Tủ tò mò hóa học - Phần 2

Trong số trước của phần hóa học, một số hợp chất từ ​​chương trình kỳ dị hóa học đã được trình bày (xét theo tên của bộ truyện, bạn chắc chắn sẽ không học về chúng ở trường). Đây là những "người" khá đáng kính, mặc dù có ngoại hình khác thường nhưng đã được trao giải Nobel, và tài sản của họ trong một số lĩnh vực khó có thể được đánh giá quá cao. Trong bài viết này, đã đến lúc làm quen với các ký tự gốc tiếp theo từ lĩnh vực hóa học, không kém phần thú vị là các ete vương miện và các dẫn xuất của chúng.

cây hóa học

Podand, hợp chất có chuỗi dài gắn với phần trung tâm của phân tử, đã làm phát sinh một nhóm chất mới (thông tin thêm về "bạch tuộc hóa học" trong bài báo tháng trước). Các nhà hóa học quyết định tăng số lượng "xúc tu". Để làm được điều này, đối với mỗi nhánh kết thúc bằng một nhóm nguyên tử có khả năng phản ứng, một phân tử khác được thêm vào, kết thúc bằng các nhóm tương ứng (hai hoặc nhiều hơn; mục đích là tăng số lượng vị trí có thể kết hợp với các hạt khác ). Nhiều phân tử phản ứng với nó, rồi nhiều hơn, v.v. Sự gia tăng kích thước của toàn bộ hệ thống được minh họa bằng sơ đồ:

Các nhà hóa học đã liên kết các hợp chất mới với các cành cây đang phát triển, do đó có tên dendrimeria (từ tiếng Hy Lạp dendron = cây, meros = một phần). Ban đầu, nó cạnh tranh với các thuật ngữ "arborole" (đây là tiếng Latinh, nơi arbor cũng có nghĩa là cây) hoặc "các hạt xếp tầng". Mặc dù tác giả trông giống những xúc tu rối rắm của sứa hoặc hải quỳ không hoạt động, nhưng những người phát hiện ra, tất nhiên, có quyền nêu tên. Sự liên kết của các đuôi gai với cấu trúc fractal cũng là một quan sát quan trọng.

1. Mô hình của một trong những dendrimers ban đầu

giai đoạn phát triển chi nhánh

Dendrimers không thể phát triển vô thời hạn (1). Số lượng nhánh tăng theo cấp số nhân và sau vài đến mười giai đoạn gắn các phân tử mới trên bề mặt của một khối hình cầu, không gian trống kết thúc (toàn bộ đạt đến kích thước nanomet; một nanomet bằng một phần tỷ mét). Mặt khác, khả năng điều khiển các thuộc tính của dendrimer gần như vô hạn. Các mảnh hiện diện trên bề mặt có thể ưa nước ("ưa nước", tức là có ái lực với nước và dung môi phân cực) hoặc kỵ nước ("tránh nước", nhưng dễ tiếp xúc với chất lỏng không phân cực, chẳng hạn như hầu hết các chất hữu cơ dung môi). dung môi). Tương tự, phần bên trong của một phân tử có thể có cực hoặc không có cực trong tự nhiên. Dưới bề mặt của dendrimer, giữa các nhánh riêng lẻ, có các khoảng trống để các chất được chọn có thể được đưa vào (ở giai đoạn tổng hợp hoặc sau này, chúng cũng có thể được gắn vào các nhóm bề mặt). Do đó, trong số các loại cây hóa học, mọi người sẽ tìm thấy thứ phù hợp với nhu cầu của mình. Còn bạn, độc giả, trước khi đọc đến cuối bài viết này, hãy nghĩ xem bạn có thể sử dụng những phân tử nào, theo cấu trúc của chúng, sẽ “thoải mái” trong bất kỳ môi trường nào, và những chất nào khác có thể chứa?

Tất nhiên, như các thùng chứa để vận chuyển các hợp chất đã chọn và bảo vệ các chất bên trong của chúng. (2). Đây là những ứng dụng chính của dendrimers. Mặc dù hầu hết chúng vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu, nhưng một số trong số chúng đã được ứng dụng vào thực tế. Dendrimers rất tốt để vận chuyển thuốc trong môi trường nước của cơ thể. Một số loại thuốc cần được biến đổi đặc biệt để hòa tan trong dịch cơ thể - việc sử dụng băng tải sẽ tránh được những biến đổi này (chúng có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu quả của thuốc). Ngoài ra, hoạt chất được giải phóng chậm từ bên trong viên nang, có nghĩa là có thể giảm liều và uống ít thường xuyên hơn. Sự gắn kết của các phân tử khác nhau vào bề mặt của dendrimer dẫn đến thực tế là chúng chỉ được nhận biết bởi các tế bào của các cơ quan riêng lẻ. Điều này cho phép thuốc được vận chuyển trực tiếp đến nơi cần đến mà không để toàn bộ cơ thể phải chịu các tác dụng phụ không cần thiết, ví dụ như trong liệu pháp chống ung thư.

