Chemijos įdomybių kabinetas – 2 dalis

Ankstesniame chemijos skyriaus numeryje buvo pristatyti keli junginiai iš chemijos keistuolių šou (sprendžiant pagal serialo pavadinimą, mokykloje apie juos tikrai nesužinosite). Tai gana garbingi „asmenys“, kurie, nepaisant neįprastos išvaizdos, buvo apdovanoti Nobelio premija, o jų savybes daugelyje sričių vargu ar galima pervertinti. Šiame straipsnyje atėjo laikas susipažinti su kitais originaliais chemijos sferos personažais, ne mažiau įdomiais nei karūnos eteriai ir jų dariniai.

cheminiai medžiai

Dėl ankštarų – junginių su ilgomis grandinėmis, pritvirtintomis prie centrinės molekulės dalies, atsirado nauja medžiagų klasė (daugiau apie „cheminius aštuonkojai“ – praėjusio mėnesio straipsnyje). Chemikai nusprendė padidinti „čiuptuvų“ skaičių. Norėdami tai padaryti, prie kiekvienos rankos, baigiančios reaguoti galinčių atomų grupe, buvo pridėta kita molekulė, pasibaigianti atitinkamomis grupėmis (dvi ar daugiau; esmė yra padidinti vietų, kurias būtų galima sujungti su kitomis dalelėmis, skaičių ). Su juo reagavo daugiau molekulių, tada daugiau ir t.t. Visos sistemos dydžio padidėjimą iliustruoja diagrama:

Chemikai naujus junginius susiejo su augančiomis medžių šakomis, iš čia ir kilo pavadinimas dendrimeria (iš graikų kalbos dendron = medis, meros = dalis). Iš pradžių jis konkuravo su terminais „arborole“ (tai lotyniškai, kur pavėsinė taip pat reiškia medį) arba „kaskados dalelės“. Nors autorė labiau primena susivėlusius medūzų ar neaktyvių anemonų čiuptuvus, atradėjai, žinoma, turi teisę į vardus. Dendrimerų susiejimas su fraktalinėmis struktūromis taip pat yra svarbus pastebėjimas.

1. Vieno iš originalių dendrimerių modelis

šakos augimo stadija

Dendrimeriai negali augti neribotą laiką (1). Šakų skaičius auga eksponentiškai, o po kelių – dešimties naujų molekulių prisitvirtinimo ant sferinės masės paviršiaus etapų baigiasi laisva erdvė (visa pasiekia nanometrinius matmenis; nanometras – milijardoji metro dalis). Kita vertus, galimybės manipuliuoti dendrimerio savybėmis yra beveik neribotos. Paviršiuje esančios dalys gali būti hidrofilinės („mėgstančios vandenį“, t. y. turinčios afinitetą vandeniui ir poliniams tirpikliams) arba hidrofobinės („vengiančios vandens“, bet linkusios liestis su nepoliniais skysčiais, pvz., dauguma organinių tirpiklių). tirpikliai). Panašiai molekulės vidus gali būti polinis arba nepolinis. Po dendrimerio paviršiumi tarp atskirų šakų yra laisvos erdvės, į kurias galima įvesti pasirinktas medžiagas (sintezės stadijoje ar vėliau jos gali būti prijungtos ir prie paviršiaus grupių). Todėl tarp cheminių medžių kiekvienas ras ką nors tinkamo pagal savo poreikius. O tu, skaitytojau, prieš skaitydamas šį straipsnį iki galo, pagalvok, kam gali panaudoti molekules, kurios pagal savo sandarą bus „patogios“ bet kokioje aplinkoje, o kokių dar medžiagų gali būti?

Žinoma, kaip konteinerius pasirinktiems junginiams transportuoti ir jų turiniui apsaugoti. (2). Tai yra pagrindiniai dendrimerių naudojimo būdai. Nors dauguma jų dar tik tyrimo stadijoje, dalis jų jau pritaikoma praktikoje. Dendrimeriai puikiai perneša narkotikus organizmo vandens aplinkoje. Kai kuriuos vaistus reikia specialiai modifikuoti, kad jie ištirptų kūno skysčiuose – naudojant konvejerius bus išvengta šių virsmų (jie gali neigiamai paveikti vaisto veiksmingumą). Be to, veiklioji medžiaga lėtai išsiskiria iš kapsulės, o tai reiškia, kad dozes galima sumažinti ir vartoti rečiau. Įvairių molekulių prijungimas prie dendrimerio paviršiaus lemia tai, kad jas atpažįsta tik atskirų organų ląstelės. Tai savo ruožtu leidžia gabenti vaistą tiesiai į paskirties vietą, nesukeliant viso organizmo nereikalingo šalutinio poveikio, pavyzdžiui, gydant priešvėžį.

