Kabinet hemijskih zanimljivosti - 2. dio

U prošlom broju hemije predstavljeno je nekoliko jedinjenja iz hemijskog freak showa (sudeći po nazivu serije, o njima sigurno nećete učiti u školi). Riječ je o prilično respektabilnim "osobama" koje su, uprkos neobičnom izgledu, nagrađene Nobelovom nagradom, a njihova svojstva u nizu oblasti teško se mogu precijeniti. U ovom članku vrijeme je da se upoznamo sa sljedećim originalnim likovima iz područja hemije, ništa manje zanimljivim od krunskih etera i njihovih derivata.

hemijska stabla

Podandi, spojevi s dugim lancima vezanim za središnji dio molekula, doveli su do nove klase supstanci (više o "hemijskim hobotnicama" u prošlomjesečnom članku). Hemičari su odlučili povećati broj "pipaka". Da bi se to postiglo, svakom od krakova koji završavaju grupom atoma sposobnih za reakciju, dodat je još jedan molekul, koji završava u odgovarajućim grupama (dva ili više; poenta je povećati broj mjesta koja bi se mogla kombinirati s drugim česticama ). Više molekula je reagovalo s njim, zatim više, i tako dalje. Povećanje veličine čitavog sistema ilustruje dijagram:

Hemičari su nova jedinjenja povezali sa rastućim granama drveća, pa otuda i naziv dendrimeria (od grčkog dendron = drvo, meros = deo). U početku se takmičio sa terminima "arborole" (ovo je latinski, gdje arbor također znači drvo) ili "kaskadne čestice". Iako autor više liči na zamršene pipke meduze ili neaktivne anemone, pronalazači, naravno, imaju pravo na imena. Povezanost dendrimera sa fraktalnim strukturama je takođe važno zapažanje.

1. Model jednog od originalnih dendrimera

faza rasta grane

Dendrimeri ne mogu rasti beskonačno (1). Broj grana raste eksponencijalno, a nakon nekoliko do deset faza vezivanja novih molekula na površinu sferne mase završava se slobodni prostor (cjelina dostiže nanometarske dimenzije; nanometar je milijardni dio metra). S druge strane, mogućnosti manipuliranja svojstvima dendrimera su gotovo neograničene. Fragmenti prisutni na površini mogu biti hidrofilni („ljubi vodu“, tj. imaju afinitet prema vodi i polarnim rastvaračima) ili hidrofobni („izbjegavaju vodu“, ali su skloni da dođu u kontakt sa nepolarnim tekućinama, na primjer, većinom organskih rastvarači). rastvarači). Slično, unutrašnjost molekula može biti polarne ili nepolarne prirode. Ispod površine dendrimera, između pojedinih grana, postoje slobodni prostori u koje se mogu uneti odabrane supstance (u fazi sinteze ili kasnije, mogu se vezati i za površinske grupe). Stoga će među hemijskim stablima svako pronaći nešto za svoje potrebe. A vi, čitatelju, prije nego što pročitate ovaj članak do kraja, razmislite o tome što možete koristiti molekule za koje će po svojoj strukturi biti “udobne” u bilo kojoj sredini i koje druge tvari mogu sadržavati?

Naravno, kao kontejneri za transport odabranih spojeva i zaštitu njihovog sadržaja. (2). Ovo su glavne primjene dendrimera. Iako je većina njih još u fazi istraživanja, neki od njih se već primjenjuju u praksi. Dendrimeri su odlični za transport droga u vodenom okruženju tijela. Neki lijekovi moraju biti posebno modificirani da se otapaju u tjelesnim tekućinama - korištenjem transportera će se izbjeći ove transformacije (mogu negativno utjecati na djelotvornost lijeka). Osim toga, aktivna tvar se polako oslobađa unutar kapsule, što znači da se doze mogu smanjiti i uzimati rjeđe. Vezanje različitih molekula na površinu dendrimera dovodi do toga da ih prepoznaju samo stanice pojedinih organa. Ovo, zauzvrat, omogućava da se lijek transportuje direktno do odredišta, bez izlaganja cijelog tijela nepotrebnim nuspojavama, na primjer, u terapiji protiv raka.

2. Model dendrimera koji sadrži drugi molekul

(vrh)

Kozmetika se stvara na bazi vode i masti. Međutim, često je aktivna tvar topiva u mastima, a kozmetički proizvod je u obliku vodene otopine (i obrnuto: tvar topiva u vodi mora se pomiješati s bazom masti). Dodavanje emulgatora (koji omogućavaju stvaranje stabilnog rastvora vode i masti) ne deluje uvek povoljno. Stoga kozmetičke laboratorije pokušavaju iskoristiti potencijal dendrimera kao transportera koji se lako prilagođavaju potrebama. Industrija hemikalija za zaštitu bilja suočava se sa sličnim problemima. Opet, često je potrebno pomiješati nepolarni pesticid s vodom. Dendrimeri olakšavaju povezivanje i, osim toga, postupno oslobađajući patogen iznutra, smanjuju količinu toksičnih tvari. Druga primjena je obrada metalnih nanočestica srebra, za koje je poznato da uništavaju mikrobe. Istraživanja su takođe u toku o upotrebi dendrimera za transport antigena u vakcinama i fragmenata DNK u genetskim studijama. Mogućnosti je više, samo trebate upotrijebiti svoju maštu.

Kante

Glukoza je najzastupljeniji organski spoj u živom svijetu. Procjenjuje se da se godišnje proizvede u količini od 100 milijardi tona! Organizmi koriste glavni proizvod fotosinteze na različite načine. Glukoza je izvor energije u ćelijama, služi kao rezervni materijal (biljni skrob i životinjski glikogen) i građevinski materijal (celuloza). Na prijelazu iz devetnaestog u dvadeseto stoljeće identificirani su proizvodi djelomične razgradnje škroba djelovanjem bakterijskih enzima (skraćeno KD). Kao što ime govori, ovo su ciklična ili prstenasta jedinjenja:

Sastoje se od šest (varijanta a-CD), sedam (b-CD) ili osam (g-CD) molekula glukoze, iako su poznati i veći prstenovi. (3). Ali zašto su produkti metabolizma nekih bakterija toliko interesantni da im je ustupljeno mjesto u „Mladi tehničkoj školi“?

3. Modeli ciklodekstrina. S lijeva na desno: a - KD, b - KD, g - KD.

Prije svega, ciklodekstrini su spojevi topljivi u vodi, što ne bi trebalo biti iznenađenje – relativno su mali i sastoje se od visoko topljive glukoze (škrob formira prevelike čestice da bi formirao otopinu, ali može biti suspendiran). Drugo, brojne OH grupe i atomi kisika glukoze mogu vezati druge molekule. Treće, ciklodekstrini se dobijaju jednostavnim biotehnološkim postupkom iz jeftinog i dostupnog skroba (trenutno u količini od nekoliko hiljada tona godišnje). Četvrto, ostaju potpuno netoksične tvari. I, konačno, najoriginalniji je njihov oblik (koji bi Vi, Čitaoče, trebali predložiti kada koristite ove spojeve): Vedro bez dna, tj. ciklodekstrini su pogodni za nošenje drugih supstanci (molekula koja je prošla kroz veću rupu neće ispasti). kontejner na dnu, i, osim toga, vezan je međuatomskim silama). Zbog svoje neškodljivosti po zdravlje mogu se koristiti kao sastojak lijekova i namirnica.

Međutim, prva upotreba ciklodekstrina, otkrivena ubrzo nakon opisa, bila je katalitička aktivnost. Slučajno se pokazalo da se neke reakcije uz njihovo učešće odvijaju na potpuno drugačiji način nego u nedostatku ovih spojeva u okolini. Razlog je što molekul supstrata ("gost") ulazi u kantu ("domaćin") (4, 5). Stoga je dio molekula nedostupan reagensima, a transformacija se može dogoditi samo na onim mjestima koja strše. Mehanizam djelovanja sličan je djelovanju mnogih enzima, koji također "maskiraju" dijelove molekula.

4. Model molekula ciklodekstrina koji sadrži drugi molekul.

5. Još jedan pogled na isti kompleks

Koji se molekuli mogu uskladištiti unutar ciklodekstrina? Gotovo sve što će stati unutra - podudaranje veličine gosta i domaćina je ključno (kao kod korona etera i njihovih derivata; pogledajte prošlomjesečni članak) (6). Ovo svojstvo ciklodekstrina

6. Ciklodekstrin nanizan na drugom lancu

molekule, odnosno rotaksan (detaljnije: u br

Januar)

čini ih korisnim za selektivno hvatanje jedinjenja iz okoline. Dakle, supstance se pročišćavaju i odvajaju iz smjese nakon reakcije (na primjer, u proizvodnji lijekova).

Druga upotreba? U ciklusu bi bilo moguće navesti izvode iz prethodnog članka (modeli enzima i transportera, ne samo ionskih – ciklodekstrini prenose različite tvari) i izvod koji opisuje dendrimere (transport aktivnih tvari u lijekovima, kozmetici i sredstvima za zaštitu bilja). Prednosti pakovanja ciklodekstrina su također slične - sve se otapa u vodi (za razliku od većine lijekova, kozmetike i pesticida), aktivni sastojak se postupno oslobađa i traje duže (što omogućava manje doze), a korišteni spremnik je biorazgradiv (mikroorganizmi se brzo razgrađuju ). prirodni proizvod, takođe se metabolizira u ljudskom tijelu). Sadržaj pakovanja je takođe zaštićen od okoline (smanjen pristup uskladištenom molekulu). Sredstva za zaštitu bilja smeštena u ciklodekstrine imaju oblik koji je pogodan za upotrebu. To je bijeli prah, sličan krumpirovom brašnu, koji se prije upotrebe otopi u vodi. Stoga nema potrebe za korištenjem opasnih i zapaljivih organskih rastvarača.

Kada pregledavamo listu upotreba ciklodekstrina, možemo pronaći nekoliko drugih "ukusa" i "mirisa" u njemu. Dok je prva često korištena metafora, druga bi vas mogla iznenaditi. Međutim, hemijske kante služe za uklanjanje loših mirisa i skladištenje i oslobađanje željenih aroma. Osvježivači zraka, apsorberi mirisa, parfemi i mirisni papiri samo su neki primjeri upotrebe kompleksa ciklodekstrina. Zanimljiva je činjenica da se aromatična jedinjenja pakirana u ciklodekstrine dodaju prašcima za pranje rublja. Tokom peglanja i nošenja, miris se postepeno razlaže i oslobađa.

Vrijeme je da probamo. „Gorki lek najbolje leči“, ali je užasnog ukusa. Međutim, ako se primjenjuje u obliku kompleksa s ciklodekstrinom, neće biti neugodnih senzacija (tvar je izolirana iz okusnih pupoljaka). Gorčina soka od grejpfruta također se uklanja uz pomoć ciklodekstrina. Ekstrakti belog luka i drugih začina su mnogo stabilniji u obliku kompleksa nego u slobodnom obliku. Slično upakovane arome poboljšavaju ukus kafe i čaja. Osim toga, promatranje njihove antiholesterolske aktivnosti govori u prilog ciklodekstrina. Čestice "lošeg" holesterola vezuju se unutar hemijske kante i u tom obliku se izlučuju iz organizma. Dakle, ciklodekstrini, proizvodi prirodnog porijekla, su i samo zdravlje.