• Facebook
  • Instagram
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Link til Klimateknologi

Organisk kemi23. 08. 2022 | heidit

Cyclodextrin-kemi

Organisk kemi23. 08. 2022 By heidit

Fra metanfangst til kunstige enzymer: Facetter af cyclodextrinernes mange muligheder.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2022 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Cecilie Høgfeldt Jessen, Martin Jæger Pedersen, Christian Marcus Pedersen og Mikael Bols, Kemisk Institut, Københavns Universitet

Cyclodextriner er cykliske kulhydrater med en kavitet, der kan kompleksbinde hydrofobe stoffer. Vi undersøger deres kemi og anvendelser til blandt andet gasfangst og som kunstige enzymer.
Cyclodextriner er ringsluttede kæder af kulhydrater bestående af a-1,4-bundne glukose-molekyler (figur 1). Således ligner de stivelse meget i struktur, og de mest almindelige cyclodextriner opstår da også ved enzymatisk nedbrydning af stivelse. En interessant egenskab ved cyclodextrinerne, som allerede blev opdaget af den østrigske kemiker Frans Shardinger i 1908, er, at skønt de selv er vandopløselige og polære molekyler, kan de danne komplekser med små hydrofobe molekyler. Komplekseringen skyldes cyclodextrinernes bagel-lignende struktur, hvor ydersiden er polær, mens kaviteten, dvs. hullet i bagelen er hydrofob og virker som et bindingssite (figur 1). Især cyclodextrinerne bestående af 6 og 7 glukose-enheder, kaldet a- og b-cyclodextrin, er billige og har en lang række anvendelser, hvor man udnytter komplekseringen af stoffer såsom lægemidler eller parfumestoffer [1]. Eksempelvis kan cyclodextrinen ved at kompleksbinde et hydrofobt lægemiddel gøre det mere vandopløseligt og virke som en slags færge, der transporterer et ellers uopløseligt lægemiddel til det sted, det skal optages. Et andet eksempel er, at cyclodextrinen kan danne et kompleks med en flygtig hydrofob parfumeforbindelse, som så kun afgives langsomt og giver en langvarig duft. En stor fordel ved at bruge cyclodextrinerne er, at de er billige, uskadelige og biologisk nedbrydelige stoffer.

Gaskomplekser
Mens det er velkendt, at cyclodextriner binder små organiske molekyler, er det mindre kendt, at de kan kompleksbinde simple gasser. Hvis man bobler klorgas gennem en opløsning af a-cyclodextrin, får man et tykt gul-grønt bundfald af klor-cyclodextrin komplekset. Udfældningen skyldes, at klor bindes i kaviteten i cyclodextrinen og derved fortrænger vandmolekyler, hvilket resulterer i dannelsen af et kompleks, der er tungtopløseligt i vand. Bundfaldet kan frafilteres og genopløses i vand, hvorved det afgiver klorgassen. Dette er interessant, fordi det måske kan bruges til at fange drivhusgasser såsom metan og CO2 og dermed bidrage til kampen mod den globale opvarmning forårsaget af netop disse to gasser. a-cyclodextrin kan i sig selv fange metan, men det er nødvendigt at sætte gassen under tryk for at få nok kompleks til, at det fælder ud. Cyclodextrin-metan komplekset er smukke krystaller, som kan studeres ved røntgenkrystallografi, der viser metanmolekylet bundet i kaviteten (figur 2). Opløses krystallerne i vand eller opvarmes de til 100°C, afgives metanen igen. Denne gas kan opsamles og cyclodextrinen kan genanvendes til fangst af mere metan. Processen kan følges med det blotte øje, men ses endnu bedre ved forstørrelse under et mikroskop (figur 2). For at gøre metanfangsten mere effektiv, skal kaviteten i cyclodextrinen optimeres til binding af metan. Dette vil gøre bindingen stærkere og samtidigt gøre cyclodextrinen selektiv overfor metan. På den måde forestiller vi os, at cyclodextrinen kan bruges til sortering af gasser. Klor vil eksempelvis være for stor til at passe ind i kaviteten, der er optimeret til metan. For nyligt er cyclodextriner med færre glukosemolekyler end 6 blevet beskrevet, og det vil være spændende at studere deres metanbindende egenskaber.

