Ķīmisko zinātkāru kabinets – 2.daļa

Iepriekšējā ķīmijas sadaļas numurā tika prezentēti vairāki savienojumi no ķīmijas frīku šova (spriežot pēc seriāla nosaukuma, skolā par tiem noteikti neuzzināsiet). Tie ir diezgan cienījami "personas", kas, neskatoties uz savu neparasto izskatu, tika apbalvoti ar Nobela prēmiju, un viņu īpašības vairākās jomās ir grūti pārvērtēt. Šajā rakstā ir pienācis laiks iepazīties ar nākamajiem oriģinālajiem varoņiem no ķīmijas sfēras, kas ir ne mazāk interesanti kā kroņa ēteri un to atvasinājumi.

ķīmiskie koki

Pākstis, savienojumi ar garām ķēdēm, kas pievienoti molekulas centrālajai daļai, ir radījuši jaunu vielu klasi (vairāk par "ķīmiskiem astoņkājiem" pagājušā mēneša rakstā). Ķīmiķi nolēma palielināt "taustekļu" skaitu. Lai to izdarītu, katrai rokai, kas beidzas ar reaģēt spējīgu atomu grupu, tika pievienota cita molekula, kas beidzās ar attiecīgajām grupām (divām vai vairākām; mērķis ir palielināt vietu skaitu, kuras varētu apvienot ar citām daļiņām ). Ar to reaģēja vairāk molekulu, pēc tam vairāk un tā tālāk. Visas sistēmas lieluma palielināšanos ilustrē diagramma:

Ķīmiķi jaunos savienojumus ir saistījuši ar augošajiem koku zariem, tāpēc arī nosaukums dendrimeria (no grieķu dendron = koks, meros = daļa). Sākotnēji tas konkurēja ar terminiem "arborole" (tas ir latīņu valodā, kur lapene nozīmē arī koku) vai "kaskādes daļiņas". Lai gan autors vairāk izskatās pēc sapinušiem medūzu vai neaktīvo anemonu taustekļiem, atklājējiem, protams, ir tiesības uz vārdiem. Svarīgs novērojums ir arī dendrimeru saistība ar fraktāļu struktūrām.

1. Viena no oriģinālajiem dendrimeriem modelis

zaru augšanas stadija

Dendrimeri nevar augt bezgalīgi (1). Zaru skaits pieaug eksponenciāli, un pēc dažām līdz desmit jaunu molekulu piesaistes posmiem uz sfēriskas masas virsmas beidzas brīvā telpa (kopums sasniedz nanometru izmērus; nanometrs ir miljardā daļa no metra). No otras puses, iespējas manipulēt ar dendrimera īpašībām ir gandrīz neierobežotas. Fragmenti, kas atrodas uz virsmas, var būt hidrofīli (“ūdeni mīloši”, t.i., tiem ir afinitāte pret ūdeni un polāriem šķīdinātājiem) vai hidrofobi (“izvairās no ūdens”, bet tie var nonākt saskarē ar nepolāriem šķidrumiem, piemēram, lielāko daļu organisko vielu). šķīdinātāji). šķīdinātāji). Līdzīgi molekulas iekšpuse var būt polāra vai nepolāra. Zem dendrimera virsmas starp atsevišķiem zariem ir brīvas vietas, kurās var ievadīt izvēlētās vielas (sintēzes stadijā vai vēlāk tās var pievienot arī virsmas grupām). Tāpēc starp ķīmiskajiem kokiem katrs atradīs kaut ko savām vajadzībām piemērotu. Un tu, lasītāj, pirms izlasi šo rakstu līdz galam, padomā, kam var izmantot molekulas, kuras pēc savas uzbūves būs “ērtas” jebkurā vidē un kādas vēl vielas var saturēt?

Protams, kā konteineri izvēlētu savienojumu transportēšanai un to satura aizsardzībai. (2). Šie ir galvenie dendrimeru pielietojumi. Lai gan lielākā daļa no tiem vēl ir izpētes stadijā, daži no tiem jau tiek pielietoti praksē. Dendrimeri ir lieliski piemēroti narkotiku transportēšanai ķermeņa ūdens vidē. Dažas zāles ir īpaši jāpārveido, lai tās izšķīst ķermeņa šķidrumos – konveijeru izmantošana ļaus izvairīties no šīm pārvērtībām (tās var negatīvi ietekmēt zāļu efektivitāti). Turklāt aktīvā viela lēnām izdalās no kapsulas iekšpuses, kas nozīmē, ka devas var samazināt un lietot retāk. Dažādu molekulu piesaiste dendrimera virsmai noved pie tā, ka tās atpazīst tikai atsevišķu orgānu šūnas. Tas savukārt ļauj zāles transportēt tieši uz galamērķi, nepakļaujot visu organismu nevajadzīgām blakusparādībām, piemēram, pretvēža terapijā.

