Kabinet van chemische curiositeiten - Deel 2

De vorige aflevering van de scheikundesectie bevatte verschillende verbindingen uit een chemische freakshow (te oordelen naar de titel van de serie, zul je er zeker niet over leren op school). Dit zijn behoorlijk respectabele ‘personen’ die, ondanks hun ongewone uiterlijk, de Nobelprijs hebben gekregen, en hun eigenschappen op een aantal gebieden kunnen nauwelijks worden overschat. In dit artikel is het tijd om kennis te maken met de volgende originele karakters uit het koninkrijk van de chemie, niet minder interessant dan kroonethers en hun derivaten.

Chemische bomen

Podanden, verbindingen met lange ketens die aan het centrale deel van het molecuul zijn bevestigd, hebben aanleiding gegeven tot een nieuwe klasse stoffen (meer over "chemische octopussen" in het artikel van vorige maand). Chemici besloten het aantal “tentakels” te vergroten. Om dit te doen, werd aan elk van de armen die eindigen in een groep atomen die kunnen reageren een ander molecuul toegevoegd, eindigend in de overeenkomstige groepen (twee of meer; het punt is om het aantal secties te vergroten die verbinding kunnen maken met andere deeltjes) . Er reageerden meer moleculen mee, daarna meer, enzovoort. De toename van de omvang van het gehele systeem wordt geïllustreerd door het diagram:

Chemici associeerden de nieuwe verbindingen met groeiende boomtakken, vandaar de naam dendrimerium (van het Griekse dendron = boom, meros = deel). Het concurreerde oorspronkelijk met de termen "arborola" (dit is Latijn, waar prieel ook hout betekent) of "cascadedeeltjes". Hoewel de auteur meer op de verwarde tentakels van kwallen of sedentaire anemonen lijkt, hebben de ontdekkers uiteraard recht op namen. De associatie van dendrimeren met fractale structuren is ook een belangrijke observatie.

1. Model van een van de dendrimeren van het origineel

groeifase van de takken

Dendrimeren kunnen niet oneindig groeien (1). Het aantal takken groeit exponentieel, en na enkele tot tien stadia van aanhechting van nieuwe moleculen op het oppervlak van een bolvormige massa eindigt de vrije ruimte (het geheel bereikt nanometerafmetingen; een nanometer is een miljardste van een meter). Aan de andere kant zijn de mogelijkheden om de eigenschappen van het dendrimeer te manipuleren bijna onbeperkt. Fragmenten die op het oppervlak aanwezig zijn, kunnen hydrofiel zijn ("waterminnend", d.w.z. affiniteit hebben voor water en polaire oplosmiddelen) of hydrofoob ("water vermijden", maar geneigd zijn in contact te komen met niet-polaire vloeistoffen, bijvoorbeeld de meeste organische oplosmiddelen). oplosmiddelen). Evenzo kan het inwendige van een molecuul polair of niet-polair van aard zijn. Onder het oppervlak van het dendrimeer, tussen de afzonderlijke vertakkingen, bevinden zich vrije ruimtes waarin geselecteerde stoffen kunnen worden ingebracht (in het synthesestadium of later kunnen ze ook aan oppervlaktegroepen worden vastgemaakt). Daarom zal iedereen onder chemische bomen iets vinden dat geschikt is voor hun behoeften. En denk jij, de lezer, voordat je dit artikel tot het einde leest, na over wat je moleculen kunt gebruiken die, volgens hun structuur, in elke omgeving "comfortabel" zullen zijn, en welke andere stoffen kunnen bevatten?

Uiteraard als containers voor het transporteren van geselecteerde verbindingen en het beschermen van hun inhoud. (2). Dit zijn de belangrijkste toepassingen van dendrimeren. Hoewel ze zich grotendeels nog in de onderzoeksfase bevinden, worden sommige ervan al in de praktijk gebruikt. Dendrimeren zijn uitstekend geschikt voor het transporteren van medicijnen in de waterige omgeving van het lichaam. Sommige medicijnen moeten speciaal worden aangepast om op te lossen in lichaamsvloeistoffen - het gebruik van transportbanden zal deze transformaties vermijden (ze kunnen de effectiviteit van het medicijn negatief beïnvloeden). Bovendien komt de werkzame stof langzaam uit de capsule vrij, wat betekent dat de doses kunnen worden verlaagd en minder vaak kunnen worden ingenomen. De hechting van verschillende moleculen aan het oppervlak van het dendrimeer leidt ertoe dat ze alleen door de cellen van bepaalde organen worden herkend. Hierdoor kan het medicijn direct naar zijn bestemming worden getransporteerd zonder het hele lichaam bloot te stellen aan onnodige bijwerkingen, bijvoorbeeld bij antikankertherapie.

2. Model van een dendrimeer dat een ander molecuul bevat

(boven)

Cosmetica worden gemaakt op basis van zowel water als vetten. Vaak is de werkzame stof echter in vet oplosbaar en heeft het cosmetische product de vorm van een waterige oplossing (en omgekeerd: de in water oplosbare stof moet worden gemengd met een vetbasis). Het toevoegen van emulgatoren (waardoor een stabiele water-vetoplossing ontstaat) werkt niet altijd gunstig. Daarom proberen laboratoria van cosmeticabedrijven het potentieel van dendrimeren te benutten als transportbanden die gemakkelijk aan de behoeften kunnen worden aangepast. De chemische gewasbeschermingsindustrie kampt met soortgelijke problemen. Ook hier is het vaak nodig om een ​​niet-polair pesticide met water te mengen. Dendrimeren vergemakkelijken de verbinding en verminderen bovendien geleidelijk de ziekteverwekker van binnenuit, waardoor de hoeveelheid giftige stoffen wordt verminderd. Een andere toepassing is de behandeling van metallische zilveren nanodeeltjes, waarvan bekend is dat ze microben vernietigen. Er wordt ook onderzoek gedaan naar het gebruik van dendrimeren om antigenen in vaccins en DNA-fragmenten in genetisch onderzoek te transporteren. Er zijn meer mogelijkheden, je hoeft alleen maar je fantasie te gebruiken.

Emmers

Glucose is de meest voorkomende organische verbinding in de levende wereld. Er wordt geschat dat er jaarlijks 100 miljard ton wordt geproduceerd! Organismen gebruiken het hoofdproduct van fotosynthese op verschillende manieren. Glucose is een energiebron in cellen, dient als reservestof (plantaardig zetmeel en dierlijk glycogeen) en als bouwstof (cellulose). Aan het begin van de negentiende en twintigste eeuw werden producten geïdentificeerd van gedeeltelijke afbraak van zetmeel onder invloed van bacteriële enzymen (afgekort als CD). Zoals de naam al doet vermoeden, zijn dit cyclische of ringverbindingen:

Ze bestaan ​​uit zes (a-CD-variant), zeven (b-CD) of acht (g-CD) glucosemoleculen, hoewel er ook grotere ringen bekend zijn. (3). Maar waarom zijn de stofwisselingsproducten van sommige bacteriën zo interessant dat ze een plaats hebben in de “Jonge Technische School”?

3. Modellen van cyclodextrinen. Van links naar rechts: a – KD, b – KD, g – KD.

Allereerst zijn cyclodextrines in water oplosbare verbindingen, wat geen verrassing mag zijn - ze zijn relatief klein en bestaan ​​uit zeer oplosbare glucose (zetmeel vormt te grote deeltjes om een ​​oplossing te vormen, maar kan worden gesuspendeerd). Ten tweede kunnen talloze OH-groepen en glucose-zuurstofatomen andere moleculen binden. Ten derde worden cyclodextrinen verkregen door een eenvoudig biotechnologisch proces uit goedkoop en beschikbaar zetmeel (momenteel in een hoeveelheid van duizenden tonnen per jaar). Ten vierde blijven het volledig niet-giftige stoffen. En tot slot, de meest originele is hun vorm (die u, de lezer, zou moeten voorstellen bij het gebruik van deze verbindingen): een bodemloze emmer, d.w.z. cyclodextrinen zijn geschikt voor het vervoeren van andere stoffen (een molecuul dat door een groter gat is gegaan, valt er niet uit). container aan de onderkant, en bovendien is het gebonden door interatomaire krachten). Vanwege hun onschadelijkheid voor de gezondheid kunnen ze worden gebruikt als ingrediënt in medicijnen en voedingsmiddelen.

