Cabinet of Chemical Curiosities - Osa 2

Edellisessä kemian osan numerossa esiteltiin useita kemianfriikkishown yhdisteitä (sarjan nimestä päätellen niitä ei varmasti opi koulussa). Nämä ovat varsin kunnioitettavia "henkilöitä", jotka epätavallisesta ulkonäöstään huolimatta palkittiin Nobel-palkinnolla, ja heidän omaisuuttaan useilla aloilla tuskin voi yliarvioida. Tässä artikkelissa on aika tutustua seuraaviin alkuperäisiin hahmoihin kemian valtakunnasta, jotka ovat yhtä mielenkiintoisia kuin kruunueetterit ja niiden johdannaiset.

kemialliset puut

Podandit, yhdisteet, joissa on pitkät ketjut kiinnittyneenä molekyylin keskiosaan, ovat synnyttäneet uuden aineluokan (lisää "kemiallisista mustekalaista" viime kuun artikkelissa). Kemistit päättivät lisätä "lonkeroiden" määrää. Tätä varten kuhunkin haaraan, joka päättyy reagoimaan kykenevien atomien ryhmään, lisättiin toinen molekyyli, joka päättyi vastaaviin ryhmiin (kaksi tai useampi; tarkoituksena on lisätä sellaisten kohtien määrää, jotka voidaan yhdistää muihin hiukkasiin ). Enemmän molekyylejä reagoi sen kanssa, sitten enemmän ja niin edelleen. Koko järjestelmän koon kasvua havainnollistaa kaavio:

Kemistit ovat yhdistäneet uudet yhdisteet kasvaviin puiden oksiin, mistä johtuu nimi dendrimeria (kreikan sanasta dendron = puu, meros = osa). Aluksi se kilpaili termien "arborole" (tämä on latinaa, jossa arbor tarkoittaa myös puuta) tai "kaskadihiukkasten" kanssa. Vaikka kirjoittaja näyttää enemmän meduusojen tai passiivisten vuokoiden takkuisilta lonkeroilta, löytäjillä on tietysti oikeus nimiin. Dendrimeerien yhdistyminen fraktaalirakenteisiin on myös tärkeä havainto.

1. Yhden alkuperäisen dendrimeerin malli

oksan kasvuvaihe

Dendrimeerit eivät voi kasvaa loputtomiin (1). Haarojen määrä kasvaa eksponentiaalisesti, ja muutaman tai kymmenen uuden molekyylin kiinnittymisvaiheen jälkeen pallomaisen massan pinnalle vapaa tila loppuu (kokonaisuus saavuttaa nanometrimitat; nanometri on metrin miljardisosa). Toisaalta dendrimeerin ominaisuuksien manipulointimahdollisuudet ovat lähes rajattomat. Pinnalla olevat osat voivat olla hydrofiilisiä ("vettä rakastavia", ts. joilla on affiniteetti veteen ja polaarisiin liuottimiin) tai hydrofobisia ("välten vettä", mutta alttiita joutumaan kosketuksiin ei-polaaristen nesteiden, esim. useimpien orgaanisten liuottimien kanssa). liuottimet). Vastaavasti molekyylin sisäpuoli voi olla joko polaarinen tai ei-polaarinen. Dendrimeerin pinnan alla, yksittäisten haarojen välissä, on vapaita tiloja, joihin voidaan viedä valitut aineet (synteesivaiheessa tai myöhemmin ne voidaan kiinnittää myös pintaryhmiin). Siksi kemiallisten puiden joukosta jokainen löytää jotain tarpeisiinsa sopivaa. Ja sinä, lukija, ennen kuin luet tämän artikkelin loppuun, mieti, mihin voit käyttää molekyylejä, jotka rakenteensa mukaan ovat "mukavia" missä tahansa ympäristössä ja mitä muita aineita voi sisältää?

Tietenkin säiliöinä valittujen yhdisteiden kuljettamiseen ja niiden sisällön suojaamiseen. (2). Nämä ovat dendrimeerien pääsovellukset. Vaikka suurin osa niistä on vielä tutkimusvaiheessa, osa niistä on jo käytössä. Dendrimeerit soveltuvat erinomaisesti lääkkeiden kuljettamiseen kehon vesiympäristössä. Joitakin lääkkeitä on erityisesti modifioitava liukenemaan kehon nesteisiin - kuljettimien käyttö välttää nämä muutokset (ne voivat vaikuttaa haitallisesti lääkkeen tehokkuuteen). Lisäksi vaikuttava aine vapautuu hitaasti kapselin sisältä, mikä tarkoittaa, että annoksia voidaan pienentää ja ottaa harvemmin. Erilaisten molekyylien kiinnittyminen dendrimeerin pintaan johtaa siihen, että vain yksittäisten elinten solut tunnistavat ne. Tämä puolestaan ​​mahdollistaa lääkkeen kuljettamisen suoraan määränpäähänsä ilman, että koko keho altistuu tarpeettomille sivuvaikutuksille esimerkiksi syövän vastaisessa hoidossa.

2. Toisen molekyylin sisältävän dendrimeerin malli

(ylhäällä)

Kosmetiikka valmistetaan sekä veden että rasvojen pohjalta. Usein vaikuttava aine on kuitenkin rasvaliukoinen ja kosmeettinen tuote on vesiliuoksen muodossa (ja päinvastoin: vesiliukoinen aine on sekoitettava rasvapohjan kanssa). Emulgointiaineiden lisääminen (jotka mahdollistavat stabiilin vesi-rasvaliuoksen muodostumisen) ei aina toimi suotuisasti. Siksi kosmetiikkalaboratoriot pyrkivät hyödyntämään dendrimeerien potentiaalia kuljettimina, jotka voidaan helposti mukauttaa tarpeisiin. Kasvinsuojelukemikaaliteollisuudella on samanlaisia ​​ongelmia. Jälleen usein on tarpeen sekoittaa ei-polaarinen torjunta-aine veteen. Dendrimeerit helpottavat yhteyttä ja lisäksi vapauttavat vähitellen patogeenin sisältä, vähentävät myrkyllisten aineiden määrää. Toinen sovellus on metallisten hopeananohiukkasten käsittely, joiden tiedetään tuhoavan mikrobeja. Lisäksi tutkitaan dendrimeerien käyttöä antigeenien kuljettamiseen rokotteissa ja DNA-fragmenttien käyttöä geneettisissä tutkimuksissa. Mahdollisuuksia on enemmän, sinun tarvitsee vain käyttää mielikuvitustasi.

Kauhat

Glukoosi on elävän maailman runsain orgaaninen yhdiste. Arvioidaan, että sitä tuotetaan vuosittain 100 miljardia tonnia! Organismit käyttävät fotosynteesin päätuotetta eri tavoin. Glukoosi on solujen energianlähde, toimii varamateriaalina (kasvistärkkelys ja eläinglykogeeni) ja rakennusmateriaalina (selluloosa). XNUMX- ja XNUMX-luvun vaihteessa tunnistettiin tärkkelyksen osittaisen hajoamisen tuotteet bakteerientsyymien vaikutuksesta (lyhennetty KD). Kuten nimestä voi päätellä, nämä ovat syklisiä tai rengasyhdisteitä:

Ne koostuvat kuudesta (muunnelma a-CD), seitsemästä (b-CD) tai kahdeksasta (g-CD) glukoosimolekyylistä, vaikka tunnetaan myös suurempia renkaita. (3). Mutta miksi joidenkin bakteerien aineenvaihduntatuotteet ovat niin mielenkiintoisia, että niille on annettu paikka "Nuoressa teknillisessä koulussa"?

3. Syklodekstriinien mallit. Vasemmalta oikealle: a - KD, b - KD, g - KD.

Ensinnäkin syklodekstriinit ovat vesiliukoisia yhdisteitä, minkä ei pitäisi tulla yllätyksenä - ne ovat suhteellisen pieniä ja koostuvat hyvin liukoisesta glukoosista (tärkkelys muodostaa liian suuria hiukkasia muodostaakseen liuoksen, mutta voidaan suspendoida). Toiseksi lukuisat OH-ryhmät ja glukoosihappiatomit pystyvät sitomaan muita molekyylejä. Kolmanneksi syklodekstriinejä saadaan yksinkertaisella bioteknologisella menetelmällä halvasta ja saatavilla olevasta tärkkelyksestä (tällä hetkellä tuhansia tonneja vuodessa). Neljänneksi ne pysyvät täysin myrkyttöminä aineina. Ja lopuksi omaperäisin on niiden muoto (jota sinun, Lukijan, tulisi ehdottaa näitä yhdisteitä käyttäessäsi): Pohjaton ämpäri, ts. syklodekstriinit soveltuvat muiden aineiden kuljettamiseen (isomman reiän läpi mennyt molekyyli ei putoa pois). säiliö pohjassa, ja lisäksi se on sidottu atomien välisiin voimiin). Terveydelle vaarattomuutensa vuoksi niitä voidaan käyttää lääkkeiden ja elintarvikkeiden ainesosina.

