Кабінет хімічных рэдкасцяў - Частка 2

У папярэднім выпуску раздзела хіміі было прадстаўлена некалькі злучэнняў з хімічнага паноптікума (мяркуючы па назве серыяла, вы дакладна не даведаецеся пра іх у школе). Гэта цалкам рэспектабельныя «персоны», якія, нягледзячы на ​​сваю незвычайную знешнасць, былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі, а іх уласцівасці ў шэрагу абласцей цяжка пераацаніць. У гэтым артыкуле самы час пазнаёміцца ​​з чарговымі арыгінальнымі персанажамі з царства хіміі, не менш цікавымі, чым краун-эфіры і іх вытворныя.

Хімічныя дрэвы

Паданды, злучэнні з доўгімі ланцугамі, прымацаванымі да цэнтральнай часткі малекулы, далі пачатак новаму класу рэчываў (падрабязней аб «хімічных васьміногах» у артыкуле за апошні месяц). Хімікі вырашылі павялічыць колькасць "шчупальцаў". Для гэтага да кожнага з плячэй, які сканчаецца групай атамаў, здольных рэагаваць, далучалася яшчэ адна малекула, якая сканчаецца адпаведнымі групамі (двума і больш; справа ў тым, каб павялічыць колькасць участкаў, якія маглі б злучацца з іншымі часціцамі). З ім рэагавала больш малекул, потым яшчэ і гэтак далей. Павелічэнне памераў усёй сістэмы ілюструецца схемай:

Хімікі звязалі новыя злучэнні з якія растуць галінамі дрэў, адгэтуль і назоў дэндрымерыя (ад грэцкага dendron = дрэва, meros = частка). Першапачаткова яно канкуравала з тэрмінамі "арбарала" (гэта лацінскае, дзе арбар таксама азначае дрэва) або "каскадныя часціцы". Хоць аўтар больш падобны на зблытаныя шчупальцы медуз або маларухомых анемонаў, але права на імёны маюць, вядома, першаадкрывальнікі. Асацыяцыя дэндрымераў з фрактальнымі структурамі таксама з'яўляецца важным назіраннем.

1. Мадэль аднаго з дэндрымераў зыходнага

стадыя росту галін

Дэндрымеры не могуць расці бясконца (1). Колькасць галін расце экспанентна, і пасля некалькіх-дзясятка стадый прымацавання новых малекул на паверхні сферычнай масы вольная прастора заканчваецца (цэлае дасягае нанаметровых памераў; нанаметр - гэта мільярдная доля метра). З іншага боку, магчымасці маніпулявання ўласцівасцямі дэндрымера практычна бязмежныя. Фрагменты, якія прысутнічаюць на паверхні, могуць быць гідрафільнымі («вадалюбівымі», т. е. мелымі падабенства да вады і палярным растваральнікам) або гідрафобнымі («пазбягаючымі вады», але схільнымі ўступаць у кантакт з непалярнымі вадкасцямі, напрыклад, з большасцю арганічных растваральнікаў) . растваральнікі). Сапраўды гэтак жа ўнутраная частка малекулы можа быць палярнай ці непалярнай па сваёй прыродзе. Пад паверхняй дэндрымера, паміж асобнымі галінамі, маюцца вольныя прасторы, у якія могуць быць уведзены абраныя рэчывы (на стадыі сінтэзу ці пазней, яны таксама могуць быць далучаныя да павярхоўных груп). Таму сярод хімічных дрэў кожны знойдзе нешта прыдатнае для сваіх патрэб. А ты, чытач, перш чым дачытаць да канца гэты артыкул, падумай, для чаго можна выкарыстоўваць малекулы, якім - па іх будынку - будзе "камфортна" ў любым асяроддзі, і якія могуць утрымоўваць іншыя рэчывы?

Зразумела, у якасці кантэйнераў для транспарціроўкі абраных злучэнняў і абароны іх змесціва. (2). Гэта асноўныя вобласці ўжывання дэндрымераў. Хоць у асноўным яны яшчэ знаходзяцца на стадыі даследаванняў, некаторыя з іх ужо прымяняюцца на практыцы. Дендримеры выдатна падыходзяць для пераносу лекаў у водным асяроддзі арганізма. Некаторыя лекі неабходна спецыяльна мадыфікаваць для растварэння ў вадкасцях арганізма - выкарыстанне канвеераў дазволіць пазбегнуць гэтых ператварэнняў (яны могуць негатыўна адбіцца на эфектыўнасці прэпарата). Акрамя таго, дзейснае рэчыва павольна вызваляецца знутры капсулы, а гэта значыць, што дозы можна зменшыць і прымаць радзей. Прымацаванне розных малекул да паверхні дэндрымера прыводзіць да таго, што яны распазнаюцца толькі клеткамі асобных органаў. Гэта, у сваю чаргу, дазваляе транспартаваць лекі непасрэдна да месца прызначэння, не падвяргаючы залішняму пабочнаму ўздзеянню ўвесь арганізм, напрыклад, пры супрацьракавай тэрапіі.

