| |
 |
Молекулы
Простые молекулы легко составлять из атомов, пользуясь системой валентностей, приведенной на рис.1. Первое, что приходит в голову - это разместить по атому водорода на каждую валентность всех других атомов, как показано на рис.2.
Таким образом мы получим формулу строения хорошо известных веществ. Ну, о воде и говорить нечего. Метан - это горючий газ, составляющий большую часть "природного газа", который горит в газовых плитах и колонках. Аммиак - это газ с резким запахом. Его водный раствор продается в аптеках, и известен нам, как нашатырный спирт. Сероводород - это газ с запахом, похожим на запах протухших яиц. Его можно встретить в школьных химических лабораториях или у застойных водоемов.
Формулы простых веществ настолько хорошо знакомы химикам, что, как правило, рисованием структур, как мы это сделали выше, никто себя не утруждает. Принято просто указывать обозначения имеющихся в молекуле атомов и количество тех атомов, которые представлены в ней несколько раз. Так, метан обозначается СН4, аммиак - NH3, вода - Н2О, а сероводород - Н2 S. Записывая молекулы таким образом, мы пользуемся эмпирическими формулами. Для небольших молекул этого, как правило, бывает вполне достаточно.
Иногда соседствующие атомы удерживаются вместе с помощью двойных или тройных связей.
Когда два атома кислорода связаны вместе, обе валентности каждого атома оказываются задействованными в этой связи, и в результате получается молекула, состоящая из одинаковых атомов. Вещество, состоящее только из таких молекул, является химическим элементом. В атмосфере кислород представлен не отдельными атомами, а молекулами, состоящими из двух атомов каждая. Таким образом, атмосферный кислород можно назвать молекулярным кислородом. Атмосферный азот тоже имеет вид молекул, состоящих из двух атомов, связанным между собой по всем трем валентностям атомов азота. Газообразный водород тоже состоит из двухатомных молекул, связанных между собой одной-единственной связью, ведь у атома водорода всего одна валентность.
Разные атомы тоже могут иметь между собой более одной связи, как это происходит, например, в молекулах углекислоты или синильной кислоты. Однако факт того, что связи - двойные и тройные, никак не влияет на правила их образования. Сосчитав все связи, имеющиеся у каждого атома в любой молекуле на рисунке 3, вы сами можете убедиться, что у атомов кислорода и серы всегда реализовано по две валентности, у атома азота - три, у углерода - четыре, а у водорода - одна.
При написании эмпирических формул, двойные и тройные связи не упоминаются никак, остается только голый подсчет атомов. Так, формула молекула кислорода - О2, азота - N2, углекислоты - СО2, синильной кислоты - НСN, и так далее.
До сих пор я приводил примеры только простых молекул. Если вернуться к аналогии со словами, то это - слова односложные.
Фактом существования более в живой ткани более сложных молекул мы обязаны уникальным свойствам углерода, вещества, присутствующего во всех живых организмах. Атомы углерода имеют замечательную способность соединяться в длинные и притом стабильные цепочки. Поскольку валентностей у углерода четыре, то эти цепочки могут разветвляться. В качестве примера можете посмотреть на молекулу, изображенную на рис. 4.
Вещество, имеющее такую молекулу, называется изооктаном. В нем восемь атомов углерода объединены в разветвленную цепочку. Валентности атомов углерода, не заполненные другими атомами углерода, заполняются здесь атомами водорода. Сосчитайте, и вы увидите, что в молекуле восемь атомов углерода и восемнадцать - водорода. Поскольку молекула изооктана состоит только из водорода и углерода, то изооктан считается относящимся к классу углеводородов. Известный всем бензин представляет собой смесь различных углеводородов, с изооктаном в качестве важного компонента.
Эмпирическая формула изооктана - С8Н18, но, добравшись до углесодержащих молекул, пора перестать пользоваться бесполезными далее эмпирическими формулами. Восемь атомов углерода можно ведь расположить и в линию.
Тогда мы получим молекулу нормального октана, свойства которого несколько отличаются от свойств изооктана. Разница в свойствах говорит о том, что октан и изооктан являются различными веществами, а эмпирическая формула обоих будет С8Н18.
