Cabinetul de Curiozități Chimice - Partea 2

Episodul anterior al secțiunii de chimie a prezentat mai mulți compuși dintr-un spectacol de ciudați chimici (judecând după titlul serialului, cu siguranță nu vei afla despre ei la școală). Acestea sunt „persoane” destul de respectabile care, în ciuda aspectului lor neobișnuit, au primit Premiul Nobel, iar proprietățile lor într-o serie de domenii cu greu pot fi supraestimate. În acest articol, este timpul să faceți cunoștință cu următoarele personaje originale din regatul chimiei, nu mai puțin interesante decât eterii coroanei și derivații lor.

Arbori chimici

Podandurile, compuși cu lanțuri lungi atașate de partea centrală a moleculei, au dat naștere unei noi clase de substanțe (mai multe despre „caracatițe chimice” în articolul de luna trecută). Chimiștii au decis să mărească numărul de „tentacule”. Pentru a face acest lucru, la fiecare dintre brațele care se termină într-un grup de atomi capabili să reacționeze, i s-a adăugat o altă moleculă, care se termină în grupurile corespunzătoare (două sau mai multe; scopul este de a crește numărul de secțiuni care s-ar putea conecta cu alte particule) . Mai multe molecule au reacționat cu el, apoi mai multe și așa mai departe. Creșterea dimensiunii întregului sistem este ilustrată de diagramă:

Chimiștii au asociat noii compuși cu ramuri de copac în creștere, de unde și denumirea de dendrimerium (din grecescul dendron = copac, meros = parte). Inițial a concurat cu termenii „arborola” (aceasta este latină, unde arbor înseamnă și lemn) sau „particule în cascadă”. Deși autorul seamănă mai mult cu tentaculele încâlcite ale meduzelor sau anemonelor sedentare, descoperitorii au, desigur, dreptul la nume. Asocierea dendrimerilor cu structuri fractale este, de asemenea, o observație importantă.

1. Modelul unuia dintre dendrimerii originalului

stadiul de creștere a ramurilor

Dendrimerii nu pot crește la infinit (1). Numărul de ramuri crește exponențial, iar după câteva până la zece etape de atașare a noi molecule pe suprafața masei sferice, spațiul liber se termină (întregul atinge dimensiuni nanometrice; un nanometru este o miliardime de metru). Pe de altă parte, posibilitățile de manipulare a proprietăților unui dendrimer sunt aproape nelimitate. Fragmentele prezente la suprafață pot fi hidrofile („iubitoare de apă”, adică având afinitate pentru apă și solvenți polari) sau hidrofobe („evitând apa”, dar tind să intre în contact cu lichide nepolare, cum ar fi majoritatea solvenților organici). solvenți). În mod similar, interiorul unei molecule poate fi de natură polară sau nepolară. Sub suprafața dendrimerului, între ramurile individuale, există spații libere în care pot fi introduse substanțe selectate (în stadiul de sinteză sau ulterior, acestea pot fi atașate și de grupuri de suprafață). Prin urmare, printre arborii chimici, fiecare va găsi ceva potrivit nevoilor sale. Și tu, cititorule, înainte de a citi acest articol până la sfârșit, gândește-te la ce poți folosi molecule pentru care, pe baza structurii lor, vor fi „confortabile” în orice mediu și care pot conține alte substanțe?

Desigur, ca containere pentru transportul compușilor selectați și protejarea conținutului acestora. (2). Acestea sunt principalele aplicații ale dendrimerilor. Deși în mare parte sunt încă în stadiul de cercetare, unele dintre ele sunt deja utilizate în practică. Dendrimerii sunt excelente pentru transportul medicamentelor în mediul apos al organismului. Unele medicamente trebuie modificate special pentru a se dizolva în fluidele corporale - utilizarea benzilor transportoare va evita aceste transformări (pot afecta negativ eficacitatea medicamentului). În plus, substanța activă este eliberată lent din interiorul capsulei, ceea ce înseamnă că dozele pot fi reduse și luate mai rar. Atașarea diferitelor molecule la suprafața dendrimerului duce la faptul că acestea sunt recunoscute doar de celulele anumitor organe. Acest lucru, la rândul său, permite ca medicamentul să fie transportat direct la destinație fără a expune întregul organism la efecte secundare inutile, de exemplu, în terapia anticancer.