Kunstige enzymer
Endnu mere nyttige er cyclodextrinerne, hvis de ikke blot binder kemiske forbindelser, men også omdanner dem til andre stoffer. Og med de delvist beskyttede cyclodextriner kan vi lave kunstige enzymer ved at kombinere cyclodextrinens bindingssite med katalytiske grupper såsom syrer, baser eller metalioner. Får man placeret atomerne rigtigt, resulterer det i katalysatorer, der udviser enzymatisk katalyse og Michaelis Menten kinetik. Vi har tidligere i Dansk Kemi beskrevet cyclodextrin derivater, der katalyserer hydrolyse og oxidation med høje hastighedsforøgelser [2]. Disse cyclodextriner har strategisk placerede ketoner eller syregrupper i sig. Senere har vi lavet cyclodextriner, der binder metalioner og virker som kunstige metalloenzymer, der i nærværelse af hydrogenperoxid forøger hastigheden af alkoholoxidation flere tusinde gange [3].
Stadig er vi et godt stykke fra at have kunstige enzymer, der er så effektive som rigtige enzymer, men med udvikling af nye cyclodextrin derivater vil vi kunne forbedre efterligningen af et enzyms aktive site. Det interessante ved kunstige enzymer skabt fra cyclodextriner er, at de ligesom rigtige enzymer katalyserer reaktioner i vand og derfor er miljøvenlige, men kan katalysere andre reaktioner. Man kan for eksempel tænke sig, at man kan udvikle et enzym, der kan binde et CO2 eller metanmolekyle og derefter omdanne det til et ikke-gasformigt brændstof som metanol.

Cyclodextrin modifikation
Hvis vi virkelig skal ”rykke” i forhold til at forbedre cyclodextrinernes anvendelser til gasfangst eller kunstige enzymer, er det nødvendigt at kunne modificere dem kemisk. At gøre det direkte på det ubeskyttede kulhydrat giver dog lave udbytter og urene stoffer. Vores erfaring er, at det er bedre at beskytte hydroxygrupperne i cyclodextrinen med beskyttelsesgrupper først, hvorved vi får hydrofobe forbindelser, der let kan håndteres og oprenses. En meget effektiv metode er at beskytte cyclodextrinen med såkaldte benzyl-grupper eller benzyl-ethere. Nogle af benzylgrupperne kan derefter fjernes med reduktionsmidlet diisobutyl aluminium hydrid (DIBAL). Ved at justere mængden af DIBAL, temperatur og reaktionstid har vi fundet ud af, at vi selektivt kan fjerne en, to, tre eller fire benzylgrupper fra én eller begge sider af cyclodextrinen (figur 3) [4]. Dette resulterer i alkoholer, der kan omdannes til andre funktionelle grupper, broer eller hængsler. Endelig kan de resterende benzylgrupper fjernes med mild hydrogenolyse med hydrogen- og palladiumkatalysator.

Konklusion
Naturlige cyclodextriner har et væld af anvendelsesmuligheder – nogle af hvilke vi har diskuteret her. Det bliver derfor meget spændende at se, hvor vores nye metoder til at fremstille modificerede cyclodextriner (figur 3) vil bringe os hen.

E-mail:
Mikael Bols:  bols@chem.ku.dk

Referencer
1. J. Szejtli, Chem. Rev. (Washington, D.C.) 1998, 98, 1743-1753.
2. J. Bjerre, L. Marinescu, M. Bols, Dansk Kemi 2007, 15-18.
3. B. Wang, M. Bols, Chem. – A Eur. J. 2017, 23, 13766-13775.
4. M. Bols, V. Friis, Chem. – A Eur. J. 2022, 28, e202200564.

Skrevet i: Organisk kemi

Seneste nyt fra redaktionen

EU-rapport kigger nærmere på PVC

BranchenytKlima og miljø05. 12. 2023

Det Europæiske Kemikalieagenturs (ECHA) har offentliggjort en undersøgelse om PVC og de tilsætningsstoffer, der er forbundet med plasten. Med rapporten i hånden har mere end 60 miljø-ngo'er opfordret Europa-Kommissionen til at udfase PVC inden 2030. Og det skal gælde produktionen, anvendelsen og

Årets bedste kemilærer trækker på sin egen viden som både ordblind og talentfuld elev

AktueltBranchenyt01. 12. 2023

Lektor Nicolai Bogø Stabell, der er kemilærer på H.C. Ørsted Gymnasiet i Lyngby, er blevet tildelt H.C. Ørsted Medaljen i bronze for fremragende formidling af naturvidenskab af Selskabet for Naturlærens Udbredelse (SNU). Baggrunden for at tildele ham medaljen er ikke bare, at han helt

Sikkerheden af ens netværk bør skærpes – den digitale afpresning er steget voldsomt

Branchenyt01. 12. 2023

Det vil være en god idé af sikre sig på den digitale front. Mens virksomheder indenfor cybersikkerhed generelt kunne berette om en nedgang i den digitale afpresning i 2022, trods Ruslands invasion af Ukraine, er der kommet nye boller på suppen. Ifølge en ny rapport fra Orange Cyberdefense, er

Forskere indenfor PFAS-oprensning får hjælp af AI til at udvikle ny rensningsteknologi

BranchenytTop30. 11. 2023

Store dele af verden plages af de såkaldte evighedskemikalier, PFAS. Nu skal en gruppe af de dygtigste forskere indenfor PFAS-oprensning, udvikle og super-optimere en ny form for rensningsteknologi til spildevand og drikkevand. Med de gør det ikke alene. Den vil blive udvikle ved hjælp af kunstig

