Kabinet chemických kuriozit - 2. díl

V minulém čísle rubriky chemie bylo představeno několik sloučenin z chemické freak show (soudě podle názvu série se o nich ve škole rozhodně neučíte). Jde o vcelku úctyhodné „osoby“, které i přes svůj neobvyklý vzhled získaly Nobelovu cenu a jejich vlastnosti v řadě oblastí lze jen stěží přecenit. V tomto článku je čas seznámit se s dalšími originálními postavami z říše chemie, neméně zajímavými, než jsou crown ethery a jejich deriváty.

chemické stromy

Podandy, sloučeniny s dlouhými řetězci připojenými k centrální části molekuly, daly vzniknout nové třídě látek (více o „chemických chobotnicích“ v článku z minulého měsíce). Chemici se rozhodli zvýšit počet "chapadel". Za tímto účelem byla ke každému z ramen končících skupinou atomů schopných reakce přidána další molekula končící odpovídajícími skupinami (dvě nebo více; jde o to, aby se zvýšil počet míst, která by mohla být kombinována s jinými částicemi ). Reagovalo s ním více molekul, pak více a tak dále. Nárůst velikosti celého systému ilustruje graf:

Chemici spojili nové sloučeniny s rostoucími větvemi stromů, odtud pochází název dendrimeria (z řeckého dendron = strom, meros = část). Zpočátku konkurovalo výrazům „arborole“ (to je latina, kde arbor znamená také strom) nebo „kaskádovité částice“. Přestože autor vypadá spíše jako zapletená chapadla medúz nebo neaktivní sasanky, objevitelé mají samozřejmě právo na jména. Asociace dendrimerů s fraktálovými strukturami je také důležitým pozorováním.

1. Model jednoho z původních dendrimerů

fáze růstu větve

Dendrimery nemohou růst donekonečna (1). Počet větví roste exponenciálně a po několika až deseti fázích uchycení nových molekul na povrchu kulovité hmoty volný prostor končí (celek dosahuje nanometrových rozměrů, nanometr je miliardtina metru). Na druhou stranu, možnosti manipulace s vlastnostmi dendrimeru jsou téměř neomezené. Fragmenty přítomné na povrchu mohou být hydrofilní („vodu milující“, tj. mající afinitu k vodě a polárním rozpouštědlům) nebo hydrofobní („vyhýbající se vodě“, ale náchylné ke kontaktu s nepolárními kapalinami, například většinou organických rozpouštědla). rozpouštědla). Podobně může být vnitřek molekuly buď polární nebo nepolární. Pod povrchem dendrimeru jsou mezi jednotlivými větvemi volná místa, do kterých lze zavádět vybrané látky (ve stadiu syntézy nebo později je lze přichytit i na povrchové skupiny). Mezi chemickými stromy si proto každý najde něco vhodného pro své potřeby. A vy, čtenáři, než dočtete tento článek do konce, zamyslete se nad tím, k čemu můžete využít molekuly, které budou podle své struktury „pohodlné“ v jakémkoli prostředí a jaké další látky mohou obsahovat?

Samozřejmě jako kontejnery pro přepravu vybraných sloučenin a ochranu jejich obsahu. (2). Toto jsou hlavní aplikace dendrimerů. Přestože je většina z nich teprve ve fázi výzkumu, některé z nich jsou již aplikovány v praxi. Dendrimery jsou vynikající pro transport drog ve vodním prostředí těla. Některá léčiva je potřeba speciálně upravit, aby se rozpustila v tělních tekutinách – použití dopravníků těmto přeměnám zabrání (mohou nepříznivě ovlivnit účinnost léčiva). Kromě toho se účinná látka pomalu uvolňuje z kapsle, což znamená, že dávky mohou být sníženy a užívány méně často. Přichycení různých molekul na povrch dendrimeru vede k tomu, že je rozpoznávají pouze buňky jednotlivých orgánů. To zase umožňuje transport léku přímo na místo určení, aniž by bylo celé tělo vystaveno zbytečným vedlejším účinkům, například při protinádorové terapii.

2. Model dendrimeru obsahujícího jinou molekulu

(horní)

Kosmetika je vytvořena na bázi vody i tuků. Často je však účinná látka rozpustná v tucích a kosmetický přípravek je ve formě vodného roztoku (a naopak: ve vodě rozpustná látka musí být smíchána s tukovým základem). Přídavek emulgátorů (umožňujících vytvoření stabilního roztoku voda-tuk) nefunguje vždy příznivě. Kosmetické laboratoře se proto snaží využít potenciál dendrimerů jako dopravníků, které lze snadno přizpůsobit potřebám. Chemický průmysl na ochranu rostlin čelí podobným problémům. Opět je často nutné smíchat nepolární pesticid s vodou. Dendrimery usnadňují spojení a navíc postupné uvolňování patogenu zevnitř, snižují množství toxických látek. Další aplikací je zpracování kovových nanočástic stříbra, o kterých je známo, že ničí mikroby. Probíhá také výzkum využití dendrimerů k transportu antigenů ve vakcínách a fragmentů DNA v genetických studiích. Možností je více, jen je potřeba zapojit fantazii.

Kbelíky

Glukóza je nejrozšířenější organickou sloučeninou v živém světě. Odhaduje se, že se ho ročně vyrobí v množství 100 miliard tun! Organismy využívají hlavní produkt fotosyntézy různými způsoby. Glukóza je zdrojem energie v buňkách, slouží jako zásobní látka (rostlinný škrob a živočišný glykogen) a stavební látka (celulóza). Na přelomu devatenáctého a dvacátého století byly identifikovány produkty částečného rozkladu škrobu působením bakteriálních enzymů (zkráceně KD). Jak název napovídá, jedná se o cyklické nebo kruhové sloučeniny:

Skládají se ze šesti (varianta a-CD), sedmi (b-CD) nebo osmi (g-CD) molekul glukózy, i když jsou známy i větší kruhy. (3). Proč jsou ale metabolické produkty některých bakterií tak zajímavé, že dostanou místo v „Mladé technické škole“?

3. Modely cyklodextrinů. Zleva doprava: a - KD, b - KD, g - KD.

Za prvé, cyklodextriny jsou ve vodě rozpustné sloučeniny, což by nemělo být překvapením - jsou relativně malé a sestávají z vysoce rozpustné glukózy (škrob tvoří příliš velké částice na vytvoření roztoku, ale může být suspendován). Za druhé, četné OH skupiny a atomy kyslíku glukózy jsou schopny vázat další molekuly. Za třetí, cyklodextriny se získávají jednoduchým biotechnologickým procesem z levného a dostupného škrobu (v současnosti v množství tisíc tun ročně). Za čtvrté, zůstávají zcela netoxickými látkami. A nakonec nejoriginálnější je jejich forma (kterou byste měli Vy, Čtenář, navrhnout při použití těchto sloučenin): Bezedné vědro, tzn. cyklodextriny jsou vhodné pro přenášení jiných látek (molekula, která prošla větším otvorem, nevypadne). nádoba na dně a navíc je vázána meziatomovými silami). Pro jejich zdravotní nezávadnost je lze použít jako přísadu do léků a potravin.

Nicméně první použití cyklodextrinů, objevené krátce po popisu, byla katalytická aktivita. Náhodou se ukázalo, že některé reakce s jejich účastí probíhají zcela jiným způsobem, než v nepřítomnosti těchto sloučenin v prostředí. Důvodem je, že se molekula substrátu ("host") dostane do kbelíku ("hostitel") (4, 5). Část molekuly je proto pro činidla nepřístupná a transformace může nastat pouze v těch místech, která vyčnívají. Mechanismus účinku je podobný působení mnoha enzymů, které také „maskují“ části molekul.

4. Model molekuly cyklodextrinu obsahující jinou molekulu.

5. Další pohled na stejný komplex

Jaké molekuly mohou být uloženy uvnitř cyklodextrinů? V podstatě vše, co se vejde dovnitř – shoda velikosti hosta a hostitele je zásadní (stejně jako u koronaetherů a jejich derivátů; viz článek z minulého měsíce) (6). Tato vlastnost cyklodextrinů

6. Cyklodextrin navlečený na jiném řetězci

molekul, tedy rotaxanu (podrobněji: v čísle

Leden)

jsou užitečné pro selektivní zachycování sloučenin z prostředí. Látky se tedy po reakci (například při výrobě léků) čistí a oddělují ze směsi.

Jiné použití? V cyklu by bylo možné uvést úryvky z předchozího článku (modely enzymů a přenašečů, nejen iontových - cyklodextriny přenášejí různé látky) a úryvek popisující dendrimery (přepravující účinné látky v léčivech, kosmetice a přípravcích na ochranu rostlin). Výhody balení cyklodextrinu jsou také podobné – vše se rozpouští ve vodě (na rozdíl od většiny léků, kosmetiky a pesticidů), účinná látka se uvolňuje postupně a déle vydrží (což umožňuje menší dávky) a použitý obal je biologicky rozložitelný (mikroorganismy se rychle rozkládají ). přírodní produkt, je také metabolizován v lidském těle). Obsah balení je také chráněn před okolím (snížený přístup k uložené molekule). Přípravky na ochranu rostlin umístěné v cyklodextrinech mají formu, která je vhodná pro použití. Jde o bílý prášek, podobný bramborové mouce, který se před použitím rozpustí ve vodě. Proto není potřeba používat nebezpečná a hořlavá organická rozpouštědla.

Při procházení seznamu použití cyklodextrinu v něm najdeme několik dalších "příchutí" a "vůní". Zatímco to první je běžně používaná metafora, to druhé vás možná překvapí. Chemická vědra však slouží k odstranění nepříjemných pachů a k ukládání a uvolňování požadovaných aromat. Osvěžovače vzduchu, pohlcovače pachů, parfémy a vonné papírky jsou jen některé z příkladů použití cyklodextrinových komplexů. Zajímavostí je, že do pracích prášků se přidávají ochucovací látky balené v cyklodextrinech. Během žehlení a nošení se vůně postupně odbourává a uvolňuje.

Čas vyzkoušet. "Nejlépe léčí hořký lék," ale chutná strašně. Pokud je však podáván ve formě komplexu s cyklodextrinem, nedojde k nepříjemným pocitům (látka je izolována z chuťových pohárků). Hořkost grapefruitové šťávy se odstraňuje také pomocí cyklodextrinů. Extrakty česneku a dalšího koření jsou mnohem stabilnější ve formě komplexů než ve volné formě. Podobně balené příchutě zvýrazňují chuť kávy a čaje. Ve prospěch cyklodextrinů navíc hovoří pozorování jejich anticholesterolové aktivity. Částice "špatného" cholesterolu se vážou uvnitř chemického kbelíku a jsou v této formě vylučovány z těla. Takže i cyklodextriny, produkty přírodního původu, jsou zdraví samo o sobě.