CC BY
20
ОБЩЕФИЛОСОФСКИЕ ВОПРОСЫ ХИМИИ В ИССЛЕДОВАНИИ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ
ЦИКЛОДЕКСТРИНОВ
М.В. Папежук, аспирант
Кубанский государственный университет
(Россия, г. Краснодар)
DOI:10.24412/2500-1000-2022-4-2-86-90
Аннотация. В статье рассматриваются основные общефилософские вопросы в химии касаемо исследования комплексных соединений, полученных на основе функционализиро-ванных циклодекстринов. При изучении подобных соединений химик-синтетик сталкивается с законами и принципами диалектики. Понимание химиком философских проблем при исследовании новых соединений позволяет проникнуть в сущность вещей и явлений.
Ключевые слова: законы диалектики, общефилософские вопросы химии, комплексные соединения, функционализированные циклодекстрины.
Комплексы включения являются объектами супрамолекулярной химии. Сегодня супрамолекулярная химия представляет собой междисциплинарную область науки, включающую химические, физические и биологические аспекты более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных взаимодействий. Объектами исследования супрамолекулярной химии являются молекулярные ансамбли, которые строятся самопроизвольно из комплементарных (имеющих геометрическое и химическое соответствие) фрагментов. Подобная самопроизвольная сборка сложнейших пространственных структур наблюдается в живой клетке. Направленное конструирование таких систем является одной из фундаментальных проблем современной химии. Согласно литературным данным, прекрасными кандидатами для образования супрамолекулярных ансамблей являются циклодекстрины. Занимаясь химией циклодекстринов, химики сталкиваются не только с рядом практических задач, но и с рядом общефилософских вопросов.
Прежде всего, целью химии является получение вещества с заданными свойствами. Эта цель, иногда именуемая основной проблемой химии, включает в себя две важнейшие задачи - практическую и теоретическую, которые не могут быть решены отдельно друг от друга [1]. Ко-
нечной целью работы с циклодекстринами является синтез и изучение состава и структуры комплексных соединений на-тивных и функционализированных цикло-декстринов с органическими молекулами и ионами металлов. Для достижения цели исследователь решает практические задачи, которые тесно переплетаются с философскими.
Получение вещества с заданными свойствами не может быть осуществлено без выявления способов управления свойствами вещества, или, что, то же самое, без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Основная теоретическая задача химии имеет ограниченное и строго определенное число способов решения, задаваемых структурной иерархией самого вещества, для которого можно выделить следующие уровни организации [1, 2]:
1. Субатомные частицы.
2. Атомы химических элементов.
3. Молекулы химических веществ как унитарные (единые) системы.
4. Микро- и макроскопические системы реагирующих молекул.
5. Мегасистемы (Солнечная система, Галактика и т.п.).
Практическая функция химии заключается в том, что химические знания являются базой для развития смежных с химией естественно-научных (биология, география, медицина, экология) и технических
(строительство, машиностроение, сельское хозяйство, электроника) дисциплин.
Философское осмысление развития современной химии - задача трудная и для философов, которые не владеют достаточными знаниями в области химии, и для профессиональных химиков, которые знают ее в основном по учебникам и обобщающим монографиям.
Научные исследования являются основой научно-познавательной деятельности в химии как области естествознания, причем экспериментальное исследование, основанное на научной методологии, проявляется в наиболее развитой форме, находящейся в постоянном обновлении [3].
Химия нужна человеку, прежде всего, для получения из природных веществ по возможности всех необходимых материалов - металлов, керамики, стекла, топлива и т.д. [4]. Для этого химия должна разрешить свою основную проблему: из каких химических элементов состоят вещества и каким образом следует осуществлять взаимные превращения веществ для получения необходимых материалов. Отсюда вытекают задачи химии - получение веществ с заданными свойствами и выявление путей управления свойствами вещества. На достижение первой из них направлена производственная деятельность человека, а второй - его познавательная деятельность.