Het eerste gebruik van cyclodextrinen, dat kort na hun beschrijving werd ontdekt, was echter katalytische activiteit. Bij toeval bleek dat sommige reacties waarbij ze betrokken zijn, totaal anders verlopen dan bij afwezigheid van deze verbindingen in het milieu. De reden is dat het substraatmolecuul ("gast") in de emmer ("gastheer") terechtkomt (4, 5). Daarom is een deel van het molecuul ontoegankelijk voor reagentia en kan de transformatie alleen plaatsvinden op die plaatsen die naar buiten uitsteken. Het werkingsmechanisme is vergelijkbaar met de werking van veel enzymen, die ook delen van moleculen ‘maskeren’.

4. Model van een cyclodextrinemolecuul dat een ander molecuul bevat.

5. Nog een blik op hetzelfde complex

Welke moleculen kunnen in cyclodextrinen worden opgeslagen? Bijna alles past erin - het beslissende punt is de onderlinge overeenstemming van de afmetingen van de gast en de gastheer (zoals in het geval van corona-ethers en hun derivaten; zie het artikel van vorige maand) (6). Dit is een eigenschap van cyclodextrinen

6. Cyclodextrine aan een andere ketting geregen

moleculen, dat wil zeggen rotaxaan (meer details: in de kwestie

Januari)

maakt ze nuttig voor het selectief opvangen van verbindingen uit de omgeving. Op deze manier worden stoffen na een reactie (bijvoorbeeld bij de productie van medicijnen) gezuiverd en uit het mengsel gescheiden.

Ander gebruik? Het zou mogelijk zijn om fragmenten uit het vorige artikel in de cyclus te citeren (modellen van enzymen en transporters, niet alleen ionische - cyclodextrinen transporteren verschillende stoffen) en een fragment dat dendrimeren beschrijft (transporteren van werkzame stoffen in medicijnen, cosmetica en gewasbeschermingsmiddelen). De voordelen van cyclodextrine-verpakkingen zijn ook vergelijkbaar - alles lost op in water (in tegenstelling tot de meeste medicijnen, cosmetica en pesticiden), het actieve ingrediënt komt geleidelijk vrij en gaat langer mee (wat kleinere doses mogelijk maakt), en de gebruikte container is biologisch afbreekbaar (micro-organismen ontleden snel ). natuurlijk product, het wordt ook gemetaboliseerd in het menselijk lichaam). De inhoud van de verpakking wordt ook beschermd tegen de omgeving (verminderde toegang tot het opgeslagen molecuul). Gewasbeschermingsmiddelen die in cyclodextrine zijn geplaatst hebben een gebruiksvriendelijke vorm. Het is een wit poeder, vergelijkbaar met aardappelmeel, dat voor gebruik wordt opgelost in water. Daarom is het niet nodig om gevaarlijke en ontvlambare organische oplosmiddelen te gebruiken.

Als we naar de lijst met toepassingen van cyclodextrine kijken, kunnen we verschillende andere ‘smaken’ en ‘geuren’ vinden. Hoewel de eerste een vaak gebruikte metafoor is, zal de tweede je misschien verrassen. Chemische emmers dienen echter voor het verwijderen van onaangename geuren en het opslaan en vrijgeven van gewenste aroma's. Luchtverfrissers, geurabsorbeerders, parfums en geurpapier zijn slechts enkele voorbeelden van de toepassingen van cyclodextrinecomplexen. Een interessant feit is dat geurstoffen verpakt in cyclodextrines aan waspoeders worden toegevoegd. Tijdens het strijken en dragen wordt het aroma geleidelijk afgebroken en komt vrij.

Tijd om te proberen. ‘Bitter medicijn is het beste medicijn’, maar het smaakt verschrikkelijk. Als het echter wordt toegediend in de vorm van een complex met cyclodextrine, zullen er geen onaangename sensaties optreden (de stof wordt geïsoleerd van de smaakpapillen). De bitterheid van grapefruitsap wordt ook verwijderd met behulp van cyclodextrinen. Extracten van knoflook en andere kruiden zijn veel stabieler in de vorm van complexen dan in vrije vorm. Op vergelijkbare wijze verpakte smaken verbeteren de smaak van koffie en thee. Bovendien spreekt de observatie van hun anticholesterolactiviteit in het voordeel van cyclodextrinen. Deeltjes van het ‘slechte’ cholesterol worden in een chemische emmer gebonden en in deze vorm door het lichaam uitgescheiden. Cyclodextrinen, producten van natuurlijke oorsprong, zijn dus ook de gezondheid zelf.