Другими словами, одну молекулу отличает от другой не только природа и количество составляющих ее атомов, но и структура, согласно которой они расставлены. Именно по этой причине при работе со сложными составляющими живой ткани мы просто обязаны пользоваться структурными формулами, в противном случае у нас ничего не получится.
По мере того, как структурные формулы становятся все длиннее и сложнее, все удобнее становится обращаться к определенным участкам молекулы, к сочетаниям атомов, часто встречающимся в молекуле. Если вернуться к аналогии со словами, это будет подобно разбиению длинного слова на слоги для удобства произношения.
Метиловая группа представляет собой атом углерода, связанный с тремя атомами водорода. Посредством своей четвертой валентности, на данном рисунке свободной, эта группа может крепиться к практически любому другому атому. Если это будет одинокий атом водорода, то в результате мы получим метан (как на рис. 2). Поэтому, сочетание атома углерода с тремя атомами водорода называется метиловой группой. В формуле изооктана (рис. 4) мы видим пять метиловых групп, каждая из которых крепится к одному атому углерода.
Для экономии места, метиловую группу можно записывать в стиле эмпирических формул, СН3- . Обратите внимание на тире - оно обозначает свободную валентность группы. Метиловая группа - это не молекула! В молекулах, по крайней мере, в тех, о которых будет идти речь в данной книге, валентности всех атомов заняты. Так что метиловая группа - это лишь часть молекулы, "слог" для "слов" языка химии.
Метиловая группа может крепиться не только к водороду или углероду. Часто она крепится к кислороду, азоту или сере, примеры чего я привел на рис. 7.
Каждую из этих молекул можно было бы назвать "двусложной". Один "слог" в ней - это метиловая группа, а второй - оставшаяся часть.
Кислородно-водородная комбинация, имеющаяся в метиловом спирте, записывается -ОН, по обозначениям составляющих ее атомов. Это - гидроксильная группа.
Комбинация из атома азота и двух атомов водорода, имеющаяся в метиламине, записывается как -NН2. Одним атомом водорода больше - и будет уже аммиак, поэтому вся группа называется аминогруппой. Комбинация из серы и водорода в метандиоле, -SН, называется меркаптановой группой.
Иногда у группы атомов может оказаться и две свободных валентности. Атом углерода и атом водорода могут быть связанными двойной связью, тогда у атома углерода останется еще две свободных валентности. Такое положение выражается записью =СО. Это карбониловая группа, и если вы посмотрите сейчас на рис. 3, то увидите, что в формуле формальдегида карбониловая группа присутствует.
Или еще - может получиться так, что два атома серы будут связаны одинарной связью. Тогда у каждого из них останется по одной свободной валентности, всего две. Тогда мы будем иметь дисульфидную группу -SS- .
Одним из органических веществ, издревле известных человеку в сравнительно чистом виде, является ускусная кислота, слабым раствором которой является известный всем уксус.
Как видите, молекула уксусной кислоты - "трехсложная". В ней имеется метиловая группа, прикрепленная к карбониловой, которая, в свою очередь, прикреплена к гидроксильной. Сочетание карбониловой и гидроксильной групп встречается очень часто, поэтому принято считать его отдельным самостоятельным "слогом", сокращая в обозначениях "карбонилово-гидроксильная" до "карбоксильной". Поскольку наличие карбоксильной группы придает молекуле кислотные свойства, иногда ее называют "карбоновокислой группой".
Карбоксильную группу часто обозначают, как -СООН. Не самое лучшее, конечно, представление, поскольку из него может показаться, будто атомы кислорода соединены между собой, а это не так. Лично я предпочитаю запись -(СО)ОН или -СО(ОН), но что-то подсказывает, что вряд ли мне удастся изменить вековые химические традиции.
Если в карбоксильной группе гидроксильную часть заменить на аминогруппу, в результате мы получим -СОNН2. Такая группа будет называться амидной.
Кроме этих восьми групп существует еще множество других, с которыми приходится иметь дело профессиональному химику, подвизающемуся в области органической химии, но нам перечисленной восьмерки будет достаточно. Итак, удобства ради, вот их список:
-СН3 - метиловая группа
-ОН - гидроксильная группа
-ТН2 - аминогруппа
-SН - меркаптановая группа
=СО - карбониловая группа
- SS- - дисульфидная группа
-СООН - карбоксильная группа
-СОNН2 - амидная группа
Карбоновые кольца
Но это еще не все. Нужно учесть еще одну тонкость.
