Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 24 из 68)
Связи между атомами углерода в цепи могут быть кратными – двойными или тройными. Такие связи образуются двумя или тремя общими парами электронов двух соседних атомов углерода. Такие углеводороды называются непредельными. Кратные связи при реакциях легко превращаются в простые, поэтому непредельные углеводороды очень реакционноспособны.
Цепи из углеродных атомов могут быть разветвленными. Так, состав С5Н12 имеют три предельных углеводорода – пентан и два изопентана (третичный и четвертичный). Такие соединения называются изомерами. Известно несколько видов пространственной изомерии (или стереоизомерии): зеркальная изомерия асимметрического атома углерода; цис-транс-изомерия, изомерия положения кратной связи и пр. Многообразие органических молекул за счет пространственной симметрии определяется также свойством углеродных цепей замыкаться в кольцо. Самым известным соединением такого рода является бензол; бензольное кольцо - энергетически очень устойчивая структура. Существуют также молекулы, замкнутые в цикл из пяти углеродных и других атомов.
Непосредственно связанные друг с другом атомы органического соединения взаимно влияют друг на друга. Атомы или группы атомов, замещающие водород в углеводородной основе, образуют функциональные группы. Органические вещества, имеющие одинаковые функциональные группы, принадлежат к одному и тому же классу. Ниже приведены формулы и названия некоторых функциональных групп и названия соответствующих классов органических соединений.
Гидроксильная группа - OH входит в состав спиртов (метанола, этанола, пропанола и т.д.);
Карбонильная группа - COH входит в состав альдегидов и кетонов (ацетона, формалина);
Карбоксильная группа - COOH образует класс карбоновых кислот (муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной и т.д.);
Аминогруппа - NH2 входит в состав аминов (например, метиламина, гексаметилендиамина) и аминокислот;
Нитрильная группа - СN входит в состав нитрилов.
Разнообразные сочетания углеродных цепей различной пространственной конфигурации с разнообразными функциональными группами обеспечивает многообразие органических соединений, которое лежит в основе многообразия форм живой материи на ее молекулярном уровне.
У органических молекул есть еще одно очень важное свойство: в соответствующих условиях простые молекулы – мономеры, способны соединяться вместе, образуя одну громадную макромолекулу, состоящую из большого числа звеньев. Такие молекулы называют полимерами от греческих слов polus – много и meris – часть. Молекулы полимеров имеют молекулярную массу порядка сотен, тысяч и даже миллионов единиц относительной атомной массы. Полимеры выделяют в особую группу органических соединений под названием «высокомолекулярные соединения» (ВМС).
Поскольку кремний является химическим аналогом углерода, на основе кремниевых соединений также можно получить полимерные молекулы, которые называют неорганическими полимерами. Высокомолекулярные соединения делятся на природные ВМС и синтетические ВМС.
6.2. Природные полимеры
К природным ВМС относятся крахмал и целлюлоза, натуральный каучук, белки, нуклеиновые кислоты ДНК и РНК и многие другие природные соединения.
Крахмал и целлюлоза являются высокомолекулярными несахароподобными углеводами с общей формулой (С6Н10О5)n. Мономерными звеньями этих ВМС являются остатки глюкозы. Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза – из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы. Крахмал накапливается в некоторых растениях в виде резервного полисахарида. Из целлюлозы построены ткани растений. Вата и фильтровальная бумага более чем на 95% состоят из целлюлозы. При полном гидролизе крахмала, то есть реакции его с водой при нагревании и в присутствии катализатора, серной кислоты, образуется α-глюкоза. При полном гидролизе целлюлозы получают β-глюкозу.
Каучук натуральный, полимер растительного происхождения, вулканизацией которого получают резину, относится к группе эластомеров, то есть высокомолекулярных соединений, обладающих способностью к большим обратимым деформациям при обычных температурах. Добывают каучук, главным образом, из латекса бразильской гевеи, которая культивируется в тропических странах. В 1738 французский исследователь Ш. Кондамин представил в Академию наук Париже образцы каучука, изделия из него и описание способов добычи в странах Южной Америки. Промышленное применение натурального каучука стало возможным после открытия процесса вулканизации. Основная составная часть натурального каучука (91— 96%) – это полиизопрен (C5H8) n, то есть полимер изопрена СН2 = С (СН3) – СН = СН2, где число мономерных звеньев состава (- СН2 – С (СН3) = СН – СН2-) составляет от 1400000 до 2600000. Кроме того, натуральный каучук содержит также 2,2—3,8% белков и аминокислот, 1,5—4,0% веществ, извлекаемых ацетоном (так называемый ацетоновый экстракт — олеиновая, стеариновая, линолевая кислоты, каротин и др.), соединения металлов переменной валентности — меди (до 0,0008%), марганца (до 0,001%), железа (до 0,01%), песок и некоторые др. примеси. Натуральный каучук является стереорегулярным полимером; 98—100% звеньев изопрена в его макромолекуле соединяются в положении 1,4 цис:
Ценным свойством натурального каучука является его высокая когезионная прочность, именно благодаря этому свойству каучук незаменим в производстве деталей шин. Технологическим недостатком натурального каучука, - вследствие его высокой молекулярной массы, — является необходимость пластикации перед введением составных частей резиновой смеси. Наиболее распространѐнным вулканизующим агентом для натурального каучука является сера; в качестве ускорителей вулканизации применяют 2-меркаптобензтиазол (каптакс) и другие катализаторы. Резины из натурального каучука обладают хорошей эластичностью, высокой износостойкостью и морозоустойчивостью, однако подвержены воздействию растворителей, масел, а также отличаются меньшей, чем у некоторых синтетических каучуков, термостойкостью и устойчивостью к воздействию атмосферных осадков. Основная область применения натурального каучука – это производство шин. Его используют также в производстве резинотехнических изделий (транспортѐрные ленты, приводные ремни, амортизаторы, уплотнители), электроизоляционных материалов, резиновых изделий народного потребления, при изготовлении резиновых клеев. Некоторое количество натурального каучука в виде латекса. Благодаря созданию стереорегулярных синтетических каучуков, а также широкого ассортимента синтетических каучуков специального назначения, потребление натурального каучука в промышленности сокращается.
Человеческий организм состоит из десятков тысяч различных белков, каждый из которых имеет собственную структуру и функции. Белковые молекулы – самые сложные молекулярные структуры, известные на сегодня. У каждого типа белка имеется уникальная трехмерная структура. Но при всем своем разнообразии все белки являются полимерными молекулами, состоящими из универсального набора из 20 аминокислот – мономеров, которые называют «каноническими». В органической химии известно несколько сотен аминокислот, однако в состав всех белков, из которых состоят живые существа, входят только эти 20 аминокислот. Это глицин (Gly); аланин (Ala); валин* (Val); лейцин* (Leu); изолейцин* (Ile); метионин (Met); фенилаланин (Phe); триптофан (Trp); пролин (Pro); Серин (Ser); треонин* (Thr); цистеин (Cys); тирозин (Tyr); аспарагин (Asn); глутамин (Gln); аспарагиновая кислота (Asp); глютаминовая кислота (Glu); лизин* (Lys); аргинин (Arg); гистидин (His). В скобках приведены принятые сокращения для названия аминокислот, значком * обозначены незаменимые аминокислоты, которые не могут быть синтезированы организмом из более простых веществ.
Большинство аминокислот содержат асимметричный атом углерода (альфа-углерод), связанный с четырьмя разными партнерами ковалентной связью. Каждая аминокислота содержит карбоксильную группу и аминогруппу, соединенную с атомом альфа - углерода. Общую формулу аминокислот можно представить в следующем виде: NH2 – CHR –COOH, где R – это углеводородный радикал простого (например, Н у глицина, СН3 у аланина) или сложного состава.
Поскольку атом альфа-углерода несимметричен, каждая аминокислота может существовать в виде двух оптических изомеров: L (α) – форме (от латинского слова laesus - левая) и D (β) - форме (от латинского слова dexter - правая). При синтезе аминокислот в лабораторных условиях получают рацемическую смесь обеих форм, но молекулы природных белков, за редким исключением, состоят из аминокислот в левовращающей (α) - форме.
При синтезе белка молекулы аминокислот располагаются таким образом, что карбоксильная группа одной кислоты сближается с аминогруппой другой кислоты. В результате реакции дегидратации происходит синтез макромолекулы, содержащей пептидные связи.
NH2-C(R1H)-COOH + NH2–C(R2H)-COOH = NH2-C(R1H)-CO-NH-C(R2H)–COOH + H2O
На концах макромолекулы располагаются с одной стороны аминогруппа, а с другой - карбоксильная группа. Все остальные связываются пептидными связями. Повторяющаяся последовательность атомов азота и углерода в такой цепи называется полипептидным скелетом. К скелету прикреплены различные группы атомов, образующие боковые цепи. Полипептидные цепи могут быть короткими, состоящими всего из нескольких мономеров, а могут состоять из тысяч и тысяч звеньев. Каждая разновидность белка имеет уникальную последовательность линейных мономеров.