2. Dendrimero, turinčio kitą molekulę, modelis

(viršuje)

Kosmetika kuriama tiek vandens, tiek riebalų pagrindu. Tačiau dažnai veiklioji medžiaga yra tirpi riebaluose, o kosmetikos gaminys yra vandeninio tirpalo pavidalo (ir atvirkščiai: vandenyje tirpi medžiaga turi būti sumaišyta su riebalų pagrindu). Emulsiklių pridėjimas (leidžiantis susidaryti stabiliam vandens ir riebalų tirpalui) ne visada veikia palankiai. Todėl kosmetikos laboratorijose dendrimerių potencialą bandoma išnaudoti kaip konvejerius, kuriuos galima nesunkiai pritaikyti pagal poreikius. Su panašiomis problemomis susiduria augalų apsaugos chemijos pramonė. Vėlgi, dažnai reikia sumaišyti nepolinį pesticidą su vandeniu. Dendrimeriai palengvina prisijungimą ir, be to, palaipsniui išskirdami patogeną iš vidaus, sumažina toksinių medžiagų kiekį. Kitas pritaikymas yra metalinių sidabro nanodalelių, kurios, kaip žinoma, naikina mikrobus, apdorojimas. Taip pat atliekami dendrimerų panaudojimo antigenams vakcinose ir DNR fragmentams transportuoti genetiniuose tyrimuose tyrimai. Galimybių yra daugiau, tereikia pasitelkti fantaziją.

Kibirai

Gliukozė yra gausiausias organinis junginys gyvajame pasaulyje. Apskaičiuota, kad kasmet jo pagaminama 100 milijardų tonų! Organizmai pagrindinį fotosintezės produktą naudoja įvairiais būdais. Gliukozė yra energijos šaltinis ląstelėse, tarnauja kaip atsarginė medžiaga (augalinis krakmolas ir gyvulinis glikogenas) ir statybinė medžiaga (celiuliozė). Devynioliktojo ir dvidešimto amžių sandūroje buvo nustatyti dalinio krakmolo skilimo, veikiant bakterijų fermentams, produktai (sutrumpintai KD). Kaip rodo pavadinimas, tai yra cikliniai arba žiediniai junginiai:

Jas sudaro šešios (a-CD variantas), septynios (b-CD) arba aštuonios (g-CD) gliukozės molekulės, nors žinomi ir didesni žiedai. (3). Tačiau kodėl kai kurių bakterijų medžiagų apykaitos produktai yra tokie įdomūs, kad jiems skirta vieta „Jaunojoje technikos mokykloje“?

3. Ciklodekstrinų modeliai. Iš kairės į dešinę: a - KD, b - KD, g - KD.

Visų pirma, ciklodekstrinai yra vandenyje tirpūs junginiai, tai neturėtų stebinti – jie yra palyginti nedideli ir susideda iš labai tirpios gliukozės (krakmolas sudaro per dideles daleles, kad susidarytų tirpalas, bet gali būti suspenduotas). Antra, daugybė OH grupių ir gliukozės deguonies atomų gali surišti kitas molekules. Trečia, ciklodekstrinai gaunami paprastu biotechnologiniu būdu iš pigaus ir turimo krakmolo (šiuo metu tūkstančiai tonų per metus). Ketvirta, jie lieka visiškai netoksiškos medžiagos. Ir, galiausiai, originaliausia yra jų forma (kurią Jūs, Skaitytojau, turėtumėte pasiūlyti vartodami šiuos junginius): Kibiras be dugno, t.y. ciklodekstrinai tinka kitoms medžiagoms pernešti (pro didesnę skylutę praėjusi molekulė neiškris). konteineris apačioje ir, be to, yra surištas tarpatominių jėgų). Dėl nekenksmingumo sveikatai jie gali būti naudojami kaip vaistų ir maisto sudedamoji dalis.

