4. Гигантские молекулы

Фантастические материалы

Гигантские молекулы трех типов существуют в природе миллиарды лет, с тех пор как на Земле появилась жизнь. Это нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Молекулы каждого из этих типов играют в живых организмах двоякую роль.

Молекулы нуклеиновых, особенно дезоксирибонуклеиновых, кислот можно образно назвать молекулами-хозяевами жизни. Они являются носителями наследственности - обеспечивают точное повторение и воспроизведение всех деталей живых организмов. Это происходит благодаря их способности точно реплицироваться внутри клеточных ядер так, что при делении клетки каждая из двух дочерних клеток содержит тот же набор нуклеиновых кислот, который содержался в материнской клетке. Вторая функция молекул-хозяев - вести белковый синтез внутри клетки, что уже обсуждалось выше.

Другой тип гигантских биологических молекул - белки; в зависимости от своей природы они выполняют одну из двух следующих функций: действуют в качестве катализаторов химических реакций, за счет которых поддерживается жизнь клетки, и являются строительным материалом для мышечных волокон, превращая химическую энергию аденозинтрифосфата (АТФ) в механическую энергию мышечного сокращения. Это дает организму возможность перекачивать кровь, усваивать пищу и передвигаться. Важную роль играют белки и как природные защитные материалы, из молекул которых построены кожа, мех, перья, предохраняющие животных от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Издавна пользуется этими белковыми материалами и человек.

Полисахариды представляют собой полимерные сахара. Выше уже было сказано, что молекула глюкозы была первичной молекулой пищи. Одной из функций полисахаридов является, таким образом, сохранение запаса питания. Растения полимеризуют глюкозу в гигантские молекулы крахмала, который они откладывают в своих семенах, обеспечивая питанием крошечные ростки во время их роста, до тех пор пока те не смогут сами начать процесс фотосинтеза. Животные полимеризуют глюкозу в гигантские молекулы гликогена и хранят их в печени, создавая этим резерв на случай голода. Второй функцией полисахаридов, наиболее характерной для растительного царства, является участие в создании конструкционных элементов. Все клетки растений полимеризуют глюкозу, образуя гигантские молекулы целлюлозы, идущие на построение стенок клеток. Агрегация таких клеток дает могучему дубу силу противостоять ураганным ветрам^*. Еще один продукт царства растений - хлопок - также представляет собой целлюлозу. Человек издавна использует эти материалы для своих нужд.

^* (Высокая механическая прочность и особенно продольная устойчивость одеревеневших растений связана с наличием в их стенках не только целлюлозы, но и полимерного ароматического вещества лигнина, соединяющего клетки между собой в единую жестко-упругую конструкцию. - Прим. ред.)

До недавних пор природа хранила секрет образования этих гигантских молекул. Несмотря на все попытки, человек, создавая искусственные органические материалы, не мог получить ничего равного природным материалам, таким, как шерсть, шелк, хлопок и дерево. Наконец, положение изменилось, поначалу были достигнуты лишь небольшие успехи в отдельных областях, зачастую успех приходил в результате случайностей. В настоящее время вещества, состоящие из синтетических гигантских молекул, обладающие наперед заданными специфическими свойствами и превосходящие по своим качествам природные материалы, ежесуточно производятся тоннами. Как же была создана эта удивительная технология? В основном она явилась результатом утомительного кропотливого труда, проб и ошибок, и тонкой наблюдательности ученых, плоды трудов которых служат улучшению условий жизни человечества.

История синтетических гигантских молекул началась более 100 лет назад в домашней "лаборатории" в Базеле (Швейцария). Христиан Шёнбейн, профессор химии, кипятил смесь азотной и серной кислот и нечаянно пролил ее на пол. Он быстро вытер лужу хлопчатобумажным передником жены. Зная, что едкие кислоты прожгут передник, профессор, надеясь избежать этого, прополоскал передник в воде. Затем он повесил, казалось бы, неповрежденный передник сушить над плитой. Однако передник вспыхнул и сгорел дотла. Так Кристиан Шёнбейн, сам не подозревая того, открыл способ превращения целлюлозы в нитроклетчатку.

Сейчас мы можем объяснить, что под действием смеси серной и азотной кислот гидроксильные группы молекул целлюлозы хлопчатобумажного фартука превратились в нитроэфирные группы, а целлюлоза - в нитроцеллюлозу - неизвестное ранее вещество, состоящее из гигантских молекул и обладающее в три раза большей взрывчатой силой, чем порох.

Присутствие в пролитой смеси серной кислоты было весьма благоприятным обстоятельством, поскольку серная кислота является отличным катализатором для реакций этерификации (см. приложение). Каталитическое действие связано с чрезвычайной силой концентрированной серной кислоты - она служит протонирующим агентом даже для азотной кислоты. Нитрующая смесь, состоящая из азотной и серной кислот, содержит ионы нитрония, которые образуются, когда протонированные молекулы азотной кислоты теряют воду. Атом азота иона нитрония легко подвергается атаке нуклеофильного агента, например спирта.

