Молекулярная структура. Химия органическая

Рассмотрим для начала два объекта - алмаз и кальцит, структура которых довольно характерна для обычного вещества:

В природе часто встречаются вещества подобного рода. Мы видим, что они имеют упорядоченную форму, и этому есть свои причины, что станет ясно при делении вещества на все более мелкие части. Отложим в сторону алмаз (наш бюджет не позволит проводить с ним эксперименты) и начнем дробить кальцит при помощи долота и молотка. Он распадется на мелкие куски, но - что самое интересное - эти куски будут повторять структуру большого куска. Не обращая внимания на размеры, можно заметить, что углы между гранями и плоскостями остаются постоянными. Раздробив минерал на мельчайшие частички и рассмотрев их под микроскопом, мы увидим все ту же, уже известную нам форму. Оказывается, такое строение имеют даже мельчайшие частички вещества.

Химики, которые называют кальцит карбонатом кальция, скажут, что его структура состоит из карбонатной группы (СO 3 , в которой атом углерода соединен с тремя атомами кислорода) и одного атома кальция. Физические наблюдения показывают, что многочисленные карбонатные группы и атомы кальция расположены в пространстве под теми же углами, что и грани большого кристалла кальцита.

Таким образом, видимая структура материала повторяет кристаллическую структуру. Это та же структура, только во много раз увеличенная.

Физические свойства вещества на макроскопическом уровне отображают закономерности на микроскопическом уровне.

Структура биологического материала также определяется его молекулярным строением. Многие биологические структуры походят на кристаллы, и под микроскопом видны их красивые, четкие формы. Мы уже видели, как упорядочены клетки внутри организма. Такое расположение зависит от структуры материалов, из которых они состоят.

Клетки и ткани всех организмов состоят из одних и тех же веществ. Прежде всего, это вода. На долю воды приходится около 70-90% всех биологических веществ, и потому физические и химические свойства воды во многом определяют свойства биологического материала. В воде растворены соли таких элементов, как натрий, калий, кальций, магний и хлор. Оставшаяся доля приходится на органические вещества, которые состоят из атомов углерода (С), связанных с атомами водорода, кислорода, азота (N) и иногда серы (S) и фосфора (Р).

Углеводороды

Самые простые органические молекулы, которые можно встретить в природном газе или в нефти, - метан, этан и пропан.

Каждый элемент характеризуется валентностью, или способностью образовывать определенное число химических связей. Валентность углерода равна четырем, поэтому каждый атом углерода может быть связан с четырьмя другими атомами; благодаря этому его свойству образуется большое число самых разных сочетаний атомов, что приводит к огромному разнообразию органических молекул (рис. 3.3). Две и три параллельные линии означают двойную и тройную связь соответственно. Связь посредством пары электронов называется ковалентной; она очень прочная, для ее разрыва требуется значительное количество энергии, потому органические молекулы довольно стабильны. Однако связи легко разрываются при сгорании (окислении), высвобождая большое количество энергии, поэтому углеводороды служат ценным видом топлива.

В самой простой органической молекуле метана атом углерода связан только с четырьмя атомами водорода. В другой молекуле атом углерода соединен одной связью с другим атомом углерода, образуя цепь С-С, на концах которой располагаются атомы водорода. Цепь С-С может достигать очень большой длины; молекулы воска, например, состоят из 30-36 атомов углерода. Цепь атомов углерода может также замыкаться в кольца различного размера. Но самое большое разнообразие получается от соединения атомов углерода с группами атомов других элементов. Например, гидроксильная группа ОН

Рис. 3.3. Разнообразие органических молекул, основным элементом которых служат атомы углерода, как правило, соединенные в цепи.

Каждая линия между атомами соответствует связи, то есть общей паре электронов. Двойные и тройные линии обозначают двойные и тройные связи между атомами. Более сложные молекулы, особенно те, что имеют кольцевые структуры, обычно изображаются в виде линий, в местах соединения которых атомы углерода (часто с одним или двумя атомами водорода) не обозначаются. Поскольку валентность углерода равна четырем, каждый атом углерода должен иметь четыре связи; если показаны только три связи атома углерода, то с этим атомом должен быть связан еще один атом водорода (кислород, связанный с водородом), присоединенная к углеродной цепи, образует спирт (алкоголь ).

Аминогруппа, состоящая из атома азота и двух атомов водорода (NH2), соединенная с углеродной цепью, образует амин. В более сложных группах атом кислорода связан с атомом углерода двойной связью (С=0), и одна из таких комбинаций, карбоксильная группа COOH, образует молекулу кислоты. (Кислотой называется любое химическое соединение, образующее ионы водорода; вспомним, что ионами называются положительно и отрицательно заряженные атомы или группы атомов.)