Атомы углерода имеют склонность к образованию колец. Комбинации, основанные на этих кольцах, чрезвычайно стабильны, особенно если кольца составлены из пяти-шести атомов, а стабильнее всего они в тех случаях, когда в звенья кольцевой цепи соединены попеременно то одинарными, то двойными связями. Самый лучший пример приведен на рис. 9.
Это молекула бензола. Ядро ее состоит из шести атомов углерода, каждое из которых соединено с одним из соседних атомов углерода одинарной связью, а с другим - двойной. Четвертая валентность каждого атома занята атомом водорода.
Кольцо из шести атомов углерода, в котором чередуются двойные и одинарные связи, называется бензольным кольцом. Оно настолько стабильно, что его обнаруживают в тысячах соединений.
Химикам так часто приходилось упоминать это кольцо в своих формулах, что они не могли не задаться вопросом, как бы его обозначить покороче. Чаще всего эта задача решается с помощью геометрии. Бензольное кольцо рисуют в виде простого шестиугольника, обозначая лишь одинарные и двойные связи, как на рис. 10.
Чтобы восстановить по этой фигуре схему строения бензола, достаточно поместить на каждую из вершин шестиугольника по одному атому углерода, и не забывать о том, что каждый атом углерода соединен четвертой валентностью с атомом водорода.
Но что, если свободные валентности атомов углерода обеспечивают связь не с атомами водорода? Тогда эти "нестандартные" атомы или группы атомов обозначают дополнительно. Вот примеры на рис. 11: в веществе толуол к бензольному кольцу прикреплена метиловая группа, в веществе фенол - гидроксильная группа, а в веществе анилин - аминогруппа. Для простоты все дополнительные группы всегда записывают в эмпирическом виде. Далее я покажу, как еще сильнее упростить запись.
Иногда атомное кольцо состоит не только из атомов углерода. Могут использоваться и другие атомы, обычно это азот или кислород. В таких случаях при записи "нестандартный" атом отмечается на геометрической фигуре. Тогда можно быть уверенными, что на любой другой, неотмеченной фигуре многоугольника находится атом углерода. В качестве примера на рис. 12 приведены формулы двух веществ в полной и сокращенной формах записи.
Представленные вещества - фуран и пиррол - имеют только по пять атомов в кольце, так что их геометрическое представление - пятиугольник.
Разумеется, кольца из шести звеньев тоже могут включать в себя не только углерод. Вот примеры на рис. 13: имидазол - пятизвенное кольцо с двумя атомами азота, а пиримидин - шестизвенное с двумя же атомами азота.
Кроме того, атомы углерода (не исключая их сочетаний с небольшим числом других атомов) способны образовывать не только простые кольца, но и комбинации колец. К примеру, комбинация бензольного и пиррольного колец называется индол, а пиримидинового и имидазольного колец - пурин. Они изображены на рис. 14.
Приведенные примеры ни в коем случае не представляют собой исчерпывающий список колец, обнаруживаемых в огромных сложных соединениях. На самом деле, химики иногда выпускают достаточно объемные справочники, заполненные как раз перечнем различных встретившихся им колец и комбинаций колец, где дают всем этим группам названия.
Однако, в рамках данной книги нам понадобятся только те семь колец и комбинаций колец, что были только что перечислены. Итак, для удобства, я повторю их в геометрическом представлении на рис. 15.
8 групп и 7 колец, приведенных в данной главе - это практически полный список тех "слогов" химического языка, которые понадобятся нам в дальнейшем. (Еще один-два я добавлю по ходу дела).
Рис. 15: Список колец. бензольное кольцо, фурановое кольцо, пиррольное кольцо, имидазольное кольцо, пиримидиновое кольцо, индольное кольцо, пуриновое кольцо.
[стр. 50]
Это может показаться вам слишком простым. Как с помощью такого небогатого инструментария можно объяснить класс таких сложных и разнообразных веществ, как белки?
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
п»ї1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21
| |
| |
|
|
|
