Keemiliste uudishimude kabinet – 2. osa

Eelmises keemiarubriigis esitleti mitmeid keemiafriigide show ühendeid (sarja nime järgi otsustades koolis neid kindlasti ei õpi). Tegemist on üsna soliidsete "isikutega", kes oma ebatavalisele välimusele vaatamata pälvisid Nobeli preemia ja nende omadusi mitmes valdkonnas ei saa vaevalt üle hinnata. Selles artiklis on aeg tutvuda järgmiste originaaltegelastega keemia vallast, mis pole vähem huvitavad kui krooneetrid ja nende derivaadid.

keemiapuud

Kaunad, molekuli keskosa külge kinnitatud pikkade ahelatega ühendid, on tekitanud uue aineklassi ("keemilistest kaheksajalgadest" on pikemalt juttu eelmise kuu artiklis). Keemikud otsustasid "kombitsate" arvu suurendada. Selleks lisati igale reageerimisvõimelise aatomirühmaga lõppevale harule teine ​​molekul, mis lõppes vastavate rühmadega (kaks või enamat; mõte on suurendada teiste osakestega kombineeritavate kohtade arvu ). Sellega reageeris rohkem molekule, siis rohkem ja nii edasi. Kogu süsteemi suuruse suurenemist illustreerib diagramm:

Keemikud on seostanud uued ühendid kasvavate puude okstega, sellest ka nimetus dendrimeria (kreeka keelest dendron = puu, meros = osa). Esialgu konkureeris see mõistetega "arborole" (see on ladina keeles, kus arbor tähendab ka puud) või "kaskaadosakesed". Kuigi autor näeb välja pigem meduuside või mitteaktiivsete anemoonide sassis kombitsad, on avastajatel mõistagi õigus nimedele. Oluline tähelepanek on ka dendrimeeride seos fraktaalstruktuuridega.

1. Ühe originaalse dendrimeeri mudel

haru kasvufaasis

Dendrimeerid ei saa lõputult kasvada (1). Okste arv kasvab plahvatuslikult ning pärast paari-kümmet uute molekulide kinnitumise etappi kerakujulise massi pinnal lõpeb vaba ruum (tervik saavutab nanomeetri mõõtmed; nanomeeter on meetri miljardik). Teisest küljest on dendrimeeri omadustega manipuleerimise võimalused peaaegu piiramatud. Pinnal esinevad osad võivad olla hüdrofiilsed ("vett armastavad", st omavad afiinsust vee ja polaarsete lahustite suhtes) või hüdrofoobsed ("vältivad vett", kuid kalduvad kokku puutuma mittepolaarsete vedelikega, nt enamiku orgaaniliste lahustitega). lahustid). Samamoodi võib molekuli sisemus olla olemuselt polaarne või mittepolaarne. Dendrimeri pinna all üksikute harude vahel on vabad ruumid, kuhu saab sisestada valitud aineid (sünteesi staadiumis või hiljem saab neid ka pinnarühmade külge kinnitada). Seetõttu leiab keemiapuude hulgast igaüks oma vajadustele sobiva. Ja teie, lugeja, mõelge enne selle artikli lõpuni lugemist, milleks saate kasutada molekule, mis oma struktuuri poolest on igas keskkonnas "mugavad" ja milliseid aineid veel võib sisaldada?

Muidugi konteineritena valitud ühendite transportimiseks ja nende sisu kaitsmiseks. (2). Need on dendrimeeride peamised rakendused. Kuigi enamik neist on alles uurimisjärgus, rakendatakse mõnda neist juba praktikas. Dendrimeerid sobivad suurepäraselt ravimite transportimiseks organismi veekeskkonnas. Mõnda ravimit tuleb kehavedelikes lahustumiseks spetsiaalselt modifitseerida – konveierite kasutamine hoiab ära need muutused (need võivad negatiivselt mõjutada ravimi efektiivsust). Lisaks vabaneb toimeaine kapslist aeglaselt, mis tähendab, et annuseid saab vähendada ja võtta harvemini. Erinevate molekulide kinnitumine dendrimeeri pinnale toob kaasa asjaolu, et neid tunnevad ära ainult üksikute elundite rakud. See omakorda võimaldab toimetada ravimi otse sihtkohta, ilma et kogu keha oleks näiteks vähivastases ravis tarbetute kõrvalmõjudega kokku puutunud.

