Gabinete de Curiosidades Químicas - Parte 2

En el número anterior de la sección de química, se presentaron varios compuestos del espectáculo de fenómenos químicos (a juzgar por el nombre de la serie, definitivamente no los aprenderá en la escuela). Estas son "personas" bastante respetables que, a pesar de su apariencia inusual, recibieron el Premio Nobel, y sus propiedades en varias áreas difícilmente pueden sobreestimarse. En este artículo, es hora de familiarizarse con los próximos personajes originales del ámbito de la química, no menos interesantes que los éteres corona y sus derivados.

árboles químicos

Los podands, compuestos con largas cadenas unidas a la parte central de la molécula, han dado lugar a una nueva clase de sustancias (más información sobre "pulpos químicos" en el artículo del mes pasado). Los químicos decidieron aumentar el número de "tentáculos". Para ello, a cada uno de los brazos que acababan en un grupo de átomos capaces de reaccionar, se le añadía otra molécula, acabando en los grupos correspondientes (dos o más; la cuestión es aumentar el número de sitios que podrían combinarse con otras partículas ). Más moléculas reaccionaron con él, luego más, y así sucesivamente. El aumento en el tamaño de todo el sistema se ilustra mediante el diagrama:

Los químicos han relacionado los nuevos compuestos con las ramas de los árboles en crecimiento, de ahí el nombre dendrimeria (del griego dendron = árbol, meros = parte). Inicialmente, compitió con los términos "arborole" (esto es en latín, donde arbor también significa árbol) o "partículas en cascada". Aunque el autor se parece más a los tentáculos enredados de las medusas oa las anémonas inactivas, los descubridores, por supuesto, tienen derecho a los nombres. La asociación de dendrímeros con estructuras fractales también es una observación importante.

1. Modelo de uno de los dendrímeros originales

etapa de crecimiento de la rama

Los dendrímeros no pueden crecer indefinidamente (1). El número de ramificaciones crece exponencialmente, y después de unas pocas a diez etapas de unión de nuevas moléculas en la superficie de una masa esférica, el espacio libre termina (el conjunto alcanza dimensiones nanométricas; un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro). Por otro lado, las posibilidades de manipular las propiedades del dendrímero son casi ilimitadas. Los fragmentos presentes en la superficie pueden ser hidrófilos ("amantes del agua", es decir, con afinidad por el agua y los disolventes polares) o hidrófobos ("evitando el agua", pero propensos a entrar en contacto con líquidos no polares, por ejemplo, la mayoría de los orgánicos). disolventes). disolventes). De manera similar, el interior de una molécula puede ser de naturaleza polar o no polar. Debajo de la superficie del dendrímero, entre las ramas individuales, hay espacios libres en los que se pueden introducir sustancias seleccionadas (en la etapa de síntesis o más tarde, también se pueden unir a grupos superficiales). Por eso, entre los árboles químicos, todos encontrarán algo adecuado a sus necesidades. Y tú, lector, antes de leer este artículo hasta el final, piensa en qué moléculas puedes usar para que, según su estructura, sean “cómodas” en cualquier ambiente, y qué otras sustancias pueden contener.

Por supuesto, como contenedores para el transporte de compuestos seleccionados y la protección de su contenido. (2). Estas son las principales aplicaciones de los dendrímeros. Aunque la mayoría de ellos aún se encuentran en etapa de investigación, algunos de ellos ya se están aplicando en la práctica. Los dendrímeros son excelentes para transportar fármacos en el medio acuático del organismo. Algunos medicamentos deben modificarse especialmente para disolverse en los fluidos corporales: el uso de transportadores evitará estas transformaciones (pueden afectar negativamente la efectividad del medicamento). Además, el principio activo se libera lentamente desde el interior de la cápsula, lo que significa que las dosis pueden reducirse y tomarse con menos frecuencia. La unión de varias moléculas a la superficie del dendrímero conduce al hecho de que solo las células de los órganos individuales las reconocen. Esto, a su vez, permite que el medicamento sea transportado directamente a su destino, sin exponer todo el cuerpo a efectos secundarios innecesarios, por ejemplo, en la terapia contra el cáncer.

2. Modelo de un dendrímero que contiene otra molécula

(cima)

Los cosméticos se crean a base de agua y grasas. Sin embargo, a menudo la sustancia activa es liposoluble y el producto cosmético se presenta en forma de solución acuosa (y viceversa: la sustancia hidrosoluble debe mezclarse con la base grasa). La adición de emulsionantes (que permiten la formación de una solución agua-grasa estable) no siempre funciona favorablemente. Por ello, los laboratorios de cosmética están intentando aprovechar el potencial de los dendrímeros como transportadores que se puedan adaptar fácilmente a las necesidades. La industria de productos químicos para la protección de cultivos se enfrenta a problemas similares. Nuevamente, a menudo es necesario mezclar el pesticida no polar con agua. Los dendrímeros facilitan la conexión y, además, liberando gradualmente el patógeno desde el interior, reducen la cantidad de sustancias tóxicas. Otra aplicación es el procesamiento de nanopartículas de plata metálica, que se sabe que destruyen los microbios. También se está investigando el uso de dendrímeros para transportar antígenos en vacunas y fragmentos de ADN en estudios genéticos. Hay más posibilidades, solo necesitas usar tu imaginación.