2. Dendrimera modelis, kas satur citu molekulu

(tops)

Kosmētika tiek radīta gan uz ūdens, gan tauku bāzes. Tomēr bieži vien aktīvā viela ir taukos šķīstoša, un kosmētikas līdzeklis ir ūdens šķīduma formā (un otrādi: ūdenī šķīstošā viela jāsajauc ar tauku bāzi). Emulgatoru pievienošana (ļauj veidoties stabilam ūdens-tauku šķīdumam) ne vienmēr darbojas labvēlīgi. Tāpēc kosmētikas laboratorijas cenšas izmantot dendrimeru potenciālu kā konveijerus, kurus var viegli pielāgot vajadzībām. Augu aizsardzības ķīmisko vielu rūpniecība saskaras ar līdzīgām problēmām. Atkal bieži vien ir nepieciešams sajaukt nepolāro pesticīdu ar ūdeni. Dendrimeri atvieglo savienojumu un turklāt, pakāpeniski atbrīvojot patogēnu no iekšpuses, samazina toksisko vielu daudzumu. Vēl viens pielietojums ir metāliskā sudraba nanodaļiņu apstrāde, kas, kā zināms, iznīcina mikrobus. Notiek arī pētījumi par dendrimeru izmantošanu antigēnu transportēšanai vakcīnās un DNS fragmentu ģenētiskajos pētījumos. Iespēju ir vairāk, vajag tikai likt lietā iztēli.

Kausi

Glikoze ir visizplatītākais organiskais savienojums dzīvajā pasaulē. Tiek lēsts, ka ik gadu tas tiek saražots 100 miljardu tonnu apjomā! Organismi dažādos veidos izmanto galveno fotosintēzes produktu. Glikoze ir enerģijas avots šūnās, kalpo kā rezerves materiāls (augu ciete un dzīvnieku glikogēns) un celtniecības materiāls (celuloze). Deviņpadsmitā un divdesmitā gadsimta mijā tika identificēti produkti, kas iegūti cietes daļējas sadalīšanās rezultātā baktēriju enzīmu ietekmē (saīsināti KD). Kā norāda nosaukums, tie ir cikliski vai gredzenveida savienojumi:

Tie sastāv no sešām (variants a-CD), septiņām (b-CD) vai astoņām (g-CD) glikozes molekulām, lai gan ir zināmi arī lielāki gredzeni. (3). Bet kāpēc dažu baktēriju vielmaiņas produkti ir tik interesanti, ka tiem tiek ierādīta vieta "Jaunajā tehnikumā"?

3. Ciklodekstrīnu modeļi. No kreisās puses uz labo: a - KD, b - KD, g - KD.

Pirmkārt, ciklodekstrīni ir ūdenī šķīstoši savienojumi, par ko nevajadzētu brīnīties – tie ir salīdzinoši nelieli un sastāv no labi šķīstošās glikozes (ciete veido pārāk lielas daļiņas, lai veidotos šķīdums, bet var būt suspendēta). Otrkārt, daudzas OH grupas un glikozes skābekļa atomi spēj saistīt citas molekulas. Treškārt, ciklodekstrīnus iegūst ar vienkāršu biotehnoloģisko procesu no lētas un pieejamas cietes (šobrīd tūkstošiem tonnu gadā). Ceturtkārt, tās paliek pilnīgi netoksiskas vielas. Un, visbeidzot, oriģinālākā ir to forma (kas jums, Lasītājam, būtu jāierosina, lietojot šos savienojumus): Bezdibens spainis, t.i. ciklodekstrīni ir piemēroti citu vielu pārnēsāšanai (molekula, kas izgājusi caur lielāku caurumu, neizkritīs). konteiners apakšā, un turklāt to saista starpatomiskie spēki). Tā kā tie ir nekaitīgi veselībai, tos var izmantot kā zāļu un pārtikas sastāvdaļu.

Tomēr pirmā ciklodekstrīnu izmantošana, kas atklāta neilgi pēc apraksta, bija katalītiskā aktivitāte. Nejauši izrādījās, ka dažas reakcijas ar viņu piedalīšanos norit pavisam citādi nekā tad, ja vidē nav šo savienojumu. Iemesls ir tāds, ka substrāta molekula ("viesis") nokļūst spainī ("saimnieks"). (4, 5). Tāpēc daļa molekulas ir nepieejama reaģentiem, un transformācija var notikt tikai tajās vietās, kas izvirzās. Darbības mehānisms ir līdzīgs daudzu enzīmu darbībai, kas arī "maskē" molekulu daļas.

4. Ciklodekstrīna molekulas modelis, kas satur citu molekulu.

5. Vēl viens skats uz to pašu kompleksu

Kādas molekulas var uzglabāt ciklodekstrīnu iekšpusē? Gandrīz jebkas, kas ietilps iekšā — viesu un saimnieka lieluma saskaņošana ir ļoti svarīga (tāpat kā koronaēteriem un to atvasinājumiem; skatiet pagājušā mēneša rakstu) (6). Šī ciklodekstrīnu īpašība

6. Ciklodekstrīns, kas savērts citā ķēdē

molekulas, t.i., rotaksāns (sīkāka informācija: numurā

janvāris)

padara tos noderīgi, lai selektīvi uztvertu savienojumus no vides. Tādējādi vielas pēc reakcijas tiek attīrītas un atdalītas no maisījuma (piemēram, zāļu ražošanā).

Cits lietojums? Varētu minēt ciklā iepriekšējā raksta fragmentus (enzīmu un transportētāju modeļi, ne tikai jonu - ciklodekstrīni transportē dažādas vielas) un izrakstu, kas apraksta dendrimērus (transportē aktīvās vielas medikamentos, kosmētikā un augu aizsardzības līdzekļos). Arī ciklodekstrīna iepakojuma priekšrocības ir līdzīgas - viss šķīst ūdenī (atšķirībā no vairuma zāļu, kosmētikas un pesticīdu), aktīvā viela izdalās pakāpeniski un saglabājas ilgāk (kas pieļauj mazākas devas), un izmantotais trauks ir bioloģiski noārdāms (mikroorganismi ātri sadalās ). dabisks produkts, tas tiek metabolizēts arī cilvēka organismā). Arī iepakojuma saturs ir aizsargāts no apkārtējās vides iedarbības (samazināta pieeja uzglabātajai molekulai). Ciklodekstrīnās ievietotajiem augu aizsardzības līdzekļiem ir ērta lietošanai forma. Tas ir balts pulveris, līdzīgs kartupeļu miltiem, ko pirms lietošanas izšķīdina ūdenī. Tāpēc nav nepieciešams izmantot bīstamus un viegli uzliesmojošus organiskos šķīdinātājus.

Pārlūkojot ciklodekstrīna lietošanas veidu sarakstu, mēs tajā varam atrast vairākas citas "garšas" un "smaržas". Lai gan pirmā ir plaši izmantota metafora, otrā var jūs pārsteigt. Tomēr ķīmiskie spainīši palīdz noņemt sliktās smakas un uzglabāt un atbrīvot vēlamos aromātus. Gaisa atsvaidzinātāji, smaku absorbētāji, smaržas un aromātiskie papīri ir tikai daži ciklodekstrīna kompleksu izmantošanas piemēri. Interesants fakts ir tas, ka veļas pulveriem pievieno aromatizētājus, kas iepakoti ciklodekstrīnās. Gludināšanas un valkāšanas laikā aromāts pakāpeniski sadalās un izdalās.

Laiks mēģināt. "Rūgtas zāles izārstē vislabāk", bet tās garšo briesmīgi. Taču, ja to ievada kompleksa veidā ar ciklodekstrīnu, nepatīkamas sajūtas nebūs (viela tiek izolēta no garšas kārpiņām). Ar ciklodekstrīnu palīdzību tiek noņemts arī greipfrūtu sulas rūgtums. Ķiploku un citu garšvielu ekstrakti kompleksu veidā ir daudz stabilāki nekā brīvā veidā. Līdzīgi iepakoti aromāti uzlabo kafijas un tējas garšu. Turklāt ciklodekstrīnu labā runā to antiholesterīna aktivitātes novērojumi. "Sliktā" holesterīna daļiņas saistās ķīmiskajā spainī un tiek izvadītas no organisma šādā veidā. Tātad ciklodekstrīni, dabiskas izcelsmes produkti, ir arī pati veselība.