Tačiau pirmasis ciklodekstrinų panaudojimas, atrastas netrukus po aprašymo, buvo katalizinis aktyvumas. Atsitiktinai paaiškėjo, kad kai kurios reakcijos su jų dalyvavimu vyksta visiškai kitaip nei tada, kai aplinkoje nėra šių junginių. Priežastis ta, kad substrato molekulė („svečias“) patenka į kibirą („šeimininkas“). (4, 5). Todėl dalis molekulės yra nepasiekiama reagentams, o transformacija gali įvykti tik tose vietose, kurios išsikiša. Veikimo mechanizmas panašus į daugelio fermentų veikimą, kurie taip pat „maskuoja“ molekulių dalis.

4. Ciklodekstrino molekulės, turinčios kitą molekulę, modelis.

5. Kitas žvilgsnis į tą patį kompleksą

Kokios molekulės gali būti laikomos ciklodekstrinuose? Beveik viskas, kas tilps viduje – svečio ir šeimininko dydžio atitikimas yra labai svarbus (kaip ir koronaeterių ir jų darinių atveju; žr. praėjusio mėnesio straipsnį) (6). Ši ciklodekstrinų savybė

6. Ciklodekstrinas, suvertas ant kitos grandinės

molekulės, t. y. rotaksanas (daugiau informacijos: numeryje

sausio mėn.)

todėl jie naudingi selektyviai gaudant junginius iš aplinkos. Taigi medžiagos išgryninamos ir po reakcijos atskiriamos iš mišinio (pavyzdžiui, gaminant vaistus).

Kitas naudojimas? Būtų galima pacituoti ištraukas iš ankstesnio ciklo straipsnio (fermentų ir transporterių modeliai, ne tik joniniai - ciklodekstrinai perneša įvairias medžiagas) ir ištrauką, apibūdinančią dendrimerus (pernešančius veikliąsias medžiagas vaistuose, kosmetikoje ir augalų apsaugos produktuose). Ciklodekstrino pakuočių privalumai irgi panašūs – viskas tirpsta vandenyje (skirtingai nei dauguma vaistų, kosmetikos ir pesticidų), veiklioji medžiaga išsiskiria palaipsniui ir išsilaiko ilgiau (tai leidžia vartoti mažesnes dozes), o naudojama talpa yra biologiškai skaidoma (mikroorganizmai greitai suyra ). natūralus produktas, jis taip pat metabolizuojamas žmogaus organizme). Pakuotės turinys taip pat apsaugotas nuo aplinkos poveikio (sumažinta prieiga prie saugomos molekulės). Augalų apsaugos produktai, dedami į ciklodekstrinus, yra patogios naudoti formos. Tai balti milteliai, panašūs į bulvių miltus, kurie prieš naudojimą ištirpinami vandenyje. Todėl nereikia naudoti pavojingų ir degių organinių tirpiklių.

Naršydami ciklodekstrino naudojimo būdų sąrašą, jame galime rasti dar keletą „skonių“ ir „kvapų“. Nors pirmoji yra dažniausiai naudojama metafora, antroji gali jus nustebinti. Tačiau cheminiai kibirai padeda pašalinti blogus kvapus ir saugoti bei išlaisvinti norimus aromatus. Oro gaivikliai, kvapų sugėrikliai, kvepalai ir kvapnusis popierius – tai tik keli ciklodekstrino kompleksų naudojimo pavyzdžiai. Įdomus faktas, kad į skalbimo miltelius dedama kvapiųjų medžiagų, supakuotų į ciklodekstrinus. Lyginimo ir nešiojimo metu kvapas palaipsniui suskaidomas ir išsiskiria.

Laikas pabandyti. „Geriausiai gydo kartaus vaistas“, bet jo skonis baisus. Tačiau jei jis bus vartojamas kaip kompleksas su ciklodekstrinu, nebus jokių nemalonių pojūčių (medžiaga išskiriama iš skonio receptorių). Greipfrutų sulčių kartumas taip pat pašalinamas ciklodekstrinų pagalba. Česnakų ir kitų prieskonių ekstraktai yra daug stabilesni kompleksų pavidalu nei laisvi. Panašiai supakuoti skoniai sustiprina kavos ir arbatos skonį. Be to, jų anticholesterolio aktyvumo stebėjimas kalba apie ciklodekstrinus. „Blogojo“ cholesterolio dalelės jungiasi cheminio kibiro viduje ir tokia forma išsiskiria iš organizmo. Taigi ciklodekstrinai, natūralios kilmės produktai, yra ir pati sveikata.