2. Modelul unui dendrimer care conține o altă moleculă

(de mai sus)

Cosmeticele sunt create atât pe bază de apă, cât și de grăsimi. Cu toate acestea, adesea substanța activă este solubilă în grăsimi, iar produsul cosmetic este sub formă de soluție apoasă (și invers: substanța solubilă în apă trebuie amestecată cu o bază de grăsime). Adăugarea de emulgatori (permițând formarea unei soluții stabile de apă-grăsime) nu funcționează întotdeauna favorabil. Prin urmare, laboratoarele companiilor de cosmetice încearcă să exploateze potențialul dendrimerilor ca transportoare care pot fi ușor adaptate nevoilor. Industria chimică pentru protecția culturilor se confruntă cu probleme similare. Din nou, este adesea necesar să amestecați un pesticid nepolar cu apă. Dendrimerii facilitează conectarea și, în plus, eliberând treptat agentul patogen din interior, reduc cantitatea de substanțe toxice. O altă aplicație este tratamentul nanoparticulelor metalice de argint, despre care se știe că distrug microbii. De asemenea, sunt în desfășurare cercetări privind utilizarea dendrimerilor pentru a transporta antigene în vaccinuri și fragmente de ADN în cercetarea genetică. Există mai multe posibilități, trebuie doar să-ți folosești imaginația.

Găleți

Glucoza este cel mai abundent compus organic din lumea vie. Se estimează că anual sunt produse 100 de miliarde de tone! Organismele folosesc produsul principal al fotosintezei în moduri diferite. Glucoza este o sursă de energie în celule, servește ca material de rezervă (amidon vegetal și glicogen animal) și ca material de construcție (celuloză). La începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea, au fost identificați produse de descompunere parțială a amidonului sub acțiunea enzimelor bacteriene (abreviate ca CD). După cum sugerează și numele, acestea sunt conexiuni ciclice sau inelare:

Ele constau din șase (varianta a-CD), șapte (b-CD) sau opt (g-CD) molecule de glucoză, deși sunt cunoscute și inele mai mari. (3). Dar de ce sunt atât de interesante produsele metabolice ale unor bacterii încât să aibă loc în „Școala tehnică tânără”?

3. Modele de ciclodextrine. De la stânga la dreapta: a – KD, b – KD, g – KD.

În primul rând, ciclodextrinele sunt compuși solubili în apă, ceea ce nu ar trebui să fie surprinzător - sunt relativ mici și constau din glucoză foarte solubilă (amidonul formează particule prea mari pentru a forma o soluție, dar poate fi suspendat). În al doilea rând, numeroase grupări OH și atomi de oxigen ai glucozei sunt capabile să lege alte molecule. În al treilea rând, ciclodextrinele sunt produse printr-un proces biotehnologic simplu din amidon ieftin și ușor disponibil (în prezent în mii de tone pe an). În al patrulea rând, rămân substanțe complet netoxice. Și, în sfârșit, cel mai original lucru este forma lor (pe care tu, Cititorul, ar trebui să o sugerezi atunci când folosești acești compuși): găleată fără fund, i.e. ciclodextrinele sunt potrivite pentru transportul altor substanțe (o moleculă care trece printr-o gaură mai mare nu va cădea). recipient în partea de jos și, în plus, este conectat prin forțe interatomice). Datorită inofensivității lor pentru sănătate, ele pot fi folosite ca ingredient în medicamente și produse alimentare.

