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시알산
인간의 뇌는 시알산 함량이 가장 높으며, 시알산은 시냅스 형성에서 신경 전달 및 강글리오사이드 구조에 중요한 역할을 한다. 50종 이상의 시알산이 알려져 있으며, 이들 모두 아미노기 또는 하이드록시 그룹 중 하나를 치환함으로써 뉴라민산 분자로부터 얻을 수 있다. 일반적으로 아미노기는 아세틸기 또는 글리코일기를 가지지만, 다른 변형도 설명되었다. 이러한 변형은 연결과 함께 조직 특이적이고 발달적으로 조절되는 발현을 보였으며, 따라서 일부는 특정 세포의 특정 유형의 당접합체에서만 발견된다. 하이드록실 치환기는 상당히 다양할 수 있으며, 아세틸, 락틸, 메틸, 황산염, 인산염 그룹이 발견되었다.
시알산 구조
시알산 계열은 9탄당인 뉴라민산의 많은 유도체를 포함하지만, 이들 산은 자연에서 거의 자유롭게 나타나지 않는다. 일반적으로 뮤신, 당단백질, 당지질의 올리고당 사슬 구성 요소로 발견되며, 외부 및 내부 막 영역의 복잡한 탄수화물 말단에 위치하여 매우 잘 노출되어 중요한 기능을 수행한다.
탄소 원자의 번호 매기기는 카르복실산 탄소에서 시작하여 사슬을 따라 계속된다. 카르복실산이 축 위치에 있는 형태는 알파-아노머이다.
알파-아노머는 시알산이 당에 결합될 때 발견되는 형태이다. 하지만 용액에서는 주로 (90% 이상) 베타-아노머 형태로 존재한다. 시알산 용액을 약 90% 베타/10% 알파의 평형 위치로 빠르게 평형 상태로 만들 수 있는 시알산 변형효소 활성을 가진 박테리아 효소 NanM이 발견되었다.
다른 동물과 달리 인간은 시알산 변이체인 N-글리코일뉴라민산 (Neu5Gc)을 유전적으로 생산할 수 없다. 그러나 인간 조직에서 발견되는 소량의 Neu5Gc는 외부 (영양) 공급원으로부터 통합될 수 있다.
시알산 생합성
시알산은 글루코사민 6 인산과 아세틸-CoA에 의해 전달 효소를 통해 합성되어 N-아세틸글루코사민-6-P를 생성한다. 이것은 에피머화를 통해 N-아세틸만노사민-6-P가 되며, 이는 포스포엔올피루브산과 반응하여 N-아세틸뉴라민산-9-P (시알산)을 생성한다. 세포의 올리고당 생합성 과정에 들어가기 위해 활성화되려면, 사이티딘 삼인산에서 유래하는 단일 인산 뉴클레오사이드가 첨가되어 시알산은 사이티딘 모노포스페이트-시알산 (CMP-시알산)으로 변환된다. 이 화합물은 동물 세포의 핵에서 합성된다.
박테리아 시스템에서 시알산은 알돌레이스에 의해서도 생합성될 수 있다. 예를 들어 이 효소는 기질로 만노스 유도체를 사용하여 피루브산으로부터 3개의 탄소를 결과적인 시알산 구조에 삽입한다. 이 효소는 시알산 유도체의 화학효소적 합성에 사용될 수 있다.
시알산 기능
시알산을 포함하는 당단백질 (시알로당단백질)은 인간 및 다른 유기체에서 셀렉틴과 결합한다. 전이성 암 세포는 종종 시알산이 풍부한 당단백질을 고밀도로 발현한다. 세포 표면에 시알산이 과발현되면 세포막에 음전하가 생성된다. 이것은 세포 간 반발력을 생성하고 이러한 후기 단계 암세포가 혈류로 진입하는 것을 돕는다. 최근 실험에서는 암세포에서 분비되는 세포외기질에 시알산이 존재함이 입증되었다.
표면 막에서 발견되는 당접합체(당지질, 당단백질, 프로테오글리칸)의 시알산이 풍부한 올리고당은 세포 표면에 물을 유지하는 데 도움을 준다. 시알산이 풍부한 영역은 세포 표면에 음전하를 생성하는 데 기여한다. 물은 두 수소 원자에 부분적인 양전하를 가진 극성 분자이기 때문에 세포 표면 및 막에 끌린다. 이는 또한 세포액 흡수에도 기여한다.
시알산 기능
시알산 잔기는 점액의 뮤신 당단백질에 존재한다.
시알산은 숙주 세포 또는 박테리아 표면의 만노스 항원을 만노스 결합 렉틴으로부터 "숨길" 수 있다. 이는 보체계 활성화를 방지한다.
폴리시알산 형태의 시알산은 신경세포 부착 분자 (NCAM)에서 발생하는 비정상적인 번역 후 변형이다. 시냅스에서 폴리시알산의 강한 음전하는 세포의 NCAM 교차 결합을 방지한다.
거세된 쥐에게 에스트로겐을 투여하면 질의 시알산 함량이 용량 의존적으로 감소한다. 반대로 쥐 질의 시알산 함량은 에스트로겐 효능의 척도이다. 참고 물질은 피하 투여용 에스트라디올과 경구 투여용 에티닐에스트라다이올이다.
시알산 면역
시알산은 척추동물 및 일부 무척추동물의 모든 세포 표면에서 발견되며, 척추동물과 상호작용하는 특정 박테리아에서도 발견된다.
아데노바이러스(아데노바이러스)의 Ad26, 로타바이러스(로타바이러스과) 및 인플루엔자바이러스(오르토믹소바이러스과)와 같은 많은 바이러스는 숙주 시알화된 구조를 사용하여 표적 숙주 세포에 결합할 수 있다. 시알산은 고도로 보존되어 있으며 거의 모든 세포에 풍부하게 존재하기 때문에 이러한 바이러스에 좋은 표적이 된다. 놀랍지 않게도 시알산은 여러 인간 바이러스 감염에서도 중요한 역할을 한다. 인플루엔자바이러스는 표면에 헤마글루티닌(HA) 활성 당단백질을 가지고 있으며, 이는 인간 적혈구 표면과 상기도 세포막에서 발견되는 시알산과 결합한다. 이는 바이러스가 혈액 세포와 혼합될 때 발생하는 혈구 응집 및 상기도 세포로의 바이러스 진입의 기초가 된다. 널리 사용되는 항인플루엔자 약물인 오셀타미비르와 자나미비르는 뉴라미니데이스 바이러스 효소를 억제하여 감염된 세포에서 새로 생성된 바이러스가 방출되는 것을 방해하는 시알산 유사체이다.
시알산 면역
일부 박테리아도 숙주 시알화된 구조를 결합 및 인식을 위해 사용한다. 예를 들어 자유 시알산은 폐렴구균과 같은 특정 박테리아에게 신호로 작용할 수 있다는 증거가 있다. 자유 시알산은 박테리아가 서식하기에 적합한 척추동물 환경에 도달했음을 인식하는 데 도움이 될 수 있다. 5번 위치의 N-글리코실 그룹 또는 측쇄의 O-아세틸 그룹과 같은 시알산의 변형은 박테리아 시알리다아제의 작용을 감소시킬 수 있다.
시알산 대사
시알산의 합성 및 분해는 세포의 다른 구획에 분산되어 있다. 합성은 세포질에서 시작되며, 여기서 N-아세틸만노사민 6 인산과 포스포엔올피루브산은 시알산을 생성한다. 이후, Neu5Ac 9 인산은 핵에서 CMP-Neu5Ac 신타아제를 통해 사이티딘 삼인산 (CMP) 잔기에 의해 활성화된다. 시알산과 다른 화합물 사이의 연결은 α 결합인 경향이 있지만, 이 특정 결합은 β 결합인 유일한 결합이다. CMP-Neu5Ac는 소포체 또는 골지체로 운반되어 올리고당 사슬로 전이되어 새로운 당접합체가 된다. 이 결합은 O-아세틸화 또는 O-메틸화에 의해 변형될 수 있다. 당접합체가 성숙되면 세포 표면으로 운반된다.
시알산 대사
시알리다아제는 시알산 이화작용에서 가장 중요한 효소 중 하나이다. 이 효소는 세포 표면 또는 혈청 시알로당접합체에서 시알산 잔기를 제거할 수 있다. 일반적으로 고등 동물에서는 분해될 가능성이 있는 당접합체가 세포 내 섭취에 의해 포획된다. 후기 엔도솜이 리소좀과 융합된 후, 리소좀 시알리다아제는 시알산 잔기를 제거한다. 이러한 시알리다아제의 활성은 O-아세틸 그룹 제거에 기반한다. 자유 시알산 분자는 리소좀 막을 통해 세포질로 운반된다. 거기서 재활용되어 골지체에서 또 다른 신생 당접합체 분자를 형성하기 위해 다시 활성화될 수 있다. 시알산은 세포질 효소 아실뉴라민산 분해효소에 의해 아실만노사민과 피루브산으로 분해될 수도 있다.
일부 심각한 질병은 시알산 대사와 관련된 일부 효소의 존재 또는 부재에 따라 달라질 수 있다. 시알리도시스 및 NANS 유전자의 돌연변이로 인한 시알산 결핍증 (아래 참조)은 이러한 유형의 장애의 예이다.
시알산 뇌 발달
시알산이 보충된 쥐 새끼는 성체가 되었을 때 학습 및 기억 능력이 향상되었다. 고용량의 시알산을 섭취한 새끼 돼지에서 식이 시알산 보충과 인지 기능 사이의 관계가 관찰되었다.
시알산 질병
시알산은 인간에서 관찰되는 여러 가지 다른 질병과 관련이 있다.
인간의 시알산 합성 유전자 N-아세틸뉴라민산 합성효소 (NANS)의 이형 접합 열성 돌연변이는 지적 장애와 저신장을 특징으로 하는 심각한 질병을 유발할 수 있으며, 이는 뇌 발달에서 시알산의 중요성을 강조한다. 경구 투여된 시알산의 단기 보충 요법은 생화학적 매개변수에 유의미한 유익한 효과를 보이지 못했다.
살라병은 자유 시알산 축적 장애 중 가장 가벼운 형태로 여겨지는 극히 드문 질환이지만 소아형은 공격적인 변형으로 간주되며 이 질환을 앓는 사람들은 정신 지체를 겪는다. 이는 6번 염색체의 돌연변이로 인한 상염색체 열성 질환이다. 주로 신경계에 영향을 미치며 리소좀 막에 위치한 특정 시알산 운반체의 결핍으로 인한 리소좀 저장 불규칙성으로 발생한다. 현재 이 질병에 대한 치료법은 없으며 증상 조절에 초점을 맞춘 지지 치료가 이루어진다.
시알산 질병
죽상경화증 유발과 관련이 있는 LDL 콜레스테롤의 하위 분획은 시알산 수치가 감소한다. 여기에는 작고 고밀도인 LDL 입자와 음성 전하를 띤 LDL이 포함된다. 작고 고밀도인 LDL 입자의 시알산 수치 감소는 동맥 벽의 프로테오글리칸에 대한 입자의 친화도를 증가시킨다.
모든 인플루엔자바이러스 A형 균주는 세포와 연결하기 위해 시알산이 필요하다. 인플루엔자바이러스 A형의 종류에 따라 친화도가 다른 여러 형태의 시알산이 있다. 이러한 다양성은 어떤 종이 감염될 수 있는지를 결정하는 중요한 사실이다. 특정 인플루엔자바이러스 A형가 시알산 수용체에 의해 인식되면 세포는 바이러스를 세포내 이입하는 경향이 있어 세포가 감염된다.
시알산 원핵생물의 시알산 및 기타 비울론산 (NulOs)
시알산은 척추동물 조직에 매우 풍부하며 다양한 생물학적 과정에 관여한다. 원래 후구 동물 계통에서 발견되었지만, 시알산은 사실 더 오래된 9탄소 골격을 가진 단당류 패밀리인 비울론산 (NulOs)의 하위 집합으로 간주될 수 있으며, 이는 최근에 유박테리아 및 고세균에서도 발견되었다.
많은 병원성 박테리아는 시알산을 세포 표면 특징, 예를 들어 지질다당류 또는 캡슐 다당류에 통합하여 숙주의 선천 면역 반응을 회피하는 데 도움을 받는다.
시알산 원핵생물의 시알산 및 기타 비울론산 (NulOs)
최근 게놈 수준 연구는 서열이 분석된 미생물 게놈의 대규모 세트를 조사했으며, 비울론산 (NulOs)을 생산하는 생합성 경로가 이전에 알려진 것보다 생명체의 계통 발생 나무에 걸쳐 훨씬 더 널리 분포되어 있음을 시사했다. 이 발견은 또한 최근의 렉틴 염색 연구 및 원핵생물 비울론산에 대한 분자 수준 조사를 통해 많은 비병원성 및 순수 환경 균주도 박테리아 시알산 (NulOs)을 생산한다는 것을 보여줌으로써 뒷받침된다. 일부 (아나목스) 박테리아는 매우 산성인 알파-케토산 그룹 외에도 (중화시키는) 염기성 그룹 (자유 아민)을 나타내는 NulOs를 생산한다. 유사한 세포 표면 시알산은 C5에서 자유 아민을 생성하여 C1의 음전하를 띤 카르복실 그룹을 중화하는 화학적 재구성을 통해 세포 표면 전하를 조작함으로써 생산되었다.
클로로프렌
클로로프렌(Chloroprene, IUPAC 이름 2-클로로뷰타-1,3-다이엔)은 분자식 CH2=CCl−CH=CH2의 화합물이다. 클로로프렌은 무색의 휘발성 액체로, 거의 전적으로 중합체인 폴리클로로프렌, 더 잘 알려진 네오프렌의 생산을 위한 모노머로 사용되며, 이는 일종의 합성 고무이다.
클로로프렌 역사
클로로프렌은 더 일찍 발견되었을 수도 있지만, 1930년대 초에 특히 네오프렌 생산을 염두에 두고 듀폰에 의해 크게 개발되었다. 화학자 엘머 K. 볼튼, 월리스 캐러더스, 아놀드 콜린스와 이라 윌리엄스는 줄리어스 아서 뉴랜드의 작업에 기반한 개발 및 상용화에 기여한 것으로 일반적으로 알려져 있으며, 이들은 그와 협력했다.
클로로프렌 생산
클로로프렌은 1,3-뷰타다이엔으로부터 세 단계로 생산된다. (i) 염소화, (ii) 생산 흐름의 일부 이성질화, (iii) 3,4-다이클로로뷰트-1-엔의 탈염화수소 반응.
염소는 1,3-뷰타다이엔에 첨가되어 3,4-다이클로로뷰트-1-엔과 1,4-다이클로로뷰트-2-엔의 혼합물을 생성한다. 1,4-다이클로로 이성질체는 이후 3,4 이성질체로 이성질화되며, 이는 다시 염기와 반응하여 2-클로로뷰타-1,3-다이엔으로의 탈염화수소 반응을 유도한다. 이 탈할로젠화수소 반응은 3 위치의 수소 원자와 4 위치의 염소 원자의 손실을 수반하여 탄소 3과 4 사이에 이중 결합을 형성한다. 1983년에는 이러한 방식으로 약 2,000,000 kg이 생산되었다. 이러한 방식으로 제조된 클로로프렌의 주요 불순물은 1-클로로뷰타-1,3-다이엔이며, 이는 일반적으로 증류에 의해 분리된다.
클로로프렌 생산
1960년대까지 클로로프렌 생산은 바이닐 아세틸렌의 원래 합성을 모델로 한 "아세틸렌 공정"에 의해 지배되었다. 이 공정에서는 아세틸렌이 다이머화되어 바이닐 아세틸렌을 생성하며, 이는 염화 수소와 결합하여 4-클로로-1,2-뷰타다이엔(알렌 유도체)을 생성하고, 이는 염화 구리(I) 존재 하에 목표 화합물인 2-클로로뷰타-1,3-다이엔으로 재배열된다.
이 공정은 에너지 소모가 많고 투자 비용이 높다. 또한 중간체인 바이닐 아세틸렌은 불안정하다. 이 "아세틸렌 공정"은 Cl2를 1,3-뷰타다이엔에 첨가하여 1,4-다이클로로-2-뷰텐을 생성하는 공정으로 대체되었다. 후자의 이성질화는 1,2-다이클로로-3-뷰텐을 생성하며, 이는 탈염화수소 반응을 겪는다.
CH2=CHCH=CH2  +  Cl2   →   ClCH2CH=CHCH2Cl
ClCH2CH=CHCH2Cl   →   ClCH2CHClCH=CH2
ClCH2CHClCH=CH2   →   CH2=CClCH=CH2  +  HCl
클로로프렌 직업 건강 및 안전, 그리고 규제
클로로프렌은 위험 등급 3(인화성 액체)에 속한다. 유엔 번호는 1991이며, 포장 등급 1이다.
클로로프렌은 독성 물질이다. 공기와 반응하여 독성 물질인 과산화물을 생성한다. 클로로프렌의 취급 및 노출은 네오프렌 제조 및 생산에 관련된 근로자에게 직업 건강 위험을 야기한다.
클로로프렌 노출과 관련된 위험을 시각적으로 전달하는 방법으로, 화학물질 분류 및 표시 국제조화시스템은 클로로프렌 노출에 대해 다음과 같은 위험을 지정했다: 인화성, 독성, 환경에 위험, 건강 위험, 자극성. 클로로프렌은 화재 위험을 야기한다.(인화점 −4 °F (−20 °C)). OSHA는 클로로프렌을 카테고리 2 인화성 액체로 식별하며, 적어도 하나의 휴대용 소화기가 인화성 액체 보관 구역으로부터 10피트 이내, 25피트 이내에 있어야 함을 강조한다. OSHA는 클로로프렌에 노출될 가능성이 있는 산업 플랜트에서 인화성 액체를 다루는 것에 대한 자료를 제공한다 (외부 자료 참조). 증기 형태의 클로로프렌은 공기보다 무겁다.
클로로프렌 직업 건강 및 안전, 그리고 규제
미국 방화 협회의 등급 시스템에 따르면, 클로로프렌은 카테고리 2 건강 위험(일시적인 기능 상실 또는 잔여 부상), 카테고리 3 화재 위험(중간 정도의 열 존재 하에서 발화), 카테고리 1 반응성(고온 및 고압에서 불안정)으로 지정된다.
클로로프렌에 대한 만성 노출은 다음과 같은 증상을 나타낼 수 있다: 간 기능 이상, 심혈관계 장애, 면역 시스템 억제.
환경보호청은 작업상 클로로프렌 노출과 폐암 위험 사이에 통계적으로 유의한 연관성을 보여주는 연구 결과를 토대로 클로로프렌을 인간에게 발암성이 있을 가능성이 있다고 지정했다. 1975년 일찍부터 NIOSH는 작업 환경에서 클로로프렌과 함께 일하는 사람들을 대상으로 한 두 개의 러시아 코호트 연구를 주로 인용하며 클로로프렌의 잠재적 건강 위험을 경고했다.
여러 역학 연구 및 독성학 보고서는 클로로프렌이 직업 건강 및 안전 문제를 야기할 수 있다는 증거를 제공한다. 그러나 클로로프렌이 건강 문제에 대해 어느 정도 책임이 있는지에 대한 다양한 검토는 정확한 과학 연구의 중요성을 강조한다. 클로로프렌 중독으로 인한 사망 사고는 단 한 건만 기록되어 있으며, 이는 클로로프렌 용기를 청소하다 발생했다.
클로로프렌 직업 건강 및 안전, 그리고 규제
클로로프렌에 대한 주요 직업적 우려는 클로로프렌을 생산하고 클로로프렌을 사용하여 합성 고무인 폴리클로로프렌을 생산하는 시설에 국한된다.
클로로프렌의 높은 기화 가능성과 인화성은 작업 환경에서의 취급 및 보관 작업에 상당한 영향을 미친다. 클로로프렌은 시원하고 통풍이 잘 되는 구역에 밀폐된 용기에 보관해야 하며, 온도는 50 °F (10 °C)를 초과하지 않아야 한다. 또한 클로로프렌은 반응성이 높아 퍼클로레이트, 과산화물, 과망간산염, 염소산염, 질산염, 염소, 브롬, 플루오린과 같은 산화제로부터 멀리 보관해야 한다. 잠재적인 화재 위험을 유발하는 모든 활동은 피해야 한다. 예를 들어 흡연, 개방된 화염, 보관 용기를 열거나 닫기 위해 스파크가 발생하는 도구를 사용하는 것은 금지되어야 한다. 클로로프렌 운송을 위해 접지 및 결합된 금속 용기를 사용하는 것이 권장된다.
다음은 여러 관할 구역의 직업 노출 한계 (OEL) 표이다. 일반적으로 OEL은 0.55 ppm에서 25 ppm 범위이다.
클로로프렌 직업 건강 및 안전, 그리고 규제
ACGIH의 2018 TLV 및 BEI 소책자에서 클로로프렌은 피부 및 A2 표기법으로 지정되었다. 피부 표기법 지정은 클로로프렌이 피부로 흡수될 수 있음을 보여주는 동물 및 인간 연구에 기반한다. ACGIH의 A2 지정은 해당 물질이 인간 데이터의 지원을 받는 인간 발암성 의심 물질로, 데이터의 질은 충분하다고 인정되지만 A1 (알려진 인간 발암물질) 지정에는 충분하지 않을 수 있음을 의미한다. 또한 이러한 지정의 TLV 근거는 클로로프렌 노출과 폐암, 상기도 (URT) 및 눈 자극 사이에 연관성을 보여주는 과학 연구 때문이다.
클로로프렌은 다형 독성 물질로 분류되며 신경계 및 심혈관계에 유기적 장애를 유발한다. 심혈관계 검사 결과 심음 감소, 동맥압 저하, 빈맥 등이 나타났다. 노출된 근로자들은 호흡기 문제, 눈과 피부 자극, 흉통, 신경학적 증상 등을 호소했다.
클로로프렌 직업 건강 및 안전, 그리고 규제
클로로프렌의 환경 내 운명이 조사되었다. 휘발성이 높고 극도로 반응성이 강하기 때문에 생체 축적될 것으로 예상되지 않는다.
알려진 유일한 환경 영향은 클로로프렌이 휘발성이 있고 공기를 통해 빠르게 확산된다는 점과 관련이 있다. 이 고인화성 성분은 화재 또는 폭발을 유발하여 자극성 또는 독성 연기 (또는 가스)를 방출할 가능성을 높인다.
2022년, 덴카가 클로로프렌 배출량을 규제해달라는 요청은 EPA에 의해 거부되었다. 이 요청은 쥐 실험에 기반하여 인간 암 위험을 추정하는 데 사용된 모델이 엄격하지 않다고 주장하며 EPA의 2010년 화학 물질 평가 개정을 요구했다.
안정화된 클로로프렌만 미국에서 운송할 수 있다.
클로로프렌은 1ppm 이상 흡입하면 인체에 유독하다. 클로로프렌은 발암성 물질이며, 노출 부위에 일시적인 탈모를 유발하고 눈과 피부에 손상을 줄 수 있다.
파치니 소체
파치니 소체(lamellar corpuscle) 또는 파터-파치니 소체(Vater–Pacini corpuscle)는 피부 및 기타 내부 장기에서 발견되는 진동 또는 압력에 반응하는 낮은 역치의 기계수용기이다. 피부에서는 4가지 주요 피부 수용체 유형 중 하나이다.
소체는 피부, 특히 손과 발, 팔, 목의 양면에 존재한다. 파치니 소체는 뼈막, 관절 캡슐, 이자 (해부학) 및 기타 내부 장기, 유방, 성기, 그리고 림프절에서도 발견된다.
파치니 소체는 빠르게 적응하는 기계수용기이다. 위상 수용체로서 자극에 빠르고 짧게 반응하며 자극이 유지되어도 반응이 약해진다. 주로 진동과 깊은 압력에 반응한다. 특히 고주파 진동에 민감하다. 소체 그룹은 압력 변화(예: 물체를 잡거나 놓을 때)를 감지한다. 또한 고유감각에 중요한 역할을 한다. 진동 역할은 거친 표면과 매끄러운 표면과 같은 표면 질감을 감지하는 데 사용될 수 있다.
파치니 소체 구조
파치니 소체는 촉각소체, 메르켈세포, 루피니소체보다 크고 수가 적다. 길이는 최대 2mm, 직경은 거의 1mm까지 측정할 수 있다. 모양은 타원형, 구형 또는 불규칙하게 꼬여 있다. 큰 것은 육안으로 볼 수 있다. 수용영역이 넓으며, 손바닥 절반만큼 넓을 수 있다. 피부에서 소체는 진피 깊숙한 곳에 위치한다.
각 소체는 유수 축삭과 관련이 있다. 이들은 피부에서 발생하는 가장 크고 가장 빠르게 전도되는 감각 축삭 중 일부이다.
소체의 중심 쪽으로 축삭은 덮개를 잃고 소체의 중심에서 약간의 돌출부로 끝난다. 이 축삭 말단은 주변의 가장 안쪽 라멜라 사이의 틈으로 알려지지 않은 기능적 중요성을 갖는 짧은 돌출부를 내보내며, 큰 미토콘드리아와 작은 혈관이 이 돌출부 근처에 모인다.
캡슐은 축삭 말단 주변에 동심원적으로 배열된 20-70개의 결합 조직 라멜라로 구성되어 있으며, 양파와 같은 구조를 형성한다. 캡슐은 섬유아세포와 섬유성 결합 조직(주로 IV형 콜라겐 및 II형 콜라겐 네트워크)으로 구성되며 젤라틴성 물질로 분리되어 있으며, 이 중 92% 이상이 물이다. 현미경 사진에서 나선형 패턴을 나타낸다.
파치니 소체 구조
소체의 캡슐을 실험적으로 제거하면 드러난 축삭 말단이 천천히 적응하게 된다. 따라서 캡슐은 소체의 고주파 자극에 대한 선택성을 담당한다. 이것은 소체가 외부 압력에 의해 구조적으로 변형될 때 미끄러운 라멜라가 서로 미끄러져 지속적인 압력의 영향이 라멜라에 의해 곧 소산되어 중심 축삭 말단의 변형 자체가 사라지게 되는 결과이다. 따라서 캡슐은 생리학적 하이패스 필터 역할을 한다.
파치니 소체 기능
파치니 소체는 피부의 전체 압력 변화와 진동을 감지하는 빠르게 적응하는 위상 수용체이다. 파치니 소체는 특히 민감한 중심부를 가진 피부 표면에 넓은 수용영역을 가지고 있다.
소체는 진동에 특히 민감하며, 몇 센티미터 떨어진 곳에서도 감지할 수 있다. 최적 감도는 250Hz이며, 이는 μm보다 작은 특징으로 만들어진 질감에 의해 손가락 끝에서 생성되는 주파수 범위이다. 파치니 소체는 피부가 빠르게 눌릴 때 반응하지만 압력이 일정할 때는 반응하지 않는다(캡슐 때문). 관절 위치의 고속 변화에 반응하는 것으로 생각된다. 또한 손으로 잡은 도구의 터치 감각 위치를 감지하는 데에도 관련이 있다.
파치니 소체 기능
파치니 소체는 라멜라의 변형으로 인해 자극을 감지하며, 이는 감각 신경세포의 막을 눌러 휘거나 늘어나게 한다. 라멜라가 변형될 때, 압력을 가하거나 해제함으로써, 생성기 또는 수용체 전위가 발생하며, 이는 축삭 말단의 플라즈마 막을 물리적으로 변형시켜 기계 민감 채널을 통해 다른 양이온을 "누출"시켜 수용체 전위를 시작한다. 이 초기 수용체 전위는 소체의 내부 코어에 존재하는 전압 활성화 이온 채널에 의해 증강된다. 마지막으로, 수용체 전위는 축삭의 첫 번째 랑비에 결절에 존재하는 나트륨 이온 채널의 열림을 통해 신경 스파이크 또는 활동전위로 조절된다.
신경세포의 수용 영역(특히 축삭의 헤미노드 또는 반노드 근처)에서 수용체 전위가 생성되면 첫 번째 랑비에 결절에서의 전위가 특정 역치에 도달하여 첫 번째 랑비에결절에서 신경 임펄스 또는 활동전위가 유발된다. 유수 신경세포의 첫 번째 랑비에 결절은 종종 캡슐 내에서 발견된다. 이 임펄스는 축삭막의 나트륨 채널과 나트륨/칼륨 펌프를 사용하여 마디에서 마디로 축삭을 따라 전달된다.
파치니 소체 기능
신경세포의 수용 영역이 탈분극되면 첫 번째 랑비에 결절을 탈분극하지만, 빠르게 적응하는 섬유이므로 무기한 지속되지 않으며 신호 전파가 중단된다. 이것은 등급화된 반응으로, 변형이 클수록 생성기 전위가 커진다는 의미이다. 이 정보는 임펄스 주파수로 인코딩되는데, 더 크거나 빠른 변형은 더 높은 임펄스 주파수를 유도하기 때문이다. 활동 전위는 피부가 빠르게 변형될 때 형성되지만 압력이 지속적일 때는 형성되지 않는다. 이는 라멜라 구조에서 자극의 기계적 필터링 때문이다. 임펄스의 주파수는 빠르게 감소하고 곧 중단되는데, 이는 신경 말단을 덮고 있는 결합 조직의 내층이 이완되기 때문이다.
코끼리 발의 파치니 소체가 지진 소통을 가능하게 하는 것으로 제안되었다. 쥐의 파치니 소체는 2.5m 떨어진 가지의 두드림을 감지할 수 있다.
파치니 소체 역사
파치니 소체는 최초로 관찰된 세포 감각 수용체이다. 1741년 독일 해부학자이자 식물학자인 아브라함 파터와 그의 학생 요하네스 고틀리프 레만(Johannes Gottlieb Lehmann)에 의해 처음 보고되었지만, 1835년에 다시 발견한 이탈리아 해부학자 필리포 파치니의 이름을 따서 명명되었다. 아일랜드 왕립 외과 대학의 큐레이터였던 존 셰클턴(John Shekleton)도 파치니 이전에 발견했지만, 그의 결과는 나중에 출판되었다. 파치니 소체와 유사하게 헤르브스트소체와 그란드리소체는 새 종에서 발견된다.
베르베린
베르베린(Berberine)은 벤질아이소퀴놀린 알칼로이드의 프로토베르베린 계열에서 얻어지는 4차 암모늄 양이온으로, 이름의 유래인 베르베리스 종을 비롯한 일부 식물에서 이차 대사산물로서 자연적으로 생성된다.
노란색 안료를 지녔기 때문에, 과거 베르베리스 원료는 양모, 가죽, 목재를 염색하는 데 흔히 사용되었다. 자외선 아래에서 베르베린은 강한 노란색 형광을 나타내며, 이 때문에 조직학에서 비만 세포의 헤파린을 염색하는 데 유용하다. 천연 염료로서 베르베린은 색상 지수 75160을 갖는다.
베르베린 생물학적 원천
다음 식물은 베르베린의 생물학적 원천이다.
베르베린은 일반적으로 뿌리, 땅속줄기, 줄기, 껍질에서 발견된다.
베르베린 생합성
알칼로이드 베르베린은 벤질테트라하이드로아이소퀴놀린 계통에서 유래한 사환식 골격을 가지며, 추가 탄소 원자가 다리로 통합되어 있다. 베르베린 다리의 형성은 S-아데노실 메티오닌(SAM)에서 공급되는 N-메틸기가 이미늄 이온으로 산화되고, 페놀기 때문에 방향족 고리로의 고리화 반응이 일어나는 산화 반응으로 설명된다.
레티큘린은 식물에서 프로토베르베린 알칼로이드의 직접적인 전구체이다. 베르베린은 티로신에서 유래한 알칼로이드이다. L-DOPA와 4-하이드록시피루브산은 모두 L-티로신에서 유래한다. 생합성 경로에서는 두 개의 티로신 분자가 사용되지만, 테트라하이드로아이소퀴놀린 고리 시스템의 펜에틸아민 부분만 도파를 통해 형성된다. 나머지 탄소 원자는 4-하이드록시페닐아세트알데하이드를 통해 티로신에서 유래한다.
베르베린 연구
의학적 용도를 포함한 베르베린의 약리학적 효과에 대한 연구는 초기 단계이다. 일부 연구는 세포 배양 또는 동물 모델을 고려하지만, 인간에서 베르베린 사용을 조사하는 임상시험은 제한적이다.
2023년 검토는 베르베린이 지질 농도를 개선할 수 있다고 결론지었다. 다양한 건강 상태에서 베르베린의 효과와 안전성을 제대로 평가하기 위해서는 고품질의 대규모 임상 연구가 필요하다.
베르베린 보충제는 미국에서 널리 판매되지만, 미국 FDA에서 특정 의학적 용도로 승인되지 않았다. 베르베린과 건강상의 이점을 연결하는 연구는 제한적이다. 베르베린 보충제의 품질은 브랜드마다 다를 수 있다. 2017년 연구에 따르면 미국에서 판매되는 15가지 제품 중 6개만이 지정된 베르베린 양의 90% 이상을 함유하고 있었다.
베르베린 부작용
장기적인 인체 임상 시험에서 방귀와 설사가 흔한 문제로 보고되었다. 이 문제는 쥐에서도 재현될 수 있으며, 장내 마이크로바이옴의 혼란이 원인이다.
베르베린 약물 상호작용
베르베린은 약물 대사와 코르티솔, 프로게스테론, 테스토스테론과 같은 스테로이드 호르몬을 포함한 내인성 물질의 제거에 중요한 효소인 CYP3A4의 활성을 억제하는 것으로 알려져 있다. 여러 연구에서 베르베린이 신장 이식 환자의 사이클로스포린 및 건강한 성인 지원자의 미다졸람 농도를 증가시킬 수 있음을 보여주었으며, 이는 CYP3A4에 대한 억제 효과를 확인한다.
베르베린 중국에서의 사용
중국에서는 설사 치료를 위한 일반의약품(OTC)으로 승인되었다. 첨부 문서에는 대장균 및 이질균 종에 대한 효능이 명시되어 있다.
중국 첨부 문서에는 용혈성 빈혈 및 포도당 6-인산 탈수소효소 결핍증(G6PD 결핍) 환자에게 베르베린 사용을 금지하고 있다. 또한 G6PD 결핍증이 있는 어린이의 경우 용혈성 빈혈 및 황달을 유발할 수 있으므로 특히 주의해서 사용해야 한다.
스틸벤
스틸벤(Stilbene)은 1,2-디페닐에텐의 두 가지 입체 이성질체 중 하나를 가리킬 수 있다.
(E)-스틸벤
(E)-스틸벤((E)-Stilbene)은 일반적으로 트랜스-스틸벤(trans-stilbene)으로 알려져 있으며, C6H5CH=CHC6H5의 구조식으로 표시되는 유기 화합물이다. 다이아릴에텐으로 분류되는 이 화합물은 중앙의 에틸렌 부분체가 탄소-탄소 이중 결합의 각 끝에 하나의 페닐기 치환기를 가지고 있다. 이는 (E) 입체화학을 가지며, 페닐기가 이중 결합의 반대쪽에 위치하여 시스-스틸벤과 같은 기하 이성질체의 반대이다. 트랜스-스틸벤은 상온에서 흰색 결정성 고체로 존재하며 유기 용매에 잘 녹는다. 광화학적으로 시스-스틸벤으로 전환될 수 있으며, 추가로 반응하여 페난트렌을 생성할 수 있다.
스틸벤은 1843년 프랑스 화학자 오귀스트 로랑에 의해 발견되었다. "스틸벤"이라는 이름은 이 화합물의 윤기 나는 모습 때문에 "빛나다"를 의미하는 그리스어 στίλβω(stilbo)에서 유래했다.
(E)-스틸벤 이성질체
스틸벤은 두 가지 가능한 입체 이성질체로 존재한다. 하나는 (E)-스틸벤 또는 트랜스-스틸벤이라고 불리는 트랜스-1,2-다이페닐에틸렌이다. 두 번째는 (Z)-스틸벤 또는 시스-스틸벤이라고 불리는 시스-1,2-다이페닐에틸렌이며, 입체 장애로 인해 공액을 방해하고 방향족 고리를 평면에서 벗어나게 하므로 입체적으로 방해를 받고 덜 안정하다. 시스-스틸벤은 상온에서 액체(녹는점: 5–6 °C (41–43 °F))인 반면, 트랜스-스틸벤은 약 125 °C (257 °F)까지 녹지 않는 결정성 고체로, 두 이성질체가 상당히 다른 물리적 특성을 가짐을 보여준다.
(E)-스틸벤 제법 및 반응
많은 합성법이 개발되었다. 인기 있는 한 방법은 아말감 벤조인을 아연으로 환원시키는 것이다.
C6H5–CH(OH)–C(=O)–C6H5  trans-C6H5–CH=CH–C6H5
두 이성질체의 스틸벤 모두 α-페닐신남산의 탈탄산 반응에 의해 생성될 수 있으며, 트랜스-스틸벤은 산의 (Z)-이성질체로부터 생성된다.
리처드 F. 헥과 미조로키 쓰토무는 독립적으로 팔라듐(II) 촉매를 사용하여 아이오도벤젠과 스타이렌의 커플링 반응으로 트랜스-스틸벤을 합성했다고 보고했는데, 이는 오늘날 미조로키-헥 반응으로 알려져 있다. 미조로키 방법은 더 높은 수율을 보였다.
(E)-스틸벤 제법 및 반응
스틸벤은 알켄의 전형적인 반응을 겪는다. 트랜스-스틸벤은 퍼옥시모노인산 H3PO5와 함께 에폭시화되어 다이옥세인에서 트랜스-스틸벤 에폭사이드의 74% 수율을 생성한다. 생성된 에폭사이드 생성물은 1,2-다이페닐옥시레인의 두 광학 이성질체의 라세미 혼합물이다. 비대칭 메조 화합물 (1R,2S)-1,2-다이페닐옥시레인은 시스-스틸벤에서 유래하지만, 시스-이성질체의 과산화물 에폭시화는 시스 및 트랜스 에폭사이드 생성물 모두를 생성한다. 예를 들어, tert-부틸 하이드로퍼옥사이드를 사용하면 시스-스틸벤의 산화는 0.8%의 시스-스틸벤 에폭사이드, 13.5%의 트랜스-스틸벤 에폭사이드, 그리고 6.1%의 벤즈알데하이드를 생성한다. 순수한 스틸벤 에폭사이드는 노벨상 수상자 칼 배리 샤플리스에 의해 제조되었다.
스틸벤은 오존분해 또는 르미외–존슨 산화에 의해 벤즈알데하이드로 깨끗하게 산화될 수 있으며, 산성화된 과망가니즈산 칼륨과 같은 강력한 산화제는 벤조산을 생성한다. 인접한 다이올은 업존 다이하이드록실화 또는 광학적으로 선택적인 샤플리스 비대칭 다이하이드록실화를 사용하여 광학 과량이 최대 100%에 이르도록 생성될 수 있다.
(E)-스틸벤 제법 및 반응
트랜스-스틸벤의 브롬화는 주로 메조-1,2-다이브로모-1,2-다이페닐에테인(때때로 메조-스틸벤 다이브로마이드라고 함)을 생성하는데, 이는 전형적인 친전자성 브롬화 반응의 고리형 브로모늄 이온 중간체를 포함하는 메커니즘과 일치한다. 시스-스틸벤은 사염화 탄소와 같은 비극성 용매에서 1,2-다이브로모-1,2-다이페닐에테인의 두 광학 이성질체의 라세미 혼합물을 생성하지만, 나이트로메테인에서 90% 수율로 메조 화합물 생성량이 용매 극성이 증가함에 따라 증가한다. 트랜스-이성질체로부터 소량의 스틸벤 다이브로마이드 두 광학 이성질체가 형성되는 것은 브로모늄 이온 중간체가 화학 평형 상태로 카르보양이온 중간체 PhCHBr–C+(H)Ph와 함께 존재하며 비어 있는 p 오비탈이 어느 면에서든 친핵성 공격에 취약함을 시사한다. 브로마이드 또는 트리브로마이드 염의 첨가는 35 이상의 유전 상수를 가진 용매에서도 입체 선택성의 상당 부분을 회복시킨다.
UV 조사 시 시스-스틸벤으로 전환되는데, 이는 트랜스-시스 이성질화를 포함하는 광화학 반응의 고전적인 예이며, 추가 반응을 통해 페난트렌을 형성할 수 있다.
(E)-스틸벤 유도체 및 용도
(E)-스틸벤 자체는 가치가 거의 없지만, 염료, 형광증백제, 형광체, 섬광체로 사용되는 다른 유도체의 전구체이다. 스틸벤은 색소 레이저에 사용되는 활성 레이저 매질 중 하나이다.
다이소듐 4,4'-다이나이트로스틸벤-2,2'-다이설포네이트는 4-나이트로톨루엔-2-설폰산을 형성하기 위해 4-나이트로톨루엔의 설폰화에 의해 제조되며, 이는 하이포아염소산 나트륨을 사용하여 산화적으로 커플링되어 (E)-스틸벤 유도체를 형성하는데, 이 과정은 원래 19세기 후반에 아서 조지 그린과 앙드레 발에 의해 개발되었다. 액체 암모니아에서 공기 산화를 사용하여 수율을 높이는 개선된 방법이 개발되었다. 이 생성물은 아닐린 유도체와의 반응으로 아조 염료를 형성하기 때문에 유용하다. 이 화합물에서 파생된 상업적으로 중요한 염료로는 Direct Red 76, Direct Brown 78, Direct Orange 40이 있다.
(E)-스틸벤 유도체 및 용도
스틸베노이드는 자연적으로 발생하는 스틸벤 유도체이다. 예를 들어 레스베라트롤과 그 사촌인 프테로스틸벤이 있다. (E)-스틸벤과 구조적으로 관련되어 있지만 합성적으로는 관련이 없는 스틸베스트롤은 에스트로겐 활성을 보인다. 이 그룹의 구성원에는 다이에틸스틸베스트롤, 포스페스트롤, 다이엔에스트롤이 있다. 이러한 유도체 중 일부는 계피산 또는 4-하이드록시신남산의 코엔자임 A 유도체와 말론산의 응축에 의해 생성된다.
(Z)-스틸벤
(Z)-스틸벤((Z)-Stilbene)은 다이아릴에텐으로, 이중 결합의 두 탄소 원자 모두에 페닐기가 치환된 시스 에텐 이중 결합으로 구성된 탄화수소이다. 스틸벤이라는 이름은 빛나는 것을 의미하는 그리스어 단어 stilbos에서 유래되었다.
(Z)-스틸벤 이성질체
스틸벤은 (E)-스틸벤과 (Z)-스틸벤이라는 두 가지 이성질체로 존재한다. (Z)-스틸벤은 입체적으로 방해를 받으며 공액을 방해하는 입체적 상호 작용으로 인해 방향족 고리가 평면에서 43° 벗어나기 때문에 안정성이 떨어진다. (Z)-스틸벤의 녹는점은 5–6 °C (41–43 °F)인 반면, (E)-스틸벤은 약 125 °C (257 °F)에서 녹는데, 이는 두 화합물이 상당히 다름을 보여준다.
(Z)-스틸벤 자연 발생
많은 스틸벤 유도체(스틸베노이드)는 식물에 자연적으로 존재한다. 예를 들면 레스베라트롤과 그 사촌인 프테로스틸벤이 있다.
분자고체
분자고체(Molecular solid) 또는 분자성 고체는 불연속적인 분자로 구성된 고체이다. 분자를 서로 결합시키는 응집력은 반데르발스 힘, 쌍극자-쌍극자 상호작용, 사중극자 상호작용, π–π 상호작용, 수소 결합, 할로젠 결합, 런던 분산력 및 일부 분자고체에서의 쿨롱 상호작용이다. 반데르발스 힘, 쌍극자 상호작용, 사중극자 상호작용, π-π 상호작용, 수소 결합 및 할로젠 결합(2–127 kJ mol−1)은 일반적으로 다른 고체를 결합시키는 힘보다 훨씬 약하다: 금속적(금속 결합, 400–500 kJ mol−1), 이온적(쿨롱 힘, 700–900 kJ mol−1), 및 망상 고체(공유 결합, 150–900 kJ mol−1).
분자간 상호작용은 일반적으로 비편재화된 전자를 포함하지 않으며, 금속 및 특정 공유 결합과 다르다. 예외는 테트라티아풀발렌-테트라시아노퀴노디메탄(TTF-TCNQ)과 같은 전하 이동 복합체로, 라디칼 이온 염이다. 다른 유형의 고체와의 힘의 세기(즉, 공유 대 반데르발스) 및 전자적 특성(즉, 비편재화된 전자)의 이러한 차이는 분자고체의 고유한 기계적, 전기적, 열적 특성을 초래한다.
분자고체
분자고체는 전기 전도체가 낮지만 TTF-TCNQ와 같은 일부는 반도체이다(ρ = 5 x 102 Ω−1 cm−1). 이들은 여전히 구리의 전도도(ρ = 6 x 105 Ω−1 cm−1)보다 현저히 낮다. 분자고체는 금속(철, KIc = 50 MPa m1/2), 이온(염화 나트륨, KIc = 0.5 MPa m1/2), 및 공유 결합 고체(다이아몬드, KIc = 5 MPa m1/2)보다 파괴 인성이 낮은 경향이 있다(수크로스, KIc = 0.08 MPa m1/2). 분자고체는 금속(철), 이온(염화 나트륨), 및 공유 결합 고체(다이아몬드)와 비교하여 낮은 녹는점(Tm)과 끓는점(Tb)을 갖는다. 낮은 녹는점과 끓는점을 갖는 분자고체의 예로는 아르곤, 물, 나프탈렌, 니코틴, 카페인이 있다(아래 표 참조). 분자고체의 구성 요소는 응축된 단원자 가스에서 작은 분자(즉, 나프탈렌 및 물)에서 수십 개의 원자를 가진 큰 분자(즉, 풀러렌, 60개의 탄소 원자 포함)까지 크기가 다양하다.
분자고체 조성과 구조
분자고체는 단일 원자, 이원자 분자, 그리고/또는 다원자 분자로 구성될 수 있다. 구성 요소 사이의 분자간 상호작용은 물질의 결정 구조가 어떻게 구성되는지를 결정한다. 모든 원자와 분자는 반데르발스 힘과 런던 분산력([[입체 효과|입체])에 참여할 수 있다. 물질에 고유한 특성을 부여하는 것은 원자 또는 분자에 기반한 다른 분자간 상호작용의 부재 또는 존재이다.
아르곤은 완전한 옥텟을 가지며 전하가 없고 비극성인 비활성 기체이다. 이러한 특성으로 인해 아르곤은 금속, 공유, 이온 결합 및 대부분의 분자간 상호작용에 참여하기에 불리하다. 그러나 반데르발스 힘과 런던 분산력에는 참여할 수 있다. 이러한 약한 자기 상호작용은 등방성이며 -189.3°C 이하로 냉각될 때 원자의 장거리 배열을 면심 입방 격자로 만든다. 마찬가지로 선형 이원자 분자인 아이오딘은 순수 쌍극자가 0이며 상당히 등방성인 반데르발스 상호작용에만 참여할 수 있다. 이는 쌍피라미드 대칭을 초래한다.
분자고체 조성과 구조
아세톤의 경우 쌍극자-쌍극자 상호작용이 결정 격자 구조를 형성하는 주요 원동력이다. 음의 쌍극자는 산소에 의해 발생한다. 산소는 탄소와 수소보다 전기 음성적이어서 산소와 분자 나머지 부분에 각각 부분 음전하(δ-)와 양전하(δ+)를 유발한다. δ-는 δ+ 방향으로 향하여 아세톤 분자가 δ-에서 δ+ 방향으로 몇 가지 형태로 정렬하는 것을 선호하게 한다(왼쪽 그림). 쌍극자-쌍극자 및 기타 분자간 상호작용은 고체 상태에서 에너지를 최소화하기 위해 정렬되며 결정 격자 구조를 결정한다.
분자고체 조성과 구조
사중극자는 쌍극자와 마찬가지로 영구적인 극이지만 분자의 전기장은 아세톤처럼 선형이 아니라 2차원이다. 사중극자를 가진 분자고체의 예로는 옥타플루오로나프탈렌과 나프탈렌이 있다. 나프탈렌은 두 개의 연결된 공액된 고리로 구성된다. 이 고리 시스템의 원자들의 전기 음성도와 공액은 링커런트를 유발하여 사중극자를 초래한다. 나프탈렌의 경우 이 사중극자는 고리 시스템 내부에 δ-, 외부에 δ+가 축적되는 형태로 나타난다. 나프탈렌은 한 분자의 δ-와 다른 분자의 δ+의 배위를 통해 조립된다. 이는 헤링본 형태의 1차원 나프탈렌 기둥을 초래한다. 이러한 기둥은 2차원 층으로 쌓이고 3차원 벌크 물질을 형성한다. 옥타플루오로나프탈렌은 벌크 물질을 구성하기 위해 이러한 조직 경로를 따르지만 δ-와 δ+는 각각 고리 시스템의 외부와 내부에 있다.
분자고체 조성과 구조
수소 결합은 수소 원자가 인접한 전기 음성 원자 또는 작용기로 인해 부분 양전하(δ+)를 갖는 특정 쌍극자이다. 수소 결합은 이온-쌍극자 상호작용 외에 알려진 가장 강한 분자간 상호작용 중 하나이다. 분자간 수소 결합의 경우 δ+ 수소는 인접한 분자의 δ-와 상호작용한다. 수소 결합을 하는 분자고체의 예로는 물, 아미노산, 아세트산이 있다. 아세트산의 경우, 카복실산의 부분인 알코올에 있는 수소(δ+)가 인접한 분자에 있는 카복실산의 카보닐기 부분(δ-)과 수소 결합을 한다. 이러한 수소 결합은 아세트산 분자의 사슬이 자유 에너지를 최소화하기 위해 수소 결합하도록 이끈다. 이러한 아세트산 분자의 사슬은 고체를 형성하기 위해 함께 쌓인다.
분자고체 조성과 구조
할로젠 결합은 전기 음성적인 할로젠화물이 인접한 분자의 덜 전기 음성적인 원자와 비공유 상호작용을 할 때 발생한다. 할로젠 결합을 하는 분자고체의 예로는 헥사클로로벤젠과 브로민 1,4-다이옥세인의 코크리스탈이 있다. 두 번째 예에서는 이원자 브로민 분자의 δ- 브로민 원자가 1,4-다이옥세인의 덜 전기 음성적인 산소와 정렬된다. 이 경우 산소는 브로민 원자에 비해 δ+로 간주된다. 이러한 배위는 2차원 및 3차원으로 쌓이는 사슬 모양의 조직을 초래한다.
쿨롱 상호작용은 일부 분자고체에서 나타난다. 잘 연구된 예로는 전도도가 5 x 102 Ω−1 cm−1인 라디칼 이온 염 TTF-TCNQ가 있다. 이는 많은 분자고체보다 구리(ρ = 6 x 105 Ω−1 cm−1)에 훨씬 가깝다. TTF-TCNQ의 쿨롱 상호작용은 실온에서 TCNQ의 사이아노 부분에 있는 큰 부분 음전하(δ = -0.59)에서 비롯된다. 참고로 완전히 전하를 띤 분자는 δ = ±1이다. 이 부분 음전하는 TTF의 티오 부분과 강한 상호작용을 유발한다. 강한 상호작용은 고체 상태에서 이러한 작용기가 서로 인접하게 유리하게 정렬되도록 이끈다. 반면 π-π 상호작용은 TTF와 TCNQ가 별도의 기둥으로 쌓이도록 한다.
한 형태의 원소는 분자고체일 수 있지만, 같은 원소의 다른 형태는 분자고체가 아닐 수 있다. 예를 들어, 고체 인은 "백린", "적린", "흑린"이라고 불리는 다른 동소체로 결정화될 수 있다. 백린은 사면체 P4 분자로 구성된 분자 결정을 형성한다. 주변 압력에서 250 °C로 가열하거나 햇빛에 노출하면 백린은 적린으로 변환되며, 여기서 P4 사면체는 더 이상 분리되지 않고 공유 결합에 의해 고분자 사슬처럼 연결된다. 높은 압력(GPa) 하에서 백린을 가열하면 흑연과 같은 층 구조를 가진 흑린으로 변환된다.
인의 구조적 변화는 가역적이다: 고압을 해제하면 흑린은 점차 적린으로 변환되고, 불활성 분위기에서 490 °C에서 적린을 기화시키고 증기를 응축하면 공유 결합된 적린이 분자고체인 백린으로 변환될 수 있다.
마찬가지로 황색 비소는 As4 단위로 구성된 분자고체이다. 황과 셀레늄의 일부 형태는 S8 (또는 Se8) 단위로 구성되며 주변 조건에서 분자고체이지만 결정 전체에 원자 사슬이 확장된 공유 결합 동소체로 변환된다.
분자고체 속성
분자고체는 상대적으로 약한 힘으로 결합되어 있기 때문에 낮은 녹는점과 끓는점, 낮은 기계적 강도, 낮은 전기 전도도, 낮은 열 전도도를 갖는 경향이 있다. 또한 분자의 구조에 따라 분자간 힘이 특정 속성의 비등방성으로 이어지는 방향성을 가질 수 있다.
금속 및 이온 고체의 특징적인 녹는점은 ~1000 °C 이상인 반면, 분자고체는 일반적으로 300 °C에 가깝게 녹으므로 해당 물질의 상당수는 실온에서 액체(얼음) 또는 기체(산소) 상태이다(표 참조). 이는 관련된 원소, 그들이 형성하는 분자, 분자의 약한 분자간 상호작용 때문이다.
인의 동소체는 이러한 구조-특성 관계를 추가로 보여주는 데 유용하다. 분자고체인 백린은 1.82 g/cm3의 상대적으로 낮은 밀도와 44.1 °C의 녹는점을 가지며, 칼로 자를 수 있는 부드러운 물질이다. 공유 결합된 적린으로 변환될 때 밀도는 2.2-2.4 g/cm3, 녹는점은 590 °C가 되고, 백린이 (역시 공유 결합된) 흑린으로 변환될 때 밀도는 2.69-3.8 g/cm3, 녹는점은 ~200 °C가 된다. 적린과 흑린 형태 모두 백린보다 훨씬 단단하다.
분자고체 속성
분자고체는 연성이거나 취성이거나 결정면에 따라 조합될 수 있다. 연성 및 취성 고체 모두 항복 응력에 도달할 때까지 탄성 변형을 겪는다. 항복 응력에 도달하면 연성 고체는 소성 변형 기간을 거치며 결국 파괴된다. 취성 고체는 항복 응력을 통과한 직후 즉시 파괴된다. 대부분의 분자의 비대칭 구조 또는 특정 상호작용(예: 수소 결합, 할로젠 결합)을 형성할 수 있는 작용기의 존재로 인해 많은 분자고체는 방향성 분자간 힘을 갖는다. 이 현상은 이방성 기계적 특성으로 이어질 수 있다. 일반적으로 분자고체는 등방성 분자간 상호작용을 가질 때 연성이다. 이를 통해 금속처럼 결정층 사이의 전위가 가능하다. 예를 들어, 플라스틱 결정은 부드럽고 왁스와 유사하며 쉽게 변형된다.
분자고체 속성
180°까지 굽힐 수 있는 연성 분자고체의 한 예는 헥사클로로벤젠(HCB)이다. 이 예에서 벤젠 핵 사이의 π-π 상호작용은 염화물의 할로젠 상호작용보다 강하다. 이러한 차이가 유연성으로 이어진다. 이 유연성은 이방성이다. HCB를 180°로 구부르려면 결정의 [001] 면에 응력을 가해야 한다. 유연한 분자고체의 또 다른 예는 2-(메틸티오)니코틴산(MTN)이다. MTN은 강한 수소 결합 및 π-π 상호작용으로 인해 말단 메틸의 정렬을 따라 전위되는 단단한 이량체를 형성하므로 유연하다. [010] 면에 응력을 가하면 이 결정은 180° 구부러진다. 모든 연성 분자고체가 180° 구부러지는 것은 아니며, 일부는 둘 이상의 굽힘 면을 가질 수 있음에 유의해야 한다.
분자고체는 일반적으로 절연체이다. 이러한 넓은 밴드 갭(0.7eV의 저마늄에 비해)은 약한 분자간 상호작용으로 인해 발생하며, 이는 낮은 전자 이동도를 초래한다. 일부 분자고체는 전기 전도도를 나타내는데, 예를 들어 ρ = 5 x 102 Ω−1 cm−1인 TTF-TCNQ와 같은 경우 결정 구조에서 궤도 오버랩이 명확하다. 절연체인 풀러렌은 도핑 시 전도성 또는 심지어 초전도성이 된다.
분자고체의 열적 특성(예: 비열 용량, 열팽창, 열전도 등)은 분자고체의 원자와 분자의 분자 내 및 분자간 진동에 의해 결정된다. 분자고체에서는 전자의 전이가 진동 기여도에 비해 열적 특성에 미미한 영향을 미친다.
컬럼 크로마토그래피
화학에서 컬럼 크로마토그래피(Column chromatography)는 혼합물에서 단일 화합물을 분리하는 데 사용되는 크로마토그래피 방법이다. 크로마토그래피는 흡착제에 대한 화합물의 차등 흡수에 따라 물질을 분리할 수 있다. 화합물은 서로 다른 속도로 컬럼을 통과하여 분획으로 분리될 수 있다. 이 기술은 다양한 흡착제(정상상, 역상 등)와 다양한 용매를 사용할 수 있으므로 광범위하게 적용 가능하다. 이 기술은 마이크로그램부터 킬로그램까지 다양한 스케일에서 사용할 수 있다. 컬럼 크로마토그래피의 주요 장점은 공정에서 사용되는 정지상의 상대적으로 저렴한 비용과 일회용성이다. 후자는 재활용으로 인한 교차 오염 및 정지상 열화를 방지한다. 컬럼 크로마토그래피는 중력을 이용하여 용매를 이동시키거나 압축 가스를 이용하여 용매를 컬럼을 통해 밀어낼 수 있다.
박층 크로마토그래피는 혼합물이 컬럼 크로마토그래피로 정제될 때 화합물 혼합물이 어떻게 거동할지 보여줄 수 있다. 컬럼 크로마토그래피를 수행하기 전에 박층 크로마토그래피를 사용하여 분리를 먼저 최적화한다.
컬럼 크로마토그래피 컬럼 준비
컬럼은 고체 흡착제를 원통형 유리 또는 플라스틱 튜브에 채워 준비한다. 크기는 분리할 화합물의 양에 따라 달라진다. 튜브 바닥에는 고체상을 제자리에 고정하기 위한 면 또는 유리솜 마개 또는 유리 소결 필터가 포함되어 있다. 컬럼 상단에는 용매 저장소가 부착될 수 있다.
컬럼을 준비하는 데는 건식 방법과 습식 방법의 두 가지 방법이 일반적으로 사용된다. 건식 방법의 경우, 컬럼은 먼저 건식 정지상 분말로 채워진 후 이동상을 첨가하여 컬럼이 완전히 젖을 때까지 컬럼을 통해 흘려보내고, 이 시점부터는 절대 마르지 않도록 한다. 습식 방법의 경우, 용리액과 정지상 분말의 슬러리를 준비한 후 컬럼에 조심스럽게 붓는다. 실리카의 상단은 평평해야 하며, 실리카의 상단은 모래층으로 보호할 수 있다. 유기 물질을 진행시키기 위해 용리액을 컬럼을 통해 천천히 통과시킨다.
컬럼 크로마토그래피 컬럼 준비
개별 구성 요소는 정지상에 의해 다르게 보유되며 용리액과 함께 컬럼을 통해 다른 속도로 이동하는 동안 서로 분리된다. 컬럼 끝에서 하나씩 용출된다. 전체 크로마토그래피 과정 동안 용리액은 일련의 분획으로 수집된다. 분획은 분획 수집기를 사용하여 자동으로 수집할 수 있다. 크로마토그래피의 생산성은 한 번에 여러 컬럼을 실행하여 증가시킬 수 있다. 이 경우 다중 스트림 수집기가 사용된다. 용리액 흐름의 조성을 모니터링하고 각 분획은 용해된 화합물에 대해 분석된다. 예를 들어 분석 크로마토그래피, 자외선 가시광선 분광법, 또는 형광 분광법에 의해 분석된다. 유색 화합물(또는 UV 램프를 사용한 형광 화합물)은 유리벽을 통해 움직이는 띠로 볼 수 있다.