Принято выделять следующие методы научного познания: эмпирическое и теоретическое. Эмпирический метод познания представляет собой специализированную форму практики, тесно связанную с экспериментом. Теоретическое познание заключается в отражении явлений и происходящих процессов внутренних связей и закономерностей, которые достигаются методами обработки данных, полученных от эмпирических знаний. С точки зрения эмпирического уровня познания основной целью работы является получение и исследование комплексных соединений включения функционализированных цик-лодекстринов с органическими молекулами и ионами металлов. В ходе эмпирического научного познания используется эксперимент, выполняемый для проверки
(истинности или ложности) научного исследования причинных связей между феноменами. Одно из главных требований предъявляемых к эксперименту - его воспроизводимость. Далее проводится научное исследование, которое представляет собой процесс изучения, эксперимента и проверки теории, связанный с получением научных знаний. Исследования в свою очередь делятся на фундаментальные и прикладные. Работа химика-синтетика, как правило, носит прикладной характер. Для доказательства истинности гипотезы, т.е. предположения о строении соединений, применяется такой метод как наблюдение. На атомарном уровне его можно осуществить только при помощи технических устройств. Например, с применением различных спектрометров. Для обоснования полученных результатов исследования используются научные труды отечественных и зарубежных исследователей в области изучения проблем химии циклодекстри-нов, процессов комплексообразования, органической, супрамолекулярной и структурной химии.
Если рассматривать супрамолекуляр-ную химию как метод познания материального бытия, то это - умение встраивать органические молекулы в различные упорядоченные структуры в качестве новых соединений включения.
Исторически такой тип мышления к осознанию данной проблемы начинается с исследований циклодекстринов как молекул «хозяев». Первое упоминание о веществе, которое впоследствии оказалось цик-лодекстрином, было опубликовано Вил-лерсом в 1891 году. Белое кристаллическое вещество было получено в результате ферментативного разложения крахмала. Виллерс назвал это вещество «целлюзин», потому что оно напоминало целлюлозу по своей устойчивости к кислотному гидролизу и проявляло свойства невосстанавли-вающих сахаридов. Двенадцать лет спустя Шардингер обнаружил, что в ходе ферментативного гидролиза 25-30% крахмала может быть превращено в декстрины. Он получил две разновидности кристаллического продукта, совпадающие по свойствам с «целлюзином» и дал характери-
стику их свойства. Как выяснилось, это были а-ЦД и Р"ЦД, которые различаются друг от друга окраской комплекса с йодом. В 1935 году Фрейденберг и Якоби Ошибка! Источник ссылки не найден.и в 1948 году Фрейденберг и Крамер обнаружили и изучили у-циклодекстрин. Начиная с 1970 года, началось промышленное производство циклодекстринов.
Количество публикаций в области химии циклодекстринов продолжает расти. Это подтверждается базой данных Scopus [5]. Около 50% публикаций связаны с фармацевтическим применением, на втором месте применение в пищевой промышленности. Постоянно увеличивающееся число публикаций в области химии циклодекстринов указывает на возрастающий интерес биологов, фармацевтов и химиков к этим соединениям. Благодаря использованию исторического метода достигается углубленное понимание сути проблемы и появляется возможность формулировать более обоснованные рекомендации по новому объекту исследования.
Процесс получения новых соединений достаточно сложен в связи с особенностями строения циклодекстринов.
Циклодекстрины представляют собой циклические олигосахариды, имеющие характерную усеченную конусообразную структуру с полостью, размер которой зависит от количества составляющих её глюкопиранозных остатков [6-9]. Внешняя поверхность ЦД из-за наличия гидрок-сильных групп является гидрофильной, в то время как внутренняя поверхность представлена скелетными атомами углерода и эфирными атомами кислорода остатков глюкозы, что придает ей липо-фильный характер. Благодаря своей уникальной структуре ЦД способны формировать комплексы включения по типу гость -хозяин с органическими, неорганическими и металлоорганическими молекулами. Рассматривая разные классы химических соединений можно проследить материальное единство мира. Все физические и химические свойства взаимосвязаны.
