Gabinet Osobliwości Chemicznych - Część 2

W poprzednim odcinku działu chemia pojawiło się kilka związków z chemicznego dziwactwa (sądząc po tytule serialu, na pewno nie dowiecie się o nich w szkole). Są to całkiem zacne „osoby”, które mimo niezwykłego wyglądu zostały uhonorowane Nagrodą Nobla, a ich właściwości w wielu dziedzinach trudno przecenić. W tym artykule przyszedł czas na zapoznanie się z kolejnymi oryginalnymi postaciami z królestwa chemii, nie mniej interesującymi niż etery koronowe i ich pochodne.

Drzewa chemiczne

Podandy, związki o długich łańcuchach przyłączonych do centralnej części cząsteczki, dały początek nowej klasie substancji (więcej na temat „ośmiornic chemicznych” w artykule z zeszłego miesiąca). Aptekarze postanowili zwiększyć liczbę „macek”. W tym celu do każdego z ramion zakończonych grupą atomów zdolnych do reakcji dodano kolejną cząsteczkę, kończącą się na odpowiednich grupach (dwie lub więcej; chodzi o zwiększenie liczby odcinków, które mogłyby połączyć się z innymi cząstkami) . Przereagowało z nim więcej cząsteczek, potem więcej i tak dalej. Wzrost wielkości całego układu ilustruje diagram:

Chemicy skojarzyli nowe związki z rosnącymi gałęziami drzew, stąd nazwa dendrimerium (od greckiego dendron = drzewo, meros = część). Pierwotnie konkurowała z określeniami „arborola” (to łac., gdzie altana oznacza również drewno) czy „cząstki kaskadowe”. Choć autor bardziej przypomina splątane macki meduz lub osiadłych ukwiałów, odkrywcy mają oczywiście prawo do imion. Ważną obserwacją jest także powiązanie dendrymerów ze strukturami fraktalnymi.

1. Model jednego z dendrymerów oryginału

faza wzrostu gałęzi

Dendrymery nie mogą rosnąć w nieskończoność (1). Liczba rozgałęzień rośnie wykładniczo, a po kilku do dziesięciu etapach przyłączania się nowych molekuł na powierzchni kulistej masy wolna przestrzeń się kończy (całość osiąga nanometrowe wymiary; nanometr to jedna miliardowa metra). Z drugiej strony możliwości manipulowania właściwościami dendrymeru są niemal nieograniczone. Ugrupowania obecne na powierzchni mogą być hydrofilowe („lubiące wodę”, tj. mające powinowactwo do wody i rozpuszczalników polarnych) lub hydrofobowe („unikające wody”, ale podatne na kontakt z cieczami niepolarnymi, np. większością rozpuszczalników organicznych). rozpuszczalniki). Podobnie wnętrze cząsteczki może mieć charakter polarny lub niepolarny. Pod powierzchnią dendrymeru, pomiędzy poszczególnymi rozgałęzieniami, znajdują się wolne przestrzenie, w które można wprowadzać wybrane substancje (na etapie syntezy lub później można je również przyłączać do grup powierzchniowych). Dlatego wśród drzew chemicznych każdy znajdzie coś odpowiedniego dla swoich potrzeb. A ty, czytelniku, zanim doczytasz ten artykuł do końca, zastanów się, do czego możesz wykorzystać molekuły, które swoją budową będą „komfortowe” w każdym środowisku, a jakie inne substancje mogą zawierać?

Oczywiście jako pojemniki do transportu wybranych związków i zabezpieczenia ich zawartości. (2). Oto główne zastosowania dendrymerów. Choć w większości znajdują się one jeszcze na etapie badań, część z nich jest już wykorzystywana w praktyce. Dendrymery doskonale nadają się do transportu leków w środowisku wodnym organizmu. Niektóre leki muszą być specjalnie modyfikowane, aby rozpuszczały się w płynach ustrojowych – zastosowanie przenośników pozwoli uniknąć tych przemian (mogą one negatywnie wpłynąć na skuteczność leku). Dodatkowo substancja czynna powoli uwalnia się z wnętrza kapsułki, co sprawia, że ​​dawki można zmniejszać i przyjmować rzadziej. Przyłączenie różnych cząsteczek do powierzchni dendrymeru powoduje, że są one rozpoznawane tylko przez komórki niektórych narządów. To z kolei pozwala na przetransportowanie leku bezpośrednio do miejsca przeznaczenia, bez narażania całego organizmu na niepotrzebne skutki uboczne np. w terapii przeciwnowotworowej.

2. Model dendrymeru zawierającego inną cząsteczkę

(powyżej)

Kosmetyki tworzone są zarówno na bazie wody, jak i tłuszczów. Często jednak substancja aktywna jest rozpuszczalna w tłuszczach, a produkt kosmetyczny ma postać roztworu wodnego (i odwrotnie: substancję rozpuszczalną w wodzie należy wymieszać z bazą tłuszczową). Dodanie emulgatorów (pozwalających na utworzenie stabilnego roztworu wodno-tłuszczowego) nie zawsze działa korzystnie. Dlatego laboratoria firm kosmetycznych starają się wykorzystać potencjał dendrymerów jako przenośników, które można łatwo dostosować do potrzeb. Z podobnymi problemami boryka się branża środków ochrony roślin. Ponownie często konieczne jest zmieszanie niepolarnego pestycydu z wodą. Dendrymery ułatwiają połączenie, a dodatkowo stopniowo uwalniając patogen od wewnątrz, zmniejszają ilość substancji toksycznych. Innym zastosowaniem jest obróbka nanocząstek metalicznego srebra, o których wiadomo, że niszczą drobnoustroje. Trwają także badania nad wykorzystaniem dendrymerów do transportu antygenów w szczepionkach i fragmentów DNA w badaniach genetycznych. Możliwości jest więcej, wystarczy tylko użyć wyobraźni.

Wiadra

Glukoza jest najobficiej występującym związkiem organicznym w świecie żywym. Szacuje się, że rocznie produkuje się 100 miliardów ton! Organizmy wykorzystują główny produkt fotosyntezy na różne sposoby. Glukoza jest źródłem energii w komórkach, pełni funkcję materiału rezerwowego (skrobia roślinna i glikogen zwierzęcy) oraz materiału budowlanego (celuloza). Na przełomie XIX i XX wieku zidentyfikowano produkty częściowego rozkładu skrobi pod wpływem enzymów bakteryjnych (w skrócie CD). Jak sama nazwa wskazuje, są to połączenia cykliczne lub pierścieniowe:

Składają się z sześciu (wariant a-CD), siedmiu (b-CD) lub ośmiu (g-CD) cząsteczek glukozy, chociaż znane są również większe pierścienie. (3). Ale dlaczego produkty metaboliczne niektórych bakterii są tak interesujące, że znalazło się dla nich miejsce w „Młodej Szkole Technicznej”?

3. Modele cyklodekstryn. Od lewej do prawej: a – KD, b – KD, g – KD.

Przede wszystkim cyklodekstryny są związkami rozpuszczalnymi w wodzie, co nie powinno dziwić – są stosunkowo małe i składają się z dobrze rozpuszczalnej glukozy (skrobia tworzy zbyt duże cząstki, aby utworzyć roztwór, ale może być zawieszona). Po drugie, liczne grupy OH i atomy tlenu glukozy są zdolne do wiązania innych cząsteczek. Po trzecie, cyklodekstryny pozyskiwane są prostym procesem biotechnologicznym z taniej i dostępnej skrobi (obecnie w ilości tysięcy ton rocznie). Po czwarte, pozostają całkowicie nietoksycznymi substancjami. I wreszcie najbardziej oryginalna jest ich forma (którą Ty, Czytelniku, powinieneś sugerować stosując te związki): Wiadro bez dna, czyli cyklodekstryny nadają się do przenoszenia innych substancji (cząsteczka, która przeszła przez większy otwór nie wypadnie). pojemnik na dnie, a ponadto jest związany siłami międzyatomowymi). Ze względu na swoją nieszkodliwość dla zdrowia mogą być stosowane jako składnik leków i żywności.