Комбинации всех видов этих групп с углеродными цепями различной длины и кольцами дает необычайно большое количество органических соединений, но в живых организмах часто встречаются лишь некоторые из них. Самые важные соединения - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

В любой из больших библиотек мира комнаты и полки с книгами тянутся, кажется, бесконечно. Количество томов в Библиотеке конгресса США исчисляется десятками миллионов. В каждом из них представлены различные истории, детальные анализы, исторические документы – все со своим мнением. Но все эти миллионы книг, написанные по-английски, состоят всего лишь из нескольких десятков тысяч слов, а каждое слово состоит из комбинации всего 26 букв – от A до Z [плюс пробелы, знаки препинания и цифры – прим. перев. ].

Тем временем все мы живём в окружении огромного и поразительного разнообразия материалов – включая и то, из чего создано множество типов биологических структур, входящих в состав наших тел и всех тел животных, растений и других живых существ. Планета, на которой мы обитаем, состоит из разного рода камней, некоторые из которых жёсткие и хрупкие, некоторые пластичные, обладающих различными цветами и текстурами. Кроме воды у нас есть алкоголь, кислоты, сахара и масла в различных видах. Готовящаяся в духовках еда выдаёт различные ароматы, которые мы вдыхаем из воздуха. К солям, мелу и сплавам нужно добавить синтетические материалы, включая разнообразные пластики. Но важно помнить, что огромные богатства Библиотеки материалов состоят из небольшого (хотя и довольно разнообразного) ассортимента молекул, которые, в свою очередь, состоят всего из сотни атомов – элементов от H до U и далее (от водорода до урана и далее).

Сложность такого письменного языка, как английский, зиждется на словах, а сложность материалов начинается с молекул. Точно так же инструкции по постройке огромного набора биологических форм можно закодировать в ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислоте – а конкретно, в нитях её трёхмолекулярных слогов, составленных из четырёх простых молекул, нуклеобаз. Причина сложности зиждется на простом математическом факте – большое разнообразие комбинаций может возникнуть из небольшого числа ингредиентов. Одного ингредиента недостаточно. Из буквы «а» можно составить всего десять разных слов, длина которых не будет превышать десяти букв: «а», «аа», «ааа», и так далее. Но из 26 букв уже может получиться 26 2 двухбуквенных слов, то есть 676, а десятибуквенных слов – и вовсе 141 167 095 653 376, гораздо больше, чем требуется для языка. Всего нескольких десятков тысяч слов, выбранных из множества миллионов или миллиардов потенциальных, достаточно для создания всей английской литературы. Те же принципы экспоненциального роста количества комбинаций позволяют нашему окружению формироваться из всего сотни разновидностей атомов, которые могут составляться в бесчисленное множество молекул, по размеру разнящихся от нескольких атомов до сотен и тысяч.

Начав со слов, или молекул, можно в исследовательских целях двигаться в двух направлениях. Можно попытаться понять, как сложные объекты собираются из их ингредиентов: что лежит за существованием отдельной книги или набора книг? Откуда взялся этот материал или класс материалов? Или же можно двигаться в другом направлении, определяя источник букв и атомов, основных строительных блоков.

Цель данной и последующих статей – ответ на второй вопрос, от молекул и вниз, до их истоков. Конечно, очень интересно изучать огромное разнообразие материалов, встречающихся в природе, коих так же много, как книг в Библиотеке Конгресса. Но, с другой стороны, происхождение молекул и атомы оказываются менее необъятной темой. Конечно, нельзя сказать, что ответ на эти вопросы простой и прямолинейный. Он вскрывает множество удивительных и неожиданных деталей атомной, ядерной физики и физики частиц (или высоких энергий). Как и в случае с источником букв алфавита, оказываются больше и интереснее, чем это можно было бы представить изначально. Он ведёт к открытиям, не ограничивающимся простыми свойствами материалов. Он ведёт физику к пониманию света, Солнца и других звёзд, истории Земли, пространства и времени, и Вселенной, по которой путешествуют Земля и Солнце.

