Кабинет по Химия Любопитно - Част 2

В предишния брой на раздела по химия бяха представени няколко съединения от шоуто на химическите изроди (съдейки по името на сериала, определено няма да научите за тях в училище). Това са доста почтени „персони“, които въпреки необичайния си външен вид са удостоени с Нобелова награда, а имотите им в редица области трудно могат да бъдат надценени. В тази статия е време да се запознаете със следващите оригинални герои от сферата на химията, не по-малко интересни от краун етерите и техните производни.

химически дървета

Podands, съединения с дълги вериги, прикрепени към централната част на молекулата, доведоха до нов клас вещества (повече за „химичните октоподи“ в статията от миналия месец). Химиците решиха да увеличат броя на "пипалата". За да направите това, към всяко от раменете, завършващи в група от атоми, способни да реагират, е добавена друга молекула, завършваща в съответните групи (две или повече; целта е да се увеличи броят на местата, които могат да бъдат комбинирани с други частици ). С него реагираха още молекули, после още и т.н. Увеличаването на размера на цялата система е илюстрирано от диаграмата:

Химиците свързват новите съединения с растящите клони на дърветата, откъдето идва и името дендримерия (от гръцки dendron = дърво, meros = част). Първоначално се конкурираше с термините "arborole" (това е латински, където arbor също означава дърво) или "каскадни частици". Въпреки че авторът прилича повече на заплетените пипала на медузи или неактивни анемони, откривателите, разбира се, имат право на имена. Асоциацията на дендримерите с фрактални структури също е важно наблюдение.

1. Модел на един от оригиналните дендримери

етап на растеж на клона

Дендримерите не могат да растат безкрайно (1). Броят на разклоненията нараства експоненциално и след няколко до десет етапа на прикрепване на нови молекули към повърхността на сферична маса, свободното пространство свършва (цялото достига нанометрови размери; нанометърът е една милиардна от метъра). От друга страна, възможностите за манипулиране на свойствата на дендримера са почти неограничени. Фрагментите, присъстващи на повърхността, могат да бъдат хидрофилни („водолюбиви“, т.е. имащи афинитет към вода и полярни разтворители) или хидрофобни („избягващи вода“, но склонни да влизат в контакт с неполярни течности, например повечето органични разтворители). разтворители). По същия начин вътрешността на молекулата може да бъде полярна или неполярна по природа. Под повърхността на дендримера, между отделните разклонения, има свободни пространства, в които могат да бъдат въведени избрани вещества (на етапа на синтез или по-късно, те също могат да бъдат прикрепени към повърхностни групи). Затова сред химическите дървета всеки ще намери нещо подходящо за своите нужди. И вие, читателю, преди да прочетете тази статия до края, помислете за какво можете да използвате молекули, за които според тяхната структура ще бъдете „удобни“ във всяка среда и какви други вещества могат да съдържат?

Разбира се, като контейнери за транспортиране на избрани съединения и защита на тяхното съдържание. (2). Това са основните приложения на дендримерите. Въпреки че повечето от тях все още са на етап проучване, някои от тях вече се прилагат на практика. Дендримерите са отлични за транспортиране на лекарства във водната среда на тялото. Някои лекарства трябва да бъдат специално модифицирани, за да се разтварят в телесните течности - използването на конвейери ще избегне тези трансформации (те могат да повлияят неблагоприятно върху ефективността на лекарството). Освен това активното вещество се освобождава бавно от капсулата, което означава, че дозите могат да бъдат намалени и приемани по-рядко. Прикрепването на различни молекули към повърхността на дендримера води до факта, че те се разпознават само от клетките на отделните органи. Това от своя страна позволява на лекарството да бъде транспортирано директно до местоназначението му, без да се излага цялото тяло на ненужни странични ефекти, например при противоракова терапия.

2. Модел на дендример, съдържащ друга молекула

(връх)

Козметиката е създадена на базата както на вода, така и на мазнини. Често обаче активното вещество е мастноразтворимо, а козметичният продукт е под формата на воден разтвор (и обратно: водоразтворимото вещество трябва да се смеси с мастната основа). Добавянето на емулгатори (позволяващи образуването на стабилен водно-маслен разтвор) не винаги действа благоприятно. Ето защо козметичните лаборатории се опитват да използват потенциала на дендримерите като конвейери, които могат лесно да се адаптират към нуждите. Химическата индустрия за растителна защита е изправена пред подобни проблеми. Отново често се налага смесването на неполярния пестицид с вода. Дендримерите улесняват свързването и в допълнение, постепенно освобождавайки патогена отвътре, намаляват количеството на токсичните вещества. Друго приложение е обработката на метални сребърни наночастици, за които е известно, че унищожават микробите. Също така се провеждат изследвания за използването на дендримери за транспортиране на антигени във ваксини и ДНК фрагменти в генетични изследвания. Има повече възможности, просто трябва да използвате въображението си.

Кофи

Глюкозата е най-разпространеното органично съединение в живия свят. Смята се, че се произвежда годишно в размер на 100 милиарда тона! Организмите използват основния продукт на фотосинтезата по различни начини. Глюкозата е източник на енергия в клетките, служи като резервен материал (растително нишесте и животински гликоген) и строителен материал (целулоза). В края на ХIХ и ХХ век бяха идентифицирани продукти от частичното разграждане на нишестето под действието на бактериални ензими (съкратено KD). Както подсказва името, това са циклични или пръстенни съединения:

Те се състоят от шест (вариант a-CD), седем (b-CD) или осем (g-CD) глюкозни молекули, въпреки че са известни и по-големи пръстени. (3). Но защо метаболитните продукти на някои бактерии са толкова интересни, че им е отредено място в „Млад техникум“?

3. Модели на циклодекстрини. Отляво надясно: a - KD, b - KD, g - KD.

На първо място, циклодекстрините са водоразтворими съединения, което не трябва да е изненада - те са сравнително малки и се състоят от силно разтворима глюкоза (нишестето образува твърде големи частици, за да образува разтвор, но може да бъде суспендирано). Второ, множество ОН групи и глюкозни кислородни атоми са в състояние да свързват други молекули. Трето, циклодекстрините се получават чрез прост биотехнологичен процес от евтино и достъпно нишесте (в момента в количество хиляди тонове годишно). Четвърто, те остават напълно нетоксични вещества. И накрая, най-оригиналната е тяхната форма (която вие, читателю, трябва да предложите, когато използвате тези съединения): кофа без дъно, т.е. циклодекстрините са подходящи за пренасяне на други вещества (молекула, преминала през по-голям отвор, няма да изпадне). контейнер на дъното и освен това е свързан от междуатомни сили). Поради тяхната безвредност за здравето могат да се използват като съставка на лекарства и храни.

Въпреки това, първата употреба на циклодекстрини, открита малко след описанието, е каталитична активност. Случайно се оказа, че някои реакции с тяхно участие протичат по съвсем различен начин, отколкото при отсъствието на тези съединения в околната среда. Причината е, че молекулата на субстрата („гост“) попада вътре в кофата („домакин“) (4, 5). Следователно част от молекулата е недостъпна за реагентите и трансформацията може да се случи само на онези места, които стърчат. Механизмът на действие е подобен на действието на много ензими, които също "маскират" части от молекулите.

4. Модел на циклодекстринова молекула, съдържаща друга молекула.

5. Още един поглед към същия комплекс

Какви молекули могат да се съхраняват в циклодекстрините? Почти всичко, което ще се побере вътре - съвпадението на размера на гост и хост е от решаващо значение (както при коронните етери и техните производни; вижте статията от миналия месец) (6). Това свойство на циклодекстрините

6. Циклодекстрин, нанизан на друга верига

молекули, тоест ротаксан (повече подробности: в бр

януари)

ги прави полезни за селективно улавяне на съединения от околната среда. По този начин веществата се пречистват и отделят от сместа след реакцията (например при производството на лекарства).

Друга употреба? Възможно е да се цитират откъси от предишната статия в цикъла (модели на ензими и транспортери, не само йонни – циклодекстрините пренасят различни вещества) и откъс, описващ дендримери (пренасящи активни вещества в лекарства, козметика и продукти за растителна защита). Ползите от опаковките с циклодекстрин също са сходни – всичко се разтваря във вода (за разлика от повечето лекарства, козметика и пестициди), активната съставка се освобождава постепенно и продължава по-дълго (което позволява по-малки дози), а използваният контейнер е биоразградим (микроорганизмите се разграждат бързо). ). естествен продукт, той също се метаболизира в човешкото тяло). Съдържанието на опаковката също е защитено от околната среда (намален достъп до съхраняваната молекула). Продуктите за растителна защита, поставени в циклодекстрини, са в удобна за употреба форма. Представлява бял прах, подобен на картофено брашно, който се разтваря във вода преди употреба. Поради това не е необходимо да се използват опасни и запалими органични разтворители.

Когато разглеждаме списъка с употреби на циклодекстрин, можем да открием няколко други „вкуса“ и „мириши“ в него. Докато първото е често използвана метафора, второто може да ви изненада. Въпреки това, химическите кофи служат за премахване на лоши миризми и за съхраняване и освобождаване на желаните аромати. Освежители за въздух, абсорбатори на миризми, парфюми и ароматизирани хартии са само няколко примера за използването на циклодекстринови комплекси. Интересен факт е, че към праховете за пране се добавят ароматизиращи съединения, опаковани в циклодекстрини. По време на гладене и носене, ароматът постепенно се разгражда и освобождава.

Време е да опитате. „Горчивото лекарство лекува най-добре“, но има ужасен вкус. Въпреки това, ако се прилага под формата на комплекс с циклодекстрин, няма да има неприятни усещания (веществото е изолирано от вкусовите рецептори). Горчивината на сока от грейпфрут също се отстранява с помощта на циклодекстрини. Екстрактите от чесън и други подправки са много по-стабилни под формата на комплекси, отколкото в свободна форма. Подобно опакованите аромати подобряват вкуса на кафето и чая. В допълнение, наблюдението на тяхната антихолестеролна активност говори в полза на циклодекстрините. Частиците от "лошия" холестерол се свързват вътре в химическата кофа и се отделят от тялото в тази форма. Така че циклодекстрините, продукти с естествен произход, също са самото здраве.