PHÂN TỬ LƯỠNG CƯ: CẤU TRÚC, ĐẶC ĐIỂM, VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2025

Các phân tử lưỡng tính hoặc lưỡng tính là những phân tử có thể cảm nhận được ái lực hoặc lực đẩy cùng một lúc đối với một dung môi nhất định. Dung môi được phân loại về mặt hóa học là phân cực hoặc không phân cực; ưa nước hoặc kỵ nước. Do đó, những loại phân tử này có thể "yêu" nước, cũng như chúng cũng có thể "ghét" nó.

Theo định nghĩa trước đây, chỉ có một cách để có thể thực hiện được điều này: các phân tử này phải có các vùng cực và vùng cực trong cấu trúc của chúng; cho dù chúng được phân bố đồng nhất nhiều hơn hay ít hơn (ví dụ như trường hợp với protein), hoặc chúng được bản địa hóa không đồng nhất (trong trường hợp chất hoạt động bề mặt)

Sủi bọt khí, một hiện tượng vật lý gây ra bởi sự giảm sức căng bề mặt của bề mặt phân cách không khí-lỏng do tác dụng của chất hoạt động bề mặt, là một hợp chất lưỡng tính. Nguồn: Pexels.

Chất hoạt động bề mặt, còn được gọi là chất tẩy rửa, có lẽ là những phân tử lưỡng tính được biết đến nhiều nhất từ ​​thời xa xưa. Kể từ khi Man bị quyến rũ bởi hình dạng kỳ lạ của một bong bóng, lo lắng về việc chuẩn bị xà phòng và các sản phẩm tẩy rửa, anh ta đã bắt gặp hiện tượng căng bề mặt hết lần này đến lần khác.

Quan sát bong bóng cũng giống như chứng kiến ​​một "cái bẫy" mà các bức tường của nó, được hình thành bởi sự liên kết của các phân tử lưỡng tính, giữ lại thành phần khí của không khí. Các hình cầu của chúng ổn định nhất về mặt toán học và hình học, vì chúng giảm thiểu sức căng bề mặt của mặt phân cách không khí và nước.

Điều đó nói rằng, hai đặc điểm khác của các phân tử lưỡng tính đã được thảo luận: chúng có xu hướng liên kết hoặc tự lắp ráp, và một số sức căng bề mặt thấp hơn trong chất lỏng (những chất có thể làm như vậy được gọi là chất hoạt động bề mặt).

Do xu hướng liên kết cao, các phân tử này mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hình thái học (và thậm chí cả kiến ​​trúc) về các tổ hợp nano và các siêu phân tử tạo nên chúng; với mục đích thiết kế các hợp chất có thể được chức năng hóa và tương tác theo những cách không thể đo lường được với tế bào và các chất nền sinh hóa của chúng.

Kết cấu

Cấu trúc chung của một phân tử lưỡng tính. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Các phân tử lưỡng tính hoặc lưỡng cực được cho là có vùng cực và vùng cực. Vùng cực thường bao gồm một chuỗi cacbon bão hòa hoặc không bão hòa (với các liên kết đôi hoặc ba), được biểu diễn dưới dạng "đuôi apolar"; đi kèm với một "đầu cực", trong đó các nguyên tử âm điện nhất.

Cấu trúc chung trên minh họa các ý kiến ​​trong đoạn trước. Đầu phân cực (quả cầu màu tím) có thể là các nhóm chức hoặc vòng thơm có mômen lưỡng cực vĩnh viễn, và cũng có khả năng tạo liên kết hydro. Vì vậy, hàm lượng oxy và nitơ cao nhất phải nằm ở đó.

Trong đầu phân cực này cũng có thể có các điện tích ion, âm hoặc dương (hoặc cả hai cùng một lúc). Vùng này là vùng có ái lực cao với nước và các dung môi phân cực khác.

Mặt khác, đuôi cực cực, với các liên kết CH chủ yếu của nó, tương tác thông qua các lực tán xạ London. Vùng này chịu trách nhiệm về thực tế là các phân tử lưỡng tính cũng thể hiện ái lực với chất béo và các phân tử bất cực trong không khí (N ₂ , CO ₂ , Ar, v.v.).

Trong một số văn bản hóa học, mô hình cho cấu trúc trên được so sánh với hình dạng của một cái kẹo mút.

Tương tác giữa các phân tử

Khi một phân tử lưỡng tính tiếp xúc với một dung môi phân cực, chẳng hạn như nước, các vùng của nó gây ra các tác động khác nhau lên các phân tử dung môi.

Để bắt đầu, các phân tử nước tìm cách hòa tan hoặc hydrat hóa phần đầu cực, tránh xa phần đuôi cực. Trong quá trình này rối loạn phân tử được tạo ra.

Trong khi đó, các phân tử nước xung quanh đuôi cực quang có xu hướng tự sắp xếp như thể chúng là những tinh thể nhỏ, do đó cho phép chúng giảm thiểu lực đẩy. Trong quá trình này, trật tự phân tử được tạo ra.

Giữa các rối loạn và trật tự, sẽ đến một thời điểm mà phân tử lưỡng tính sẽ tìm cách tương tác với một phân tử khác, điều này sẽ dẫn đến một quá trình ổn định hơn nhiều.

Miscellas

Cả hai sẽ được tiếp cận thông qua đuôi cực hoặc đầu cực của chúng, theo cách mà các vùng liên quan tương tác trước. Điều này cũng giống như tưởng tượng rằng hai "cây kẹo mút màu tím" trong cách tiếp cận hình trên, gắn đuôi đen của chúng vào nhau hoặc nối hai đầu màu tím của chúng.

Và như vậy bắt đầu một hiện tượng liên kết thú vị, trong đó một số phân tử này được liên kết với nhau. Chúng không liên kết với nhau một cách tùy tiện, mà theo một loạt các thông số cấu trúc, dẫn đến việc cô lập các đuôi cực trong một loại “hạt nhân cực”, trong khi để lộ các đầu cực như một lớp vỏ cực.

Sau đó, người ta nói rằng một khối hình cầu đã được sinh ra. Tuy nhiên, trong quá trình hình thành sợi nấm, có một giai đoạn sơ bộ bao gồm những gì được gọi là lớp kép lipid. Những cấu trúc này và những cấu trúc khác là một số cấu trúc vĩ mô mà các phân tử amphiphilic có thể áp dụng.

Đặc điểm của phân tử lưỡng tính

Hiệp hội

Tế bào sai hình cầu được hình thành bởi các phân tử lưỡng tính. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Nếu lấy đuôi cực làm đơn vị màu đen và đầu cực là đơn vị màu tím, ta sẽ hiểu tại sao trong hình trên, vỏ của sợi nấm lại có màu tím và nhân của nó có màu đen. Hạt nhân là vô cực, và các tương tác của nó với các phân tử nước hoặc dung môi là rỗng.

Mặt khác, nếu dung môi hoặc môi trường không phân cực, thì các đầu phân cực sẽ chịu lực đẩy, và do đó chúng sẽ nằm ở trung tâm của miscella; nghĩa là, nó bị đảo ngược (A, hình dưới).

Các dạng cấu trúc hoặc hình thái sai lệch khác nhau. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Sứ giả ngược được quan sát thấy có vỏ màu đen và nhân cực màu tím. Nhưng, trước khi các sợi nấm được hình thành, các phân tử amphiphilic được tìm thấy làm thay đổi trật tự của các phân tử dung môi. Với sự tập trung tăng lên, chúng bắt đầu liên kết trong cấu trúc một hoặc hai lớp (B).

Từ B các phiến bắt đầu cong để tạo thành D, một túi. Một khả năng khác, tùy thuộc vào hình dạng của đuôi đỉnh liên quan đến đầu cực của nó, là chúng liên kết với nhau để tạo ra một quả miscella hình trụ (C).

Phân tử nano và siêu phân tử

Do đó, có năm cấu trúc chính, cho thấy một đặc điểm cơ bản của các phân tử này: xu hướng liên kết và tự tập hợp cao của chúng thành các siêu phân tử, kết hợp lại để tạo thành các tiểu phân nano.

Do đó, các phân tử amphiphilic không được tìm thấy đơn lẻ mà liên kết với nhau.

Vật lý

Các phân tử lưỡng tính có thể mang điện tích trung hòa hoặc ion. Những vật mang điện tích âm có một nguyên tử oxy với điện tích âm hình thức ở đầu cực của chúng. Một số nguyên tử oxy này đến từ các nhóm chức năng như -COO ^- , -SO ₄ ^- , -SO ₃ ^- hoặc -PO ₄ ^- .

Về các điện tích dương, chúng thường đến từ các amin, RNH ₃ ⁺ .

Sự có mặt hay vắng mặt của các điện tích này không làm thay đổi thực tế là các phân tử này nói chung tạo thành chất rắn kết tinh; hoặc, nếu chúng tương đối nhẹ, chúng được tìm thấy dưới dạng dầu.

Ví dụ

Một số ví dụ về phân tử lưỡng tính hoặc lưỡng tính sẽ được đề cập dưới đây:

- Fofolipid: phosphatidylethanolamine, sphingomyelin, phosphatidylserine, phosphatidylcholine.

-Cholesterol.

-Glucolipid.

-Sodium lauryl sulfat.

-Protein (chúng là amphiphilic, nhưng không phải chất hoạt động bề mặt).

-Chất béo dạng mạch: cardanol, cardoles và axit anacardial.

-Cetyltrimetylamoni bromua.

- Axit béo: palmitic, linoleic, oleic, lauric, stearic.

- Rượu mạch dài: 1-dodecanol và những rượu khác.

-Các polyme cao phân tử: chẳng hạn như nhựa phenolic etoxyl hóa.

Các ứng dụng

Màng tế bào

Một trong những hậu quả quan trọng nhất của khả năng liên kết của các phân tử này là chúng xây dựng một loại tường: lớp kép lipid (B).

Lớp kép này mở rộng để bảo vệ và điều chỉnh sự ra vào của các hợp chất vào tế bào. Nó có tính năng động, vì các đuôi cực của nó xoay giúp các phân tử lưỡng cực di chuyển.

Tương tự như vậy, khi màng này được gắn vào hai đầu, để có chiều dọc, người ta dùng nó để đo tính thấm của nó; và nhờ đó, dữ liệu có giá trị thu được cho việc thiết kế các vật liệu sinh học và màng tổng hợp từ việc tổng hợp các phân tử lưỡng tính mới với các thông số cấu trúc khác nhau.

Chất phân tán

Trong công nghiệp dầu mỏ, các phân tử này và các polyme tổng hợp từ chúng được sử dụng để phân tán các chất nhựa đường. Trọng tâm của ứng dụng này tập trung vào giả thuyết rằng nhựa đường bao gồm một chất rắn dạng keo, có xu hướng kết tụ cao và trầm tích như một chất rắn màu đen nâu gây ra các vấn đề kinh tế nghiêm trọng.

Các phân tử lưỡng tính giúp giữ cho các chất nhựa đường phân tán trong thời gian dài hơn khi đối mặt với những thay đổi hóa lý trong dầu.

Chất nhũ hóa

Các phân tử này giúp hai chất lỏng trộn lẫn mà không thể trộn lẫn trong điều kiện bình thường. Ví dụ, trong kem, chúng giúp nước và không khí tạo thành một phần của cùng một chất rắn cùng với chất béo. Trong số các chất nhũ hóa được sử dụng rộng rãi nhất cho mục đích này là những chất có nguồn gốc từ axit béo ăn được.

Chất tẩy rửa

Bản chất lưỡng tính của các phân tử này được sử dụng để bẫy chất béo hoặc các tạp chất không phân cực, sau đó bị rửa trôi đồng thời bằng dung môi phân cực, chẳng hạn như nước.

Giống như ví dụ về bong bóng trong đó không khí bị giữ lại, chất tẩy rửa giữ chất béo trong các mixen của chúng, có vỏ phân cực, tương tác hiệu quả với nước để loại bỏ bụi bẩn.

Chất chống oxy hóa

Các đầu phân cực có tầm quan trọng sống còn vì chúng xác định nhiều công dụng mà các phân tử này có thể có trong cơ thể.

Ví dụ, nếu họ sở hữu một tập hợp các vòng thơm (bao gồm các dẫn xuất của một vòng phenolic) và các vòng phân cực có khả năng trung hòa các gốc tự do, thì sẽ có các chất chống oxy hóa amphiphilic; và nếu chúng cũng không có tác dụng thải độc, thì sẽ có những chất chống oxy hóa mới trên thị trường.

Người giới thiệu

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (Năm 2002). Sinh học phân tử của tế bào. Phiên bản thứ 4. New York: Khoa học Garland; Bilayer Lipid. Đã khôi phục từ: ncbi.nlm.nih.gov
2. Jianhua Zhang. (2014). Phân tử lưỡng tính. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, E. Droli, L. Giorno (eds.), Encyclopedia of Membranes, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. Joseph nói. (2019). Định nghĩa về phân tử lưỡng tính. Học. Phục hồi từ: study.com
4. Lehninger, AL (1975). Hóa sinh. (Ấn bản lần 2). Nhà xuất bản Worth, inc.
5. Mathews, CK, van Holde, KE và Ahern, KG (2002). Hóa sinh. (Tái bản lần thứ 3). Pearson Addison Weshley.
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 31 tháng 3 năm 2019). Chất hoạt động bề mặt là gì? Phục hồi từ: thinkco.com
7. Domenico Lombardo, Mikhail A. Kiselev, Salvatore Magazù, và Pietro Calandra (2015). Amphiphiles Self-Assembly: Các khái niệm cơ bản và viễn cảnh tương lai của các phương pháp tiếp cận siêu phân tử. Những tiến bộ trong Vật lý Vật chất Cô đặc, tập. 2015, ID bài viết 151683, 22 trang, 2015. doi.org/10.1155/2015/151683.
8. Anankanbil S., Pérez B., Fernandes I., Magdalena K. Widzisz, Wang Z., Mateus N. & Guo Z. (2018). Một nhóm mới gồm các phân tử amphiphilic chứa phenolic tổng hợp cho các ứng dụng đa năng: Nghiên cứu đặc tính hóa lý và nghiên cứu độc tính tế bào. Báo cáo khoa học số 8, số bài báo: 832.