ארון הסקרנות הכימית - חלק 2

בגיליון הקודם של מדור הכימיה הוצגו כמה תרכובות מהפריק שואו הכימי (אם לשפוט לפי שם הסדרה, בהחלט לא תלמדו עליהם בבית הספר). מדובר ב"אנשים" מכובדים למדי, שלמרות חזותם יוצאת הדופן, זכו בפרס נובל, ובקושי ניתן להפריז בנכסיהם במספר תחומים. במאמר זה הגיע הזמן להכיר את הדמויות המקוריות הבאות מתחום הכימיה, מעניינות לא פחות מאתרי הכתר ונגזרותיהם.

עצים כימיים

Podands, תרכובות עם שרשראות ארוכות המחוברות לחלק המרכזי של המולקולה, הולידו מחלקה חדשה של חומרים (עוד על "תמנונים כימיים" במאמר של החודש שעבר). כימאים החליטו להגדיל את מספר ה"מחושים". לשם כך, לכל אחת מהזרועות המסתיימות בקבוצת אטומים המסוגלים להגיב, נוספה מולקולה נוספת המסתיימת בקבוצות המתאימות (שתיים או יותר; העניין הוא להגדיל את מספר האתרים שניתן לשלב עם חלקיקים אחרים ). יותר מולקולות הגיבו איתו, אחר כך יותר, וכן הלאה. הגידול בגודל המערכת כולה מומחש על ידי התרשים:

כימאים קשרו את התרכובות החדשות לענפים הגדלים של העצים, ומכאן השם dendrimeria (מיוונית dendron = עץ, meros = חלק). בתחילה, הוא התחרה במונחים "ארבורול" (זו לטינית, כאשר ארבור פירושו גם עץ) או "חלקיקים מדורגים". למרות שהמחבר נראה יותר כמו המחושים הסבוכים של מדוזה או כלניות לא פעילות, למגלים יש כמובן זכות לשמות. הקשר של דנדרמרים עם מבנים פרקטליים הוא גם תצפית חשובה.

1. דגם של אחד מהדנדרמרים המקוריים

שלב צמיחת הענף

דנדרמרים לא יכולים לגדול ללא הגבלת זמן (1). מספר הענפים גדל באופן אקספוננציאלי, ואחרי כמה עד עשרה שלבים של התקשרות של מולקולות חדשות על פני מסה כדורית מסתיים החלל הפנוי (השלם מגיע לממדים ננומטריים; ננומטר הוא מיליארדית המטר). מצד שני, האפשרויות לתמרן את תכונות הדנדרימר הן כמעט בלתי מוגבלות. שברים הקיימים על פני השטח יכולים להיות הידרופיליים ("אוהבי מים", כלומר בעלי זיקה למים ולממיסים קוטביים) או הידרופוביים ("הימנעות ממים", אך נוטים לבוא במגע עם נוזלים לא קוטביים, למשל, רוב האורגני. ממסים). ממסים). באופן דומה, החלק הפנימי של מולקולה יכול להיות קוטבי או לא קוטבי בטבע. מתחת לפני השטח של הדנדרימר, בין הענפים הבודדים, ישנם חללים פנויים אליהם ניתן להחדיר חומרים נבחרים (בשלב הסינתזה או מאוחר יותר, ניתן להצמידם גם לקבוצות פני השטח). לכן, בין עצים כימיים, כל אחד ימצא משהו מתאים לצרכיו. ואתה, הקורא, לפני שאתה קורא את המאמר הזה עד הסוף, תחשוב על מה אתה יכול להשתמש מולקולות שלפי המבנה שלהן יהיה "נוח" בכל סביבה, ואילו חומרים אחרים יכולים להכיל?

כמובן כמכולות להובלת תרכובות נבחרות והגנה על תכולתן. (2). אלה היישומים העיקריים של דנדרמרים. למרות שרובם עדיין בשלב המחקר, חלקם כבר מיושמים בפועל. דנדרמרים מצוינים להובלת תרופות בסביבה המימית של הגוף. תרופות מסוימות צריכות לעבור שינוי מיוחד כדי להתמוסס בנוזלי גוף - השימוש במסועים ימנע את התמורות הללו (הן עלולות להשפיע לרעה על יעילות התרופה). בנוסף, החומר הפעיל משתחרר באיטיות מתוך הקפסולה, מה שאומר שניתן להפחית מינונים וליטול בתדירות נמוכה יותר. ההתקשרות של מולקולות שונות לפני השטח של הדנדרימר מובילה לעובדה שהן מזוהות רק על ידי תאים של איברים בודדים. זה, בתורו, מאפשר להעביר את התרופה ישירות ליעדה, מבלי לחשוף את הגוף כולו לתופעות לוואי מיותרות, למשל בטיפול אנטי-סרטני.

