Кабінет хімічних рідкостей – Частина 2

У попередньому випуску розділу хімії було представлено кілька сполук з хімічного паноптикуму (судячи з назви серіалу, ви точно не дізнаєтесь про них у школі). Це цілком респектабельні «персони», які, незважаючи на свою незвичну зовнішність, були удостоєні Нобелівської премії, а їхні властивості у ряді областей важко переоцінити. У цій статті саме час познайомитися з черговими оригінальними персонажами з царства хімії, не менш цікавими, ніж краун-ефіри та їх похідні.

Хімічні дерева

Поданди, з'єднання з довгими ланцюгами, прикріпленими до центральної частини молекули, дали початок новому класу речовин (детальніше про «хімічні восьминога» у статті за останній місяць). Хіміки вирішили збільшити кількість «щупалець». Для цього до кожного з плечей, що закінчується групою атомів, здатних реагувати, приєднувалися ще одна молекула, що закінчується відповідними групами (двома і більше; справа в тому, щоб збільшити кількість ділянок, які могли б з'єднуватися з іншими частинками). З ним реагувало більше молекул, потім ще й таке інше. Збільшення розмірів усієї системи ілюструється схемою:

Хіміки пов'язали нові з'єднання з зростаючими гілками дерев, звідси і назва дендрімерія (від грецького dendron = дерево, meros = частина). Спочатку воно конкурувало з термінами "арборола" (це латинське, де арбор також означає дерево) або "каскадні частки". Хоча автор більше схожий на сплутані щупальці медуз або малорухливих анемонів, але право на імена мають, звичайно, першовідкривачі. Асоціація дендрімерів із фрактальними структурами також є важливим спостереженням.

1. Модель одного з дендрімерів вихідного

стадія зростання гілок

Дендрімери не можуть рости нескінченно (1). Кількість гілок зростає експоненційно, і після кількох-десятка стадій прикріплення нових молекул на поверхні сферичної маси вільний простір закінчується (ціле досягає нанометрових розмірів; нанометр - це мільярдна частка метра). З іншого боку, можливості маніпулювання властивостями дендримера практично безмежні. Фрагменти, присутні на поверхні, можуть бути гідрофільними («водолюбними», тобто мають спорідненість до води та полярних розчинників) або гідрофобними («уникаючими води», але схильними вступати в контакт з неполярними рідинами, наприклад, з більшістю органічних розчинників) . розчинники). Так само внутрішня частина молекули може бути полярною чи неполярною за своєю природою. Під поверхнею дендримера, між окремими гілками, є вільні простори, які можуть бути введені обрані речовини (на стадії синтезу або пізніше, вони також можуть бути приєднані до поверхневих груп). Тому серед хімічних дерев кожен знайде щось, що підходить для своїх потреб. А ти, читачу, перш ніж дочитати до кінця цю статтю, подумай, навіщо можна використовувати молекули, яким – за їхньою будовою – буде “комфортно” у будь-якому середовищі, і які можуть містити інші речовини?

Зрозуміло, як контейнери для транспортування вибраних з'єднань та захисту їх вмісту. (2). Це основні сфери застосування дендрімерів. Хоча в основному вони ще перебувають на стадії досліджень, деякі з них уже застосовуються на практиці. Дендрімери добре підходять для перенесення антибіотиків у водному середовищі організму. Деякі ліки необхідно спеціально модифікувати для розчинення в рідинах організму - використання конвеєрів дозволить уникнути цих перетворень (вони можуть негативно позначитися на ефективності препарату). Крім того, діюча речовина повільно вивільняється зсередини капсули, а це означає, що дози можна знизити та приймати рідше. Прикріплення різних молекул до поверхні дендримера призводить до того, що вони розпізнаються лише клітинами окремих органів. Це, у свою чергу, дозволяє транспортувати ліки безпосередньо до місця призначення, не зазнаючи зайвої побічної дії весь організм, наприклад, при протираковій терапії.

2. Модель дендримера, що містить іншу молекулу

(Вгорі)

Косметика створюється з урахуванням як води, і жирів. Однак часто діюча речовина є жиророзчинною, а косметичний засіб знаходиться у вигляді водного розчину (і навпаки: водорозчинна речовина необхідно змішувати з жировою основою). Додавання емульгаторів (які дозволяють утворювати стійкий водно-жировий розчин) не завжди працює сприятливо. Тому лабораторії косметичних компаній намагаються використати потенціал дендрімерів як конвеєри, які можна легко адаптувати до потреб. З аналогічними проблемами стикається і промисловість хімічних засобів захисту рослин. Знову ж таки, часто необхідно змішувати неполярний пестицид із водою. Дендрімери полегшують з'єднання та, крім того, поступово вивільняючи збудник зсередини, зменшують кількість токсичних речовин. Ще одним застосуванням є обробка наночастинок металевого срібла, які, як відомо, руйнують мікроби. Також ведуться дослідження щодо використання дендрімерів для транспорту антигенів у вакцинах та фрагментів ДНК у генетичних дослідженнях. Можливостей більше, потрібно лише увімкнути уяву.

Відра

Глюкоза є найпоширенішою органічною сполукою у живому світі. Підраховано, що його щорічно виробляється у кількості 100 мільярдів тонн! Організми по-різному використовують основний продукт фотосинтезу. Глюкоза є джерелом енергії в клітинах, служить запасним матеріалом (рослинний крохмаль та тваринний глікоген) та будівельним матеріалом (целюлоза). На рубежі дев'ятнадцятого та двадцятого століть були ідентифіковані продукти часткового розпаду крохмалю під дією бактеріальних ферментів (скорочено КД). Як випливає з назви, це циклічні або кільцеві сполуки:

Вони складаються з шести (варіант a-CD), семи (b-CD) або восьми (g-CD) молекул глюкози, хоча відомі і більші кільця. (3). Але чим же такі цікаві продукти метаболізму деяких бактерій, що їм відведено місце в «Юному технікумі»?

3. Моделі циклодекстринів. Зліва направо: а – КД, б – КД, ж – КД.

Насамперед циклодекстрини є розчинними у воді сполуками, що не повинно викликати здивування – вони відносно малі і складаються з добре розчинної глюкози (крохмаль утворює надто великі частинки для утворення розчину, але може бути суспендований). По-друге, численні ОН-групи та атоми кисню глюкози здатні пов'язувати інші молекули. По-третє, циклодекстрини одержують простим біотехнологічним процесом з дешевого та доступного крохмалю (нині у кількості тисяч тонн на рік). По-четверте, вони залишаються нетоксичними речовинами. І, нарешті, найоригінальніше – це їх форма (яку ви, Читач, повинні підказати під час використання цих сполук): Бездонне відро, тобто. циклодекстрини, придатні для перенесення інших речовин (молекула, що пройшла через більший отвір, не випаде назовні). контейнера на дні, крім того, він пов'язаний міжатомними силами). Завдяки нешкідливості для здоров'я їх можна використовувати як інгредієнт у ліках та харчових продуктах.

Однак першим застосуванням циклодекстринів, виявленим незабаром після опису була каталітична активність. Випадково виявилося, деякі реакції з участю протікають зовсім інакше, ніж за відсутності цих сполук у навколишньому середовищі. Причина в тому, що молекула субстрату («гість») потрапляє у відро («господаря»). (4, 5). Тому частина молекули недоступна для реагентів, і перетворення може відбуватися лише у тих місцях, що виступають назовні. Механізм дії аналогічний дії багатьох ферментів, також «маскують» частини молекул.

4. Модель молекули циклодекстрину, що містить іншу молекулу.

5. Інший погляд на той самий комплекс

Які молекули можуть зберігатися всередині циклодекстрину? Практично будь-який, який поміститься всередині - вирішальним моментом є взаємна відповідність розмірів гостя та господаря (як у випадку коронних ефірів та їх похідних; див. статтю минулого місяця) (6). Ця властивість циклодекстринів

6. Циклодекстрин, нанизаний на інший ланцюг

молекул, тобто ротаксана (докладніше: у номері

січень)

робить їх використовуваними для вибіркового захоплення з'єднань із навколишнього середовища. Таким чином, речовини очищаються і виділяються із суміші після реакції (наприклад, при виробництві ліків).

Інше використання? Можна було б навести уривки з попередньої статті циклу (моделі ферментів та транспортерів, не тільки іонних – циклодекстрини транспортують різні речовини) та уривок, що описує дендримери (транспортуючі активні речовини в ліках, косметиці та засобах захисту рослин). Переваги упаковки циклодекстрину також схожі – все розчиняється у воді (на відміну від більшості ліків, косметичних засобів та пестицидів), діюча речовина вивільняється поступово та діє довше (що дозволяє використовувати менші дози), а використана тара біорозкладається (мікроорганізми швидко розкладаються). натуральний продукт, він також метаболізується в організмі людини. Вміст упаковки також захищений від впливу навколишнього середовища (зменшений доступ до збереженої молекули). Засоби захисту рослин, поміщені в циклодекстрини, мають зручну для застосування форму. Це білий порошок, схожий на картопляне борошно, який перед вживанням розчиняють у воді. Тому немає необхідності використовувати небезпечні та горючі органічні розчинники.

При перегляді списку застосувань циклодекстрину ми можемо знайти у ньому кілька інших «ароматів» та «запахів». У той час як перше є часто використовуваною метафорою, друге може вас здивувати. Однак хімічні відра служать для видалення неприємних запахів, а також для зберігання та виділення бажаних ароматів. Освіжувачі повітря, поглиначі запахів, парфуми та ароматизований папір – ось лише кілька прикладів використання комплексів циклодекстринів. Цікавим є той факт, що в пральні порошки додають ароматизуючі сполуки, упаковані в циклодекстрини. Під час прасування та носіння аромат поступово розщеплюється і вивільняється.

Час спробувати. «Гіркі ліки лікують найкраще», але вони жахливі на смак. Однак якщо його вводити у вигляді комплексу з циклодекстрином, неприємних відчуттів не буде (речовина виділена із смакових рецепторів). Гіркота грейпфрутового соку також забирається за допомогою циклодекстринів. Екстракти часнику та інших прянощів набагато більш стабільні у вигляді комплексів, ніж у вільній формі. Аналогічно упаковані ароматизатори покращують смак кави та чаю. Крім того, на користь циклодекстринів говорить спостереження їхньої антихолестеринової активності. Частинки «поганого» холестерину зв'язуються усередині хімічного відра і у такому вигляді виводяться з організму. Так що циклодекстрини, продукти природного походження, теж здоров'я.