Kabinet kemijskih zanimljivosti - 2. dio

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

kemijska stabla

Podandi, spojevi s dugim lancima vezanim za središnji dio molekule, doveli su do nove klase tvari (više o "kemijskim hobotnicama" u prošlomjesečnom članku). Kemičari su odlučili povećati broj "pipaka". Da bi se to postiglo, svakom kraku koji završava grupom atoma sposobnih za reakciju, dodana je još jedna molekula koja završava u odgovarajućim skupinama (dvije ili više; poanta je povećati broj mjesta koja se mogu kombinirati s drugim česticama ). S njim je reagiralo više molekula, zatim više, i tako dalje. Povećanje veličine cijelog sustava ilustrira dijagram:

Kemičari su nove spojeve povezali s rastućim granama drveća, pa otuda i naziv dendrimeria (od grčkog dendron = drvo, meros = dio). U početku se natjecao s pojmovima "arborole" (ovo je latinski, gdje arbor također znači drvo) ili "kaskadne čestice". Iako autor više liči na zapetljane ticale meduze ili neaktivne anemone, otkrivači, naravno, imaju pravo na imena. Povezanost dendrimera s fraktalnim strukturama također je važno zapažanje.

1. Model jednog od originalnih dendrimera

faza rasta grane

Dendrimeri ne mogu rasti beskonačno (1). Broj ogranaka eksponencijalno raste, a nakon nekoliko do deset faza prianjanja novih molekula na površinu kuglaste mase prestaje slobodni prostor (cjelina doseže nanometarske dimenzije; nanometar je milijarditi dio metra). S druge strane, mogućnosti manipuliranja svojstvima dendrimera gotovo su neograničene. Fragmenti prisutni na površini mogu biti hidrofilni ("ljubeći vodu", tj. imaju afinitet prema vodi i polarnim otapalima) ili hidrofobni ("izbjegavaju vodu", ali skloni doći u kontakt s nepolarnim tekućinama, na primjer, većinom organskih otapala). otapala). Slično, unutrašnjost molekule može biti polarne ili nepolarne prirode. Ispod površine dendrimera, između pojedinih ogranaka, postoje slobodni prostori u koje se mogu unositi odabrane tvari (u fazi sinteze ili kasnije, također se mogu pričvrstiti na površinske skupine). Stoga će među kemijskim drvećem svatko pronaći nešto prikladno za svoje potrebe. A vi, čitatelju, prije nego što pročitate ovaj članak do kraja, razmislite o tome za što možete koristiti molekule za koje će, prema svojoj strukturi, biti "udobne" u bilo kojem okruženju 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 se već primjenjuju u praksi. Dendrimeri su izvrsni za transport lijekova u tjelesnom vodenom okolišu. Neke lijekove je potrebno posebno modificirati da se otapaju u tjelesnim tekućinama – korištenjem transportera izbjeći će se te transformacije (mogu negativno utjecati na učinkovitost lijeka). Osim toga, aktivna tvar se polako oslobađa unutar kapsule, što znači da se doze mogu smanjiti i rjeđe uzimati. Vezanje različitih molekula na površinu dendrimera dovodi do toga da ih prepoznaju samo stanice pojedinih organa. To, pak, omogućuje da se lijek transportira izravno do odredišta, bez izlaganja cijelog tijela nepotrebnim nuspojavama, na primjer, u terapiji protiv raka.

2. Model dendrimera koji sadrži drugu molekulu

(vrh)

Kozmetika je stvorena 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). Dodatak emulgatora (koji omogućuje stvaranje stabilne otopine vode i masti) ne djeluje uvijek povoljno. Stoga kozmetički laboratoriji pokušavaju iskoristiti potencijal dendrimera kao transportera koji se lako mogu prilagoditi potrebama. Industrija kemikalija za zaštitu bilja suočava se sa sličnim problemima. Opet, često je potrebno miješati nepolarni pesticid s vodom. Dendrimeri olakšavaju povezivanje i, osim toga, postupno oslobađajući patogen iznutra, smanjuju količinu otrovnih tvari. Druga primjena je obrada metalnih srebrnih nanočestica, za koje je poznato da uništavaju mikrobe. Također su u tijeku istraživanja o korištenju dendrimera za transport antigena u cjepivima 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 stanicama, služi kao rezervni materijal (biljni škrob 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, to su ciklički ili prstenasti spojevi:

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 zanimljivi da im je ustupljeno mjesto u „Mladoj 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 treba čuditi - relativno su mali i sastoje se od visoko topljive glukoze (škrob stvara prevelike čestice da bi tvorio otopinu, ali se može suspendirati). Drugo, brojne OH skupine i atomi kisika glukoze mogu vezati druge molekule. Treće, ciklodekstrini se dobivaju jednostavnim biotehnološkim postupkom iz jeftinog i dostupnog škroba (trenutno u količini od tisuća tona godišnje). Četvrto, ostaju potpuno netoksične tvari. I, konačno, najizvorniji je njihov oblik (koji bi ti, Čitatelju, trebao predložiti pri upotrebi ovih spojeva): Kanta bez dna, t.j. ciklodekstrini su pogodni za prijenos drugih tvari (molekula koja je prošla kroz veću rupu neće ispasti). spremnik na dnu, a štoviše, vezan je međuatomskim silama). Zbog neškodljivosti za zdravlje mogu se koristiti kao sastojak lijekova i hrane.

Međutim, prva upotreba ciklodekstrina, otkrivena ubrzo nakon opisa, bila je katalitička aktivnost. Slučajno se pokazalo da se neke reakcije s njihovim sudjelovanjem odvijaju na potpuno drugačiji način nego u nedostatku tih spojeva u okolišu. Razlog je što molekula supstrata ("gost") ulazi u kantu ("domaćin") (4, 5). Stoga je dio molekule 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 molekule ciklodekstrina koja sadrži drugu molekulu.

5. Još jedan pogled na isti kompleks

Koje se molekule mogu pohraniti 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 drugi lanac

molekule, odnosno rotaksan (detaljnije: u br

siječnja)

čini ih korisnim za selektivno hvatanje spojeva iz okoliša. Tako se tvari nakon reakcije pročišćavaju i odvajaju iz smjese (na primjer, u proizvodnji lijekova).

Druga upotreba? U ciklusu bi bilo moguće navesti ulomke iz prethodnog članka (modeli enzima i prijenosnika, ne samo ionskih - ciklodekstrini prenose razne tvari) te ulomak koji opisuje dendrimere (prijenos djelatnih tvari u lijekovima, kozmetici i sredstvima za zaštitu bilja). Prednosti pakiranja ciklodekstrina također su slične - sve se otapa u vodi (za razliku od većine lijekova, kozmetike i pesticida), djelatna tvar se otpušta postupno i duže traje (što omogućuje manje doze), a korištena ambalaža je biorazgradiva (mikroorganizmi se brzo razgrađuju). ). prirodni proizvod, također se metabolizira u ljudskom tijelu). Sadržaj pakiranja također je zaštićen od utjecaja okoline (smanjeni pristup pohranjenoj molekuli). Sredstva za zaštitu bilja smještena u ciklodekstrinima imaju oblik pogodan za upotrebu. To je bijeli prah, sličan krumpirovom brašnu, koji se prije upotrebe otapa u vodi. Stoga nema potrebe koristiti opasna i zapaljiva organska otapala.

Prilikom pregledavanja popisa primjena ciklodekstrina, u njemu možemo pronaći nekoliko drugih "okusa" i "mirisa". Dok je prva često korištena metafora, druga bi vas mogla iznenaditi. Međutim, kemijske kante služe za uklanjanje loših mirisa te za pohranu i oslobađanje željenih aroma. Osvježivači zraka, apsorberi mirisa, parfemi i mirisni papiri samo su neki od primjera upotrebe kompleksa ciklodekstrina. Zanimljiva je činjenica da se prašcima za pranje dodaju aromatični spojevi pakirani u ciklodekstrine. Tijekom glačanja i nošenja, miris se postupno razlaže i oslobađa.

Vrijeme je za pokušaj. "Gorki lijek najbolje liječi", ali je užasnog okusa. Međutim, ako se primjenjuje u obliku kompleksa s ciklodekstrinom, neće biti neugodnih osjeta (tvar je izolirana iz okusnih pupoljaka). Gorčina soka od grejpa također se uklanja uz pomoć ciklodekstrina. Ekstrakti češnjaka i drugih začina mnogo su stabilniji u obliku kompleksa nego u slobodnom obliku. Slično pakirani okusi poboljšavaju okus kave i čaja. Osim toga, promatranje njihove antikolesterolske aktivnosti govori u prilog ciklodekstrinima. Čestice "lošeg" kolesterola vežu se unutar kemijske kante i u tom se obliku izlučuju iz tijela. Dakle, ciklodekstrini, proizvodi prirodnog podrijetla, su i samo zdravlje.