AMFIPATISKA MOLEKYLER: STRUKTUR, EGENSKAPER, EXEMPEL - KEMI - 2025

De amfifatiska eller amfifila molekylerna är de som kan känna affinitet eller avstötning till samma tid för ett visst lösningsmedel. Lösningsmedel klassificeras kemiskt som polära eller apolära; hydrofil eller hydrofob. Således kan dessa typer av molekyler "älska" vatten, eftersom de också kan "hata" det.

Enligt den tidigare definitionen finns det bara ett sätt att detta är möjligt: ​​dessa molekyler måste ha polära och apolära regioner inom sina strukturer; oavsett om de är mer eller mindre homogent fördelade (som till exempel med proteiner), eller om de är heterogent lokaliserade (för ytaktiva medel)

Bubblor, ett fysiskt fenomen orsakat av minskning av ytspänningen på gränsytan mellan luft och vätska på grund av verkan av ett ytaktivt medel, som är en amfifil förening. Källa: Pexels.

Ytaktiva ämnen, även kallade tvättmedel, är kanske de mest kända amfipatiska molekylerna från alla tidiga tider. Ända sedan människan fängslades av en konstig fysiognomi av en bubbla, bekymrad över beredningen av tvålar och rengöringsprodukter, har han stött på fenomenet ytspänning gång på gång.

Att observera en bubbla är detsamma som att bevittna en "fälla" vars väggar, som bildas av anpassningen av amfipatiska molekyler, behåller luftens gasinnehåll. Deras sfäriska former är de mest matematiska och geometriskt stabila, eftersom de minimerar ytspänningen på luft-vattengränssnittet.

Som sagt har två andra egenskaper hos amfipatiska molekyler diskuterats: de tenderar att associera eller självmontera, och vissa lägre ytspänningar i vätskor (de som kan göra det kallas ytaktiva medel).

Som ett resultat av den höga tendensen att associera öppnar dessa molekyler ett fält av morfologiska (och till och med arkitektoniska) studier av deras nanoaggregat och de supramolekyler som komponerar dem; med syftet att designa föreningar som kan funktionaliseras och interagerar på omätliga sätt med celler och deras biokemiska matriser.

Strukturera

Allmän struktur för en amfipatisk molekyl. Källa: Gabriel Bolívar.

Amfifiliska eller amfifatiska molekyler sades ha en polär region och en apolär region. Det apolära området består vanligtvis av en mättad eller omättad kolkedja (med dubbla eller trippelbindningar), som representeras som en "apolär svans"; åtföljt av ett "polärt huvud", där de mest elektronegativa atomerna finns.

Den övre allmänna strukturen illustrerar kommentarerna i föregående stycke. Det polära huvudet (lila sfär) kan vara funktionella grupper eller aromatiska ringar som har permanenta dipolmoment och kan också bilda vätebindningar. Därför måste det högsta syre- och kväveinnehållet finnas där.

I detta polära huvud kan det också finnas joniska, negativa eller positiva laddningar (eller båda samtidigt). Denna region är den som visar en hög affinitet för vatten och andra polära lösningsmedel.

Å andra sidan samverkar den apolära svansen, med tanke på de dominerande CH-bindningarna, genom Londons spridningskrafter. Denna region är ansvarig för det faktum att amfipatiska molekyler visar också affinitet för fetter och opolära molekyler i luften (N ₂ , CO ₂ , Ar, etc.).

I vissa kemitexter jämförs modellen för den övre strukturen med formen på en klubba.

Intermolekylära interaktioner

När en amfipatisk molekyl kommer i kontakt med ett polärt lösningsmedel, säger vatten, har dess områden olika effekter på lösningsmedelsmolekylerna.

Till att börja med försöker vattenmolekylerna lösa eller hydrera det polära huvudet och hålla sig borta från den apolära svansen. I denna process skapas molekylär störning.

Under tiden tenderar vattenmolekylerna runt den apolära svansen att ordna sig som om de var små kristaller, vilket gör att de kan minimera avstötningar. I denna process skapas en molekylordning.

