化学的好奇心の内閣 - パート 2

化学セクションの前のエピソードでは、化学フリーク ショーからいくつかの化合物が取り上げられました (シリーズのタイトルから判断すると、それらについて学校では絶対に習わないでしょう)。 これらは、その珍しい外見にもかかわらず、ノーベル賞を受賞した非常に立派な「人物」であり、多くの分野での彼らの特性は過大評価することはできません。 この記事では、クラウン エーテルとその派生品に負けず劣らず興味深い、化学の王国の次のオリジナル キャラクターを紹介します。

ケミカルツリー

分子の中央部分に長鎖が結合した化合物であるポダンドは、新しいクラスの物質を生み出しました（「化学タコ」については先月の記事で詳しく説明しています）。 化学者たちは「触手」の数を増やすことにしました。 これを行うには、反応可能な原子のグループで終わるアームのそれぞれに、対応するグループで終わる別の分子を追加します (XNUMX つ以上。重要なのは、他の粒子と接続できるセクションの数を増やすことです)。 。 より多くの分子がそれと反応し、さらに多くの分子が反応します。 システム全体のサイズの増加を図で示します。

化学者たちはこの新しい化合物を木の枝の成長と関連付けたため、デンドリメリウムという名前が付けられました（ギリシャ語のデンドロン＝木、メロス＝部分から）。 これはもともと、「アルボラ」（これはラテン語で、アーバーは木を意味する）または「カスケード粒子」という用語と競合していました。 著者はクラゲや座りがちなイソギンチャクのもつれた触手のように見えますが、もちろん、発見者には名前を付ける権利があります。 デンドリマーとフラクタル構造との関連も重要な観察です。

1. オリジナルのデンドリマーの XNUMX つのモデル

枝の成長段階

デンドリマーは無限に成長することはできません (1). 分岐の数は指数関数的に増加し、球状の塊の表面に新しい分子が数段階から XNUMX 段階付着した後、自由空間が終了します (全体がナノメートルの寸法に達します。ナノメートルは XNUMX 億分の XNUMX メートルです)。 一方、デンドリマーの特性を操作する可能性はほぼ無限です。 表面に存在するフラグメントは、親水性 (「水を好む」、つまり水と極性溶媒に親和性がある) または疎水性 (「水を避ける」が、ほとんどの有機溶媒などの非極性液体と接触する傾向がある) のいずれかです。溶剤）。 溶剤）。 同様に、分子の内部は本質的に極性または非極性のいずれかです。 デンドリマーの表面下、個々の分岐の間には、選択された物質を導入できる自由空間があります (合成段階またはその後で、それらは表面基に結合することもできます)。 したがって、化学ツリーの中から、誰もが自分のニーズに合ったものを見つけるでしょう。 そして、読者の皆さんは、この記事を最後まで読む前に、分子の構造によれば、どのような環境でも「快適」になる分子を何に使用できるか、また他にどのような物質を含めることができるかを考えてください。

もちろん、選択された化合物を輸送し、その内容物を保護するためのコンテナとして。 (2)。 これらはデンドリマーの主な用途です。 それらの大部分はまだ研究段階にありますが、一部はすでに実際に使用されています。 デンドリマーは、体内の水性環境で薬物を輸送するのに優れています。 一部の薬剤は、体液に溶解するために特別に変更する必要があります。コンベアを使用すると、これらの変更が回避されます（薬剤の有効性に悪影響を与える可能性があります）。 さらに、活性物質はカプセル内からゆっくりと放出されるため、用量を減らし、服用頻度を減らすことができます。 デンドリマーの表面にさまざまな分子が結合すると、それらの分子は特定の臓器の細胞によってのみ認識されるようになります。 これにより、抗がん剤治療などで全身を不必要な副作用にさらすことなく、薬剤を目的地まで直接輸送することが可能になります。

2. 別の分子を含むデンドリマーのモデル

（その上）

化粧品は水分と脂肪をもとに作られています。 しかし、多くの場合、活性物質は脂溶性であり、化粧品は水溶液の形態です（逆も同様です。水溶性物質は脂肪基剤と混合する必要があります）。 乳化剤の添加（安定した水脂肪溶液の形成を可能にする）は、常に有利に機能するとは限りません。 したがって、化粧品会社の研究室は、ニーズに簡単に適応できるコンベヤーとしてデンドリマーの可能性を活用しようとしています。 農薬業界も同様の問題に直面しています。 繰り返しますが、多くの場合、無極性殺虫剤を水と混合する必要があります。 デンドリマーは結合を促進し、さらに内部から病原体を徐々に放出して有害物質の量を減らします。 別の用途は、微生物を破壊することが知られている金属銀ナノ粒子の処理です。 ワクチン内の抗原や遺伝子研究における DNA 断片を輸送するためのデンドリマーの使用に関する研究も進行中です。 想像力を働かせるだけで、さらに可能性が広がります。

バケット

グルコースは生物界で最も豊富に存在する有機化合物です。 年間100億トンが生産されていると推定されています。 生物は光合成の主産物をさまざまな方法で使用します。 グルコースは細胞のエネルギー源であり、予備材料（植物デンプンおよび動物グリコーゲン）および建築材料（セルロース）として機能します。 XNUMX 世紀から XNUMX 世紀の変わり目に、細菌酵素の作用によるデンプンの部分分解生成物 (CD と略記) が確認されました。 名前が示すように、これらは循環接続またはリング接続です。

それらは、XNUMX 個 (a-CD バリアント)、XNUMX 個 (b-CD)、または XNUMX 個 (g-CD) のグルコース分子から構成されますが、より大きな環も知られています。 (3)。 しかし、なぜ一部の細菌の代謝産物は、「若手技術学校」に取り上げられるほど興味深いのでしょうか?

3. シクロデキストリンのモデル。 左から右へ: a – KD、b – KD、g – KD。

まず第一に、シクロデキストリンは水溶性化合物であり、驚くべきことではありません。それらは比較的小さく、溶解性の高いグルコースで構成されています (デンプンは溶液を形成するには大きすぎる粒子を形成しますが、懸濁することはできます)。 第二に、多数の OH 基とグルコース酸素原子が他の分子を結合することができます。 第三に、シクロデキストリンは、安価で入手可能なデンプン (現在、年間数千トン) から単純なバイオテクノロジー プロセスによって得られます。 第四に、それらは完全に無毒な物質のままです。 そして最後に、最も独創的なのはその形態です (これらの化合物を使用する際に、読者が提案する必要があります): 底なしのバケツ、つまりシクロデキストリンは、他の物質を運ぶのに適しています (大きな穴を通過した分子は落ちません)。 コンテナは底にあり、さらに原子間力によって拘束されています）。 健康に無害であるため、医薬品や食品の原料として使用できます。

しかし、シクロデキストリンの最初の用途は、その記述の直後に発見され、触媒活性でした。 これらの化合物が関与する一部の反応は、環境中にこれらの化合物が存在しない場合とはまったく異なる進行をすることが偶然に判明しました。 その理由は、基質分子（「ゲスト」）がバケツ（「ホスト」）の中に入るためです。 （4、5）。 したがって、分子の一部には試薬がアクセスできず、外側に突き出た場所でのみ変換が起こります。 作用機序は、同様に分子の一部を「マスク」する多くの酵素の作用と似ています。

4. 別の分子を含むシクロデキストリン分子のモデル。

5. 同じ複合施設をもう一度見てみる

シクロデキストリンの内部にはどのような分子が格納できますか? 内部に収まるものはほぼすべて - 決定的な点は、ゲストとホストのサイズの相互対応です (コロナ エーテルとその派生品の場合のように、先月の記事を参照) (6)。 これはシクロデキストリンの特性です

6. 別の鎖につながれたシクロデキストリン

分子、つまりロタキサン (詳細: この号で

XNUMX月）

環境から化合物を選択的に捕捉するのに役立ちます。 このようにして、物質は反応後 (たとえば、医薬品の製造において) 混合物から精製および分離されます。

他の用途？ サイクルの前の記事からの抜粋 (イオン性のものだけでなく、酵素とトランスポーターのモデル - シクロデキストリンはさまざまな物質を輸送する) とデンドリマー (医薬品、化粧品、植物保護製品の活性物質を輸送する) を説明する抜粋を引用することができます。 シクロデキストリン包装の利点も同様です - すべてが水に溶け (ほとんどの医薬品、化粧品、殺虫剤とは異なります)、有効成分が徐々に放出され、より長く持続します (これにより少量の投与が可能になります)。 ）。 天然物であり、人体でも代謝されます)。 パッケージの中身も環境から保護されます (保存された分子へのアクセスが減少します)。 シクロデキストリンに入れられた植物保護製品は、使用に便利な形をしています。 じゃがいも粉に似た白い粉で、水に溶かして使用します。 したがって、危険で可燃性の有機溶剤を使用する必要はありません。

シクロデキストリンの用途のリストを見ると、他にもいくつかの「味」と「匂い」がリストされているのを見つけることができます。 前者はよく使われる比喩ですが、後者は驚かれるかもしれません。 ただし、化学薬品バケツは、不快な臭いを除去するだけでなく、必要な香りを保管および放出するという目的もあります。 芳香剤、臭気吸収剤、香水および香りの紙は、シクロデキストリン複合体の使用例のほんの一例にすぎません。 興味深い事実は、シクロデキストリンに包装された香料化合物が粉末洗剤に添加されていることです。 アイロンがけや着用中に徐々に香りが分解されて放出されます。

試してみましょう。 「苦い薬は最良の薬」ですが、ひどい味です。 しかし、シクロデキストリンとの複合体の形で投与すると、不快な感覚はなくなります（物質は味蕾から分離されます）。 グレープフルーツジュースの苦味もシクロデキストリンの助けを借りて除去されます。 ニンニクやその他のスパイスの抽出物は、遊離の形よりも複合体の形の方がはるかに安定しています。 同様にパッケージ化されたフレーバーは、コーヒーや紅茶の味を向上させます。 さらに、シクロデキストリンの抗コレステロール活性が観察されたことは、シクロデキストリンの優位性を物語っています。 「悪玉」コレステロールの粒子は化学物質のバケツの中に結合され、この形で体から排泄されます。 したがって、天然由来の製品であるシクロデキストリンは健康そのものでもあります。