2. Мадэль дэндрымера, які змяшчае іншую малекулу

(наверсе)

Касметыка ствараецца на аснове як вады, так і тлушчаў. Аднак часта дзеючае рэчыва з'яўляецца тлушчараспушчальным, а касметычны сродак знаходзіцца ў выглядзе воднага раствора (і наадварот: водарастваральнае рэчыва неабходна змешваць з тлушчавай асновай). Даданне эмульгатараў (якія дазваляюць утвараць устойлівы водна-тлушчавы раствор) не заўсёды працуе спрыяльна. Таму лабараторыі касметычных кампаній спрабуюць выкарыстоўваць патэнцыял дэндрымераў у якасці канвеераў, якія можна лёгка адаптаваць да патрэб. З аналагічнымі праблемамі сутыкаецца і прамысловасць хімічных сродкаў аховы раслін. Ізноў жа, часта неабходна змешваць непалярны пестыцыд з вадой. Дендримеры палягчаюць злучэнне і, акрамя таго, паступова вызваляючы ўзбуджальнік знутры, памяншаюць колькасць таксічных рэчываў. Яшчэ адным ужываннем з'яўляецца апрацоўка наначасціц металічнага срэбра, якія, як вядома, руйнуюць мікробы. Таксама вядуцца даследаванні па выкарыстанні дэндрымераў для транспарту антыгенаў у вакцынах і фрагментаў ДНК у генетычных даследаваннях. Магчымасцяў больш, трэба толькі ўключыць уяўленне.

вядра

Глюкоза з'яўляецца самым распаўсюджаным арганічным злучэннем у жывым свеце. Падлічана, што кожны год яго вырабляецца ў колькасці 100 мільярдаў тон! Арганізмы па-рознаму выкарыстоўваюць асноўны прадукт фотасінтэзу. Глюкоза з'яўляецца крыніцай энергіі ў клетках, служыць запасным матэрыялам (раслінны крухмал і жывёльны глікаген) і будаўнічым матэрыялам (цэлюлоза). На мяжы дзевятнаццатага і дваццатага стагоддзяў былі ідэнтыфікаваны прадукты частковага распаду крухмалу пад дзеяннем бактэрыяльных ферментаў (скарочана КД). Як вынікае з назвы, гэта цыклічныя або колцавыя злучэнні:

Яны складаюцца з шасці (варыянт a-CD), сямі (b-CD) або васьмі (g-CD) малекул глюкозы, хоць вядомыя і буйнейшыя кольцы. (3). Але чым жа так цікавыя прадукты метабалізму некаторых бактэрый, што ім адведзена месца ў "Юным тэхнікуме"?

3. Мадэлі циклодекстринов. Злева направа: а - КД, бы - КД, ж - КД.

Першым чынам, циклодекстрины з'яўляюцца растваральнымі ў вадзе злучэннямі, што не павінна выклікаць здзіўленні - яны адносна малыя і складаюцца з добра растваральнай глюкозы (крухмал утворыць занадта буйныя часціцы для адукацыі раствора, але можа быць суспендаваны). Па-другое, шматлікія ЁН-групы і атамы кіслароду глюкозы здольныя звязваць іншыя малекулы. Па-трэцяе, циклодекстрины атрымліваюць простым біятэхналагічным працэсам з таннага і даступнага крухмалу (цяпер у колькасці тысяч тон у год). Па-чацвёртае, яны застаюцца зусім нетоксичными рэчывамі. І, нарэшце, самае арыгінальнае - гэта іх форма (якую вы, Чытач, павінны падказаць пры выкарыстанні гэтых злучэнняў): Бяздоннае вядро, г.зн. циклодекстрины, прыдатныя для пераносу іншых рэчываў (малекула, якая прайшла праз большую адтуліну, не выпадзе вонкі). кантэйнера на дне, і, акрамя таго, ён злучаны міжатамнымі сіламі). Дзякуючы бясшкоднасці для здароўя іх можна выкарыстоўваць у якасці інгрэдыента ў леках і харчовых прадуктах.

