Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Мицелла
Определение ИЮПАК
МицеллаЧастица коллоидных размеров, которая находится в равновесии с молекулами или ионами в растворе, из которого она образована. [1] [2]
Мицеллы (полимеры)Организованная самосборка, образованная в жидкости и состоящая из амфифильных макромолекул , обычно амфифильных ди- или триблочных сополимеров, состоящих из сольвофильных и сольвофобных блоков.
Примечание 1Амфифильное поведение можно наблюдать для воды и органического растворителя или между двумя органическими растворителями.
Заметка 2Полимерные мицеллы имеют гораздо более низкую критическую мицеллярную концентрацию (КМЦ), чем мицеллы мыла или поверхностно-активного вещества, но, тем не менее, находятся в равновесии с изолированными макромолекулами, называемыми унимерами. Следовательно, образование и стабильность мицелл зависят от концентрации. [3]
Поперечный разрез структур, которые могут быть образованы фосфолипидами в водных растворах (в отличие от этой иллюстрации, мицеллы обычно образованы одноцепочечными липидами, так как две цепи сложно уместить в эту форму)
Схема мицеллы, образованной фосфолипидами в водном растворе

Мицелл ( / м aɪ с ɛ л / ) или мицелла ( / м aɪ с ɛ л ə / ) (множественное число мицелл или мицелл , соответственно) представляет собой совокупность (или супрамолекулярная сборки ) из поверхностно -активных молекул , диспергированных в жидкости, образуя коллоидная суспензия (также известная как ассоциированная коллоидная система [4] ). Типичная мицелла в воде образует агрегат с гидрофильным«головные» области контактируют с окружающим растворителем , изолируя гидрофобные одинарные хвостовые области в центре мицеллы.

Эта фаза вызвана упаковкой липидов с одним хвостом в бислой . Сложность заполнения всего объема внутренней части бислоя при размещении площади на головную группу, навязанную молекуле гидратацией головной липидной группы, приводит к образованию мицеллы. Этот тип мицеллы известен как мицелла с нормальной фазой (мицелла масла в воде). Обратные мицеллы имеют головные группы в центре с выступающими наружу хвостами (мицелла вода в масле).

Мицеллы имеют приблизительно сферическую форму. Также возможны другие фазы , включая формы, такие как эллипсоиды, цилиндры и бислои . Форма и размер мицеллы зависят от молекулярной геометрии ее молекул поверхностно-активного вещества и условий раствора, таких как концентрация поверхностно-активного вещества, температура , pH и ионная сила . Процесс образования мицелл известен как мицеллизация и является частью фазового поведения многих липидов в соответствии с их полиморфизмом . [5]

История [ править ]

Способность мыльного раствора действовать как моющее средство признана на протяжении веков. Однако только в начале двадцатого века состав таких растворов был изучен с научной точки зрения. Новаторская работа в этой области была проведена Джеймсом Вильямом МакБейн в Бристольском университете . Еще в 1913 году он постулировал существование «коллоидных ионов», чтобы объяснить хорошую электролитическую проводимость растворов пальмитата натрия. [6] Эти высокомобильные, спонтанно образованные кластеры стали называть мицеллами - термин, заимствованный из биологии и популяризированный Г.С. Хартли в его классической книге « Соли парафиновых цепей: исследование образования мицелл» .[7] Термин « мицелла» был придуман в научной литературе девятнадцатого века как уменьшительное от латинского слова mica (частица) ‑elle , передавая новое слово для обозначения «крошечной частицы». [8]

Решение [ править ]

Отдельные молекулы поверхностно-активного вещества, которые находятся в системе, но не являются частью мицеллы, называются « мономерами ». Мицеллы представляют собой молекулярную сборку, в котором отдельные компоненты термодинамически находятся в равновесии с мономерами того же вида в окружающей среде. В воде гидрофильные «головы» молекул поверхностно-активного вещества всегда находятся в контакте с растворителем, независимо от того, существуют ли поверхностно-активные вещества в виде мономеров или как часть мицеллы. Однако липофильные «хвосты» молекул поверхностно-активного вещества меньше контактируют с водой, когда они являются частью мицеллы - это является основой для энергетического стремления к образованию мицелл. В мицелле гидрофобные хвосты нескольких молекул поверхностно-активного вещества собираются в маслоподобное ядро, наиболее стабильная форма которого не контактирует с водой. Напротив, мономеры поверхностно-активных веществ окружены молекулами воды, которые создают «клетку» или сольватную оболочку, соединенную водородными связями.. Эта вода клетка похожа на клатрат и имеет лед -подобных кристаллическую структуры и может быть охарактеризована в соответствии с гидрофобным эффектом. Степень растворимости липидов определяется неблагоприятным вкладом энтропии из-за упорядочения структуры воды в соответствии с гидрофобным эффектом.

Мицеллы, состоящие из ионных поверхностно-активных веществ, обладают электростатическим притяжением к ионам, которые их окружают в растворе, последние известны как противоионы . Хотя ближайшие противоионы частично маскируют заряженную мицеллу (до 92%), эффекты заряда мицеллы влияют на структуру окружающего растворителя на значительных расстояниях от мицеллы. Ионные мицеллы влияют на многие свойства смеси, в том числе на ее электропроводность. Добавление солей к мицеллам, содержащим коллоид, может снизить силу электростатических взаимодействий и привести к образованию более крупных ионных мицелл. [9] Это более точно видно с точки зрения эффективного заряда при гидратации системы.

Энергия формирования [ править ]

Смотрите также: Термодинамика мицеллообразования

Мицеллы образуются только тогда, когда концентрация поверхностно-активного вещества превышает критическую концентрацию мицелл (ККМ), а температура системы превышает критическую температуру мицелл или температуру Краффта . Образование мицелл можно понять с помощью термодинамики : мицеллы могут образовываться спонтанно из-за баланса энтропии и энтальпии . В воде гидрофобный эффектявляется движущей силой мицеллообразования, несмотря на то, что сборка молекул поверхностно-активного вещества невыгодна как с точки зрения энтальпии, так и энтропии системы. При очень низких концентрациях поверхностно-активного вещества в растворе присутствуют только мономеры. По мере увеличения концентрации поверхностно-активного вещества достигается точка, в которой неблагоприятный вклад энтропии из-за кластеризации гидрофобных хвостов молекул преодолевается увеличением энтропии из-за высвобождения сольватных оболочек вокруг хвостов поверхностно-активного вещества. На этом этапе липидные хвосты части поверхностно-активных веществ должны быть отделены от воды. Следовательно, они начинают образовывать мицеллы. В широком смысле, выше CMC, потеря энтропии из-за сборки молекул поверхностно-активного вещества меньше, чем прирост энтропии за счет высвобождения молекул воды, которые были «захвачены».в сольватных оболочках мономеров ПАВ. Также важны энтальпийные соображения, такие как электростатические взаимодействия, которые происходят между заряженными частями поверхностно-активных веществ.

Параметр упаковки мицелл [ править ]

Уравнение параметра упаковки мицелл используется для «предсказания самосборки молекул в растворах поверхностно-активных веществ»: [10]

где - объем хвоста поверхностно-активного вещества, - длина хвоста, - равновесная площадь, приходящаяся на молекулу на поверхности агрегата.

Блок-сополимерные мицеллы [ править ]

Понятие мицелл было введено для описания агрегатов ядро-корона небольших молекул поверхностно-активного вещества , однако оно также распространилось на описание агрегатов амфифильных блок-сополимеров в селективных растворителях. [11] [12] Важно знать разницу между этими двумя системами. Основное различие между этими двумя типами агрегатов заключается в размере их строительных блоков. Молекулы ПАВ имеют молекулярную массукоторая обычно составляет несколько сотен граммов на моль, тогда как блок-сополимеры обычно на один или два порядка больше. Более того, благодаря более крупным гидрофильным и гидрофобным частям блок-сополимеры могут иметь гораздо более выраженную амфифильную природу по сравнению с молекулами поверхностно-активных веществ.

Из-за этих различий в строительных блоках некоторые мицеллы блок-сополимера ведут себя как мицеллы поверхностно-активных веществ, а другие - нет. Поэтому необходимо проводить различие между двумя ситуациями. Первые будут относиться к динамическим мицеллам, а вторые - к кинетически замороженным мицеллам.

Динамические мицеллы [ править ]

Некоторые мицеллы амфифильных блок-сополимеров демонстрируют поведение, подобное мицеллам поверхностно-активного вещества. Их обычно называют динамическими мицеллами, и они характеризуются теми же релаксационными процессами, которые связаны с обменом поверхностно-активных веществ и расщеплением / рекомбинацией мицелл. Хотя релаксационные процессы между двумя типами мицелл одинаковы, кинетика унимерного обмена сильно различается. В то время как в системах поверхностно-активных веществ унимеры покидают мицеллы и присоединяются к ним посредством процесса, контролируемого диффузией , для сополимеров константа скорости входа медленнее, чем процесс, контролируемый диффузией. Было установлено, что скорость этого процесса зависит от степени полимеризации по убывающей степени.гидрофобного блока до мощности 2/3. Это различие связано с намоткой гидрофобного блока сополимера, выходящего из ядра мицеллы. [13]

Блок-сополимеры, которые образуют динамические мицеллы, являются одними из трехблочных полоксамеров при правильных условиях.

Кинетически замороженные мицеллы [ править ]

Когда мицеллы блок-сополимера не проявляют характерных процессов релаксации мицелл поверхностно-активного вещества, они называются кинетически замороженными мицеллами . Это может быть достигнуто двумя способами: когда унимеры, образующие мицеллы, не растворимы в растворителе раствора мицелл, или если блоки, образующие ядро, являются стекловидными при температуре, при которой находятся мицеллы. Кинетически замороженные мицеллы образуются при соблюдении любого из этих условий. Особым примером, в котором выполняются оба этих условия, является полистирол-б-поли (оксид этилена). Этот блок-сополимер характеризуется высокой гидрофобностью блока, образующего ядро, PS , что приводит к нерастворимости унимеров в воде. Кроме того, ПС имеет высокую температуру стеклования.которая, в зависимости от молекулярной массы, выше комнатной температуры. Благодаря этим двум характеристикам водный раствор мицелл ПС-ПЭО с достаточно высокой молекулярной массой можно считать кинетически замороженным. Это означает, что никакие релаксационные процессы, которые привели бы раствор мицелл к термодинамическому равновесию, невозможны. [14] Новаторская работа с этими мицеллами была проделана Ади Айзенбергом. [15] Было также показано, как отсутствие релаксационных процессов дает большую свободу в возможных образованных морфологиях. [16] [17]Более того, устойчивость к разбавлению и широкий диапазон морфологий кинетически замороженных мицелл делают их особенно интересными, например, для разработки наночастиц с длительной циркуляцией доставки лекарств. [18]

Обратные / обратные мицеллы [ править ]

В неполярном растворителе воздействие на гидрофильные головные группы окружающего растворителя является энергетически невыгодным, что приводит к образованию системы вода-в-масле. В этом случае гидрофильные группы изолированы в ядре мицеллы, а гидрофобные группы отходят от центра. Эти обратные мицеллы с меньшей вероятностью образуются при увеличении заряда головной группы, поскольку гидрофильная секвестрация создаст крайне неблагоприятные электростатические взаимодействия.

Супермицеллы [ править ]

Электронная микрофотография супермицеллы, похожей на ветряную мельницу, масштабная линейка 500 нм. [19]

Супермицелла - это иерархическая структура мицелл ( супрамолекулярная сборка ), в которой отдельные компоненты также являются мицеллами. Супермицеллы образуются с помощью восходящих химических подходов, таких как самосборка длинных цилиндрических мицелл в радиальные крестообразные, звездообразные или одуванчики в специально подобранном растворителе; твердые наночастицы могут быть добавлены к раствору, чтобы действовать как центры зародышеобразования и формировать центральное ядро ​​супермицеллы. Стволы первичных цилиндрических мицелл состоят из различных блок- сополимеров, связанных прочными ковалентными связями ; внутри структуры супермицеллы они слабо удерживаются вместе с помощьюводородные связи , электростатические или сольвофобные взаимодействия. [19] [20]

Использует [ редактировать ]

Когда поверхностно-активные вещества присутствуют выше критической концентрации мицелл (КМЦ), они могут действовать как эмульгаторы , которые позволяют соединению, которое обычно нерастворимо (в используемом растворителе), растворяться. Это происходит потому, что нерастворимые частицы могут быть включены в ядро ​​мицеллы, которое само растворяется в основной массе растворителя благодаря благоприятным взаимодействиям головных групп с частицами растворителя. Наиболее распространенным примером этого явления являются детергенты , которые очищают плохо растворимые липофильные материалы (например, масла и воски), которые невозможно удалить с помощью одной воды. Моющие средства очищают также за счет снижения поверхностного натяженияводы, что облегчает удаление материала с поверхности. Эмульгирующие свойства поверхностно-активных веществ также являются основой эмульсионной полимеризации .

Образование мицелл необходимо для усвоения жирорастворимых витаминов и сложных липидов в организме человека. Соли желчных кислот, образующиеся в печени и выделяемые желчным пузырем, позволяют образовываться мицеллам жирных кислот. Это обеспечивает всасывание сложных липидов (например, лецитина) и жирорастворимых витаминов (A, D, E и K) в мицелле тонкой кишкой.

В процессе свертывания молочного, протеазы действуют на растворимой части казеин , каппа-казеин , таким образом , происходящих нестабильное состояние мицеллярный , что приводит к образованию сгустка.

Мицеллы также можно использовать для адресной доставки лекарств в виде наночастиц золота. [21]

См. Также [ править ]

  • Липидный бислой
  • Критическая концентрация мицелл
  • Липосомы
  • Мицеллярная жидкостная хроматография
  • Мицеллярные растворы
  • Поверхностно-активное вещество
  • Пузырь (биология)

Ссылки [ править ]

  1. ^ MacNaugdoesht, Алан Д .; Уилкинсон, Эндрю Р., ред. (1997). Сборник химической терминологии: Рекомендации ИЮПАК (2-е изд.). Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 978-0865426849.
  2. ^ Сломковский, Станислав; Alemán, José V .; Гилберт, Роберт Дж .; Гесс, Майкл; Хори, Казуюки; Джонс, химаншу Г .; Кубиса, Пшемыслав; Мейзель, Ингрид; Морманн, Вернер; Пенчек, Станислав; Степто, Роберт FT (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации IUPAC 2011)» . Чистая и прикладная химия . 83 (12): 2229–2259. DOI : 10.1351 / PAC-REC-10-06-03 .
  3. ^ Верт, Мишель; Дои, Йошихару; Хеллвич, Карл-Хайнц; Гесс, Майкл; Ходж, Филипп; Кубиса, Пшемыслав; Ринаудо, Маргарита; Шуэ, Франсуа (2012). «Терминология для биорелированных полимеров и приложений (Рекомендации IUPAC 2012 г.)» . Чистая и прикладная химия . 84 (2): 377–410. DOI : 10.1351 / PAC-REC-10-12-04 .
  4. ^ Сомневаюсь. «Что такое ассоциированные коллоиды? На примере» . сомневаться . Проверено 26 февраля 2021 .
  5. ^ IWHamley "Введение в мягкую материю" (Джон Вили, 2007)
  6. Перейти ↑ McBain, JW, Trans. Faraday Soc. 1913, 9, 99
  7. ^ Hartley, GS (1936) Водные растворы солей парафиновых цепей, Исследование образования мицелл , Hermann et Cie, Париж
  8. ^ «Мицеллы» . Словарь Мерриама-Вебстера . Проверено 29 сентября 2018 года .
  9. ^ Турро, Николас Дж .; Йекта, Ахмад (1978). «Люминесцентные зонды для растворов моющих средств. Простая процедура определения среднего числа агрегации мицелл». Журнал Американского химического общества . 100 (18): 5951–5952. DOI : 10.1021 / ja00486a062 .
  10. ^ Нагараджан, R. (2002). «Параметр молекулярной упаковки и самосборка поверхностно-активного вещества: упущенная роль хвоста поверхностно-активного вещества †». Ленгмюра . 18 : 31–38. DOI : 10.1021 / la010831y .
  11. ^ Хэмли, И. В. «Блок-сополимеры в растворе» (Wiley, 2005)
  12. ^ Kocak, G .; Tuncer, C .; Бютюн, В. (20 декабря 2016 г.). «pH-чувствительные полимеры». Polym. Chem . 8 (1): 144–176. DOI : 10.1039 / c6py01872f . ISSN 1759-9962 . 
  13. ↑ Зана, Рауль; Маркес, Карлос; Джонер, Альберт (16 ноября 2006 г.). «Динамика мицелл триблок-сополимеров поли (этиленоксид) –поли (пропиленоксид) –поли (этиленоксид) в водном растворе». Достижения в коллоидной и интерфейсной науке . Специальный выпуск в честь доктора К.Л. Миттала. 123–126: 345–351. DOI : 10.1016 / j.cis.2006.05.011 . PMID 16854361 . 
  14. ^ Николай, Тако; Коломбани, Оливье; Шассенье, Кристоф (2010). «Динамические полимерные мицеллы против замороженных наночастиц, образованных блок-сополимерами». Мягкая материя . 6 (14): 3111. Bibcode : 2010SMat .... 6.3111N . DOI : 10.1039 / b925666k .
  15. Перейти ↑ Prescott, RJ (1983). «Сообщения в редакцию». Журнал психосоматических исследований . 27 (4): 327–329. DOI : 10.1016 / 0022-3999 (83) 90056-9 .
  16. ^ Чжан, L; Айзенберг, А (1995). «Множественные морфологии агрегатов« Crew-Cut »блок-сополимеров полистирол-b-поли (акриловая кислота)» . Наука . 268 (5218): 1728–31. Bibcode : 1995Sci ... 268.1728Z . DOI : 10.1126 / science.268.5218.1728 . PMID 17834990 . 
  17. ^ Чжу, Цзиньтао; Хейворд, Райан К. (1 июня 2008 г.). «Спонтанное образование мицелл амфифильных блок-сополимеров с множественной морфологией через межфазную нестабильность». Журнал Американского химического общества . 130 (23): 7496–7502. DOI : 10.1021 / ja801268e . PMID 18479130 . 
  18. ^ D'Addio, Suzanne M .; Саад, Валид; Анселл, Стивен М .; Squiers, John J .; Адамсон, Дуглас Х .; Эррера-Алонсо, Маргарита; Wohl, Adam R .; Hoye, Thomas R .; Макоско, Кристофер В. (2012-08-20). «Влияние свойств блок-сополимера на защиту наноносителей от клиренса in vivo» . Журнал контролируемого выпуска . 162 (1): 208–217. DOI : 10.1016 / j.jconrel.2012.06.020 . PMC 3416956 . PMID 22732478 .  
  19. ^ а б Ли, Сяоюй; Гао, Ян; Ботт, Шарлотта Э .; Винник, Митчелл А .; Манеры, Ян (2015). «Нековалентный синтез супермицелл со сложной архитектурой с использованием пространственно ограниченных взаимодействий водородных связей» . Nature Communications . 6 : 8127. Bibcode : 2015NatCo ... 6.8127L . DOI : 10.1038 / ncomms9127 . PMC 4569713 . PMID 26337527 .  
  20. ^ Гулд, Оливер EC; Цю, Хуйбинь; Ланн, Дэвид Дж .; Роуден, Джон; Харниман, Роберт Л .; Hudson, Zachary M .; Винник, Митчелл А .; Майлз, Мервин Дж .; Манеры, Ян (2015). «Преобразование и формирование паттерна супермицелл с использованием динамической голографической сборки» . Nature Communications . 6 : 10009. Bibcode : 2015NatCo ... 610009G . DOI : 10.1038 / ncomms10009 . PMC 4686664 . PMID 26627644 .  
  21. ^ Чен, Си; Ань, Ингли; Чжао, Дунъюнь; Он, Чжэньпин; Чжан, Ян; Ченг, Цзин; Ши, Линьци (август 2008 г.). "Композиты Core-Shell-Corona Au-Micelle с настраиваемой смарт-гибридной оболочкой". Ленгмюра . 24 (15): 8198–8204. DOI : 10.1021 / la800244g . PMID 18576675 .