Cubos

La glucosa es el compuesto orgánico más abundante en el mundo vivo. ¡Se estima que se produce anualmente en la cantidad de 100 mil millones de toneladas! Los organismos utilizan el producto principal de la fotosíntesis de diferentes maneras. La glucosa es una fuente de energía en las células, sirve como material de reserva (almidón vegetal y glucógeno animal) y material de construcción (celulosa). A finales del siglo XIX y XX, se identificaron productos de la descomposición parcial del almidón por la acción de enzimas bacterianas (abreviado KD). Como sugiere su nombre, estos son compuestos cíclicos o de anillo:

Constan de seis (variante a-CD), siete (b-CD) u ocho (g-CD) moléculas de glucosa, aunque también se conocen anillos más grandes. (3). Pero, ¿por qué los productos metabólicos de algunas bacterias son tan interesantes que se les da un lugar en la "Escuela Técnica Joven"?

3. Modelos de ciclodextrinas. De izquierda a derecha: a - KD, b - KD, g - KD.

En primer lugar, las ciclodextrinas son compuestos solubles en agua, lo que no debería sorprender: son relativamente pequeñas y consisten en glucosa altamente soluble (el almidón forma partículas demasiado grandes para formar una solución, pero puede suspenderse). En segundo lugar, numerosos grupos OH y átomos de oxígeno de glucosa pueden unirse a otras moléculas. En tercer lugar, las ciclodextrinas se obtienen mediante un proceso biotecnológico simple a partir de almidón barato y disponible (actualmente en la cantidad de miles de toneladas por año). En cuarto lugar, siguen siendo sustancias completamente no tóxicas. Y, finalmente, la más original es su forma (que tú, Lector, deberías sugerir al usar estos compuestos): Un balde sin fondo, es decir, las ciclodextrinas son adecuadas para transportar otras sustancias (una molécula que haya pasado por un orificio más grande no se caerá). contenedor en el fondo y, además, está limitado por fuerzas interatómicas). Debido a su inocuidad para la salud, pueden utilizarse como ingrediente en medicamentos y alimentos.

Sin embargo, el primer uso de las ciclodextrinas, descubierto poco después de la descripción, fue la actividad catalítica. Resultó por casualidad que algunas reacciones con su participación proceden de una manera completamente diferente que en ausencia de estos compuestos en el medio ambiente. La razón es que la molécula de sustrato ("invitado") se mete dentro del cubo ("anfitrión") (4, 5). Por lo tanto, una parte de la molécula es inaccesible a los reactivos y la transformación puede ocurrir solo en aquellos lugares que sobresalen. El mecanismo de acción es similar a la acción de muchas enzimas, que también "enmascaran" partes de las moléculas.

4. Modelo de una molécula de ciclodextrina que contiene otra molécula.

5. Otra mirada al mismo complejo

¿Qué moléculas se pueden almacenar dentro de las ciclodextrinas? Prácticamente cualquier cosa que quepa dentro: la coincidencia del tamaño del huésped y del anfitrión es crucial (como con los éteres corona y sus derivados; consulte el artículo del mes pasado) (6). Esta propiedad de las ciclodextrinas

6. Ciclodextrina ensartada en otra cadena

moléculas, es decir, rotaxano (más detalles: en el número

Enero)

los hace útiles para capturar selectivamente compuestos del medio ambiente. Así, las sustancias se purifican y separan de la mezcla después de la reacción (por ejemplo, en la fabricación de fármacos).

¿Otro uso? Sería posible citar extractos del artículo anterior del ciclo (modelos de enzimas y transportadores, no solo iónicos: las ciclodextrinas transportan diversas sustancias) y un extracto que describe los dendrímeros (transportadores de sustancias activas en medicamentos, cosméticos y productos fitosanitarios). Los beneficios de los envases de ciclodextrina también son similares: todo se disuelve en agua (a diferencia de la mayoría de los medicamentos, cosméticos y pesticidas), el ingrediente activo se libera gradualmente y dura más (lo que permite dosis más pequeñas) y el envase usado es biodegradable (los microorganismos se descomponen rápidamente). ). producto natural, también se metaboliza en el cuerpo humano). El contenido del paquete también está protegido del medio ambiente (acceso reducido a la molécula almacenada). Los productos fitosanitarios colocados en ciclodextrinas tienen una forma conveniente para su uso. Es un polvo blanco, similar a la harina de patata, que se disuelve en agua antes de su uso. Por lo tanto, no es necesario utilizar disolventes orgánicos peligrosos e inflamables.

Al navegar por la lista de usos de la ciclodextrina, podemos encontrar varios otros "sabores" y "olores". Si bien la primera es una metáfora de uso común, la segunda puede sorprenderlo. Sin embargo, las cubetas químicas sirven para eliminar malos olores y para almacenar y liberar aromas deseados. Los ambientadores, los absorbentes de olores, los perfumes y los papeles perfumados son solo algunos ejemplos del uso de complejos de ciclodextrina. Un hecho interesante es que los compuestos aromatizantes envasados ​​en ciclodextrinas se agregan a los detergentes en polvo. Durante el planchado y el uso, la fragancia se descompone y libera gradualmente.

Hora de probar "Una medicina amarga cura mejor", pero sabe terrible. Sin embargo, si se administra en forma de complejo con ciclodextrina, no habrá sensaciones desagradables (la sustancia se aísla de las papilas gustativas). El amargor del jugo de toronja también se elimina con la ayuda de las ciclodextrinas. Los extractos de ajo y otras especias son mucho más estables en forma de complejos que en forma libre. Los sabores empaquetados de manera similar mejoran el sabor del café y el té. Además, la observación de su actividad anticolesterol habla a favor de las ciclodextrinas. Las partículas de colesterol "malo" se unen dentro del cubo químico y se excretan del cuerpo de esta forma. Por lo que las ciclodextrinas, productos de origen natural, son también la propia salud.