Cabinet of Chemistry Curiosities - Del 2

Det forrige afsnit af kemiafsnittet indeholdt flere forbindelser fra et kemisk freakshow (at dømme efter titlen på serien, vil du bestemt ikke lære om dem i skolen). Det er ganske respektable "personer", der trods deres usædvanlige udseende blev tildelt Nobelprisen, og deres egenskaber på en række områder kan næppe overvurderes. I denne artikel er det tid til at stifte bekendtskab med de næste originale karakterer fra kemiens rige, ikke mindre interessante end kroneethere og deres derivater.

Kemiske træer

Podands, forbindelser med lange kæder knyttet til den centrale del af molekylet, har givet anledning til en ny klasse af stoffer (mere om "kemiske blæksprutter" i sidste måneds artikel). Kemikere besluttede at øge antallet af "tentakler". For at gøre dette blev der tilføjet et andet molekyle til hver af de arme, der ender i en gruppe atomer, der er i stand til at reagere, som ender i de tilsvarende grupper (to eller flere; pointen er at øge antallet af sektioner, der kunne forbindes med andre partikler) . Flere molekyler reagerede med det, så flere, og så videre. Stigningen i størrelsen af ​​hele systemet er illustreret af diagrammet:

Kemikere associerede de nye forbindelser med voksende trægrene, deraf navnet dendrimerium (fra det græske dendron = træ, meros = del). Det konkurrerede oprindeligt med udtrykkene "arborola" (dette er latin, hvor arbor også betyder træ) eller "kaskadepartikler". Selvom forfatteren mere ligner vandmænds eller stillesiddende anemoners sammenfiltrede fangarme, har opdagerne naturligvis ret til navne. Sammenhængen af ​​dendrimerer med fraktale strukturer er også en vigtig observation.

1. Model af en af ​​originalens dendrimerer

grenens vækststadie

Dendrimerer kan ikke vokse i det uendelige (1). Antallet af grene vokser eksponentielt, og efter et par til ti stadier af fastgørelse af nye molekyler på overfladen af ​​en sfærisk masse ophører det frie rum (det hele når nanometerdimensioner; en nanometer er en milliardtedel af en meter). På den anden side er mulighederne for at manipulere dendrimerens egenskaber næsten ubegrænsede. Fragmenter til stede på overfladen kan være hydrofile ("vandelskende", dvs. have en affinitet til vand og polære opløsningsmidler) eller hydrofobe ("undgå vand", men tilbøjelige til at komme i kontakt med ikke-polære væsker, f.eks. de fleste organiske opløsningsmidler). opløsningsmidler). På samme måde kan det indre af et molekyle være enten polært eller ikke-polært i naturen. Under overfladen af ​​dendrimeren, mellem de enkelte grene, er der frie rum, hvori udvalgte stoffer kan indføres (på syntesestadiet eller senere kan de også knyttes til overfladegrupper). Derfor vil alle blandt kemiske træer finde noget, der passer til deres behov. Og du, læseren, før du læser denne artikel til slutningen, tænk på, hvad du kan bruge molekyler til, som ifølge deres struktur vil være "komfortable" i ethvert miljø, og hvilke andre stoffer kan indeholde?

Selvfølgelig som beholdere til transport af udvalgte forbindelser og beskyttelse af deres indhold. (2). Disse er de vigtigste anvendelser af dendrimerer. Selvom de for det meste stadig er på forskningsstadiet, bliver nogle af dem allerede brugt i praksis. Dendrimerer er fremragende til at transportere lægemidler i kroppens vandige miljø. Nogle lægemidler skal modificeres specielt til at opløses i kropsvæsker - brugen af ​​transportbånd vil undgå disse transformationer (de kan påvirke lægemidlets effektivitet negativt). Derudover frigives det aktive stof langsomt inde fra kapslen, hvilket betyder, at doser kan reduceres og tages sjældnere. Vedhæftningen af ​​forskellige molekyler til overfladen af ​​dendrimeren fører til, at de kun genkendes af cellerne i visse organer. Dette gør det igen muligt for lægemidlet at blive transporteret direkte til dets bestemmelsessted uden at udsætte hele kroppen for unødvendige bivirkninger, for eksempel i anti-kræftbehandling.

2. Model af en dendrimer indeholdende et andet molekyle

(over)

Kosmetik er skabt baseret på både vand og fedt. Men ofte er det aktive stof fedtopløseligt, og det kosmetiske produkt er i form af en vandig opløsning (og omvendt: det vandopløselige stof skal blandes med en fedtbase). Tilsætning af emulgatorer (som tillader dannelsen af ​​en stabil vand-fedtopløsning) virker ikke altid positivt. Derfor forsøger kosmetikvirksomheders laboratorier at udnytte potentialet i dendrimerer som transportører, der let kan tilpasses behovene. Den plantebeskyttelseskemiske industri står over for lignende problemer. Igen er det ofte nødvendigt at blande et ikke-polært pesticid med vand. Dendrimerer letter forbindelsen og desuden gradvist frigive patogenet indefra, reducere mængden af ​​giftige stoffer. En anden anvendelse er behandlingen af ​​metalliske sølvnanopartikler, som er kendt for at ødelægge mikrober. Der forskes også i brugen af ​​dendrimerer til at transportere antigener i vacciner og DNA-fragmenter i genetisk forskning. Der er flere muligheder, du skal bare bruge din fantasi.