Kuitenkin ensimmäinen syklodekstriinien käyttö, joka löydettiin pian kuvauksen jälkeen, oli katalyyttinen aktiivisuus. Sattumalta kävi ilmi, että jotkut reaktiot heidän osallistumisensa kanssa tapahtuvat täysin eri tavalla kuin näiden yhdisteiden puuttuessa ympäristöstä. Syynä on, että substraattimolekyyli ("vieras") joutuu ämpäriin ("isäntä") (4, 5). Siksi osa molekyylistä on reagenssien ulottumattomissa ja transformaatio voi tapahtua vain niissä paikoissa, jotka työntyvät esiin. Vaikutusmekanismi on samanlainen kuin monien entsyymien toiminta, jotka myös "naamioivat" osia molekyyleistä.

4. Malli syklodekstriinimolekyylistä, joka sisältää toisen molekyylin.

5. Toinen katse samaan kompleksiin

Mitä molekyylejä voidaan varastoida syklodekstriineihin? Melkein mitä tahansa, mikä mahtuu sisälle – vieraan ja isännän koon yhteensopivuus on ratkaisevan tärkeää (kuten koronaeettereiden ja niiden johdannaisten kohdalla; katso viime kuun artikkeli) (6). Tämä syklodekstriinien ominaisuus

6. Syklodekstriini kiinnitettynä toiseen ketjuun

molekyylejä, eli rotaksaania (lisätietoja: numerossa

Tammikuu)

tekee niistä hyödyllisiä yhdisteiden selektiiviseen sieppaamiseen ympäristöstä. Siten aineet puhdistetaan ja erotetaan seoksesta reaktion jälkeen (esimerkiksi lääkkeiden valmistuksessa).

Muu käyttö? Voisi lainata jaksossa otteita edellisestä artikkelista (entsyymien ja kuljettajien mallit, ei vain ioniset - syklodekstriinit kuljettavat erilaisia ​​aineita) ja dendrimeerejä kuvaava ote (kuljettavat vaikuttavia aineita lääkkeissä, kosmetiikassa ja kasvinsuojeluaineissa). Myös syklodekstriinipakkausten edut ovat samanlaiset - kaikki liukenee veteen (toisin kuin useimmat lääkkeet, kosmetiikka ja torjunta-aineet), vaikuttava aine vapautuu vähitellen ja kestää kauemmin (mikä mahdollistaa pienemmät annokset) ja käytetty säiliö on biohajoava (mikro-organismit hajoavat nopeasti ). luonnontuote, se myös metaboloituu ihmiskehossa). Pakkauksen sisältö on myös suojattu ympäristöltä (vähennetty pääsy varastoitulle molekyylille). Syklodekstriineihin sijoitetuilla kasvinsuojeluaineilla on käyttömukava muoto. Se on perunajauhoa muistuttava valkoinen jauhe, joka liuotetaan veteen ennen käyttöä. Siksi ei ole tarpeen käyttää vaarallisia ja syttyviä orgaanisia liuottimia.

Kun selaat syklodekstriinin käyttöluetteloa, voimme löytää siitä useita muita "makuja" ja "hajuja". Vaikka edellinen on yleisesti käytetty metafora, jälkimmäinen saattaa yllättää sinut. Kemialliset ämpärit kuitenkin poistavat pahoja hajuja sekä varastoivat ja vapauttavat haluttuja aromeja. Ilmanraikastimet, hajunvaimentimet, hajuvedet ja tuoksupaperit ovat vain muutamia esimerkkejä syklodekstriinikompleksien käytöstä. Mielenkiintoinen tosiasia on, että pesujauheisiin lisätään syklodekstriineihin pakattuja makuyhdisteitä. Silityksen ja käytön aikana tuoksu hajoaa ja vapautuu vähitellen.

Aika kokeilla. "Karvas lääke parantaa parhaiten", mutta se maistuu kamalalta. Kuitenkin, jos se annetaan kompleksina syklodekstriinin kanssa, ei tule epämiellyttäviä tuntemuksia (aine eristetään makuhermoista). Myös greippimehun katkeruus poistetaan syklodekstriinien avulla. Valkosipulin ja muiden mausteiden uutteet ovat paljon vakaampia kompleksien muodossa kuin vapaassa muodossa. Samalla tavalla pakatut maut parantavat kahvin ja teen makua. Lisäksi havainto niiden antikolesteroliaktiivisuudesta puhuu syklodekstriinien puolesta. "Pahan" kolesterolin hiukkaset sitoutuvat kemiallisen ämpäriin ja erittyvät kehosta tässä muodossa. Syklodekstriinit, luonnollista alkuperää olevat tuotteet, ovat siis myös itse terveys.