Professor Hans Ramløv hædret – er udnævnt som Ridder af Dannebrogordenen

AktueltBranchenyt30. 11. 2023

Professor Hans Ramløv fra Institut for Naturvidenskab og Miljø på Roskilde Universitetscenter er blevet hædret med Ridderkorset. I begrundelsen for, at Hans Ramløv skal modtage Ridderkorset, bliver der blandt andet lagt vægt på, at han i mange år intenst har søgt efter forklaringen på, at nogle

Lidt om ananas, salvie og æbler

Fødevarekemi28. 11. 2023

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2023 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Læs originalartiklen her Ananas er den ene af kun to kendte arter i ananasslægten. Den anden art danner en lignende frugt, som ikke er af samme kvalitet som ananas og derfor

Skoven kan rumme op imod 30 procent af al vores CO2 – men det kræver omtanke

AktueltEnergi28. 11. 2023

Verdens skove kan rumme op 226 mia. tons CO2. Det er 30 procent af al den CO2, der er udledt siden den industrielle æra begyndte. Det er 200 forskere på tværs af verden, der med vidt forskellige målemetoder er kommet frem til det tal, og som er blevet til et studie, der er udgivet i

Kaffesmagen påvirkes også af vandet – og til næste år lanceres specialdesignet kaffevand

AktueltFødevarekemi24. 11. 2023

Danskere er blandt de mest kaffedrikkende nationer i verden, og de fleste sætter pris på en god kop kaffe. Og nu kan smagen blive endnu bedre, for mens det er oplagt, at kaffebønnerne og brygningen påvirker smagen, er det ikke helt så oplagt for mange, at vandet også har en indflydelse. Men vand

Myten om blæreceller på quinoa-planten er løst efter 127 år – og den kan få betydning for os alle

BiokemiKlima og miljøTop23. 11. 2023

I 127 år man troet, at nogle små blæreceller på quinoa-plantens overflade, beskyttede den mod tørke og salt. Som en slags vanddepoter. Det virkede jo oplagt, men sandheden om de små celler, der nærmest ligner vandballoner, er en helt anden. En afsløring, der ikke bare prikker hul i myten, men kan

Hunstrudsen evner at holde hovedet koldt – og dermed påvirke æg-lægningen

Klima og miljø23. 11. 2023

Strudsen er ikke bare verdens største fugleart - den har heller ikke fjer på hals og hovedet til at beskytte mod temperaturændringer. Klimaforandringer kommer til at påvirke de store fugle, men en manglende beskyttelse mod temperaturvariationer kunne påvirke forplantningsevnen hos dem, når

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Mikrolab Aarhus A/S

    Juletilbud: -15% på udvalgte Laboport vakuumpumper

  • Mikrolab Aarhus A/S

    Adventstilbud – Velkendte & robuste rysteinkubatorer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch vakuumløsninger bygger ny produktionsfabrik i Kina

  • DENIOS ApS

    Afholder kulden dig fra at opbevare dine gasflasker udendørs om vinteren?

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    Historisk lav ledighed i laborantfaget

  • DENIOS ApS

    Dét kan afholde din nødbruser fra at virke i vintermånederne

  • Mikrolab Aarhus A/S

    Skal du være med i det nye forum for Opentrons brugere?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch præsenterer nye vakuumteknologiske løsninger på Ajour 2023

  • Vention Aps.

    Sporgasmåling af stinkskabe

  • MD Scientific

    Osmometre til ethvert behov

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • EU-rapport kigger nærmere på PVC

    05.12.2023

  • Årets bedste kemilærer trækker på sin egen viden som både ordblind og talentfuld elev

    01.12.2023

  • Sikkerheden af ens netværk bør skærpes – den digitale afpresning er steget voldsomt

    01.12.2023

  • Forskere indenfor PFAS-oprensning får hjælp af AI til at udvikle ny rensningsteknologi

    30.11.2023

  • Professor Hans Ramløv hædret – er udnævnt som Ridder af Dannebrogordenen

    30.11.2023

  • Lidt om ananas, salvie og æbler

    28.11.2023

  • Skoven kan rumme op imod 30 procent af al vores CO2 – men det kræver omtanke

    28.11.2023

  • Kaffesmagen påvirkes også af vandet – og til næste år lanceres specialdesignet kaffevand

    24.11.2023

  • Myten om blæreceller på quinoa-planten er løst efter 127 år – og den kan få betydning for os alle

    23.11.2023

  • Hunstrudsen evner at holde hovedet koldt – og dermed påvirke æg-lægningen

    23.11.2023

  • Disse 12 teknologi-områder er kritiske for den danske fremtid

    23.11.2023

  • Rige lande skal spytte mere i klimakassen – ellers ender temperaturen langt over Paris-målet

    23.11.2023

  • Spot på faseovergange i grevefedt med fast-stof NMR

    22.11.2023

  • Slangegift og skjoldlus skal vække unges interesse for naturvidenskab

    22.11.2023

  • Biomanufacturing – erhvervskandidat i kemi- og bioteknik undervist i Kalundborg

    22.11.2023

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik