Cabinet of Chemical Curiosities - Μέρος 2

Στο προηγούμενο τεύχος της ενότητας χημείας, παρουσιάστηκαν αρκετές ενώσεις από το chemical freak show (αν κρίνουμε από το όνομα της σειράς, σίγουρα δεν θα τις μάθετε στο σχολείο). Πρόκειται για αρκετά αξιοσέβαστα «πρόσωπα» που, παρά την ασυνήθιστη εμφάνισή τους, τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ και οι περιουσίες τους σε διάφορους τομείς δύσκολα μπορούν να υπερεκτιμηθούν. Σε αυτό το άρθρο, ήρθε η ώρα να εξοικειωθείτε με τους επόμενους πρωτότυπους χαρακτήρες από τη σφαίρα της χημείας, όχι λιγότερο ενδιαφέροντες από τους αιθέρες κορώνας και τα παράγωγά τους.

χημικά δέντρα

Οι λοβοί, ενώσεις με μακριές αλυσίδες συνδεδεμένες στο κεντρικό τμήμα του μορίου, έχουν δημιουργήσει μια νέα κατηγορία ουσιών (περισσότερα για τα "χημικά χταπόδια" στο άρθρο του περασμένου μήνα). Οι χημικοί αποφάσισαν να αυξήσουν τον αριθμό των «πλοκαμιών». Για να γίνει αυτό, σε καθέναν από τους βραχίονες που καταλήγουν σε μια ομάδα ατόμων ικανών να αντιδράσουν, προστέθηκε ένα άλλο μόριο που καταλήγει στις αντίστοιχες ομάδες (δύο ή περισσότερες· το θέμα είναι να αυξηθεί ο αριθμός των θέσεων που θα μπορούσαν να συνδυαστούν με άλλα σωματίδια ). Περισσότερα μόρια αντέδρασαν μαζί του, μετά περισσότερα και ούτω καθεξής. Η αύξηση του μεγέθους ολόκληρου του συστήματος απεικονίζεται από το διάγραμμα:

Οι χημικοί έχουν συνδέσει τις νέες ενώσεις με τα αναπτυσσόμενα κλαδιά των δέντρων, εξ ου και η ονομασία δενδριμέρια (από το ελληνικό dendron = δέντρο, μέρος = μέρος). Αρχικά συναγωνιζόταν τους όρους «arborole» (λατινικά, όπου arbor σημαίνει και δέντρο) ή «cascading particles». Αν και ο συγγραφέας μοιάζει περισσότερο με τα μπερδεμένα πλοκάμια των μεδουσών ή των ανενεργών ανεμώνων, οι ανακαλύψεις, φυσικά, έχουν το δικαίωμα σε ονόματα. Η συσχέτιση των δενδριμερών με δομές φράκταλ είναι επίσης μια σημαντική παρατήρηση.

1. Μοντέλο ενός από τα αρχικά δενδριμερή

στάδιο ανάπτυξης κλαδιών

Τα δενδριμερή δεν μπορούν να αναπτυχθούν επ' αόριστον (1). Ο αριθμός των κλαδιών αυξάνεται εκθετικά και μετά από μερικά έως δέκα στάδια προσάρτησης νέων μορίων στην επιφάνεια μιας σφαιρικής μάζας, ο ελεύθερος χώρος τελειώνει (το σύνολο φτάνει σε διαστάσεις νανομέτρων· ένα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου). Από την άλλη πλευρά, οι δυνατότητες χειρισμού των ιδιοτήτων του δενδριμερούς είναι σχεδόν απεριόριστες. Τα θραύσματα που υπάρχουν στην επιφάνεια μπορεί να είναι υδρόφιλα («υδατολάτρες», δηλαδή έχουν συγγένεια με το νερό και τους πολικούς διαλύτες) ή υδρόφοβα («αποφεύγοντας το νερό», αλλά επιρρεπή να έρθουν σε επαφή με μη πολικά υγρά, για παράδειγμα, τα περισσότερα οργανικά διαλύτες). διαλύτες). Ομοίως, το εσωτερικό ενός μορίου μπορεί να είναι είτε πολικό είτε μη πολικό. Κάτω από την επιφάνεια του δενδριμερούς, μεταξύ των επιμέρους κλαδιών, υπάρχουν ελεύθεροι χώροι στους οποίους μπορούν να εισαχθούν επιλεγμένες ουσίες (στο στάδιο της σύνθεσης ή αργότερα, μπορούν επίσης να προσκολληθούν σε ομάδες επιφανειών). Ως εκ τούτου, ανάμεσα στα χημικά δέντρα, ο καθένας θα βρει κάτι κατάλληλο για τις ανάγκες του. Και εσείς, ο αναγνώστης, προτού διαβάσετε αυτό το άρθρο μέχρι το τέλος, σκεφτείτε τι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μόρια για τα οποία, σύμφωνα με τη δομή τους, θα είναι «άνετα» σε οποιοδήποτε περιβάλλον και ποιες άλλες ουσίες μπορούν να περιέχουν;

Φυσικά ως δοχεία για τη μεταφορά επιλεγμένων ενώσεων και την προστασία του περιεχομένου τους. (2). Αυτές είναι οι κύριες εφαρμογές των δενδριμερών. Αν και τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της έρευνας, ορισμένα από αυτά εφαρμόζονται ήδη στην πράξη. Τα δενδριμερή είναι εξαιρετικά για τη μεταφορά φαρμάκων στο υδάτινο περιβάλλον του σώματος. Ορισμένα φάρμακα πρέπει να τροποποιηθούν ειδικά για να διαλυθούν στα σωματικά υγρά - η χρήση μεταφορέων θα αποφύγει αυτούς τους μετασχηματισμούς (μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την αποτελεσματικότητα του φαρμάκου). Επιπλέον, η δραστική ουσία απελευθερώνεται αργά από το εσωτερικό της κάψουλας, πράγμα που σημαίνει ότι οι δόσεις μπορούν να μειωθούν και να λαμβάνονται λιγότερο συχνά. Η προσκόλληση διαφόρων μορίων στην επιφάνεια του δενδριμερούς οδηγεί στο γεγονός ότι αναγνωρίζονται μόνο από κύτταρα μεμονωμένων οργάνων. Αυτό, με τη σειρά του, επιτρέπει στο φάρμακο να μεταφερθεί απευθείας στον προορισμό του, χωρίς να εκτίθεται ολόκληρο το σώμα σε περιττές παρενέργειες, για παράδειγμα, στην αντικαρκινική θεραπεία.

2. Μοντέλο δενδριμερούς που περιέχει άλλο μόριο

(μπλουζα)

Τα καλλυντικά δημιουργούνται με βάση τόσο το νερό όσο και τα λίπη. Ωστόσο, συχνά η δραστική ουσία είναι λιποδιαλυτή και το καλλυντικό προϊόν έχει τη μορφή υδατικού διαλύματος (και αντίστροφα: η υδατοδιαλυτή ουσία πρέπει να αναμιγνύεται με τη βάση του λίπους). Η προσθήκη γαλακτωματοποιητών (που επιτρέπουν τον σχηματισμό ενός σταθερού διαλύματος νερού-λίπους) δεν λειτουργεί πάντα ευνοϊκά. Ως εκ τούτου, τα εργαστήρια καλλυντικών προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν τις δυνατότητες των δενδριμερών ως μεταφορέων που μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν στις ανάγκες. Η βιομηχανία χημικών φυτοπροστασίας αντιμετωπίζει παρόμοια προβλήματα. Και πάλι, είναι συχνά απαραίτητο να αναμειγνύεται το μη πολικό φυτοφάρμακο με νερό. Τα δενδριμερή διευκολύνουν τη σύνδεση και, επιπλέον, σταδιακά απελευθερώνοντας το παθογόνο από το εσωτερικό, μειώνουν την ποσότητα των τοξικών ουσιών. Μια άλλη εφαρμογή είναι η επεξεργασία μεταλλικών νανοσωματιδίων αργύρου, τα οποία είναι γνωστό ότι καταστρέφουν τα μικρόβια. Γίνεται επίσης έρευνα για τη χρήση δενδριμερών για τη μεταφορά αντιγόνων σε εμβόλια και θραυσμάτων DNA σε γενετικές μελέτες. Υπάρχουν περισσότερες δυνατότητες, απλά πρέπει να χρησιμοποιήσετε τη φαντασία σας.

Κουβάδες

Η γλυκόζη είναι η πιο άφθονη οργανική ένωση στον ζωντανό κόσμο. Υπολογίζεται ότι παράγεται ετησίως σε ποσότητα 100 δισεκατομμυρίων τόνων! Οι οργανισμοί χρησιμοποιούν το κύριο προϊόν της φωτοσύνθεσης με διαφορετικούς τρόπους. Η γλυκόζη είναι πηγή ενέργειας στα κύτταρα, χρησιμεύει ως εφεδρικό υλικό (φυτικό άμυλο και ζωικό γλυκογόνο) και ως δομικό υλικό (κυτταρίνη). Στο γύρισμα του δέκατου ένατου και του εικοστού αιώνα, εντοπίστηκαν προϊόντα της μερικής διάσπασης του αμύλου από τη δράση βακτηριακών ενζύμων (συντομογραφία KD). Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτές είναι κυκλικές ή δακτυλιώδεις ενώσεις:

Αποτελούνται από έξι (παραλλαγή a-CD), επτά (b-CD) ή οκτώ (g-CD) μόρια γλυκόζης, αν και είναι γνωστοί και μεγαλύτεροι δακτύλιοι. (3). Γιατί όμως είναι τόσο ενδιαφέροντα τα μεταβολικά προϊόντα κάποιων βακτηρίων που τους δίνεται μια θέση στη «Νέα Τεχνική Σχολή»;

3. Μοντέλα κυκλοδεξτρινών. Από αριστερά προς τα δεξιά: α - ΚΔ, β - ΚΔ, ζ - ΚΔ.

Πρώτα απ 'όλα, οι κυκλοδεξτρίνες είναι υδατοδιαλυτές ενώσεις, οι οποίες δεν πρέπει να αποτελούν έκπληξη - είναι σχετικά μικρές και αποτελούνται από εξαιρετικά διαλυτή γλυκόζη (το άμυλο σχηματίζει πολύ μεγάλα σωματίδια για να σχηματίσει διάλυμα, αλλά μπορεί να εναιωρηθεί). Δεύτερον, πολυάριθμες ομάδες ΟΗ και άτομα οξυγόνου γλυκόζης είναι σε θέση να δεσμεύουν άλλα μόρια. Τρίτον, οι κυκλοδεξτρίνες λαμβάνονται με μια απλή βιοτεχνολογική διαδικασία από φθηνό και διαθέσιμο άμυλο (επί του παρόντος σε ποσότητα χιλιάδων τόνων ετησίως). Τέταρτον, παραμένουν εντελώς μη τοξικές ουσίες. Και, τέλος, η πιο πρωτότυπη είναι η μορφή τους (την οποία εσείς, ο Αναγνώστης, θα πρέπει να προτείνετε όταν χρησιμοποιείτε αυτές τις ενώσεις): Ένας κουβάς χωρίς πάτο, δηλ. Οι κυκλοδεξτρίνες είναι κατάλληλες για τη μεταφορά άλλων ουσιών (ένα μόριο που έχει περάσει από μια μεγαλύτερη τρύπα δεν θα πέσει). δοχείο στο κάτω μέρος, και, επιπλέον, δεσμεύεται από διατομικές δυνάμεις). Λόγω της αβλαβούς τους για την υγεία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συστατικό σε φάρμακα και τρόφιμα.

Ωστόσο, η πρώτη χρήση κυκλοδεξτρινών, που ανακαλύφθηκε λίγο μετά την περιγραφή, ήταν η καταλυτική δραστηριότητα. Αποδείχθηκε τυχαία ότι ορισμένες αντιδράσεις με τη συμμετοχή τους προχωρούν με εντελώς διαφορετικό τρόπο από ό,τι στην απουσία αυτών των ενώσεων στο περιβάλλον. Ο λόγος είναι ότι το μόριο του υποστρώματος ("επισκέπτης") μπαίνει μέσα στον κάδο ("ξενιστής") (4, 5). Επομένως, ένα μέρος του μορίου είναι απρόσιτο στα αντιδραστήρια και ο μετασχηματισμός μπορεί να συμβεί μόνο σε εκείνα τα σημεία που προεξέχουν. Ο μηχανισμός δράσης είναι παρόμοιος με τη δράση πολλών ενζύμων, τα οποία επίσης «καλύπτουν» μέρη των μορίων.

4. Μοντέλο μορίου κυκλοδεξτρίνης που περιέχει άλλο μόριο.

5. Μια άλλη ματιά στο ίδιο σύμπλεγμα

Ποια μόρια μπορούν να αποθηκευτούν μέσα στις κυκλοδεξτρίνες; Σχεδόν οτιδήποτε ταιριάζει στο εσωτερικό - η αντιστοίχιση μεγέθους επισκέπτη και οικοδεσπότη είναι ζωτικής σημασίας (όπως με τους αιθέρες κορώνας και τα παράγωγά τους, δείτε το άρθρο του περασμένου μήνα) (6). Αυτή η ιδιότητα των κυκλοδεξτρινών

6. Κυκλοδεξτρίνη σε μια άλλη αλυσίδα

μόρια, δηλαδή ροταξάνη (περισσότερες λεπτομέρειες: στο τεύχος

Ιανουάριος)

τα καθιστά χρήσιμα για την επιλεκτική σύλληψη ενώσεων από το περιβάλλον. Έτσι, οι ουσίες καθαρίζονται και διαχωρίζονται από το μείγμα μετά την αντίδραση (για παράδειγμα, στην παρασκευή φαρμάκων).

Άλλη χρήση; Θα μπορούσαμε να αναφέρουμε αποσπάσματα από το προηγούμενο άρθρο στον κύκλο (μοντέλα ενζύμων και μεταφορέων, όχι μόνο ιοντικά - οι κυκλοδεξτρίνες μεταφέρουν διάφορες ουσίες) και ένα απόσπασμα που περιγράφει δενδριμερή (μεταφέροντας δραστικές ουσίες σε φάρμακα, καλλυντικά και φυτοπροστατευτικά προϊόντα). Τα οφέλη της συσκευασίας κυκλοδεξτρίνης είναι επίσης παρόμοια - τα πάντα διαλύονται στο νερό (σε αντίθεση με τα περισσότερα φάρμακα, καλλυντικά και φυτοφάρμακα), το δραστικό συστατικό απελευθερώνεται σταδιακά και διαρκεί περισσότερο (που επιτρέπει μικρότερες δόσεις) και το χρησιμοποιούμενο δοχείο είναι βιοδιασπώμενο (οι μικροοργανισμοί αποσυντίθενται γρήγορα ). φυσικό προϊόν, μεταβολίζεται επίσης στον ανθρώπινο οργανισμό). Τα περιεχόμενα της συσκευασίας προστατεύονται επίσης από το περιβάλλον (μειωμένη πρόσβαση στο αποθηκευμένο μόριο). Τα φυτοπροστατευτικά προϊόντα που τοποθετούνται σε κυκλοδεξτρίνες έχουν μορφή που είναι βολική για χρήση. Είναι μια λευκή σκόνη, παρόμοια με το αλεύρι πατάτας, η οποία διαλύεται σε νερό πριν τη χρήση. Επομένως, δεν υπάρχει ανάγκη χρήσης επικίνδυνων και εύφλεκτων οργανικών διαλυτών.

Κατά την περιήγηση στη λίστα με τις χρήσεις της κυκλοδεξτρίνης, μπορούμε να βρούμε πολλές άλλες «γεύσεις» και «μυρωδιές» σε αυτήν. Ενώ η πρώτη είναι μια κοινώς χρησιμοποιούμενη μεταφορά, η δεύτερη μπορεί να σας εκπλήξει. Ωστόσο, οι χημικοί κάδοι χρησιμεύουν για την αφαίρεση των δυσάρεστων οσμών και την αποθήκευση και απελευθέρωση των επιθυμητών αρωμάτων. Τα αποσμητικά χώρου, τα απορροφητικά οσμών, τα αρώματα και τα αρωματικά χαρτιά είναι μερικά μόνο παραδείγματα χρήσης συμπλεγμάτων κυκλοδεξτρίνης. Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι αρωματικές ενώσεις συσκευασμένες σε κυκλοδεξτρίνες προστίθενται σε σκόνες πλυσίματος. Κατά το σιδέρωμα και τη χρήση, το άρωμα σταδιακά διασπάται και απελευθερώνεται.

Ώρα να προσπαθήσουμε. «Ένα πικρό φάρμακο θεραπεύει καλύτερα», αλλά έχει τρομερή γεύση. Ωστόσο, εάν χορηγηθεί με τη μορφή συμπλόκου με κυκλοδεξτρίνη, δεν θα υπάρχουν δυσάρεστες αισθήσεις (η ουσία απομονώνεται από τους γευστικούς κάλυκες). Η πικρία του χυμού γκρέιπφρουτ αφαιρείται επίσης με τη βοήθεια κυκλοδεξτρινών. Τα εκχυλίσματα σκόρδου και άλλων μπαχαρικών είναι πολύ πιο σταθερά με τη μορφή συμπλεγμάτων παρά στην ελεύθερη μορφή. Παρόμοια συσκευασμένες γεύσεις ενισχύουν τη γεύση του καφέ και του τσαγιού. Επιπλέον, η παρατήρηση της αντιχοληστερολικής τους δράσης μιλά υπέρ των κυκλοδεξτρινών. Τα σωματίδια της «κακής» χοληστερόλης δεσμεύονται μέσα στο χημικό κουβά και αποβάλλονται από το σώμα με αυτή τη μορφή. Οι κυκλοδεξτρίνες λοιπόν, προϊόντα φυσικής προέλευσης, είναι και η ίδια η υγεία.