Jednak pierwszym zastosowaniem cyklodekstryn, odkrytym wkrótce po ich opisie, była aktywność katalityczna. Przypadkowo okazało się, że niektóre reakcje z ich udziałem przebiegają zupełnie inaczej niż przy braku tych związków w środowisku. Powodem jest to, że cząsteczka substratu („gość”) dostaje się do wiadra („gospodarz”) (4, 5). Dlatego część cząsteczki jest niedostępna dla odczynników, a transformacja może nastąpić tylko w tych miejscach, które wystają na zewnątrz. Mechanizm działania jest podobny do działania wielu enzymów, które również „maskują” części cząsteczek.

4. Model cząsteczki cyklodekstryny zawierającej inną cząsteczkę.

5. Kolejne spojrzenie na ten sam kompleks

Jakie cząsteczki mogą być przechowywane wewnątrz cyklodekstryn? Prawie taki, który zmieści się w środku – decydująca jest wzajemna zgodność rozmiarów gościa i gospodarza (jak w przypadku eterów koronowych i ich pochodnych; patrz artykuł z poprzedniego miesiąca) (6). Jest to właściwość cyklodekstryn

6. Cyklodekstryna nawleczona na inny łańcuch

cząsteczki, czyli rotaksan (więcej szczegółów: w numerze

Styczeń)

czyni je przydatnymi do selektywnego wychwytywania związków ze środowiska. W ten sposób substancje są oczyszczane i oddzielane od mieszaniny po reakcji (np. przy produkcji leków).

Inne zastosowanie? Można by przytoczyć fragmenty z poprzedniego artykułu z cyklu (modele enzymów i transporterów, nie tylko jonowych - cyklodekstryny transportują różne substancje) oraz fragment opisujący dendrymery (transportujące substancje aktywne w lekach, kosmetykach i środkach ochrony roślin). Podobne są też zalety opakowań cyklodekstrynowych – wszystko rozpuszcza się w wodzie (w przeciwieństwie do większości leków, kosmetyków i pestycydów), składnik aktywny uwalnia się stopniowo i starcza na dłużej (co pozwala na mniejsze dawki), a zużyte opakowanie ulega biodegradacji (mikroorganizmy szybko się rozkładają) ). produkt naturalny, jest również metabolizowany w organizmie człowieka). Zawartość opakowania jest również chroniona przed wpływem środowiska (ograniczony dostęp do przechowywanej cząsteczki). Środki ochrony roślin umieszczone w cyklodekstrynach mają wygodną w użyciu postać. Jest to biały proszek, podobny do mąki ziemniaczanej, który przed użyciem rozpuszcza się w wodzie. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania niebezpiecznych i łatwopalnych rozpuszczalników organicznych.

Patrząc na listę zastosowań cyklodekstryny, możemy znaleźć kilka innych „smaków” i „zapachów”. Chociaż pierwsza jest często używaną metaforą, druga może Cię zaskoczyć. Wiadra chemiczne służą jednak do usuwania nieprzyjemnych zapachów oraz przechowywania i uwalniania pożądanych aromatów. Odświeżacze powietrza, pochłaniacze zapachów, perfumy i papiery zapachowe to tylko kilka przykładów zastosowań kompleksów cyklodekstrynowych. Ciekawostką jest to, że do proszków do prania dodawane są związki zapachowe pakowane w cyklodekstryny. Podczas prasowania i noszenia zapach stopniowo się rozpada i uwalnia.

Czas spróbować. „Gorzkie lekarstwo jest najlepszym lekarstwem”, ale smakuje okropnie. Jeśli jednak zostanie podany w formie kompleksu z cyklodekstryną, nie będzie żadnych nieprzyjemnych wrażeń (substancja jest izolowana z kubków smakowych). Za pomocą cyklodekstryn usuwa się także gorycz soku grejpfrutowego. Ekstrakty z czosnku i innych przypraw są znacznie trwalsze w formie kompleksów niż w formie wolnej. Podobnie opakowane aromaty poprawiają smak kawy i herbaty. Dodatkowo obserwacja ich działania antycholesterolowego przemawia na korzyść cyklodekstryn. Cząsteczki „złego” cholesterolu są wiązane w chemicznym wiadrze i w tej postaci wydalane z organizmu. Zatem cyklodekstryny, produkty pochodzenia naturalnego, to także zdrowie samo w sobie.