Пироксилин, как еще называют нитроклетчатку, случайно полученную Христианом Шёнбейном более 100 лет назад, превосходил порох и потому, что он давал гораздо меньше дыма. Улучшилась прозрачность воздуха на поле битвы, что позволило сражающимся яснее видеть друг друга - к лучшему это или к худшему - вопрос другой.

Открытие нитроцеллюлозы не означало, однако, создания гигантской молекулы человеком. Это была лишь модификация гигантской молекулы уже существовавшей в природе. Но вслед за этим были созданы различные новые весьма полезные вещества, основой которых служит целлюлоза.

Прежде всего надо назвать целлулоид, который был, по-видимому, первым изготовленным человеком материалом, заслуживающим названия "пластмасса".

Появлению целлулоида предшествовало получение коллодия. Почти тотчас же после первого получения нитроцеллюлозы молодой француз по имени Луи Менард обнаружил, что спирт и эфир растворяют нитроцеллюлозу, образуя после испарения прозрачное вещество, не обладающее волокнистым строением. Это вещество было названо коллодием, оно не нашло особенно широкого применения, кроме использования его в качестве защитного покрытия при небольших ранениях.

Превращение нитроцеллюлозы в коллодий, осуществленное Луи Менардом, очень облегчило экспериментальную работу с нитроцеллюлозой. В 1860 г. наборщик из г. Олбани (штат Нью-Йорк) по имени Джон Весли Йатт начал проводить опыты с коллодием, пытаясь присоединением к нему других веществ получить новый материал для замены слоновой кости при изготовлении биллиардных шаров. За создание заменителя дорогой слоновой кости была объявлена награда в 10 тыс. долл., и Джон Йатт решил добиться этой награды. Он нашел, что при смешении коллодия с камфорой образуется роговидное вещество, размягчающееся при нагревании, которое можно отливать или формовать выдавливанием, придавая изделиям разнообразную форму. [Камфора (бициклический кетон) представляет собой вещество, выделяемое камфарным деревом; она используется в медицине.]

Этот первый полученный синтетическим путем полимерный материал был назван целлулоидом. Для изготовления биллиардных шаров он оказался слишком хрупким, но его стали широко применять для изготовления расчесок, рукояток щеток, шариков для пинг-понга, фотопленок, мужских воротничков и многих других вещей. Вскоре целлулоид стали использовать вместо стекла для первых автомобилей, а изучение коллодия продолжалось.

В 1875 г. в Швеции Альфред Нобель, смешав коллодий и нитроглицерин, получил взрывчатое желе. Нитроглицерин похож на нитроцеллюлозу в том отношении, что они оба представляют собой нитроэфиры спиртов, однако нитроглицерин не является полимером. Глицерин это просто триоксипропан.

Взрывчатое желе называют также отвержденным нитроглицерином. Он представляет собой каучукоподобный эластичный материал, обладающий наибольшей бризантной силой из всех взрывчатых веществ, и используется для разрушения скальных пород.

Сам нитроглицерин - чрезвычайно опасная жидкость. Он очень легко детонирует при малейшем толчке. Число атомов кислорода в молекуле более чем достаточно для превращения атомов углерода и водорода в газообразные двуокись углерода и воду. Одновременно с этим выделяются газообразные азот и кислород, что еще более способствует внезапному увеличению объема и приводит к возникновению мощной взрывной волны.

Чрезвычайная чувствительность нитроглицерина к детонации была успешно устранена Альфредом Нобелем в 1866 г., через двадцать лет после первого получения нитроглицерина. Он обнаружил, что кизельгур (диатомитов а я земля) может поглотить количество нитроглицерина, втрое превышающее собственный вес кизельгура, все еще оставаясь при этом сухим. Поглощенный нитроглицерин сохраняет способность взрываться, но гораздо менее чувствителен к детонации. Эта смесь называется динамитом.

Затем в 1889 г. французский физиолог Илэр де Шардонне, продавливая коллодий через фильеру, получил тонкую нить, из которой была выткана ткань. Эта ткань из нитроцеллюлозы напоминала натуральный шелк, который ткут из нитей кокона шелкопряда. Искусственный шелк Шардонне сначала был горячо принят публикой, но затем яростно отвергнут, поскольку от малейшей искры его постигала та же участь, что и фартук, мгновенно сгоревший над плитой в домашней лаборатории Шёнбейна.

Успех в получении подходящей синтетической ткани пришел при использовании вместо нитрата менее взрывоопасного эфира целлюлозы - ацетата. При нагревании хлопка с уксусным ангидридом гидроксильные группы хлопка ацетилируются и огромные молекулы целлюлозы превращаются в огромные молекулы ацетата целлюлозы.

Как и нитрат целлюлозы, ацетат целлюлозы нельзя считать синтетическим полимером - он является синтетической модификацией природного полимера. Ацетат целлюлозы, известный также под названием вискозы, образуется в виде белого порошка при обработке целлюлозы уксусным ангидридом. Порошок растворяют в ацетоне, из раствора экструзией^* получают нить, из которой затем ткут ткань.

^* (Концентрированный раствор полимера в ацетоне продавливают через тонкое отверстие (называемое фильерой). Этот процесс называется экструзией. Выходящая из фильеры тонкая струйка полимера попадает в растворитель, который вымывает ацетон. В результате получается нить.)