Как "построить" молекулу?

В 1861 году случилось выдающееся событие - в пробирке химика впервые было создано сахароподобное вещество!

Надо ли говорить о значении этого события? Население Земли удваивается каждые 60-100 лет. Ему надо все больше и больше пищи. Ради этого распахиваются новые земли, совершенствуется лов рыбы и так далее. А тут Бутлеров получил сахар, обрабатывая формальдегид известковой водой. К чему дальше культивировать плантации сахарного тростника и сахарной свеклы? Пищу - сначала сахар, затем и белки - можно создавать искусственно!

Но если вы сейчас будете искать искусственную пищу, вы ее не встретите, хотя минуло уже столетие со дня синтеза сахара. Химикам спутало карты... Впрочем, не будем забегать вперед.

В математике два - это всегда два, а вот в органической химии две молекулы, составленные из одних и тех же атомов, в одном и том же порядке, вовсе не обязательно равнозначны друг другу. И «виновник» этого - пространственное строение молекул.

Что это такое? На обеих руках у вас по пять пальцев. Порядок их расположения одинаков. Но попробуйте, перепутав перчатки, левую надеть на правую руку. Пространственное строение - вот что отличает левое от правого.

Полимерные молекулы - эти гигантские цепочки из отдельных звеньев небольших молекул, называемых мономерами, - строго ориентированы в пространстве относительно друг друга и в этом отношении похожи на перчатки. Некоторые из этих молекул выдают свои пространственные особенности тем, что одни из них, если их вращать, поворачивают поляризованный луч света вправо, а другие - влево. Тело животных и человека состоит только из левовращающих молекул белка. Правовращающие же молекулы организмом просто не усваиваются. Для него они «не съедобны». А поскольку синтетические продукты являют собой смесь право- и левовращающих молекул, то...

Выходит, мало получить нужное вещество. Нужно еще распорядиться архитектурой каждой молекулы. Чтобы каждая группа атомов в молекуле занимала строго определенное место в пространстве. А если это правило не соблюдено даже при создании технических полимерных материалов, то результаты бывают огорчительными.

Так, например, есть полистирол и полистирол. Полистирол, из которого изготовляются сейчас многие бытовые предметы, аморфен. Его молекулярное строение подобно непроходимой чащобе, где в беспорядке перепутались стебли, ветки, корни.

Но если бы молекулы полистирола были ориентированы в пространстве, располагались в строгом порядке, как посеянные квадратно-гнездовым способом растения, то такой полистирол был бы очень мало похож на своего «неорганизованного» однофамильца. Если аморфный полистирол имеет температуру плавления 80 градусов, то «организованный» полистирол (молекулы такого вещества называются стереорегулярными) - 240 градусов. Разница! Кроме того, стереорегулярный полимер вдвое прочнее.

Легко представить, какой скачок сделало бы народное хозяйство, если бы заводы выпускали только стерео- регулярные полимеры! И насколько бы у синтетических продуктов повысились шансы заменить естественные!

Но молекула - это не дом, а вещество не город, который можно построить как угодно. Трудновато представить себе «строительные леса» для каждой из многих триллионов молекул.

Вот почему все попытки получать чистые стереорегулярные полимеры не слишком обнадеживали. В лучшем случае с помощью специальных катализаторов удавалось получать смеси, в которых восемьдесят процентов молекул было ориентировано, а двадцать располагалось в беспорядке. Эти «неорганизованные» молекулы сразу ухудшали качество материала.

Было ясно, что материалы будущего нельзя получать старыми методами, нужно искать новые пути. И в свое время в лаборатории Научно-исследовательского института нефтехимического синтеза АН СССР нашли один из путей к этому.

Здесь сумели построить «строительные леса» для сборки молекул стереорегулярного полимера. А ведь и саму эту молекулу нельзя увидеть даже в электронный микроскоп.

«Строительными лесами» оказались молекулы другого вещества - мочевины.

Несколько упрощая, можно сказать, что молекула мочевины имеет форму угольника. При кристаллизации чистой мочевины угольники соединяются попарно, образуя ромб.

Но, взаимодействуя с углеводородом (являющимся мономером), молекулы мочевины соединяются не по две, а по три. Образуется шестиугольник, который «захватывает» молекулу мономера.

Как личинки в пчелиных сотах, лежат теперь молекулы мономера в кристалликах мочевины. Они располагаются внутри кристаллической решетки в строгом порядке, занимают определенное положение в пространстве. Если теперь «сшить» мономеры между собой, то есть связать их химической связью, то стереорегулярный полимер готов...

«Сшивание» мономеров производится с помощью облучения. Микрочастицы излучений возбуждают личинки-мономеры, заставляют их как бы взяться за руки. Полимеризацию под действием облучения можно производить за секунды, в то время как с помощью катализаторов она длится в течение часов. Ее можно вести в любом объеме вещества, лишь бы мощность излучателя была достаточной.

Хорошие металлические леса после окончания стройки разбирают и везут на новое строительство. Так и здесь. Когда полимеризация завершена, мочевину растворяют в воде и получают чистый полимер, а мочевина снова может быть полностью использована для того же процесса.

На кристаллической решетке мочевины, однако, могут полимеризоваться лишь мономеры, которые помещаются внутри канала, образованного шестиугольниками ее молекул. Но подобным образом взаимодействовать с углеводородами может не только мочевина. Сейчас ученые ищут вещества, которые, кристаллизуясь, образуют каналы другой величины и формы и которые, следовательно, могли бы служить «строительными лесами» для самых различных полимерных веществ.

Молекулы с заданной архитектурой... Вещества, которые строят по чертежу... Это огромный шаг химии вперед.

Гаврилова Н. В.

Похожие публикации

Космические факторы гравитации и жизнь на Земле

Боги в синих халатах

Электронный мозг производства