Химическая деструкция. Гидролитическая деструкция.

Деструкция многих полимеров протекает при действии химических соединений (действие кислорода здесь не рассматривается). Наиболее важный тип химической деструкции – гидролитическая деструкция, включающая реакции расщепления полимерных цепей под действием воды (гидролиз), спиртов (алкоголиз), аминов (аминолиз) и карбоновых кислот (ацидолиз). Гидролитической деструкции подвергаются только гетероцепные полимеры; при этом разрываются связи углерод-гетероатом (в полиэфирах, полиамидах, полиуретанах, полиацеталях) или связи между неуглеродными атомами (например, связь Si-O в полисилоксанах); в отличие от большинства ранее рассмотренных вариантов деструкции, связи разрываются гетеролитически:

Карбоцепные полимеры устойчивы к такой деструкции (связь С-С не расщепляется перечисленными выше реагентами). Если молекулярная масса карбоцепного полимера все же уменьшается при действии гидролитических реагентов, то причиной этого является, скорее всего, случайное включение в полимерную цепь некоторого количества связей углерод-гетероатом (если, конечно, исключается термическая, фотохимическая или окислительная деструкция). Нетрудно заметить, что гидролитическая деструкция – реакция обратная некоторым вариантам поликонденсации, прежде всего полиацилированию (стр. 60 сл.), а также получению полиацеталей (например, полисахаридов из моносахаридов) и полисилоксанов (стр. 67).

Гидролитическая деструкция гетероцепных полимеров имеет чрезвычайно важное значение. Для синтетических полимеров она а) во многом определяет химическую устойчивость изделий из гетероцепных полимеров; б) позволяет использовать отходы производства; в) позволяет получать ценные мономеры (например, глюкозу при гидролизе целлюлозы или крахмала). Совершенно исключительную роль играют реакции гидролитической деструкции биополимеров в функционировании живых организмов – от усвоения белковой и углеводной пищи до тончайших генетических процессов. Наконец, реакции гидролитической деструкции – главный «инструмент» расшифровки строения полимеров, прежде всего важнейших биополимеров.

Процессы гидролитической деструкции во многих случаях протекают с участием катализа. В качестве катализаторов деструкции синтетических полимеров используют кислоты и основания; реакции деструкции биополимеров в организме протекают только при катализе ферментами; вне организма (in vitro) для их деструкции могут использоваться как ферменты, так и кислоты и основания, а также некоторые другие химические реагенты.

Легкость гидролитической деструкции может сильно варьировать; она определяется, в основном, двумя факторами: 1) Характером расщепляемой связи; 2) Растворимостью полимера в реакционной среде.

Зависимость от характера связи для наиболее распространенных полимеров может быть представлена рядом:

~O-C-O~ > ~CO-O > ~CO-NH~ > ~C-O-C~

полиацетали полиэфиры (сложные) полиамиды полиэфиры (простые)

В соответствии с этим рядом полисахариды и полиформальдегид (полиацетали) имеют наибольшую склонность к гидролизу, а полиэтиленоксид (простой полиэфир) – наименьшую.

Зависимость от растворимости: если полимер нерастворим в реакционной среде (т.е. реакция идет гетерофазно), скорость деструкции резко падает. Это может играть порой бòльшую роль, чем природа связи. Характерный пример – большая трудность гидролиза целлюлозы, содержащей «хорошие» ацетальные связи; причина – в очень плохой растворимости целлюлозы. Для сравнения: гораздо лучше растворимый крахмал, также содержащий ацетальные связи, гидролизуется легко.

Результатом гидролитической деструкции может быть: 1) Полная деструкция с образованием мономеров; 2) Частичная деструкция с образованием полимерных или олигомерных «осколков».

Для протекания полной деструкции необходимы следующие условия: а) все связи углерод-гетероатом или гетероатом-гетероатом могут подвергаться расщеплению; б) имеется избыток гидролитического реагента; в) реакцию проводят до конца (т.е. расщепления всех связей). Полную деструкцию, в частности, используют для утилизации отходов и бракованных изделий из полиэфиров и полиамидов (например, из полиэтилентерефталата и поликапролактама):

Для переработки материалов из полиэтилентерефталата используют алкоголиз. Полученные мономеры можно использовать для синтеза поликапролактама и полиэтилентерефталата.

Широко известный пример промышленного использования полной гидролитической деструкции – получение глюкозы полным гидролизом целлюлозы в жестких условиях при кислотном катализе:

Полный гидролиз модифицированных (метилированных) полисахаридов используется для установления их строения (см. ниже). Полный гидролиз белков при действии водных растворов кислот или щелочей используется для определения их аминокислотного состава. Полная гидролитическая деструкция биополимеров может происходить и при действии ферментов (например, гидролиз белков при усвоении пищи).

Частичная деструкция происходит при несоблюдении одного или более условий, необходимых для протекания полной деструкции. Частичная деструкция может быть неспецифической и специфической. В первом случае все связи углерод-гетероатом имеют примерно одинаковую вероятность подвергнуться расщеплению, деструкция идет по закону случая, и образуется случайный набор «осколков» разной величины. Во втором случае расщепляются только строго определенные связи, а все прочие остаются незатронутыми (вероятность их расщепления стремится к нулю). В результате образуется небольшое количество «осколочных» фрагментов строго определенной структуры.

Неспецифическая частичная деструкция чаще всего происходит при взаимодействии синтетических полимеров с недостатком гидролитического реагента или при недостаточном времени протекания реакции. В этих случаях глубина протекания реакции неполная (p < 1) [полная глубина (р=1) – расщепление всех связей, способных к расщеплению]. Как уже указывалось, при неспецифической деструкции вероятность расщепления всех связей можно считать одинаковой. Это позволяет рассчитать молекулярно-массовое числовое и весовое распределение продуктов неполной деструкции аналогично такому распределению при поликонденсации (и там и здесь формулы для расчетов предложены П.Флори).

Приведем расчет числового распределения – определим вероятность образования осколка макромолекулы, содержащего х звеньев (х-мера). Для образования х-мера необходимо, чтобы расщепились две связи (с двух концов получаемого осколка) и остались нерасщепленными х-1 связей:

Вероятность разрыва связи равна глубине реакции (р), а того, что связь останется нерасщепленной равна 1-р. Поскольку вероятность расщепления (и, следовательно, нерасщепления) всех связей С-Х одинакова, вероятность образования х-мера определяется по формуле:

W_х-мера = p²(1-p)^x-1

Эта вероятность равна численной доле х-мера в наборе продуктов частичной деструкции.

Специфическая неполная деструкция характерна для биополимеров. Чаще всего она катализируется ферментами, а в некоторых случаях протекает и в неферментативных условиях под действием некоторых специфических химических реагентов.

Ферменты, катализирующие гидролитическую деструкцию полимеров, в зависимости от направленности действия, подразделяются на экзо- и эндо-ферменты. Первые катализируют отщепление концевых звеньев от макромолекул; вторые расщепляют связи между неконцевыми звеньями. Именно некоторые эндо-ферменты проявляют наиболее тонкую специфичность, катализируя гидролиз лишь немногих и строго определенных связей.

К таким высокоспецифичным ферментам, гидролизующим белки (эндопептидазам) относятся, в частности, трипсин (расщепляет полипептидные цепи по пептидным связям лизиновых и аргининовых звеньев) и химотрипсин (расщепляет цепи по связям звеньев ароматических аминокислот – фенилаланина, тирозина, триптофана). Гораздо более высокой специфичностью обладают некоторые эндонуклеазы, катализирующие гидролитическую деструкцию нуклеиновых кислот – гидролиз фосфодиэфирных связей:

В частности, исключительно высокой специфичностью обладают ферменты, катализирующие сплайсинг; он заключается в том, что из эукариотической РНК, синтезированной в ходе транскрипции, «вырезаются» некодирующие участки – интроны – и «сшиваются» кодирующие участки – экзоны (рис. 48):

Рис. 48. Схема сплайсинга (сближение экзонов, вырезание интрона, сшивание)

В результате образуется матричная РНК (мРНК), включающая только кодирующие участки. Точность гидролиза должна быть абсолютной: ошибка на одно звено приведет к нарушению всей системы кодонов мРНК и синтезу совершенно другого белка. Эндонуклеазы сплайсинга обеспечивают такую точность: они действуют по принципу молекулярного распознавания – «узнают» строго определенные участки полинуклеотидных цепей.

Другой чрезвычайно важный пример высокоспецифичных эндонуклеаз – рестриктазы (ферменты рестрикции); именно их использование позволило добиться решающих достижений при расшифровке первичной структуры ДНК, а также разработать технологии получения рекомбинантных ДНК (что лежит в основе генной инженерии). Рестриктазы катализируют гидролиз геномной ДНК на достаточно крупные фрагменты (до нескольких тысяч звеньев) в строго определенных местах. Рестриктазы «узнают» симметричные (самокомплементарные) участки двойной спирали ДНК – палиндромы, в которых первичная структура одной цепи «слева направо» совпадает с первичной структурой второй цепи «справа налево». Каждая рестриктаза узнает «свои» палиндромы; при этом реализуются два варианта разрезания палиндромов:

Впервом варианте гидролиз связей в обеих цепях идет в одном месте, и образуются полностью двухцепочечные осколки (разрезание с образованием «тупых концов»). Во втором варианте гидролизуются связи в разных местах палиндрома и образуются фрагменты с короткими одноцепочечными участками («липкими концами»). Оба варианта используют для получения рекомбинантных ДНК.

Вне организма (in vitro)специфическая частичная деструкция биополимеров может происходить не только при катализе ферментами, но и при действии некоторых химических реагентов. В частности, специфическое расщепление полипептидных цепей происходит при действии бромциана (Br-CN): расщепляются только связи метионин-тирозин и метионин-аланин. Другой пример – расщепление ДНК гидразином в присутствии высокой концентрацииNaCl: оно происходит специфически по связям цитозинового звена; этот и другие реагенты использовались для определения первичной структуры ДНК по методу Максама-Гилберта.