2. דגם של דנדרימר המכיל מולקולה נוספת

(חלק עליון)

מוצרי קוסמטיקה נוצרים על בסיס מים וגם שומנים. עם זאת, לרוב החומר הפעיל מסיס בשומן, והמוצר הקוסמטי הוא בצורת תמיסה מימית (ולהיפך: יש לערבב את החומר המסיס במים עם בסיס השומן). תוספת של חומרים מתחלבים (המאפשרים יצירת תמיסה יציבה של מים-שומן) לא תמיד עובדת בצורה חיובית. לכן, מעבדות קוסמטיקה מנסות לנצל את הפוטנציאל של הדנדרמרים כמנועים שניתן להתאים בקלות לצרכים. תעשיית הכימיקלים להגנת הצומח מתמודדת עם בעיות דומות. שוב, לעתים קרובות יש צורך לערבב את חומר ההדברה הלא קוטבי עם מים. דנדרמרים מקלים על החיבור ובנוסף, משחררים בהדרגה את הפתוגן מבפנים, מפחיתים את כמות החומרים הרעילים. יישום נוסף הוא עיבוד של ננו-חלקיקי כסף מתכתיים, הידועים כמשמידים חיידקים. כמו כן, מתבצע מחקר על השימוש בדנדרמרים להעברת אנטיגנים בחיסונים ושברי DNA במחקרים גנטיים. יש עוד אפשרויות, אתה רק צריך להשתמש בדמיון שלך.

דליים

גלוקוז הוא התרכובת האורגנית הנפוצה ביותר בעולם החי. ההערכה היא שהוא מיוצר מדי שנה בכמות של 100 מיליארד טון! אורגניזמים משתמשים בתוצר העיקרי של הפוטוסינתזה בדרכים שונות. הגלוקוז הוא מקור אנרגיה בתאים, משמש כחומר רזרבה (עמילן צמחי וגליקוגן מן החי) וחומר בניין (צלולוזה). בתחילת המאות התשע עשרה והעשרים זוהו תוצרים של פירוק חלקי של עמילן על ידי פעולת אנזימים חיידקיים (בקיצור KD). כפי שהשם מרמז, אלו הן תרכובות מחזוריות או טבעות:

הם מורכבים משש (גרסה a-CD), שבע (b-CD), או שמונה (g-CD) מולקולות גלוקוז, אם כי ידועות גם טבעות גדולות יותר. (3). אבל למה התוצרים המטבוליים של כמה חיידקים כל כך מעניינים עד שהם מקבלים מקום ב"בית הספר הטכני הצעיר"?

3. מודלים של ציקלודקסטרינים. משמאל לימין: א - ק"ד, ב - ק"ד, ז - ק"ד.

קודם כל, ציקלודקסטרינים הם תרכובות מסיסות במים, מה שלא צריך להפתיע – הם קטנים יחסית ומורכבים מגלוקוז מסיס מאוד (עמילן יוצר חלקיקים גדולים מדי מכדי ליצור תמיסה, אך ניתן להשהות). שנית, קבוצות OH רבות ואטומי חמצן גלוקוז מסוגלים לקשור מולקולות אחרות. שלישית, ציקלודקסטרינים מתקבלים בתהליך ביוטכנולוגי פשוט מעמילן זול וזמין (כיום בכמות של אלפי טונות בשנה). רביעית, הם נשארים חומרים לא רעילים לחלוטין. ולבסוף, המקורית ביותר היא צורתם (שאתה, הקורא, צריך להציע בעת השימוש בתרכובות הללו): דלי ללא תחתית, כלומר. ציקלודקסטרינים מתאימים לנשיאת חומרים אחרים (מולקולה שעברה דרך חור גדול יותר לא תיפול). מיכל בתחתית, ויתרה מכך, הוא קשור בכוחות בין-אטומיים). בשל חוסר המזיקות שלהם לבריאות, הם יכולים לשמש כמרכיב בתרופות ומזונות.