2. Teist molekuli sisaldava dendrimeeri mudel

(ülemine)

Kosmeetika on loodud nii vee kui ka rasvade baasil. Sageli on aga toimeaine rasvlahustuv ning kosmeetikatoode on vesilahuse kujul (ja vastupidi: vees lahustuv aine tuleb segada rasvapõhjaga). Emulgaatorite lisamine (võimaldab stabiilse vee-rasvalahuse moodustumist) ei mõju alati soodsalt. Seetõttu püüavad kosmeetikalaborid kasutada dendrimeeride potentsiaali konveieritena, mida saab hõlpsasti vastavalt vajadustele kohandada. Taimekaitsekeemiatööstus seisab silmitsi sarnaste probleemidega. Jällegi on sageli vaja mittepolaarset pestitsiidi segada veega. Dendrimeerid hõlbustavad ühendamist ja lisaks vähendavad patogeeni järk-järgult seestpoolt vabastades mürgiste ainete hulka. Teine rakendus on metallilise hõbeda nanoosakeste töötlemine, mis teadaolevalt hävitavad mikroobid. Samuti uuritakse dendrimeeride kasutamist antigeenide transportimiseks vaktsiinides ja DNA fragmentide geeniuuringutes. Võimalusi on rohkem, tuleb vaid oma kujutlusvõimet kasutada.

Ämbrid

Glükoos on elusmaailmas kõige rikkalikum orgaaniline ühend. Hinnanguliselt toodetakse seda aastas 100 miljardit tonni! Organismid kasutavad fotosünteesi põhiprodukti erineval viisil. Glükoos on rakkudes energiaallikas, reservmaterjal (taimne tärklis ja loomne glükogeen) ja ehitusmaterjal (tselluloos). XNUMX. ja XNUMX. sajandi vahetusel tuvastati tärklise osalise lagunemise produktid bakteriaalsete ensüümide toimel (lühendatult KD). Nagu nimigi ütleb, on need tsüklilised või tsüklilised ühendid:

Need koosnevad kuuest (variant a-CD), seitsmest (b-CD) või kaheksast (g-CD) glükoosi molekulist, kuigi on teada ka suuremaid rõngaid. (3). Miks on aga mõne bakteri ainevahetusproduktid nii huvitavad, et neile antakse koht "Noores tehnikakoolis"?

3. Tsüklodekstriinide mudelid. Vasakult paremale: a - KD, b - KD, g - KD.

Esiteks on tsüklodekstriinid vees lahustuvad ühendid, mis ei tohiks üllatada - need on suhteliselt väikesed ja koosnevad hästi lahustuvast glükoosist (tärklis moodustab lahuse moodustamiseks liiga suuri osakesi, kuid võib suspendeerida). Teiseks on arvukad OH rühmad ja glükoosi hapnikuaatomid võimelised siduma teisi molekule. Kolmandaks saadakse tsüklodekstriine lihtsa biotehnoloogilise protsessiga odavast ja kättesaadavast tärklisest (praegu tuhandetes tonnides aastas). Neljandaks jäävad need täiesti mittetoksilisteks aineteks. Ja lõpuks, kõige originaalsem on nende vorm (mida sina, Lugeja, peaksid nende ühendite kasutamisel soovitama): Põhjatu ämber, s.o. tsüklodekstriinid sobivad teiste ainete kandmiseks (suuremast august läbi käinud molekul ei kuku välja). konteiner põhjas ja pealegi on see seotud aatomitevaheliste jõududega). Oma tervisele kahjutuse tõttu võib neid kasutada ravimite ja toiduainete koostisosana.

Tsüklodekstriinide esimene kasutusala, mis avastati vahetult pärast kirjeldust, oli aga katalüütiline aktiivsus. Juhuslikult selgus, et mõned reaktsioonid nende osalusel kulgevad hoopis teistmoodi kui nende ühendite puudumisel keskkonnas. Põhjus on selles, et substraadi molekul ("külaline") satub ämbrisse ("peremees") (4, 5). Seetõttu on osa molekulist reagentidele kättesaamatu ja transformatsioon saab toimuda ainult nendes kohtades, mis väljaulatuvad. Toimemehhanism sarnaneb paljude ensüümide toimega, mis samuti "maskeerivad" molekulide osi.

4. Teist molekuli sisaldava tsüklodekstriini molekuli mudel.

5. Veel üks pilk samale kompleksile

Milliseid molekule saab tsüklodekstriinides säilitada? Peaaegu kõik, mis sisse mahub – külalise ja peremehe suuruse sobitamine on ülioluline (nagu koroonaeetrite ja nende derivaatide puhul; vt eelmise kuu artiklit) (6). See tsüklodekstriinide omadus

6. Teisele ketile nööritud tsüklodekstriin

molekulid, st rotaksaan (täpsemalt: numbris

jaanuar)

muudab need kasulikuks ühendite valikuliseks hõivamiseks keskkonnast. Seega ained puhastatakse ja eraldatakse segust pärast reaktsiooni (näiteks ravimite valmistamisel).

Muu kasutus? Tsüklisse oleks võimalik tuua väljavõtteid eelmisest artiklist (ensüümide ja transportijate mudelid, mitte ainult ioonsed - tsüklodekstriinid transpordivad erinevaid aineid) ja dendrimeere kirjeldav väljavõte (ravimite, kosmeetika ja taimekaitsevahendite toimeainete transport). Ka tsüklodekstriini pakendamise eelised on sarnased – kõik lahustub vees (erinevalt enamikust ravimitest, kosmeetikavahenditest ja pestitsiididest), toimeaine vabaneb järk-järgult ja säilib kauem (mis võimaldab väiksemaid annuseid) ning kasutatud anum on biolagunev (mikroorganismid lagunevad kiiresti ). looduslik toode, see metaboliseerub ka inimkehas). Samuti on pakendi sisu kaitstud keskkonna eest (vähendatud juurdepääs salvestatud molekulile). Tsüklodekstriinidesse pandud taimekaitsevahendid on kasutamiseks mugava vormiga. See on kartulijahule sarnane valge pulber, mis lahustatakse enne kasutamist vees. Seetõttu ei ole vaja kasutada ohtlikke ja tuleohtlikke orgaanilisi lahusteid.

Tsüklodekstriini kasutusalade loendit sirvides võime leida sellelt mitmeid teisi "maitseid" ja "lõhnasid". Kui esimene on sageli kasutatav metafoor, siis teine ​​võib teid üllatada. Kuid keemiaämbrid aitavad eemaldada halba lõhna ning säilitada ja vabastada soovitud aroome. Õhuvärskendajad, lõhna absorbeerijad, parfüümid ja lõhnapaberid on vaid mõned näited tsüklodekstriini komplekside kasutamisest. Huvitav fakt on see, et pesupulbritele lisatakse tsüklodekstriinidesse pakendatud maitseühendeid. Triikimise ja kandmise ajal aroom laguneb ja eraldub järk-järgult.

Aeg proovida. "Mõru ravim ravib kõige paremini," kuid see maitseb kohutavalt. Kui seda aga manustada kompleksina tsüklodekstriiniga, siis ebameeldivaid aistinguid ei teki (aine isoleeritakse maitsepungadest). Tsüklodekstriinide abil eemaldatakse ka greibimahla kibedus. Küüslaugu ja teiste vürtside ekstraktid on kompleksidena palju stabiilsemad kui vabas vormis. Sarnaselt pakendatud maitsed parandavad kohvi ja tee maitset. Lisaks räägib tsüklodekstriinide kasuks nende kolesteroolivastase toime jälgimine. "Halva" kolesterooli osakesed seovad end keemilise ämbri sees ja erituvad sellisel kujul organismist välja. Seega on tsüklodekstriinid, looduslikku päritolu tooted, ka tervis ise.