Конформації макромолекул високомолекулярних сполук

Макромолекули природних і деяких синтетичних високомолекулярних з’єднань частіше всього мають форму нерозгалужених ланцюгів або ланцюгів з невеликими розгалуженнями. Така лінійна форма макромолекул обумовлює типові для полімерів властивості - еластичність, здатність утворювати нитки, або плівки високої міцності, додавати при розчиненні в’язкі розчини. Ці властивості визначаються гнучкістю лінійних молекул, здатністю до коливально-обертального руху окремих ланок макромолекул навколо одинарних зв’язків, що їх з’єднують. Завдяки обертанню окремих ланок макромолекула вигинається і може приймати різні конформації.

Конформаціями називаються просторові форми молекул, що переходять одна в одну без розриву хімічного зв’язку за рахунок повороту ланок.

Так, як зв’язків, в молекулі багато і можливих її конформацій. Але внутрішнє обертання в молекулах не може відбуватися вільно. В кожній макромолекулі крім атома вуглецю, що утворюють основний ланцюг, є атоми, водню, розташовані збоку від неї, а також атоми або групи атомів інших елементів, що заміщають водень. Вони можуть взаємодіяти одна з одною, знаходячись або в одній макромолекулі або в різних молекулах.

При повороті одного ланцюга в якій-небудь макромолекулі змінюється відстань між цими боковими атомами або групами атомів, що в свою чергу викличе зміни енергії молекули. Відповідно, для повороту однієї частини молекули відносно іншої необхідно виконати роботу, значення якої залежить від будови молекули. Найбільш гнучкі ланцюги - СН₂ – СН₂ -, бо взаємодія атомів водню в них невелика. Якщо замість атомів водню в молекулу входять полярні атоми і групи, наприклад, - Cl, –OH, -COOH, то взаємодія між ними буде більш сильною як в межах однієї макромолекули, так і між сусідніми молекулами.

Це приводить до зменшення гнучкості макромолекул і збільшенню жорсткості полімерів.

При низьких температурах для макромолекул характерна витягнута форма. З підвищенням температури збільшується тепловий рух окремих ланок і макромолекули скручуються. Вірогідність існування випрямлених і скручених конформацій неоднакова. Це виходить хоча б з того, що гранично витягнутий стан лінійної макромолекули може бути тільки один, а скрученим макромолекулам може відповідати досить велике число конформації, тобто вони більш вірогідні.

2. Природні і синтетичні високомолекулярні з’єднання

До найбільш важливих природних високомолекулярних сполук відносяться білки, що є головною складовою частиною всіх речовин тваринного походження. Вони містяться також в рослинах, особливо в зернах пшениці, насінні бобових. Молекули білків побудовані із залишків різних амінокислот, з’єднаних пептидними зв’язками, але в якому порядку ці амінокислоти зв’язані одна з одною, для багатьох білків невідомо. Лінійно побудовані макромолекули білків можуть бути зв’язані одна з одною, наприклад, дисульфідними містками або водневими зв’язками. Молекулярна маса різних білків коливається в широких межах і досягає кількох мільйонів. Білки використовуються головним чином для харчових потреб. Деякі речовини, що містять білки – шкіра, шерсть, натуральний шовк – знаходять і технічне застосування.

Білки – основний матеріал, з якого побудований живий організм. Вони служать матеріалом для побудови кліток, тканин і органів, утворення ферментів і більшості гормонів, гемоглобіну й інших з'єднань, що виконують в організмі особливо важливі й складні функції. Білки формують з'єднання, що забезпечують імунітет до інфекцій, беруть участь у процесі засвоєння (на різних етапах) жирів, вуглеводів, мінеральних речовин і вітамінів. Життя організму пов'язане з безперервною витратою й відновленням білків. Для рівноваги цих процесів (азотистої рівноваги) необхідно щоденне заповнення з їжею білкових втрат. Білки на відміну від жирів і вуглеводів не накопичуються в резерві й не утворяться з інших харчових речовин, тобто є незамінною частиною їжі. Як джерело енергії вони мають другорядне значення, тому що можуть бути замінені жирами й вуглеводами. Окислювання в організмі 1г білка дає 4 ккал.

Запас усіх білків у живих організмах повинен постійно поповнюватися, тому білки – найважливіші поживні речовини. Харчова цінність білків залежить від їхнього складу, тобто від вмісту в них незамінних (не синтезованих самим організмом) амінокислот. Звичайно тваринні білки вважаються для людини важливішими, ніж рослинні.

Колаген - основний білок сполучної тканини, складається з макромолекул, що мають трьохепіральну структуру. Головне джерело одержання колагену - шкіра великої рогатої худоби, у якій його міститься до 95 %. Колаген застосовують як ранове покриття: плівки з фурациліном, кислотою борною, олією обліпиховою, метилурацилом, а також очні плівки з антибіотиками; губки гемостатичні з різними лікарськими речовинами. Він забезпечує оптимальну активність лікарських речовин, що зв'язано з їх глибоким проникненням і тривалим контактом із тканинами організму. Колаген - гарний носій очних лікарських форм (розчинів, плівок).

Білки також відносяться до природних високомолекулярних сполук. В основі цих продуктів лежить поліпептидне угруповання, складні молекули якого побудовані з амінокислот.

У залежності від форми молекул білки розділяють на фібрилярні, що мають лінійну витягнуту форму, і глобулярні, що мають згорнуту кулясту форму молекул - глобуль. Молекулярна маса білків коливається в межах від 27000 до 6800000. При розчиненні у воді молекули білків дисоціюють на іони. Ця дисоціація може відбуватися за кислотним чи основним типом залежно від рН середовища. У дуже кислому середовищі білок поводить себе як основа, його молекула дисоціює за рахунок груп - NH, за основним типом:

HONH3-R-COOH => [NH3-R-COOH]⁺+ ОН^-

Кислотна дисоціація при цьому пригнічена. У лужному середовищі, навпаки, пригнічена основна дисоціація, а йде переважно кислотна:

HONH3-R-COOH => [HONH3-R-COO]^- + Н⁺

Однак при певному значенні рН ступінь дисоціації аміно- і карбоксильних груп набуває однакового значення, тоді молекули білків стають електронейтральними. Значення рН, при якому молекула білка знаходиться в електронейтральному стані, називається ізоелектричною точкою (ІЕТ). Для більшості білків ізоелектрична точка лежить в області кислих розчинів. Зокрема, для желатину - 4,7; казеїну молока - 4,6; глобуліну крові - 6,4; пепсину - 2,0; хімотрипсину - 6,0; альбуміну яєчного - 4,7; фармагелю А - 7,0; фармагелю В - 4,7. Необхідно враховувати ІЕТ, тому що встановлено, що від її величини залежить стійкість білків, а отже, і прояв їх властивостей. У деяких випадках можливо навіть випадання білків в осад. Це зв'язано з тим, що в ІЕТ по всій довжині білкової молекули знаходиться рівна кількість позитивно і негативно заряджених іоногенних груп, що приводить до зміни конфігурації молекули. Гнучка молекула звертається в клубок силою притягання різнойменних іонів

Природними високомолекулярними речовинами є целюлоза і крохмаль (вищі полісахариди).

Целюлоза – головна складова частина тканин рослин. Найбільше міститься чистої целюлози (96-98%) у бавовні.

Целюлоза відноситься до полісахаридів. Це клітковина, яка представляє собою головну речовину, з якої складається деревина, рослинні волокна. Молекули целюлози, подібно крохмалю, побудовані з залишків глюкози (α-форми), але відрізняються від крохмалю просторовим розташуванням цих ланок. Макромолекули целюлози лінійні, у них багато полярних гідроксильних груп, які утворюють між собою міцні міжмолекулярні зв'язки, що придають молекулі твердість. Молекулярна маса її коливається в широких межах – від 500тис. до кількох мільйонів.

Окремі макромолекули целюлози пов’язані між собою великою кількістю водневих зв’язків, тому вона не плавиться і не розчиняється. Целюлоза не розчиняється в холодній воді. Наявність у її молекулі вільних гідроксилів дає можливість одержувати прості і складні ефіри, частково або цілком розчинні у воді. Вони являють собою продукти заміщення водневих атомів гідроксильних груп целюлози на спиртові залишки - алкіли (при одержанні простих ефірів) чи кислотні залишки - ацилі (при одержанні складних ефірів). Ефіри целюлози використовують як стабілізатори, пролонгатори, основотворні засоби, а також для підвищення якості багатьох лікарських форм.

Крохмаль є головною складовою частиною всіх злаків та картоплі. Він складається з двох полісахаридів, амілози та амілопектину. Амілоза – лінійний полімер, побудований із залишків глюкози; молекулярна маса амілози вимірюється сотнями тисяч. Амілопектин – розгалужений полімер, також побудований із залишків глюкози; його молекулярна маса може досягати кількох мільйонів.

До найбільш розповсюджених і важливих для харчової промисловості синтетичних полімерів відносяться поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид та політетрафторетилен.

Поліетилен (-СН₂–СН₂-)_n одержують полімеризацією етилена. Молекули цього полімеру лінійні, іноді мають невеликі розгалуження. Молекулярна маса поліетилену знаходиться в межах 25000 до 100000. За способом одержання розрізняють: поліетилен високого, середнього і низького тиску. Поліетилен високого тиску має найбільшу чистоту і використовується у фармацевтичній практиці.

При кімнатній температурі він не розчиняється ні в жодному з відомих розчинників. При 110-120^оС становиться пластичним і легко деформується. Завдяки водостійкості, паганій газо- і паро- проникності поліетилен використовують у вигляді плівки для упаковки харчових продуктів. З нього виготовляють труби, пробки і ємкості для зберігання рідин.

СН₃

|

Поліпропілен (-СН₂-СН-)_n має молекулярну масу 60000-200000. Він стійкий до дії кислот. При звичайній температурі поліпропілен ні в чому не розчиняється, плавиться при температурі 164-170^оС.

Поліпропілен застосовують для виробництва пакувальної плівки, посуду, труб. Волокна з поліпропілену відрізняються високою міцністю.

Сl

|

Полівінілхлорид (-СН₂-СН-)_n складається з лімітних або мало розгалужених молекул. Його молекулярна маса 18000-30000. На основі полівінілхлориду промисловість випускає вініпласт – твердий пружний матеріал. Він добре зварюється і склеюється. Його застосовують для виготовлення листів, плівки, труб і деталей апаратури, які можуть експлуатуватися при температурі не вище 50-60^оС.

Політетрафторетілен, тефлон ( - СF₂ – CF₂ - )_n плавиться при 320-327^оС. Останнім часом поширюється застосування полімеру, що є похідним поліетилену; в його молекулах замість атомів Гідрогену містяться атоми Флуору. Тефлон зовні нагадує поліетилен. Він має високу хімічну і термічну стійкість. Ні в чому він не розчиняється і має надзвичайно високу хімічну стійкість до дії сильних кислот, луг і органічних розчинників навіть при підвищених температурах. Із тефлону виготовляють різне обладнання для хімічної промисловості. Використовується він для виробництва хімічно стійких труб, кранів, вентилів, підшипників. Його використовують у протезуванні; для покриття поверхні посуду, призначеного для нагрівання. Вироби з тефлону можна використовувати в інтервалі температур від -260⁰С до +260⁰С.