2. Mô hình của một dendrimer chứa một phân tử khác

(đứng đầu)

Mỹ phẩm được tạo ra trên cơ sở cả nước và chất béo. Tuy nhiên, thường hoạt chất hòa tan trong chất béo, và sản phẩm mỹ phẩm ở dạng dung dịch nước (và ngược lại: chất hòa tan trong nước phải được trộn với cơ sở chất béo). Việc bổ sung chất nhũ hóa (cho phép tạo thành dung dịch chất béo nước ổn định) không phải lúc nào cũng hoạt động thuận lợi. Do đó, các phòng thí nghiệm mỹ phẩm đang cố gắng sử dụng tiềm năng của dendrimers làm băng tải có thể dễ dàng điều chỉnh theo nhu cầu. Ngành hóa chất bảo vệ thực vật cũng gặp phải những vấn đề tương tự. Một lần nữa, thường phải trộn thuốc trừ sâu không phân cực với nước. Dendrimers tạo điều kiện kết nối và ngoài ra, dần dần giải phóng mầm bệnh từ bên trong, giảm lượng chất độc hại. Một ứng dụng khác là xử lý các hạt nano bạc kim loại, được biết là có thể tiêu diệt các vi khuẩn. Nghiên cứu cũng đang được tiến hành về việc sử dụng đuôi gai để vận chuyển kháng nguyên trong vắc xin và các đoạn DNA trong nghiên cứu di truyền. Có nhiều khả năng hơn, bạn chỉ cần sử dụng trí tưởng tượng của bạn.

Xô

Glucose là hợp chất hữu cơ phong phú nhất trong thế giới sống. Người ta ước tính rằng nó được sản xuất hàng năm với số lượng 100 tỷ tấn! Các sinh vật sử dụng sản phẩm chính của quá trình quang hợp theo những cách khác nhau. Glucose là nguồn cung cấp năng lượng cho tế bào, làm nguyên liệu dự trữ (tinh bột thực vật và glycogen động vật) và vật liệu xây dựng (cellulose). Vào đầu thế kỷ XNUMX và XNUMX, các sản phẩm của quá trình phân hủy một phần tinh bột do tác động của các enzym vi khuẩn (viết tắt là KD) đã được xác định. Như tên cho thấy, đây là các hợp chất mạch vòng hoặc vòng:

Chúng bao gồm sáu (biến thể a-CD), bảy (b-CD) hoặc tám (g-CD) phân tử glucose, mặc dù những vòng lớn hơn cũng được biết đến. (3). Nhưng tại sao các sản phẩm trao đổi chất của một số vi khuẩn rất thú vị mà chúng lại được dành cho một vị trí trong "Trường Kỹ thuật Trẻ"?

3. Các mô hình của cyclodextrins. Từ trái sang phải: a - KD, b - KD, g - KD.

Trước hết, cyclodextrin là các hợp chất hòa tan trong nước, điều này không gây ngạc nhiên - chúng tương đối nhỏ và bao gồm glucose hòa tan cao (tinh bột tạo thành các hạt quá lớn để tạo thành dung dịch nhưng có thể lơ lửng). Thứ hai, nhiều nhóm OH và nguyên tử oxy glucose có thể liên kết với các phân tử khác. Thứ ba, cyclodextrin thu được bằng một quy trình công nghệ sinh học đơn giản từ tinh bột sẵn có và rẻ tiền (hiện có số lượng hàng nghìn tấn mỗi năm). Thứ tư, chúng vẫn hoàn toàn không phải là chất độc hại. Và cuối cùng, nguyên bản nhất là hình thức của chúng (mà bạn, Người đọc, nên gợi ý khi sử dụng các hợp chất này): Một cái xô không đáy, tức là. cyclodextrin thích hợp để mang các chất khác (phân tử đi qua lỗ lớn hơn sẽ không rơi ra ngoài). chứa ở phía dưới, và ngoài ra, nó còn bị ràng buộc bởi các lực tương tác). Do vô hại đối với sức khỏe, chúng có thể được sử dụng như một thành phần trong thuốc và thực phẩm.