Mellan störningar och ordningar kommer det att komma en punkt där den amfipatiska molekylen kommer att försöka interagera med en annan, vilket kommer att resultera i en mycket mer stabil process.

Miscellas

Båda kommer att nås via deras apolära svansar eller polära huvuden på ett sådant sätt att relaterade regioner samverkar först. Detta är detsamma som att föreställa mig att två "lila klubbor" i den övre bilden närmar sig, sammanflätade deras svarta svansar eller sammanfogar sina två lila huvuden.

Och så börjar ett intressant associeringsfenomen, där flera av dessa molekyler sammanfogas i följd. De är inte associerade godtyckligt, men enligt en serie strukturella parametrar, som i slutändan isolerar de apolära svansarna i en slags "apolär kärna", medan de utsätts för polära huvuden som ett polärt skal.

Det sägs då att en sfärisk miscela har fötts. Under bildningen av miscela finns emellertid ett preliminärt steg bestående av det som kallas en lipid-tvåskikt. Dessa och andra är några av de många makrostrukturer som amfifila molekyler kan anta.

Egenskaper hos amfipatiska molekyler

Förening

Sfäriskt miscellany bildat av amfipatiska molekyler. Källa: Gabriel Bolívar.

Om de apolära svansarna tas som svarta enheter, och de polära huvuden som lila enheter, kommer det att förstå varför i den övre bilden är barken av miscela lila och dess kärna är svart. Kärnan är apolär och dess interaktioner med vatten- eller lösningsmedelsmolekylerna är noll.

Om, å andra sidan, lösningsmedlet eller mediet är apolärt, är det de polära huvuden som kommer att drabbas av avvisningarna, och följaktligen kommer de att vara belägna i mitten av felcellen; det vill säga den är inverterad (A, lägre bild).

Olika typer av diverse strukturer eller morfologier. Källa: Gabriel Bolívar.

Det inverterade felet observeras ha ett svart apolärt skal och en lila polär kärna. Men innan de miscelas bildas, hittas de amfifila molekylerna individuellt förändrar ordningen för lösningsmedelsmolekylerna. Med ökad koncentration börjar de associeras i en struktur med ett eller två skikt (B).

Från B börjar laminaerna att krökas för att bilda D, en vesikel. En annan möjlighet, beroende på formen på den apolära svansen med avseende på dess polära huvud, är att de förenar sig för att ge upphov till en cylindrisk missdel (C).

Nanoaggregat och supramolekyler

Därför finns det fem huvudstrukturer, som avslöjar en grundläggande egenskap hos dessa molekyler: deras höga tendens att associera och självmontera till supramolécules, som aggregeras för att bilda nanoaggregat.

Således finns amfifila molekyler inte ensamma utan i förening.

Fysisk

Amfipatiska molekyler kan vara neutrala eller joniskt laddade. De som har negativa laddningar har en syreatom med en negativ formell laddning i sitt polära huvud. Vissa av dessa syreatomer kommer från funktionella grupper, såsom -COO ^- , -SO ₄ ^- , -SO ₃ ^- eller -PO ₄ ^- .

Beträffande de positiva avgifterna kommer de i allmänhet från aminer, RNH ₃ ⁺ .

Närvaron eller frånvaron av dessa laddningar förändrar inte det faktum att dessa molekyler generellt bildar kristallina fasta ämnen; eller, om de är relativt lätta, finns de som oljor.

exempel

Några exempel på amfifatiska eller amfifila molekyler kommer att nämnas nedan:

-Fofolipider: fosfatidyletanolamin, sfingomyelin, fosfatidylserin, fosfatidylkolin.

-Kolesterol.

-Glucolipids.

-Sodiumlaurylsulfat.

-Proteiner (de är amfifila, men inte ytaktiva medel).

-Fenoliska fetter: cardanol, cardoles och anacardial syror.

-Cetyltrimetylammoniumbromid.

-Fettsyror: palmitinsyra, linolsyra, oljesyra, laurinsyra, stearinsyra.

-Långkedjiga alkoholer: 1-dodekanol och andra.

-Amfifiliska polymerer: såsom etoxylerade fenolhartser.

tillämpningar

Cellmembran

En av de viktigaste konsekvenserna av förmågan hos dessa molekyler att associera är att de bygger en slags vägg: lipid-tvåskiktet (B).

Detta tvåskikt sträcker sig för att skydda och reglera inträde och utträde av föreningar i celler. Det är dynamiskt eftersom dess apolära svansar roterar och hjälper amfipatiska molekyler att röra sig.

På samma sätt, när detta membran är fäst vid två ändar, för att ha det vertikalt, används det för att mäta dess permeabilitet; och med detta erhålls värdefulla data för utformningen av biologiska material och syntetiska membran från syntesen av nya amfipatiska molekyler med olika strukturella parametrar.

dispergeringsmedel

I oljeindustrin används dessa molekyler, och de syntetiserade polymererna från dem, för att sprida asfaltener. Fokus för denna applikation vilar på hypotesen att asfaltener består av ett kolloidalt fast ämne, med en hög tendens att flockas och sedimentera som en brunsvart fast substans som orsakar allvarliga ekonomiska problem.

Amfipatiska molekyler hjälper till att hålla asfaltener spridda under längre tid inför fysisk-kemiska förändringar i oljan.

emulgeringsmedel

Dessa molekyler hjälper två vätskor att blandas som inte skulle vara blandbara under vanliga förhållanden. I glassar hjälper de till exempel att vatten och luft bildar en del av samma fasta ämne tillsammans med fett. Bland de mest använda emulgatorerna för detta ändamål är de som härrör från ätliga fettsyror.

tvättmedel

Den amfifila naturen hos dessa molekyler används för att fånga fett eller apolära föroreningar, för att sedan tvättas bort samtidigt med ett polärt lösningsmedel, såsom vatten.

Som exemplet med bubblor där luft fångades fångar tvättmedel fett i deras miceller, som, med ett polärt skal, effektivt samverkar med vatten för att ta bort smuts.

Antioxidanter

De polära huvuden är av avgörande betydelse eftersom de definierar de många användningsområden som dessa molekyler kan ha i kroppen.

Om de till exempel har en uppsättning aromatiska ringar (inklusive derivat av en fenolring) och polära ringar som kan neutralisera fria radikaler kommer det att finnas amfifila antioxidanter; och om de också saknar toxiska effekter kommer det att finnas nya antioxidanter tillgängliga på marknaden.

referenser

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Cellens molekylärbiologi. 4: e upplagan. New York: Garland Science; The Lipid Bilayer. Återställd från: ncbi.nlm.nih.gov
2. Jianhua Zhang. (2014). Amfifila molekyler. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, E. Droli, L. Giorno (red.), Encyclopedia of Membranes, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. Sade Joseph. (2019). Definition av amfipatiska molekyler. Studie. Återställd från: study.com
4. Lehninger, AL (1975). Biokemi. (2: a upplagan). Worth Publishers, inc.
5. Mathews, CK, van Holde, KE och Ahern, KG (2002). Biokemi. (3: e upplagan). Pearson Addison Weshley.
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 mars 2019). Vad är ett ytaktivt medel? Återställd från: thoughtco.com
7. Domenico Lombardo, Mikhail A. Kiselev, Salvatore Magazù och Pietro Calandra (2015). Amfifiles självmontering: grundläggande begrepp och framtida perspektiv på supramolekylära metoder. Advances in Condensed Matter Physics, vol. 2015, artikel ID 151683, 22 sidor, 2015. doi.org/10.1155/2015/151683.
8. Anankanbil S., Pérez B., Fernandes I., Magdalena K. Widzisz, Wang Z., Mateus N. & Guo Z. (2018). En ny grupp syntetiska fenolinnehållande amfifila molekyler för mångsidig tillämpning: Fysisk-kemisk karakterisering och celltoxicitetsstudie. Vetenskapliga rapporter volym 8, artikelnummer: 832.