ВСТУП ДО ФАХУ

Лекція 1

Много лет тому назад, до того как появились пластмассы и синтетические полимеры, то есть на самом деле почти столь же давно, как существует сама Земля, природа использовала природные полимеры для того, чтобы стала возможной жизнь. Мы думаем о природных полимерах иначе, чем о полимерах синтетических, поскольку мы не можем похвастать, что они являются плодом нашей изобретательности, а химические компании не могут продавать их с целью получения доходов. Однако, все это не делает природные полимеры менее важными. На самом деле оказывается, что во многом они даже важнее синтетических.

К природным полимерам относятся РНК и ДНК, которые так важны для генов и процесса продолжения жизни. На самом деле, РНК служит для передачи сигналов и благодаря ей существуют протеины, пептиды и энзимы. Энзимы способствуют протеканию химических процессов в живых организмах, а пептиды являются одними из наиболее интересных составляющих, образующих кожу. волосы, и даже рога носорогов. Среди природных полимеров можно назвать полисахариды (полимеры сахара) и полипептиды, как шелк, кератин (волосы). Натуральный каучук, конечно же, тоже является природным полимером, сделанным просто из углерода и водорода. Давайте посмотрим на каждое из основных семейств природных полимеров более подробно.

Полисахариды

ДНК и РНК

ДНК и РНК содержат основную цепь, состоящую из звеньев глюкозы. Поэтому они относятся к группе полимеров полисахаридов, хотя в случае ДНК и РНК именно боковые группы, хорошо упорядоченные, придают этим полимерам их уникальные свойства.

Другое семейство полисахаридов включает крахмал и целлюлозу. Крахмал - это полисахарид с высокой молекулярной массой. Пищевые продукты такие, как хлеб, кукуруза и картошка полны крахмала. В состав крахмала может входить до 10000 звеньев глюкозы, связанных между собой. Способ, которым эти звенья соединены между собой, либо все в одну линию, либо с некоторыми разветвлениями, определяют, каким типом крахмала или другого полисахарида является данная молекула (подробнее об этом мы расскажем позже). Другим очень важным членом семейства полисахаридов является целлюлоза. Она является основным полимером, из которого построены растения. Древесина в основном состоит из целлюлозы. Этот полимер отличается от крахмала. Крахмал растворим в горячей воде и из него можно легко сделать полезные предметы. Целлюлоза же, напротив, в высокой степени кристаллична, поэтому не растворяется практически ни в чем. Хлопок является одной из разновидностей целлюлозы, которую мы часто используем в нашей одежде. То, что хлопок нерастворим в горячей воде, для нас очень важно. В противном случае наша одежда растворялась бы при попытке выстирать ее. Целлюлоза также обладает тем приятным свойством, что если вы намочите ее, а затем проведете по ней горячим утюгом, она снова выравнивается и разглаживается. Это придает опрятный вид нашей одежде (по крайней мере, на некоторое время), но тем не менее позволяет легко смывать с нее грязь, когда мы ее стираем.

Крахмал важен потому, что мы его едим! Крахмал можно найти в картофеле и в зерновых культурах, таких как кукуруза и пшеница. Крахмал состоит из повторяющихся звеньев глюкозы.

Целлюлоза - один из многих полимеров, встречающихся в природе. Дерево, бумага и хлопок - все они содержат целлюлозу. Целлюлоза - замечательное волокно. Дерево, хлопок и пеньковая веревка сделаны из волокнистой целлюлозы. Целлюлоза состоит из повторяющихся элементов - мономера глюкозы. Это та самая глюкоза, которую усваивает ваше тело, чтобы жить, но вы не можете переваривать ее в виде целлюлозы. Поскольку целлюлоза построена из сахарного мономера, она называется полисахаридом.

Другой производной целлюлозы является гидроксиэтил целлюлозa. Она отличается от простой старой доброй целлюлозы тем, что все гидроксильные группы глюкозы (показаны красным) были заменены группами гидроксиэтилового эфира (показаны синим).

Эти гидроксиэтильные группы начинают препятствовать, кристаллизации полимера. Поскольку он не может кристаллизоваться, то гидроксиэтилцеллюлоза растворяется в воде. Помимо того, что это вещество является отличным слабительным, оно также используется и для того, чтобы сделать шампуни более густыми. Оно также делает мыло, входящее в состав шампуня, менее пенистым и помогает шампуню более эффективно отмывать волосы, образуя коллоидные частицы вокруг частиц грязи.

Обычно частицы грязи не растворяются в воде. Но макромолекулы гидроксиэтилцеллюлозы (показанные синим) могут образовать оболочку вокруг частицы грязи (показанной красным). Эту массу можно представить себе как пирожное с кремом, в котором полимерные цепочки играют роль самого пирожного, а частица грязи - содержащегося в нем крема. Такое пирожное растворимо в воде, поскольку, оборачиваясь таким образом вокруг частиц грязи, гидроксиэтилцеллюлоза заставляет воду принимать грязь. Таким образом, грязь смывается, а не осаждается снова на ваших волосах.

Крахмал и целлюлоза – очень похожи между собой. Они сделаны из одного и того же мономера – глюкозы. Между ними существует только одно различие. В крахмале все повторяющиеся звенья глюкозы ориентированы одним и тем же образом. А в целлюлозе каждое последующее звено глюкозы повернуто на 180 градусов относительно предыдущего звена вокруг оси основной цепи молекулы полимера. Звенья глюкозы в крахмале соединены между собой альфа α- связями, а звенья глюкозы в молекуле целлюлозы соединены бета β- связями.

Целлюлоза гораздо прочнее крахмала. Крахмал практически бесполезен в качестве материала, из которого можно было бы сделать какой-нибудь предмет. Но целлюлоза достаточно прочна для того, чтобы делать из нее волокно, а следовательно, и веревки, одежду и так далее. Целлюлоза не растворяется в воде, как это делает крахмал, и не разлагается столь легко. Если бы она разлагалась или растворялась в воде, то это было бы, пожалуй, несколько неудобно для ее использования при изготовлении одежды. Не говоря уже о том, что хороший ливень смыл бы с лица Земли все деревянные дома, парковые скамейки, а также качели и лесенки на детских площадках, если бы целлюлоза растворялась в воде. И есть ли в этом какая-нибудь разница? Да, различия есть и очень существенные! Одно из самых важных различий в поведении этих двух полимеров заключается в следующем: вы можете питаться крахмалом, но вы не способны переваривать целлюлозу. Ваше тело содержит энзимы, которые разлагают крахмал на молекулы глюкозы, которые служат источником энергии для вашего организма. Но человеческий организм не содержит энзимов, которые разлагали бы целлюлозу. У некоторых животных в организме есть такие энзимы, например, у термитов, которые питаются древесиной или у жвачных животных, которые питаются травой и разлагают целлюлозу в своих желудках, состоящих из четырех разделов.

Хитин: полимер для тех из вас, кто любит морепродукты!

Другим семейством полисахаридов является хитин. Из него сделаны панцири раков, креветок, крабов, лобстеров и других ракообразных. Он тверд, нерастворим… и тем не менее почему-то гибок. Мы пока еще не поняли, что хорошего можно сделать из хитина, хотя мы используем целлюлозу в ряде химических процессов, а также для изготовления бумаги, деревянных домов, деревянных башмаков и так далее. Для того, чтобы использовать хитин для создания новых материалов проводятся обширные исследования, и может быть, когда-нибудь мы будем делать из него одежду или пластмассы. Эти исследования очень важны, поскольку они направлены на использование природных полимеров, поступающих из возобновляемых источников или отходов производства. (А вы знаете, сколько креветок ради нас расстаются со своими панцирями?)

С химической точки зрения хитин является поли(N-ацетоглюкозамином). Вот его структура: