توضیحات

مولکول نگاری پلیمری سنتز و کاربرد آن در استخراج

در سیستم‌های زیستی، کمپلکس‌های مولکولی بواسطه‌ تعداد زیادی از برهم کنش‌های غیر کووالانسی از قبیل پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای یونی تشکیل می‌شوند. اگر چه این برهم کنشها به تنهایی در مقایسه با پیوندهای کووالانسی ضعیف می‌باشند، لیکن تاثیر همزمان این پیوندها اغلب منجر به تشکیل کمپلکس‌های پایدار می‌شود. برهم کنش‌های پیچیده مابین انواع مولکولها، شناخت مولکولها و توانایی تقلید از پیوندهای  طبیعی، دانشمندان را برای مدت زمان طولانی مشغول کرده است. این رویداد منجر به تشکیل رشته جدیدی با عنوان شیمی تقلید زیستی[۱] شده است. اصطلاح تقلید زیستی به وضعی گفته می‌شود که در آن فرایندهای شیمیایی از یک فرایند بیوشیمیایی تقلید می‌کنند، تا اینکه ساختارها و مکانیزم سیستمهای زیستی شناخته شوند. دانشمندان در تلاش هستند که این دانش را به فنون سنتزی تبدیل کنند. یکی از این فنون سنتزی که در دهه اخیر مورد توجه واقع شده است، فن مولکول نگاری[۲]می‌باشد

-۱-مقدمه

ما می دانیم در گازها ومایعات (نه جامدات) بیشتر مولکولها به طور تصادفی حرکت می کنند. هیچ مولکولی با مولکول اطرافش ارتباطی نداشته و هر طور که می خواهد رفتار می کند. کمپلکس های  بین مولکولی فقط از طریق برخوردهای تصادفی  به وجود آمده و عمر این کمپلکس ها بسیار ناچیز است و همچنین غلظت آنها در مایعات (یا گازها) تقریبا برابر صفر است. به هر حال، بعضی از مولکولها (مولکولهای پذیرنده) دقیقا بین یک مولکول و مولکول دیگر تفاوت قائل می شوند. آنها به صورت گزینشی جفت مولکولی خود را از میان تعدادی  مولکول موجود در سیستم انتخاب میکنند و یک کمپلکس غیرکووالانسی با این مولکول می سازند. این کمپلکس ها به اندازه کافی پایدار بوده و غلظت تعادلی آنها قابل توجه است. دراینجا تمام مولکولها به جز مولکول جفت کاملا کنارگذاشته میشوند، درست همان طور که ما به سادگی  دوستمان را حتی در شلوغی ورودی ایستگاه پیدا می کنیم و با او به رستوران میرویم. درکمپلکس های غیر کووالانسی همانند واکنش های آنزیمی, واکنش با حضور کاتالیزور اتفاق می افتد. این قدرت تشخیص میان مولکولها تشخیص مولکولی نامیده می شود.

در علم وتکنولوژی امروزی، اهمیت پذیرنده ها[۱] و تشخیص مولکولی[۲] به سرعت رشد کرده است. این رشد اساسا به این خاطر است که یک مولکول در حال حاضر یک واحد عملگر بوده و فقط نقش خود را ایفا میکند. برای ایجاد سیستمهای رضایت بخش تحت این شرایط،  باید تعدادی مولکول را در شرایطی از پیش تعیین شده کنار هم بگذاریم و اجازه دهیم هر کدام کار خودش را انجام دهد. البته در اینجا همه مولکولها باید بدانند که مولکولهای مجاور آنها چه هستند، چه خصوصیات فیزیکوشیمیایی دارند و هر کدام از این مولکولها در هر لحظه چه می کنند. اخیرا روش مولکول نگاری برای فراهم آوردن پذیرنده های چند کاره که موثر و اقتصادی هستند توسعه یافته است. به طور کلی حرکات مولکولی در یک ساختار پلیمری ساکن[۳] شده و به همین دلیل آنها به طرز مطلوبی تثبیت[۴] شده اند. این شیوه، منحصر به فرد و چالش برانگیز است و در حال حاضر پیش بینی حوزه کاربردهای آن مشکل است. در این فصل پیرامون پذیرنده های طبیعی و مصنوعی بحث خواهیم کرد.

۲-۲- پذیرنده های طبیعی

مولکولها و سلولهای زیادی در بدن ما وجود دارد و همه آنها به نحو بسیار منطقی با هم همکاری می کنند. بدون این همکاری و درک متقابل، ما زنده نمی مانیم. بنابراین تشخیص مولکولی[۵] برای وجود زندگی، حیاتی است. برای مثال، پذیرنده های روی سطح غشای سلولی، هورمونها را به هم پیوند میدهند و مسئول ارتباطات بین سلولی هستند. زمانی که پذیرنده ها، هورمونها را پیوند می دهند، ساختارشان تغییر میکند، پیام هورمون (برای مثال: کمبود گلوگز در بدن) از طریق این تغییر ساختاری به سلول منتقل می شود. حال که سلول می داند در آن لحظه بدن چه چیزی لازم دارد، عکس العمل زیستی مربوط را انجام داده تا به این نیاز به طور مناسب پاسخ دهد. در مثال بالا، گلیکوژن هیدرولیز شده وگلوکز برای بدن تامین می گردد. مهمترین عامل در این سیستمها این است که یک پذیرنده فقط و فقط یک هورمون مشخص را قبول میکند و هیچ برهم کنش خاصی با دیگر هورمونها ندارد. علاوه براین، برهم کنش هورمون-پذیرنده به شدت قوی است. بنابراین حتی مقدار کمی از هورمون هم می تواند اطلاعات را دقیقا به سلول هدف انتقال دهد، بدون آنکه ارتباط بین سلولها را قطع کند. به عبارت دیگر، اتصال اختصاصی پادتن برای پاسخ مصون[۶] بسیار مهم است. پروتئین ها در بدن ما مانند پلیس گشت می زنند تا مواد خارجی (آنتی ژنها )که وارد بدن میشوند را گرفته و به لیزوزوم (سلول اورگانیل) تحویل دهند تا در آنجا از بین برود تا بدن با موفقیت محافظت شود. همانطور که ما انتظار داریم، تمایز قائل شدن یک پادتن بین آنتی ژن هدف (و همچنین مواد خارجی و درونی بدن) باید کاملا مشخص باشد. از طرفی، آنزیمها هم خاصیت واکنش دهندگی زیادی از خود نشان می دهند، هر کدام از آنها منحصرا یک سوبسترای مشخص را انتخاب می کند و آن را به محصولی از پیش تعیین شده تبدیل می کند و همه ترکیبات دیگر سیستم دست نخورده باقی می مانند. آنزیم دیگر، سوبسترای خاص و ماموریت دیگری را انتخاب می کند. علاوه بر این فقط سوبسترای مشخص به صورت موثر به محصول مورد نظر تبدیل می شود، زیرا اسید آمینه های باقی مانده از آنزیم که از لحاظ کاتالیزوری فعال هستند و در مجاورت سایت های اتصال سوبسترا قرار گرفته، فقط برای این انتقال و متناسب با آن آماده شده اند. اطلاعات مفصل در مورد تشخیص مولکولی در طبیعت هم اکنون با بلور شناسی اشعه X و NMR مهیاست (۱).

سایت های اتصال سوبسترا- آنزیم، شکافها یا بسته های غیر قطبی بوده که از باقیمانده تعدادی اسید آمینه تشکیل شده اند. گروههای عاملی فراوانی (OH ,NH₂– ایمیدازول شاخه اصلی گروههای آمیدی و موارد دیگر ) وجود دارند که دقیقا برای واکنش با گروههای عاملی یک سوبسترای خاص در آنجا قرار گرفته اند. برای مثال یون آمونیوم یک آنزیم بر هم کنش کلمبی با یون کربوکسیلات با بار منفی، ازسوبسترای مخصوص انجام داده و یک پیوند هیدروژنی بین OH باقیمانده آنزیم و سوبسترا تشکیل می شود. تمام این برهم کنش ها به طور رضایت بخش و با هم، فقط برای سوبسترای خاص عمل میکنند و یک کمپلکس غیر کووالانسی پایدار را تشکیل می دهند.

۲-۳- پذیرنده های مصنوعی

زیبایی تشخیص مولکولی در طبیعت، بسیاری از دانشمندان را به تقلید از آن واداشته است. یکی از بزرگترین امتیازات پذیرنده های مصنوعی در برابر نمونه هایی که در طبیعت اتفاق می افتد، آزادی طرح مولکولی است. چهار چوب کاری پذیرنده های مصنوعی هرگز به پروتئین ها و دامنه ای از اسکلت ها (برای مثال: زنجیره های کربنی وحلقه های آروماتیک متصل به هم ) محدود نمی شود. بنابراین، پایداری، انعطاف پذیری و دیگر خصوصیات، آزادانه و براساس نیاز تعدیل می گردند. حتی گروههای عاملی که در طبیعت یافت نمی شوند هم می توانند در این ترکیبات دست ساز استفاده شوند. علاوه بر این هر زمانی که لازم باشد، عمل پاسخ به محرک های خارجی (تغییر pH، میدان الکتریکی و موارد دیگر) می تواند از طریق گروههای عاملی مناسب فراهم شود. گستره عملکردها بسیار فراتر از مواردی است که در طبیعت به طور طبیعی اتفاق می افتد. کارهای اولیه که بوسیله   Cram، Lehn و Pedersen (برنده گان نوبل ۱۹۸۷) انجام شد، الزام فاکتورهای زیر برای تشخیص مولکولی دقیق را پایه گذاری کرد (۲):

۱: گروه عاملی مهمان و پذیرنده بایستی مکمل یکدیگر باشند.

۲: آزادی ساختاری هر دو جزء بایستی کم شود.

۳: عوامل شیمیایی بایستی به طور مناسب کنترل شوند.

در بسیاری از موارد، گروههای عاملی مختلف به طورکووالانسی به مولکولهای میزبان حلقوی متصل می شوند (برای مثال: سیکلو دکسترین ها و کران اترها: شکل ۱-۲). هرچه برهم کنشها (پیوندهای هیدروژنی، الکتروستاتیک و پیوندهای غیر قطبی ) ضعیفتر باشند، گزینش پذیری و قدرت اتصال بیشتراست. یک نمونه معمولی از این نوع مولکولهای میزبان در شکل ۲-۲ ارائه شده است . به طور کلی، تا زمانی که:

(І) ما در مورد هزینه و زمان آماده سازی نگران نیستیم؛

(П) مولکول هدف ما نسبتا کوچک است؛