Cu toate acestea, prima utilizare a ciclodextrinelor, descoperită la scurt timp după descrierea lor, a fost activitatea catalitică. S-a dovedit întâmplător că unele reacții care le implică decurg complet diferit decât în ​​absența acestor compuși în mediu. Motivul este că molecula de substrat ("oaspete") intră în găleată ("gazdă") (4, 5). Prin urmare, o parte din moleculă este inaccesibilă pentru reactivi, iar transformarea poate avea loc numai în acele locuri care ies în afară. Mecanismul de acțiune este similar cu acțiunea multor enzime, care, de asemenea, „maschează” părți ale moleculelor.

4. Modelul unei molecule de ciclodextrină care conține o altă moleculă.

5. O altă privire asupra aceluiași complex

Ce molecule pot fi stocate în interiorul ciclodextrinelor? Aproape orice care se va potrivi în interior - punctul decisiv este corespondența reciprocă a dimensiunilor oaspetelui și gazdei (ca și în cazul eterilor corona și derivații acestora; vezi articolul de luna trecută) (6). Aceasta este o proprietate a ciclodextrinelor

6. Ciclodextrină înșirate pe un alt lanț

molecule, adică rotaxan (mai multe detalii: în numărul

Ianuarie)

le face utile pentru captarea selectivă a compușilor din mediu. În acest fel, substanțele sunt purificate și separate din amestec după o reacție (de exemplu, în producția de medicamente).

Alte utilizări? S-ar putea cita fragmente din articolul precedent din serie (modele de enzime și transportoare, nu numai ionice - ciclodextrinele transportă diverse substanțe) și un fragment care descrie dendrimeri (transport substanțe active în medicamente, cosmetice și produse de protecție a plantelor). Avantajele ambalajului cu ciclodextrine sunt, de asemenea, similare - totul se dizolvă în apă (spre deosebire de majoritatea medicamentelor, cosmeticelor și pesticidelor), substanța activă este eliberată treptat și durează mai mult (permițând folosirea unor doze mai mici), iar recipientul folosit este biodegradabil (microorganismele se descompun. repede). un produs natural, este metabolizat și în corpul uman). Conținutul ambalajului este, de asemenea, protejat de influențele mediului (acces redus la molecula stocată). Produsele de protecție a plantelor introduse în ciclodextrine au o formă convenabilă pentru utilizare. Este o pulbere albă asemănătoare făinii de cartofi care se dizolvă în apă înainte de utilizare. Prin urmare, nu este nevoie să folosiți solvenți organici periculoși și inflamabili.

Când ne uităm la lista de utilizări ale ciclodextrinei, putem găsi câteva alte „arome” și „mirosuri” enumerate. În timp ce prima este o metaforă des folosită, a doua te poate surprinde. Cu toate acestea, gălețile chimice au scopul de a îndepărta mirosurile neplăcute, precum și de a stoca și elibera aromele dorite. Odorizantele, absorbantele de mirosuri, parfumurile și hârtia parfumată sunt doar câteva exemple de utilizări ale complexelor de ciclodextrină. Un fapt interesant este că la pudrele de spălat se adaugă compuși de parfum ambalați în ciclodextrine. În timpul călcării și purtării, aroma se descompune treptat și este eliberată.

E timpul să încerci. „Medicamentul amar este cel mai bun medicament”, dar are un gust groaznic. Totuși, dacă se administrează sub formă de complex cu ciclodextrină, nu vor exista senzații neplăcute (substanța este izolată din papilele gustative). Amărăciunea sucului de grepfrut este îndepărtată și cu ajutorul ciclodextrinelor. Extractele de usturoi și alte condimente sunt mult mai stabile sub formă de complexe decât în ​​formă liberă. Aromele ambalate în mod similar îmbunătățesc gustul cafelei și ceaiului. În plus, observarea activității lor anticolesterol vorbește în favoarea ciclodextrinelor. Particulele de colesterol „rău” sunt legate într-o găleată chimică și sunt excretate din organism sub această formă. Deci ciclodextrinele, produse de origine naturală, sunt și sănătatea însăși.