyl vara antingen polär eller opolär till sin natur. Under dendrimerens yta, mellan de individuella grenarna, finns fria utrymmen i vilka utvalda ämnen kan införas (vid syntesstadiet eller senare kan de också fästas på ytgrupper). Därför, bland kemiska träd, kommer alla att hitta något som passar deras behov. Och du, läsaren, innan du läser den här artikeln till slutet, fundera på vad du kan använda molekyler för som, enligt deras struktur, kommer att vara "bekväma" i vilken miljö som helst, och vilka andra ämnen kan innehålla?

Naturligtvis som behållare för att transportera utvalda föreningar och skydda deras innehåll. (2). Dessa är de huvudsakliga tillämpningarna av dendrimerer. Även om de för det mesta fortfarande befinner sig på forskningsstadiet, används en del av dem redan i praktiken. Dendrimerer är utmärkta för att transportera läkemedel i kroppens vattenhaltiga miljö. Vissa läkemedel måste modifieras speciellt för att lösas upp i kroppsvätskor - användningen av transportörer kommer att undvika dessa omvandlingar (de kan negativt påverka läkemedlets effektivitet). Dessutom frigörs den aktiva substansen långsamt inifrån kapseln, vilket gör att doserna kan minskas och tas mer sällan. Fästningen av olika molekyler till dendrimerens yta leder till det faktum att de bara känns igen av cellerna i vissa organ. Detta gör i sin tur att läkemedlet kan transporteras direkt till sin destination utan att utsätta hela kroppen för onödiga biverkningar, till exempel vid anti-cancerterapi.

2. Modell av en dendrimer som innehåller en annan molekyl

(ovan)

Kosmetika skapas baserat på både vatten och fetter. Men ofta är den aktiva substansen fettlöslig, och den kosmetiska produkten är i form av en vattenlösning (och vice versa: den vattenlösliga substansen måste blandas med en fettbas). Att tillsätta emulgeringsmedel (som tillåter bildandet av en stabil vatten-fettlösning) fungerar inte alltid positivt. Därför försöker kosmetikaföretagens laboratorier utnyttja potentialen hos dendrimerer som transportörer som enkelt kan anpassas efter behov. Den växtskyddskemiska industrin står inför liknande problem. Återigen är det ofta nödvändigt att blanda ett opolärt bekämpningsmedel med vatten. Dendrimerer underlättar anslutningen och släpper dessutom gradvis ut patogenen från insidan, minskar mängden giftiga ämnen. En annan tillämpning är behandlingen av metalliska silvernanopartiklar, som är kända för att förstöra mikrober. Forskning pågår också kring användningen av dendrimerer för att transportera antigener i vacciner och DNA-fragment inom genetisk forskning. Det finns fler möjligheter, du behöver bara använda din fantasi.

Hinkar

Glukos är den mest förekommande organiska föreningen i den levande världen. Det uppskattas att 100 miljarder ton produceras årligen! Organismer använder fotosyntesens huvudprodukt på olika sätt. Glukos är en energikälla i celler, fungerar som reservmaterial (växtstärkelse och animaliskt glykogen) och byggmaterial (cellulosa). Vid sekelskiftet XNUMX och XNUMX-talet identifierades produkter av partiell nedbrytning av stärkelse under inverkan av bakteriella enzymer (förkortat CD). Som namnet antyder är dessa cykliska eller ringanslutningar:

De består av sex (a-CD-variant), sju (b-CD) eller åtta (g-CD) glukosmolekyler, även om större ringar också är kända. (3). Men varför är metabola produkter från vissa bakterier så intressanta att de har en plats i "Unga tekniska skolan"?

3. Modeller av cyklodextriner. Från vänster till höger: a – KD, b – KD, g – KD.

För det första är cyklodextriner vattenlösliga föreningar, vilket inte borde komma som en överraskning - de är relativt små och består av mycket löslig glukos (stärkelse bildar för stora partiklar för att bilda en lösning, men kan suspenderas). För det andra kan många OH-grupper och glukossyreatomer binda andra molekyler. För det tredje erhålls cyklodextriner genom en enkel bioteknisk process från billig och tillgänglig stärkelse (för närvarande i mängden tusentals ton per år). För det fjärde förblir de helt giftfria ämnen. Och, slutligen, den mest originella är deras form (som du, läsaren, bör föreslå när du använder dessa föreningar): En bottenlös hink, dvs. cyklodextriner är lämpliga för att bära andra ämnen (en molekyl som har passerat genom ett större hål kommer inte att falla ut). behållare i botten, och dessutom är den bunden av interatomära krafter). På grund av att de är ofarliga för hälsan kan de användas som ingrediens i läkemedel och livsmedel.