Аднак першым ужываннем циклодекстринов, выяўленым неўзабаве пасля апісання, была каталітычная актыўнасць. Выпадкова аказалася, што некаторыя рэакцыі з іх удзелам працякаюць зусім інакш, чым пры адсутнасці гэтых злучэнняў у навакольным асяроддзі. Чыннік у тым, што малекула субстрата ("госць") пападае ўнутр вядра ("гаспадара") (4, 5). Таму частка малекулы недаступная для рэагентаў, і ператварэнне можа адбывацца толькі ў тых месцах, якія выступаюць вонкі. Механізм дзеяння аналагічны дзеянню шматлікіх ферментаў, таксама «маскуюць» часткі малекул.

4. Мадэль малекулы циклодекстрина, якая змяшчае іншую малекулу.

5. Іншы погляд на той жа комплекс

Якія малекулы могуць захоўвацца ўнутры цыкладэкстрынаў? Практычна любы, які змесціцца ўнутры - вырашальным момантам з'яўляецца ўзаемная адпаведнасць памераў госця і гаспадара (як у выпадку каронных эфіраў і іх вытворных; гл. артыкул у мінулым месяцы) (6). Гэта ўласцівасць циклодекстринов

6. Цыкладэкстрын, нанізаны на іншы ланцуг

малекул, гэта значыць ратаксана (падрабязней: у нумары

студзень)

робіць іх выкарыстоўванымі для выбарчага захопу злучэнняў з навакольнага асяроддзя. Такім чынам, рэчывы ачышчаюцца і выдзяляюцца з сумесі пасля рэакцыі (напрыклад, пры вытворчасці лекаў).

Іншае выкарыстанне? Можна было б прывесці ўрыўкі з папярэдняга артыкула цыклу (мадэлі ферментаў і транспарцёраў, не толькі іённых - циклодекстрины транспартуюць розныя рэчывы) і ўрывак, які апісвае дэндрымеры (транспартуюць актыўныя рэчывы ў леках, касметыцы і сродках аховы раслін). Перавагі пакавання циклодекстрина таксама падобныя - усё раствараецца ў вадзе (у адрозненне ад большасці лекаў, касметычных сродкаў і пестыцыдаў), дзейснае рэчыва вызваляецца паступова і дзейнічае даўжэй (што дазваляе выкарыстоўваць меншыя дозы), а выкарыстаная тара біяраскладаецца (мікраарганізмы хутка раскладаюцца). натуральны прадукт, ён таксама метаболізіруется ў арганізме чалавека). Змесціва ўпакоўкі таксама абаронена ад уздзеяння навакольнага асяроддзя (паменшаны доступ да захаванай малекулы). Сродкі аховы раслін, змешчаныя ў циклодекстрины, маюць зручную для прымянення форму. Гэта белы парашок, падобны на бульбяную муку, які перад ужываннем раствараюць у вадзе. Таму няма неабходнасці выкарыстоўваць небяспечныя і гаручыя арганічныя растваральнікі.

Пры праглядзе спісу ўжыванняў циклодекстрина мы можам знайсці ў ім некалькі іншых «водарам» і «пахаў». У той час як першае з'яўляецца часта выкарыстоўванай метафарай, другое можа вас здзівіць. Аднак хімічныя вядра служаць для выдалення непрыемных пахаў, а таксама для захоўвання і вылучэнні жаданых водараў. Асвяжальнікі паветра, паглынальнікі пахаў, духі і араматызаваная папера - вось толькі некалькі прыкладаў выкарыстання комплексаў циклодекстринов. Цікавы той факт, што ў пральныя парашкі дадаюць араматызуючыя злучэнні, спакаваныя ў циклодекстрины. Падчас прасавання і шкарпэткі водар паступова расшчапляецца і вызваляецца.

Час паспрабаваць. «Горкія лекі лечаць лепш за ўсё», але яны жудасна на смак. Аднак калі яго ўводзіць у выглядзе комплексу з циклодекстрином, непрыемных адчуванняў не будзе (рэчыва выдзелена са смакавых рэцэптараў). Гарката грэйпфрутавы соку таксама прыбіраецца з дапамогай циклодекстринов. Экстракты часныку і іншых рэзкіх затавак значна больш стабільныя ў выглядзе комплексаў, чым у вольнай форме. Аналагічна спакаваныя араматызатары паляпшаюць смак кавы і гарбаты. Акрамя таго, на карысць циклодекстринов кажа назіранне іх антихолестериновой актыўнасці. Часціцы "дрэннага" халестэрыну звязваюцца ўнутры хімічнага вядра і ў такім выглядзе выводзяцца з арганізма. Так што циклодекстрины, прадукты прыроднага паходжання, таксама само здароўе.