Полимеры получают путём полимеризации или поликонденсации.
Рис. 144. В Древнем Египте природные полимеры (смолу дерева Liuamber orientalis) использовали для бальзамирования умерших
Различие между этими реакциями состоит в том, что при полимеризации превращение молекул в полимер происходит без выделения каких-либо других химических соединений, а поликонденсация сопровождается выделением какого-либо вещества, например воды. Реакция поликонденсации носит ступенчатый характер: сначала реагируют друг с другом две молекулы исходного вещества, затем образовавшееся соединение взаимодействует с третьей молекулой исходного вещества, с четвёртой и т. д.
Попытки промышленного создания материалов на основе полимеров начали предприниматься с начала прошлого века. Причём в этой отрасли сразу выделились два направления: создание необходимых материалов на основе естественных полимеров и получение синтетических полимеров из молекул мономеров. Первым из природных полимеров, нашедшим применение в промышленности, была целлюлоза (клетчатка). Это самое распространённое в природе органическое вещество, которое является основным структурным компонентом клеточной оболочки всех растений. Мономер целлюлозы – глюкоза, молекулы которой объединяются в длинную неразветвлённую полимерную цепь. Первым промышленным веществом, изготовленным на основе целлюлозы, был целлулоид. Начиная с середины XIX в. из него во всём мире изготавливались фото– и киноплёнки, различные галантерейные товары, игрушки, мячи для настольного тенниса и многое другое. Впоследствии на основе целлулоида стали производить прозрачную упаковочную плёнку – целлофан. В то же время началось массовое производство вискозы – искусственного волокна, изготовленного из целлюлозы. Вискоза получила огромное признание из-за широкого применения и дешевизны (она изготавливается из отходов текстильной и бумажной промышленности и даже из древесных опилок). Перед тем как из раствора вискозы вытянуть нити, в него можно добавить различные химические реагенты и красители, в результате можно получить ткань, которая будет похожа на хлопок, шёлк, шерсть и даже атлас или бархат. В Советском Союзе на основе вискозы изготавливали прочный и плотный материал – кирзу, из которой шили сапоги для солдат, охотников и колхозников.
Параллельно шла разработка производства пластических масс и волокон из синтетических полимеров. В 1906 г. была запатентована бакелитовая (фенолформальдегидная) смола, которая при нагревании превращается в трёхмерный полимер. В течение многих лет из неё изготавливали корпуса для разнообразной бытовой техники. В 30-х гг. XX в. началось массовое использование синтетического каучука. Одновременно с ним появились новые материалы: полиметилметакрилат, известный под названием плексиглас или «органическое стекло», а также полистирол и поливинилхлорид (рис. 145), которые служат прекрасными электроизолирующими материалами.
В послевоенные годы изделия из синтетических волокон стали пользоваться огромной популярностью. Появились очень модные в то время женские чулки из капрона.
Рис. 145. Применение поливинилхлорида: 1 – искусственная кожа; 2 – изолента; 3 – изоляция проводов; 4 – трубы; 5 – линолеум; 6 – клеёнка
Ему на смену пришли нейлон и отечественное изобретение – лавсан, название которого означает Лаборатория Высокомолекулярных Соединений Академии Наук. Редко кто в то время не мечтал о рубашке, платье или костюме, сшитых из этих материалов.
В середине 50-х гг. XX в. были открыты катализаторы, значительно ускоряющие полимеризацию многих соединений. В результате за короткое время появились такие незаменимые в наше время вещества, как полиэтилен и полиуретаны. Из полиэтилена изготавливают упаковочную плёнку, всевозможные виды тары, трубы для водопровода, канализации и газоснабжения, а также бронежилеты и корпуса для лодок и вездеходов (рис. 146). Полиуретан применяется почти во всех отраслях промышленности для изготовления всевозможных уплотнителей, защитных покрытий, герметиков, деталей машин, клеев и многого другого. Во время образования полиуретана выделяется газ, поэтому из него можно изготавливать пенополиуретан, или пенопласт.
Таким образом, полимеры за последние полвека коренным образом изменили жизнь человечества. Однако свою главную роль они сыграли задолго до появления человека и продолжают её играть, обеспечивая существование всех людей и вообще всей жизни на нашей планете.
Рис. 146. Применение полиэтилена: 1 – медицинское оборудование; 2 – предметы домашнего обихода; 3 – плёнка для парников; 4 – трубы и шланги; 5 – клейкая лента; 6 – упаковочная плёнка; 7 – пакеты; 8 – детали
Проверьте свои знания
1. Какие соединения называют полимерами? Почему их часто также называют макромолекулами?
2. Что такое гетерополимеры? Сравните гомо– и гетерополимеры.
3. Чем различаются реакции полимеризации и поликонденсации?
4. Какой природный полимер является самым распространённым?
5. Назовите полимеры, чаще всего используемые в промышленности.
Задания
1. Подберите эпиграф к данному параграфу.
2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию об использовании полимеров в современном обществе. Вместе с одноклассниками организуйте и проведите дискуссию на тему «Возможно ли развитие современного мира без искусственных полимеров?».
§ 57 Соединения, необходимые для существования жизни: нуклеиновые кислоты, полисахариды
Без полимеров невозможно представить себе существование жизни в любых её проявлениях. Прежде чем на Земле появилась жизнь, на ней образовались биополимеры, т. е. полимеры, входящие в состав клеток и обеспечивающие их существование. Биополимерами являются нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Однако не следует забывать, что жизнь на Земле зародилась в водной среде, богатой минеральными солями. Именно уникальные свойства воды позволили нашей планете стать такой, какая она есть сейчас[13].
Нуклеиновые кислоты
Существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислота. В дальнейшем мы подробно расскажем о функциях, которые они выполняют в клетке, а пока познакомимся с их химическим строением.
Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из трёх частей: азотистого основания, пятиуглеродного углевода (пентозы) и остатка фосфорной кислоты (рис. 147).
Рис. 147. Общая формула нуклеотида(вверху) и четыре типа нуклеотидов ДНК
Нуклеотид ДНК в качестве азотистого основания может содержать одно из четырёх соединений: аденин, гуанин, тимин или цитозин. Все эти основания являются гетероциклическими соединениями, содержащими в своей молекуле атомы азота. При этом аденин и гуанин (пуриновые основания) состоят из двух конденсированных колец, а тимин и цитозин (пиримидиновые основания) – из одного кольца. К азотистому основанию прикрепляется пентоза – дезоксирибоза, а к ней, в свою очередь, остаток фосфорной кислоты (Н2РО-4). Таким образом, существует четыре вида нуклеотидов, различающихся входящими в их состав азотистыми основаниями. Их обозначают буквами А, Г, Т или Ц. Соединяясь через остатки фосфорной кислоты, нуклеотиды образуют одну из цепочек ДНК – полимер, в котором нуклеотиды являются мономерами. В одной цепочке молекулы ДНК может содержаться до нескольких сотен миллионов нуклеотидов. Длина самой большой молекулы ДНК человека равна 16 см, в то время как её толщина составляет всего несколько десятых долей нанометра.
ДНК всегда (за исключением некоторых вирусов) состоит из двух параллельных цепочек. Порядок, в котором расположены нуклеотиды в каждой из этих цепочек, находится в строгом соответствии с последовательностью нуклеотидов в другой. Это соответствие называют комплементарностью (от лат. compementum – дополнение). Оно проявляется в том, что каждому азотистому основанию в одной цепочке ДНК соответствует строго определённое основание, расположенное напротив в другой цепочке, а именно аденину соответствует тимин, а гуанину – цитозин, и наоборот (рис. 148).