Den första användningen av cyklodextriner, upptäckt strax efter deras beskrivning, var katalytisk aktivitet. Det visade sig av en slump att vissa reaktioner som involverade dem förlöper helt annorlunda än i frånvaro av dessa föreningar i miljön. Anledningen är att substratmolekylen ("gäst") kommer in i hinken ("värd") (4, 5). Därför är en del av molekylen otillgänglig för reagens, och omvandlingen kan endast ske på de platser som sticker utåt. Verkningsmekanismen liknar verkan av många enzymer, som också "maskerar" delar av molekyler.

4. Modell av en cyklodextrinmolekyl som innehåller en annan molekyl.

5. En annan titt på samma komplex

Vilka molekyler kan lagras inuti cyklodextriner? Nästan alla som passar inuti - den avgörande punkten är den ömsesidiga överensstämmelsen mellan storleken på gästen och värden (som i fallet med koronaetrar och deras derivat; se förra månadens artikel) (6). Detta är en egenskap hos cyklodextriner

6. Cyklodextrin uppträdd på en annan kedja

molekyler, det vill säga rotaxan (mer information: i numret

januari)

gör dem användbara för att selektivt fånga upp föreningar från miljön. På så sätt renas ämnen och separeras från blandningen efter en reaktion (till exempel vid framställning av läkemedel).

Annan användning? Det skulle vara möjligt att citera utdrag från den tidigare artikeln i cykeln (modeller av enzymer och transportörer, inte bara joniska - cyklodextriner transporterar olika ämnen) och ett utdrag som beskriver dendrimerer (transport av aktiva ämnen i läkemedel, kosmetika och växtskyddsmedel). Fördelarna med cyklodextrinförpackningar är också liknande - allt löses i vatten (till skillnad från de flesta läkemedel, kosmetika och bekämpningsmedel), den aktiva ingrediensen frigörs gradvis och håller längre (vilket tillåter mindre doser), och den använda behållaren är biologiskt nedbrytbar (mikroorganismer bryts ner snabbt ). naturlig produkt, den metaboliseras också i människokroppen). Innehållet i förpackningen är också skyddat från omgivningen (minskad tillgång till den lagrade molekylen). Växtskyddsmedel placerade i cyklodextriner har en form som är bekväm att använda. Det är ett vitt pulver, liknande potatismjöl, som löses i vatten före användning. Därför finns det inget behov av att använda farliga och brandfarliga organiska lösningsmedel.

När vi tittar på listan över användningar av cyklodextrin kan vi hitta flera andra "smaker" och "dofter" listade. Medan den första är en ofta använd metafor, kan den andra överraska dig. Kemiska hinkar tjänar dock syftet att ta bort obehagliga lukter samt att lagra och frigöra önskade aromer. Luftfräschare, luktabsorbenter, parfymer och doftpapper är bara några exempel på användningen av cyklodextrinkomplex. Ett intressant faktum är att doftföreningar förpackade i cyklodextriner tillsätts tvättpulver. Under strykning och bärande bryts aromen gradvis ner och frigörs.

Dags att prova. "Bitter medicin är den bästa medicinen", men det smakar fruktansvärt. Men om det administreras i form av ett komplex med cyklodextrin, kommer det inte att finnas några obehagliga känslor (ämnet är isolerat från smaklökar). Bitterheten i grapefruktjuice tas också bort med hjälp av cyklodextriner. Extrakt av vitlök och andra kryddor är mycket mer stabila i form av komplex än i fri form. Liknande förpackade smaker förbättrar smaken av kaffe och te. Dessutom talar observationen av deras antikolesterolaktivitet till förmån för cyklodextriner. Partiklar av "dåligt" kolesterol binds inuti en kemikaliehink och utsöndras från kroppen i denna form. Så cyklodextriner, produkter av naturligt ursprung, är också hälsan i sig.