Уникальное сочетание свойств делает ЦД привлекательными для использования в медицине, поскольку они не только спо-
собны выполнять функцию транспорта и хранения активного вещества, но и позволяют изменять физические свойства активных компонентов в желаемую сторону. Благодаря образованию комплексов включения с циклодекстринами повышаются биодоступность, устойчивость к гидролизу, растворимость и способность к деструкции многих биологически активных веществ. В этом явлении прослеживается действие одного из законов диалектики: перехода количественных изменений в качественные. Молекулы формируя комплексное соединение включения взаимно влияют друг на друга и поэтому образующееся новое вещество по своим свойствам не может быть сведено к сумме свойств образующих ее веществ. Это качественно иное образование.
В своем нативном виде ЦД не являются идеальными носителями лекарственных средств в связи со своей невысокой растворимостью [10]. Функционализация позволяет в существенной мере повысить растворимость в воде, функциональные группы могут служить дополнительным центром координации с ионами металлов, функционализированные производные сами могут выступать в качестве биологически активных веществ [5]. Молекулы биологически активного вещества также можно избирательно присоединить по первичным или вторичным гидроксильным группам циклодекстринов через сложноэфир-ную или амидную связи. В последние годы наблюдалось широкое использование функционализированных циклодекстри-нов, а нативные отошли на второй план. На данном этапе развития химии цикло-декстринов стали появляться тенденции в исследовании более сложных структур: димеров, дуплексов, тетраплексов и нано-губок [11-13]. Иными словами, происходит отрицание старого и замещение его новым. Это проявление закона отрицания отрицания. В то же время, использование функ-ционализированных циклодекстринов -путь к эффективному получению супрамо-лекулярных комплексных соединений различного состава и строения, а также их практического применения.
Реакции модифицирования гидроксиль-ных групп традиционны для олигосахари-дов. Хорошая реакционная способность гидроксильных групп делает цикло-декстрины очень привлекательными объектами для химической модификации.
Р-ЦД относительно легко поддается химической модификацииОшибка! Источник ссылки не найден., гидроксильные группы в положениях С2, Сз, Сб обладают нуклеофильными свойствами [14]. Из трех типов гидроксильных групп самыми «основными» (и часто наиболее нуклеофиль-ными) являются те, что находятся в 6-м положении, наиболее «кислыми» являются те, что находятся во 2-м положении, а наиболее недоступными являются группы, которые располагаются в 3-м положении. В самом строении циклодекстринов можно усмотреть закон единства и борьбы противоположностей. Гидроксильные группы единые по своему началу проявляют абсолютно противоположные свойства, тем самым дополняют друг друга и формируют уникальную целостную структуру. Это различие позволяет химикам-синтетикам контролировать регионаправленность замещения.
Структуры на основе циклодекстринов могут быть предложены в качестве альтернативных носителей для инкапсуляции, хранения и транспортировки лекарственных соединений. По данным многочисленных исследований, что при загрузке в лекарственного средства в циклодекстрин доставка осуществляется направленно, снижается дозовая концентрация, наблюдается пролонгация свойств. Структура функционализированного циклодекстрина сохраняется при включении лекарств, и
взаимодействия гостевой молекулы с производными циклодекстринов в твердом состоянии являются преимущественно ванн-дер-ваальсовыми. Изменение фармакологически значимых свойств лекарственного соединения происходит за счет комплексообразования с циклодекстри-ном, которое протекает в растворе при разрушении комплекса включения.
Такие соединения могут быть использованы в качестве лекарственных форм с направленной доставкой [15, 16].
В настоящее время химия находится на подъеме. Этому поспособствовало огромное количество накопленных знаний, интеграция разных областей научного знания, а также плодотворное сотрудничество с физикой, математикой, биологией и другими науками. Нынешние специалисты чтобы быть востребованными должны обладать междисциплинарными знаниями.
Любое научное исследование ориентируется на потребности общества в целом. Проводимые исследования в моей научной области не потеряют актуальности еще много лет. Результаты, полученные химиками, вносят существенный вклад в знания об окружающем мире.
Таким образом, к настоящему времени химия функционализированных цикло-декстринов представляет собой интенсивно развивающуюся часть современной су-прамолекулярной, органической и координационной химии с невероятно обширной областью применения и огромными перспективами дальнейшего развития. Но стоит помнить, что чем сложнее выбранные объекты, тем больше проблем возникает при решении практических и общефилософских задач.
Библиографический список
1. Гарковенко Р. В. Философские вопросы современной химии. - М., 1970. - 48 с.
2. Всеобщие законы развития. Материалистическая диалектика как общая теория развития: Философские основы теории развития. В 4 томах. - М., 1982.
3. Сторожева А.С., Москвичева М.А. Философские вопросы химии и их влияние на дальнейшее развитие химической науки // Современная техника и технологии. - 2016. -№1. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://technology.snauka.ru/2016/01/9286 (дата обращения: 20.04.2022).
4. Крестов Г.А. Теоретические основы неорганической химии. - М., 1982. - 294 с.
5. Папежук М.В., Волынкин В.А., Панюшкин В.Т. Строение и свойства функционали-зированных циклодекстринов и комплексных соединений на их основе // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2022. - №3. - С. 430-442.
6. Dodziuk H. Cyclodextrins and their Complexes, Willey-VCH: Warsaw. - 2006. - 486 p.
7. Endo T. Large-Ring Cyclodextrins // Trends in Glycoscience, And Glycotechnology. -2011. - V. 23. - №130. - P. 79-92.
8. Niu H., Chen W., Chen W., Yun Y., Zhong Q., Fu X., Chen H., Liu G. J. Preparation and Characterization of a Modified-P-Cyclodextrin/pCarotene Inclusion Complex and Its Application in Pickering Emulsions // Agric. Food Chem. - 2019. - V. 67. - P. 12875-12884.
9. Braga S. Cyclodextrins: Emerging Medicines of the New Millennium // Biomolecules. -2019. - V. 9. - P. 801.
10. Капустин М.А., Чубарова А.С., Головач Т.Н., Цыганков В.Г., Бондарук А.М., Кур-ченко В.П. Методы получения нанокомплексов биологически активных веществ с циклическими олигосахаридами, анализ их физико-химических свойств и использование в пищевом производстве // Труды БГУ. - 2016. - V. 11. - P. 73-100.
11. Lecourt T., Bleriot Y., Auzely-Velty R., Sollogoub M. Cyclodextrin tetraplexes: first syntheses and potential as cross-linking agent // Chem. Commun. - 2010. - V. 46. - P. 2238-2240.
12. Dong D., Baigl D., Cui Y, Sinay P., Sollogoub M., Zhang Y., Amphiphilic bipolar duplex a-cyclodextrin forming vesicles // Tetrahedron. - 2007. - V. 63. - P. 2973-2977.
13. Kumar S., Rao R., Analytical tools for cyclodextrin nanosponges in pharmaceutical feld: a review // J. Inclusion Phenom. Macrocyclic Chem. - 2019. - P. 94-113.
14. Sollogoub M. Site-Selective Heterofunctionalization of Cyclodextrins: Discovery, Development, and Use in Catalysis // Synlett. - 2013. - V. 24. - P. 2629- 2640.
15. Papezhuk M.V., Volynkin V.A., Stroganova T.A., Krapivin G.D., Usacheva T.R., Thi L.P. Theoretical and Experimental Study of Inclusion Complex Formation of P-Cyclodextrin with Some 1,4-Diazepine Derivatives // Macroheterocycles.- 2020. - V. 13. - P. 64-73.
16. Mejia-Ariza R., Grana-Suarez L., Verboom W., Huskens J. Cyclodextrin-based supra-molecular nanoparticles for biomedical applications // J. Mater. Chem. B. - 2017. -V. 5. -P. 36-53.
GENERAL PHILOSOPHICAL QUESTIONS OF CHEMISTRY IN THE STUDY OF COMPLEX COMPOUNDS BASED ON FUNCTIONALIZED CYCLODEXTRINS
M.V. Papezhuk, Postgraduate Student Kuban State University (Russia, Krasnodar)
Abstract. The article deals with the main general philosophical questions in chemistry regarding the study of complex compounds obtained on the basis of functionalized cyclodextrins. When studying such compounds, the synthetic chemist encounters the laws and principles of dialectics. The chemist's understanding of philosophical problems in the study of new compounds allows one to get into the essence of things and phenomena.
Keywords: laws of dialectics, general philosophical questions of chemistry, complex compounds, functionalized cyclodextrins.