Spande

Glucose er den mest udbredte organiske forbindelse i den levende verden. Det anslås, at der produceres 100 milliarder tons årligt! Organismer bruger hovedproduktet af fotosyntesen på forskellige måder. Glukose er en energikilde i celler, fungerer som et reservemateriale (plantestivelse og animalsk glykogen) og et byggemateriale (cellulose). Ved overgangen til det nittende og tyvende århundrede blev produkter af delvis nedbrydning af stivelse under påvirkning af bakterielle enzymer (forkortet som CD) identificeret. Som navnet antyder, er disse cykliske eller ringforbindelser:

De består af seks (a-CD-variant), syv (b-CD) eller otte (g-CD) glucosemolekyler, selvom større ringe også kendes. (3). Men hvorfor er nogle bakteriers stofskifteprodukter så interessante, at de har en plads i "Den Unge Tekniske Skole"?

3. Modeller af cyclodextriner. Fra venstre mod højre: a – KD, b – KD, g – KD.

Først og fremmest er cyclodextriner vandopløselige forbindelser, hvilket ikke burde komme som en overraskelse – de er relativt små og består af meget opløselig glucose (stivelse danner for store partikler til at danne en opløsning, men kan suspenderes). For det andet er talrige OH-grupper og glucose-iltatomer i stand til at binde andre molekyler. For det tredje opnås cyclodextriner ved en simpel bioteknologisk proces fra billig og tilgængelig stivelse (i øjeblikket i mængden af ​​tusindvis af tons om året). For det fjerde forbliver de fuldstændig ugiftige stoffer. Og endelig er den mest originale deres form (som du, læseren, bør foreslå, når du bruger disse forbindelser): En bundløs spand, dvs. cyclodextriner er velegnede til at transportere andre stoffer (et molekyle, der har passeret gennem et større hul, falder ikke ud). beholder i bunden, og den er desuden bundet af interatomiske kræfter). På grund af deres sundhedsskadelighed kan de bruges som ingrediens i medicin og fødevarer.

Den første anvendelse af cyclodextriner, opdaget kort efter deres beskrivelse, var imidlertid katalytisk aktivitet. Det viste sig ved et tilfælde, at nogle reaktioner, der involverede dem, forløber helt anderledes end i fravær af disse forbindelser i miljøet. Årsagen er, at substratmolekylet ("gæst") kommer ind i spanden ("vært") (4, 5). Derfor er en del af molekylet utilgængeligt for reagenser, og transformationen kan kun ske de steder, der rager udad. Virkningsmekanismen ligner virkningen af ​​mange enzymer, som også "masker" dele af molekyler.

4. Model af et cyclodextrinmolekyle indeholdende et andet molekyle.

5. Et andet kig på det samme kompleks

Hvilke molekyler kan opbevares inde i cyclodextriner? Næsten alle, der passer indeni - det afgørende punkt er den gensidige overensstemmelse mellem gæstens og værtens størrelse (som i tilfældet med koronaethere og deres derivater; se sidste måneds artikel) (6). Dette er en egenskab ved cyclodextriner

6. Cyclodextrin spændt på en anden kæde

molekyler, det vil sige rotaxan (flere detaljer: i udgaven

Januar)

gør dem nyttige til selektivt at opfange forbindelser fra miljøet. På denne måde renses stoffer og adskilles fra blandingen efter en reaktion (for eksempel ved fremstilling af lægemidler).

Anden brug? Det ville være muligt at citere uddrag fra den foregående artikel i cyklussen (modeller af enzymer og transportører, ikke kun ioniske - cyclodextriner transporterer forskellige stoffer) og et uddrag, der beskriver dendrimerer (transport af aktive stoffer i medicin, kosmetik og plantebeskyttelsesmidler). Fordelene ved cyclodextrin-emballage er også de samme - alt opløses i vand (i modsætning til de fleste lægemidler, kosmetik og pesticider), den aktive ingrediens frigives gradvist og holder længere (hvilket giver mulighed for mindre doser), og den brugte beholder er biologisk nedbrydelig (mikroorganismer nedbrydes hurtigt ). naturligt produkt, det metaboliseres også i menneskekroppen). Indholdet af pakken er også beskyttet mod miljøet (reduceret adgang til det lagrede molekyle). Plantebeskyttelsesmidler anbragt i cyclodextriner har en form, der er praktisk at bruge. Det er et hvidt pulver, der ligner kartoffelmel, som opløses i vand før brug. Derfor er der ingen grund til at bruge farlige og brandfarlige organiske opløsningsmidler.

Når vi ser på listen over anvendelser af cyclodextrin, kan vi finde flere andre "smag" og "lugte" på listen. Mens den første er en ofte brugt metafor, kan den anden overraske dig. Men kemikaliespande tjener det formål at fjerne ubehagelige lugte samt at opbevare og frigive ønskede aromaer. Luftfriskere, lugtabsorberende midler, parfumer og duftpapir er blot nogle få eksempler på anvendelsen af ​​cyclodextrinkomplekser. Et interessant faktum er, at duftforbindelser pakket i cyclodextriner tilsættes vaskepulvere. Under strygning og brug nedbrydes aromaen gradvist og frigives.

Tid til at prøve. "Bitter medicin er den bedste medicin," men det smager forfærdeligt. Men hvis det administreres i form af et kompleks med cyclodextrin, vil der ikke være nogen ubehagelige fornemmelser (stoffet er isoleret fra smagsløg). Bitterheden af ​​grapefrugtjuice fjernes også ved hjælp af cyclodextriner. Ekstrakter af hvidløg og andre krydderier er meget mere stabile i form af komplekser end i fri form. Tilsvarende pakkede smage forbedrer smagen af ​​kaffe og te. Derudover taler observationen af ​​deres antikolesterolaktivitet til fordel for cyclodextriner. Partikler af "dårligt" kolesterol er bundet inde i en kemikaliespand og udskilles fra kroppen i denne form. Så cyclodextriner, produkter af naturlig oprindelse, er også sundhed i sig selv.