Кабинет химических редкостей – Часть 2

В предыдущем выпуске раздела химии было представлено несколько соединений из химического паноптикума (судя по названию сериала, вы точно не узнаете о них в школе). Это вполне респектабельные «персоны», которые, несмотря на свою необычную внешность, были удостоены Нобелевской премии, а их свойства в ряде областей трудно переоценить. В этой статье самое время познакомиться с очередными оригинальными персонажами из царства химии, не менее интересными, чем краун-эфиры и их производные.

Химические деревья

Поданды, соединения с длинными цепями, прикрепленными к центральной части молекулы, дали начало новому классу веществ (подробнее о «химических осьминогах» в статье за ​​последний месяц). Химики решили увеличить количество «щупалец». Для этого к каждому из плеч, оканчивающемуся группой атомов, способных реагировать, присоединялась еще одна молекула, оканчивающаяся соответствующими группами (двумя и более; дело в том, чтобы увеличить количество участков, которые могли бы соединяться с другими частицами) . С ним реагировало больше молекул, потом еще и так далее. Увеличение размеров всей системы иллюстрируется схемой:

Химики связали новые соединения с растущими ветвями деревьев, отсюда и название дендримерия (от греческого dendron = дерево, meros = часть). Изначально оно конкурировало с терминами «арборола» (это латинское, где арбор также означает дерево) или «каскадные частицы». Хотя автор больше похож на спутанные щупальца медуз или малоподвижных анемонов, но право на имена имеют, конечно, первооткрыватели. Ассоциация дендримеров с фрактальными структурами также является важным наблюдением.

1. Модель одного из дендримеров исходного

стадия роста ветвей

Дендримеры не могут расти бесконечно (1). Количество ветвей растет экспоненциально, и после нескольких-десятка стадий прикрепления новых молекул на поверхности сферической массы свободное пространство заканчивается (целое достигает нанометровых размеров; нанометр — это миллиардная доля метра). С другой стороны, возможности манипулирования свойствами дендримера практически безграничны. Фрагменты, присутствующие на поверхности, могут быть гидрофильными («водолюбивыми», т. е. имеющими сродство к воде и полярным растворителям) или гидрофобными («избегающими воды», но склонными вступать в контакт с неполярными жидкостями, например, с большинством органических растворителей). растворители). Точно так же внутренняя часть молекулы может быть полярной или неполярной по своей природе. Под поверхностью дендримера, между отдельными ветвями, имеются свободные пространства, в которые могут быть введены избранные вещества (на стадии синтеза или позже, они также могут быть присоединены к поверхностным группам). Поэтому среди химических деревьев каждый найдет что-то подходящее для своих нужд. А ты, читатель, прежде чем дочитать до конца эту статью, подумай, для чего можно использовать молекулы, которым – по их строению – будет “комфортно” в любой среде, и какие могут содержать другие вещества?

Разумеется, в качестве контейнеров для транспортировки выбранных соединений и защиты их содержимого. (2). Это основные области применения дендримеров. Хотя в основном они еще находятся на стадии исследований, некоторые из них уже применяются на практике. Дендримеры отлично подходят для переноса лекарств в водной среде организма. Некоторые лекарства необходимо специально модифицировать для растворения в жидкостях организма — использование конвейеров позволит избежать этих превращений (они могут негативно сказаться на эффективности препарата). Кроме того, действующее вещество медленно высвобождается изнутри капсулы, а это значит, что дозы можно снизить и принимать реже. Прикрепление различных молекул к поверхности дендримера приводит к тому, что они распознаются только клетками отдельных органов. Это, в свою очередь, позволяет транспортировать лекарство непосредственно к месту назначения, не подвергая излишнему побочному воздействию весь организм, например, при противораковой терапии.

2. Модель дендримера, содержащего другую молекулу

(наверху)

Косметика создается на основе как воды, так и жиров. Однако часто действующее вещество является жирорастворимым, а косметическое средство находится в виде водного раствора (и наоборот: водорастворимое вещество необходимо смешивать с жировой основой). Добавление эмульгаторов (позволяющих образовывать устойчивый водно-жировой раствор) не всегда работает благоприятно. Поэтому лаборатории косметических компаний пытаются использовать потенциал дендримеров в качестве конвейеров, которые можно легко адаптировать к потребностям. С аналогичными проблемами сталкивается и промышленность химических средств защиты растений. Опять же, часто необходимо смешивать неполярный пестицид с водой. Дендримеры облегчают соединение и, кроме того, постепенно высвобождая возбудитель изнутри, уменьшают количество токсических веществ. Еще одним применением является обработка наночастиц металлического серебра, которые, как известно, разрушают микробы. Также ведутся исследования по использованию дендримеров для транспорта антигенов в вакцинах и фрагментов ДНК в генетических исследованиях. Возможностей больше, нужно только включить воображение.

Ведра

Глюкоза является самым распространенным органическим соединением в живом мире. Подсчитано, что ежегодно его производится в количестве 100 миллиардов тонн! Организмы по-разному используют основной продукт фотосинтеза. Глюкоза является источником энергии в клетках, служит запасным материалом (растительный крахмал и животный гликоген) и строительным материалом (целлюлоза). На рубеже девятнадцатого и двадцатого веков были идентифицированы продукты частичного распада крахмала под действием бактериальных ферментов (сокращенно КД). Как следует из названия, это циклические или кольцевые соединения:

Они состоят из шести (вариант a-CD), семи (b-CD) или восьми (g-CD) молекул глюкозы, хотя известны и более крупные кольца. (3). Но чем же так интересны продукты метаболизма некоторых бактерий, что им отведено место в «Юном техникуме»?

3. Модели циклодекстринов. Слева направо: а – КД, б – КД, ж – КД.

Прежде всего, циклодекстрины являются растворимыми в воде соединениями, что не должно вызывать удивления – они относительно малы и состоят из хорошо растворимой глюкозы (крахмал образует слишком крупные частицы для образования раствора, но может быть суспендирован). Во-вторых, многочисленные ОН-группы и атомы кислорода глюкозы способны связывать другие молекулы. В-третьих, циклодекстрины получают простым биотехнологическим процессом из дешевого и доступного крахмала (в настоящее время в количестве тысяч тонн в год). В-четвертых, они остаются совершенно нетоксичными веществами. И, наконец, самое оригинальное – это их форма (которую вы, Читатель, должны подсказать при использовании этих соединений): Бездонное ведро, т.е. циклодекстрины, пригодны для переноса других веществ (молекула, прошедшая через большее отверстие, не выпадет наружу). контейнера на дне, и, кроме того, он связан межатомными силами). Благодаря безвредности для здоровья их можно использовать в качестве ингредиента в лекарствах и пищевых продуктах.

Однако первым применением циклодекстринов, обнаруженным вскоре после описания, была каталитическая активность. Случайно оказалось, что некоторые реакции с их участием протекают совершенно иначе, чем при отсутствии этих соединений в окружающей среде. Причина в том, что молекула субстрата («гость») попадает внутрь ведра («хозяина») (4, 5). Поэтому часть молекулы недоступна для реагентов, и превращение может происходить только в тех местах, которые выступают наружу. Механизм действия аналогичен действию многих ферментов, также «маскирующих» части молекул.

4. Модель молекулы циклодекстрина, содержащей другую молекулу.

5. Другой взгляд на тот же комплекс

Какие молекулы могут храниться внутри циклодекстринов? Практически любой, который поместится внутри — решающим моментом является взаимное соответствие размеров гостя и хозяина (как в случае коронных эфиров и их производных; см. статью в прошлом месяце) (6). Это свойство циклодекстринов

6. Циклодекстрин, нанизанный на другую цепь

молекул, то есть ротаксана (подробнее: в номере

январь)

делает их используемыми для избирательного захвата соединений из окружающей среды. Таким образом, вещества очищаются и выделяются из смеси после реакции (например, при производстве лекарств).

Другое использование? Можно было бы привести отрывки из предыдущей статьи цикла (модели ферментов и транспортеров, не только ионных – циклодекстрины транспортируют различные вещества) и отрывок, описывающий дендримеры (транспортирующие активные вещества в лекарствах, косметике и средствах защиты растений). Преимущества упаковки циклодекстрина также схожи – все растворяется в воде (в отличие от большинства лекарств, косметических средств и пестицидов), действующее вещество высвобождается постепенно и действует дольше (что позволяет использовать меньшие дозы), а использованная тара биоразлагается (микроорганизмы быстро разлагаются). натуральный продукт, он также метаболизируется в организме человека). Содержимое упаковки также защищено от воздействия окружающей среды (уменьшенный доступ к сохраненной молекуле). Средства защиты растений, помещенные в циклодекстрины, имеют удобную для применения форму. Это белый порошок, похожий на картофельную муку, который перед употреблением растворяют в воде. Поэтому нет необходимости использовать опасные и горючие органические растворители.

При просмотре списка применений циклодекстрина мы можем найти в нем несколько других «ароматов» и «запахов». В то время как первое является часто используемой метафорой, второе может вас удивить. Однако химические ведра служат для удаления неприятных запахов, а также для хранения и выделения желаемых ароматов. Освежители воздуха, поглотители запахов, духи и ароматизированная бумага — вот лишь несколько примеров использования комплексов циклодекстринов. Интересен тот факт, что в стиральные порошки добавляют ароматизирующие соединения, упакованные в циклодекстрины. Во время глажки и носки аромат постепенно расщепляется и высвобождается.

Время попробовать. «Горькое лекарство лечит лучше всего», но оно ужасно на вкус. Однако если его вводить в виде комплекса с циклодекстрином, неприятных ощущений не будет (вещество выделено из вкусовых рецепторов). Горечь грейпфрутового сока также убирается с помощью циклодекстринов. Экстракты чеснока и других пряностей гораздо более стабильны в виде комплексов, чем в свободной форме. Аналогично упакованные ароматизаторы улучшают вкус кофе и чая. Кроме того, в пользу циклодекстринов говорит наблюдение их антихолестериновой активности. Частицы «плохого» холестерина связываются внутри химического ведра и в таком виде выводятся из организма. Так что циклодекстрины, продукты природного происхождения, тоже само здоровье.