Но перед этим необходимо рассмотреть ещё пару вопросов. Откуда нам известно, что все материалы состоят из молекул? Исторически, ответ на этот вопрос получали посредством сложных логических цепочек и огромного разнообразия научных опытов. До недавнего времени о существовании молекул можно было только догадываться, не напрямую, но довольно убедительно говорить на основании хитрых научных анализов и химических экспериментов. Сегодня же можно дать более прямолинейный ответ – поскольку сегодня мы можем «увидеть» молекулы . Мы видим их через микроскопы, хотя и не такие классические их виды, которые можно поставить на стол и заглянуть в них через окуляры. Это атомно-силовые микроскопы , и их способ рассматривания больше напоминает чтение шрифта Брайля; но свою задачу они выполняют. Они позволяют учёным делать фотографии материалов, детально разглядывать их структуру, подтверждая предыдущие предсказания, сделанные на её счёт. Они даже позволили разрешить предыдущие загадки конкретных молекул. Новые методы позволяют напрямую проверить все непрямые аргументы. Не то, чтобы мы сомневались на их счёт, поскольку они так часто успешно применялись в предсказаниях результатов химических реакций и в разработке и создании новых материалов! И, тем не менее, приятно знать, что эта дискуссия не абстрактна: молекулы и вправду существуют, и с помощью современных технологий мы можем обнаружить их напрямую.

В следующей статье мы рассмотрим атомы, то, из чего они состоят, и как из них получаются молекулы.

Химики, которые называют кальцит карбонатом кальция, скажут, что его структура состоит из карбонатной группы (СО 3 , в которой атом углерода соединен с тремя атомами кислорода) и одного атома кальция. Физические наблюдения показывают, что многочисленные карбонатные группы и атомы кальция расположены в пространстве под теми же углами, что и грани большого кристалла кальцита.

Они называются углеводородами, поскольку состоят из атомов углерода и водорода. Эти атомы можно изобразить в виде крошечных шариков, соединенных между собой химическими связями. При химической связи два атома делят между собой пару электронов - по одному от каждого атома. На наших рисунках связь между двумя атомами изображена в виде линии. Каждый элемент характеризуется валентностью, или способностью образовывать определенное число химических связей. Валентность углерода равна четырем, поэтому каждый атом углерода может быть связан с четырьмя другими атомами; благодаря этому его свойству образуется большое число самых разных сочетаний атомов, что приводит к огромному разнообразию органических молекул (рис. 3.3). Две и три параллельные линии означают двойную и тройную связь соответственно. Связь посредством пары электронов называется ковалентной; она очень прочная, для ее разрыва требуется значительное количество энергии, потому органические молекулы довольно стабильны. Однако связи легко разрываются при сгорании (окислении), высвобождая большое количество энергии, поэтому углеводороды служат ценным видом топлива.

Рис. 3.3. Разнообразие органических молекул, основным элементом которых служат атомы углерода, как правило, соединенные в цепи. Каждая линия между атомами соответствует связи, то есть общей паре электронов. Двойные и тройные линии обозначают двойные и тройные связи между атомами. Более сложные молекулы, особенно те, что имеют кольцевые структуры, обычно изображаются в виде линий, в местах соединения которых атомы углерода (часто с одним или двумя атомами водорода) не обозначаются. Поскольку валентность углерода равна четырем, каждый атом углерода должен иметь четыре связи; если показаны только три связи атома углерода, то с этим атомом должен быть связан еще один атом водорода

Аминогруппа, состоящая из атома азота и двух атомов водорода (NH 2), соединенная с углеродной цепью, образует амин. В более сложных группах атом кислорода связан с атомом углерода двойной связью (С=О), и одна из таких комбинаций, карбоксильная группа СООН, образует молекулу кислоты. (Кислотой называется любое химическое соединение образующее ионы водорода; вспомним, что ионами называются положительно и отрицательно заряженные атомы или группы атомов.)

Липиды, к которым относятся всем известные жиры и масла, состоят из длинных углеродных цепей - обычно из 16-18 атомов углерода. Мы прекрасно знакомы с их свойствами: ведь это те самые вещества, что оставляют несмываемые пятна на одежде. Все знают, что вода и масло не смешиваются. Вещества, которые смешиваются с водой, называются гидрофильными (буквально «любящими воду»), а вещества, которые, подобно маслу, не смешиваются с ней, называются гидрофобными («боящимися воды»). (Жирные, маслянистые пятна на одежде следует удалять при помощи сухих очистителей, в состав которых входят такие растворители как тетрахлорид углевода, или же при помощи растворителей, содержащих бензин, который также гидрофобен.) По существу, липиды можно определить как вещества, растворяющиеся только в гидрофобных растворителях.

Другие важные биологические вещества отличаются гигантским размером своих молекул. Молекулярный вес небольших молекул, таких, как пропан, бензин или сахар (вроде глюкозы), не превышает двух сотен единиц. В отличие от них, белки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие строительные материалы клеток образованы крупными молекулами - макромолекулами, потому что их молекулярный вес исчисляется тысячами единиц и более. В том, что строительные материалы клеток бывают столь большими, ничего необычного нет, ведь и мы при строительстве используем длинные стальные балки и перекрытия из фанеры и железобетона. Твердые части клеток также состоят из больших компонентов.

Но все эти макромолекулы имеют сравнительно несложную структуру. Они представляют собой полимеры, состоящие из повторяющихся одинаковых, или идентичных, молекул, называемых мономерами:

Например, углеводороды состоят из Сахаров, которые представляют собой небольшие органические молекулы с формулой вроде С 6 Н 12 О 6 . Сахара, представляющие наибольший интерес для нас, - такие, как глюкоза, галактоза и манноза - имеют сложную структуру. Они могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи, иногда даже с ответвлениями. Когда молекулы глюкозы соединяются специфическим образом (химики называют это бета 1:4 связью), то получается целлюлоза:

Целлюлоза - прочный волокнистый материал, из которого состоят стенки растительных клеток, и как следствие это основная составляющая древесины. Но если молекулы глюкозы соединяются иначе (альфа 1:4 связь, иногда с ветвями 1:6), то получаются крахмал и гликоген - основной запасной материал растений и животных. Другие сахара в различных соединениях образуют пектины и камеди, из которых состоит сочная мякоть плодов и других частей растений. Все эти полимеры, масса которых достигает нескольких тысяч единиц, называются полисахаридами, а составляющие их мономеры (сахара) - моносахаридами. Другие полимеры также носят названия, начинающиеся на приставку «поли-», что значит «много».

Одни из самых важных полимеров, белки, состоят из длинных цепей мономеров - аминокислот. Аминокислоты названы так, потому что содержат аминогруппу (NH 2) и группу органической кислоты (СООН). Две аминокислоты сцепляются посредством соединения карбоксильной группы одной с аминогруппой другой и выделением молекулы воды:

Образовавшаяся молекула {дипептид) на одном конце по-прежнему имеет аминогруппу, а на другом - кислую группу, поэтому к ней могут присоединяться другие аминокислоты. Три аминокислоты образуют трипептид, и так далее; молекула из многих аминокислот называется полипептидом, что, собственно говоря, и есть белок. В типичном белке в одну длинную цепь соединены 200-300 аминокислот. (Когда аминокислота утрачивает аминогруппу и кислотную группу, встраиваясь в цепь, она называется остатком аминокислоты.) Поскольку у средней аминокислоты молекулярный вес равен приблизительно 100 единицам, то цепь в 300 аминокислот, или средний белок, имеет атомный вес около 3000 единиц.

Природные белки образуются из 20 видов аминокислот, отличающихся только структурой своей боковой цепи (табл. 3.1). Аминокислоты могут соединяться в любой последовательности, поэтому клетки способны производить огромное количество видов белков. Их предполагаемое разнообразие выходит за рамки человеческого представления. Если имеется 20 видов аминокислот, то 2 аминокислоты - 400 видов дипептидов (с двумя остатками). Трипептидов уже будет 8 тысяч видов, тетрапептидов - 160 тысяч, а цепей из 300 аминокислот - 20 300 видов. Такое огромное число невозможно себе представить. Все белки, когда либо производившиеся земными организмами, составляют лишь небольшую часть возможного разнообразия.

Каждый вид белка отличается уникальной последовательностью аминокислот. Например, у человека молекула гемоглобина, входящего в состав красных кровяных телец - эритроцитов, переносит кислород с кровью. Она начинается с последовательности Val-H is-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu- Lys- Ser-Ala-Val-Thr-Ala (буквенные сокращения означают ту или иную аминокислоту). У обычного человека каждая молекула гемоглобина начинается именно с этой последовательности.

В простейшем организме производится по меньшей мере около 2 тысяч различных белков, а в сложных организмах, например у человека, - порядка 30-50 тысяч. (Недавние исследования определили именно такой диапазон, хотя точное количество остается неизвестным.) Каждый белок имеет структуру, подходящую для выполнения различных функций, поскольку белки - это основные «рабочие лошади» организма. Они выполняют практически все функции, которые мы отождествляем с понятием «живой организм»:

♦ белки - это ферменты, которые убыстряют и контролируют все химические реакции в организме;

♦ белки образуют видимые структуры тела: кератины служат строительным материалом волос, кожи и перьев; коллагены входят в состав хрящей и костей;

♦ белки образуют волокна, которые сокращают и растягивают мышцы и другие подвижные образования, такие как реснички и жгутики;

♦ белки составляют важный класс гормонов, которые передают сигналы от одного вида клеток в организме другому виду клеток;

♦ белки образуют рецепторы, которые получают сигналы, соединяясь с другими молекулами; клетка получает сигналы от гормонов, если молекула гормона соединяется с одним из ее
рецепторов; рецепторы, благодаря которым мы чувствуем вкус и запах, позволяют организму распознавать наличие небольших молекул во внешней среде и реагировать на них; белки переносят ионы и небольшие молекулы через клеточные мембраны, что необходимо для работы нашей нервной системы и таких
органов, как почки; белки регулируют все виды процессов и следят
за тем, чтобы они происходили с нужной скоростью.

Понять, каким образом устроены клетки и как они работают, можно, только узнав подробнее о некоторых функциях белков.

В этом разделе мы приступим к изучению химической связи в соединениях углерода и их молекулярной структуры. Атом углерода имеет электронную конфигурацию . В разд. 2.1 было рассказано о том, что четыре электрона на и 2р-орбиталях в атоме углерода могут гибридизоваться в результате образования четырех эквивалентных -орбиталей, которые отличаются друг от друга только пространственной ориентацией. Эти четыре орбитали позволяют атому углерода образовывать тетраэдрическую структуру. Классическим примером структуры такого типа может служить молекула метана (рис. 17.18). В молекуле метана каждая из четырех гибридных орбиталей атома углерода перекрывается с -орбиталью атома водорода, образуя -связь. Каждая -связь включает два электрона - один от атома углерода и один от атома водорода.

2s-орбиталь и две из трех -орбиталей в атоме углерода тоже могут гибридизоваться, образуя три гибридные -орбитали. Эти орбитали ориентированы в одной плоскости и позволяют атому углерода создавать плоские структуры. В таком случае у атома углерода остается еще один, не участвующий в гибридизации, электрон на -орбитали. Он может обобществляться с таким же -электроном соседнего атома углерода, образуя с ним пару связывающих электронов на -орбитали. Такой случай имеет место в молекуле этилена (рис. 17.19). Двойная связь в этой молекуле состоит из одной -связи и одной -связи. На рис. 17.19 -связь схематически изображена в виде двух электронных облаков.

В молекуле ацетилена (рис. каждого атома углерода и одна из его -орбиталей гибридизуются, образуя две -орбитали. Эти орбитали ориентированы вдоль одной линии и позволяют атомам углерода создавать линейную структуру. У каждого атома углерода остается еще по два электрона на разных -орбиталях. С

Рис. 17.18. Молекула метана.

Рис. 17.19. Молекула этена (этилена)

Рис. 17.20. Молекула этина (ацетилена).

помощью этих электронов атомы углерода образуют между собой две -связи, ориентированные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые проходят через эти атомы. Таким образом, тройная связь в молекуле ацетилена состоит из одной -связи и двух -связей.

В ароматических соединениях -электроны шести атомов углерода каждого углеродного цикла делокализуются, образуя -электронное облако (см. рис. 2.8).

Все насыщенные органические соединения содержат только ковалентные -связи. На рис. 17.21 и 17.22 схематически изображена химическая связь в молекулах пропана и метанола. На этих рисунках каждая пара перекрывающихся атомных орбиталей представляет одну -связь. На рис. 17.22, кроме того, показаны две несвязывающие орбитали атома кислорода. На каждой из них находится по два несвязывающих электрона. В формулах Льюиса каждая пара несвязывающих электронов на атоме кислорода изображается парой точек:

Трехмерное расположение атомов в молекулах органических соединений часто изображают с помощью моделей одного из двух типов: моделей из шариков и стерженьков либо объемных моделей. На рис. 17.21 и 17.22 показаны модельные изображения обоих типов для молекул пропана и метанола соответственно.

При записи структуры органических молекул иногда используется их развернутое

Рис. 17.21. Модели молекул пропана: а - орбитальная, б - из стержней и шаров, в - объемная.

Рис. 17.22. Модели молекул метанола: а - орбитальная, б - из стержней и шаров, в - объемная.

изображение, показывающее трехмерное расположение атомов (см. рис. 17.23, а) либо только его двумерное представление (рис. 17.23, б). Последнее используется в тех случаях, когда не рассматривается геометрическое строение молекулы. Однако во многих случаях достаточно указать всего лишь структурную формулу соединения (рис. 17.23, в). Она не дает информации о трехмерном расположении атомов в молекуле.

Рис. 17.23. Развернутые и обычные структурные формулы.