עם זאת, השימוש הראשון בציקלודקסטרינים, שהתגלה זמן קצר לאחר התיאור, היה פעילות קטליטית. התברר במקרה שחלק מהתגובות עם השתתפותן מתרחשות בצורה שונה לחלוטין מאשר בהיעדר תרכובות אלו בסביבה. הסיבה היא שמולקולת המצע ("אורח") נכנסת לתוך הדלי ("מארח") (4, 5). לכן, חלק מהמולקולה אינו נגיש לריאגנטים, והשינוי יכול להתרחש רק במקומות הבולטים החוצה. מנגנון הפעולה דומה לפעולתם של אנזימים רבים, שגם "מסכים" חלקים מהמולקולות.

4. מודל של מולקולת ציקלודקסטרין המכילה מולקולה נוספת.

5. מבט נוסף על אותו קומפלקס

אילו מולקולות ניתן לאחסן בתוך ציקלודקסטרינים? כמעט כל דבר שיתאים בפנים - התאמת גודל אורח ומארח היא קריטית (כמו עם אתרי קורונה ונגזרותיהם; ראה מאמר של החודש שעבר) (6). תכונה זו של ציקלודקסטרינים

6. Cyclodextrin שרשרת על שרשרת נוספת

מולקולות, כלומר rotaxane (פרטים נוספים: בגיליון

יָנוּאָר)

עושה אותם שימושיים ללכידה סלקטיבית של תרכובות מהסביבה. לפיכך, חומרים מטוהרים ומופרדים מהתערובת לאחר התגובה (למשל, בייצור תרופות).

שימוש אחר? ניתן יהיה לצטט קטעים מהמאמר הקודם במחזור (מודלים של אנזימים וטרנספורטרים, לא רק יוניים - ציקלודקסטרינים מעבירים חומרים שונים) וקטע המתאר דנדרמרים (הובלת חומרים פעילים בתרופות, קוסמטיקה ומוצרים להגנת הצומח). גם היתרונות של אריזות ציקלודקסטרין דומות - הכל מתמוסס במים (בניגוד לרוב התרופות, הקוסמטיקה וחומרי הדברה), החומר הפעיל משתחרר בהדרגה ומחזיק מעמד זמן רב יותר (מה שמאפשר מינונים קטנים יותר), והמיכל המשומש מתכלה (מיקרואורגניזמים מתפרקים במהירות ). מוצר טבעי, הוא גם עובר חילוף חומרים בגוף האדם). תכולת האריזה מוגנת גם מהסביבה (גישה מופחתת למולקולה המאוחסנת). למוצרים להגנת הצומח הממוקמים בציקלודקסטרינים יש צורה נוחה לשימוש. זוהי אבקה לבנה, בדומה לקמח תפוחי אדמה, המומסת במים לפני השימוש. לכן, אין צורך להשתמש בממסים אורגניים מסוכנים ודליקים.

בעת דפדוף ברשימת השימושים של cyclodextrin, נוכל למצוא בה עוד כמה "טעמים" ו"ריחות". בעוד שהראשון הוא מטפורה נפוצה, השנייה עשויה להפתיע אותך. עם זאת, דליים כימיים משמשים להסרת ריחות לא נעימים ולאחסון ולשחרור ניחוחות רצויים. מטהרי אוויר, בולמי ריחות, בשמים וניירות ריחניים הם רק כמה דוגמאות לשימוש במתחמי ציקלודקסטרין. עובדה מעניינת היא שתרכובות ריח ארוזות בציקלודקסטרינים מתווספות לאבקות כביסה. במהלך הגיהוץ והלבישה, הניחוח מתפרק ומשתחרר בהדרגה.

הגיע הזמן לנסות. "תרופה מרירה מרפאה הכי טוב", אבל היא טעימה נורא. עם זאת, אם הוא מנוהל בצורה של קומפלקס עם ציקלודקסטרין, לא יהיו תחושות לא נעימות (החומר מבודד מבלוטות הטעם). המרירות של מיץ אשכוליות מוסרת גם בעזרת ציקלודקסטרינים. תמציות של שום ותבלינים אחרים הרבה יותר יציבות בצורת קומפלקסים מאשר בצורה חופשית. טעמים ארוזים באופן דומה משפרים את הטעם של קפה ותה. בנוסף, ההתבוננות בפעילות האנטי-כולסטרול שלהם מדברת לטובת ציקלודקסטרינים. חלקיקי כולסטרול "רע" נקשרים בתוך הדלי הכימיים ומופרשים מהגוף בצורה זו. אז ציקלודקסטרינים, מוצרים ממקור טבעי, הם גם בריאות עצמה.