Tuy nhiên, công dụng đầu tiên của cyclodextrins, được phát hiện ngay sau khi mô tả, là hoạt tính xúc tác. Tình cờ hóa ra là một số phản ứng có sự tham gia của chúng diễn ra theo một cách hoàn toàn khác với trường hợp không có các hợp chất này trong môi trường. Nguyên nhân là do phân tử chất nền ("khách") vào bên trong thùng ("vật chủ") (4, 5). Do đó, một phần của phân tử không thể tiếp cận được với thuốc thử, và sự biến đổi chỉ có thể xảy ra ở những nơi nhô ra. Cơ chế hoạt động tương tự như hoạt động của nhiều enzym, chúng cũng "che" các bộ phận của phân tử.

4. Mô hình của một phân tử cyclodextrin có chứa một phân tử khác.

5. Một cái nhìn khác về cùng một khu phức hợp

Những phân tử nào có thể được lưu trữ bên trong cyclodextrins? Khá nhiều thứ sẽ phù hợp với bên trong - sự phù hợp kích thước khách và máy chủ lưu trữ là rất quan trọng (như với corona ete và các dẫn xuất của chúng; xem bài viết tháng trước) (6). Thuộc tính này của cyclodextrins

6. Cyclodextrin xâu chuỗi trên một chuỗi khác

phân tử, tức là rotaxan (thêm chi tiết: trong số báo

Tháng Giêng)

làm cho chúng hữu ích cho việc thu nhận các hợp chất có chọn lọc từ môi trường. Do đó, các chất được tinh chế và tách ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng (ví dụ, trong sản xuất thuốc).

Sử dụng khác? Có thể trích dẫn các đoạn trích từ bài viết trước trong chu trình (mô hình enzyme và chất vận chuyển, không chỉ ion - cyclodextrin vận chuyển các chất khác nhau) và đoạn trích mô tả dendrimer (vận chuyển các hoạt chất trong thuốc, mỹ phẩm và thuốc bảo vệ thực vật). Lợi ích của bao bì cyclodextrin cũng tương tự - mọi thứ hòa tan trong nước (không giống như hầu hết các loại thuốc, mỹ phẩm và thuốc trừ sâu), hoạt chất được giải phóng dần dần và tồn tại lâu hơn (cho phép sử dụng liều lượng nhỏ hơn) và hộp đựng đã sử dụng có thể phân hủy sinh học (vi sinh vật phân hủy nhanh chóng ). sản phẩm tự nhiên, nó cũng được chuyển hóa trong cơ thể con người). Nội dung của gói cũng được bảo vệ khỏi môi trường (giảm quyền truy cập vào phân tử được lưu trữ). Thuốc bảo vệ thực vật đóng hộp cyclodextrin có dạng đóng gói thuận tiện cho việc sử dụng. Nó là một loại bột màu trắng, tương tự như bột khoai tây, được hòa tan trong nước trước khi sử dụng. Do đó, không cần sử dụng dung môi hữu cơ nguy hiểm và dễ cháy.

Khi duyệt qua danh sách sử dụng cyclodextrin, chúng ta có thể tìm thấy một số "hương vị" và "mùi" khác trong đó. Trong khi cái trước là một phép ẩn dụ thường được sử dụng, thì cái sau có thể làm bạn ngạc nhiên. Tuy nhiên, xô đựng hóa chất có tác dụng khử mùi hôi và lưu giữ và tỏa ra mùi thơm mong muốn. Chất làm mát không khí, chất hấp thụ mùi, nước hoa và giấy thơm chỉ là một vài ví dụ về việc sử dụng phức hợp cyclodextrin. Một thực tế thú vị là các hợp chất tạo hương vị đóng gói trong cyclodextrins được thêm vào bột giặt. Trong quá trình ủi và mặc, hương thơm sẽ dần bị phân hủy và thoát ra ngoài.

Thời gian để thử. "Thuốc đắng chữa bệnh tốt nhất", nhưng nó có vị rất kinh khủng. Tuy nhiên, nếu nó được dùng dưới dạng phức hợp với cyclodextrin, sẽ không có cảm giác khó chịu (chất được phân lập từ các chồi vị giác). Vị đắng của nước bưởi cũng được loại bỏ với sự trợ giúp của cyclodextrins. Các chất chiết xuất từ ​​tỏi và các loại gia vị khác ở dạng phức hợp ổn định hơn nhiều so với ở dạng tự do. Tương tự, hương vị đóng gói làm tăng hương vị của cà phê và trà. Ngoài ra, việc quan sát hoạt động chống cholesterol của chúng có lợi cho cyclodextrin. Các hạt cholesterol "xấu" liên kết bên trong thùng hóa chất và được đào thải ra khỏi cơ thể dưới dạng này. Vì vậy, cyclodextrins, sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, cũng chính là sức khỏe.