|
|
ХІМІЯ Електронний посібник |
|||||||
|
|
6. БАГАТОМАНІТНІСТЬ ТА ЗВ’ЯЗКИ МІЖ КЛАСАМИ ОРГАНІЧНИХ
СПОЛУК |
|||||||
|
6.1. Зв’язки між класами
органічних речовин 6.2. Загальні поняття про
біологічно активні речовини 6.1. Зв’язки між класами органічних речовин Ви вже знаєте, що органічних сполук існує значно більше за неорганічні й вони набагато різноманітніші. І ви вже могли у цьому переконатися. Причинами багатоманітності органічних сполук є: Ø утворення атомами Карбону гомоланцюгів – ланцюгів з атомів одного хімічного елемента. Карбон – унікальний хімічний елемент, що може утворювати енергетично стабільні гомоланцюги. Існують також інш і елементи, для яких характерні гомоланцюги, але не настільки стабільні й довгі, як у
Карбону; Ø існування сполук з простими
та кратними зв’язками. Можливість утворення подвійного чи потрійного зв’язку в молекулах збільшує
число можливих органічних
речовин та урізноманітнює
класи сполук; Ø існування ізомерів. Що більше атомів (однакових чи різних) міститься
в молекулі, то більше існує можливих комбінацій їх сполучення. Так,
не всі ізомери можуть існувати тривалий час, і не всі вони матимуть цінність для людини. Але ізомерія – дуже суттєвий чинник, що сприяє урізноманітненню й збільшенню числа органічних сполук; Ø існування сполук з різними
характеристичними групами. Характеристичні групи можуть утворювати атоми майже будь-яких хімічних елементів, навіть металічних, що зумовлює існування величезної кількості класів органічних сполук, значно більшого, ніж вивчають у школі; Ø хімічні реакції в живих організмах. На перший погляд здається, що в живих організмах сполук не так уже й багато (білки, вуглеводи тощо). Але це не так. Наприклад, лише білків існує
велика кількість різновидів:
майже 20 амінокислот
можуть утворювати поліпептидні
ланцюги різної довжини, з різним амінокислотним складом, різною
їх послідовністю. Це
також стосується інших органічних сполук у живих
організмах. Взаємозв'язок між органічними
та неорганічними сполуками.
Ще на початку вивчення органічної хімії ми зазначали, що органічними є речовини на основі атомів карбону, і досить
складно провести межу між органічними
та неорганічними сполуками.
Певним чином це зумовлено можливістю їх взаємного перетворення. Неорганічні речовини (чадний та вуглекислий гази,
сажа тощо) утворюються під час повного чи неповного згоряння органічних речовин. Органічні речовини також можна добути з неорганічних, зокрема, такими перетвореннями:
Взаємозв'язок між класами органічних сполук. Ви вже вивчили, які
взаємозв’язки існують між вуглеводнями. Ці взаємозв’язки ґрунтуються на способах взаємоперетворень
вуглеводнів різних гомологічних рядів. За цим принципом також можна
виявити взаємозв’язки між класами органічних
сполук. Певна річ, класів сполук
існує дуже багато, і взаємозв’язки між ними дуже різноманітні, але для вивчених
вами класів сполук схему
їх взаємозв’язків можна зобразити так:
Ґрунтуючись на знаннях про взаємозв’язки між різними класами сполук, про їхні властивості та методи добування, можна спланувати й здійснити майже будь-які перетворення. Цим користуються хіміки-органіки для синтезу нових, ще невідомих
сполук. Наприклад, ураховуючи наведену схему можна виявити такі генетичні зв’язки між класами органічних сполук: A.Алкан ® галогеноалкан ® спирт ® альдегід ® карбонова кислота ® естер. B.Алкан ® алкін ® алкен ® спирт ® альдегід ® карбонова кислота ® галогенопохідна карбонової кислоти ® амінокислота ® естер ® амінокислота ® поліпептид. C. Проста речовина ® карбід ® алкін ® альдегід ® спирт ® естер. 6.2. Загальні поняття
про біологічно активні речовини
Свою фізіологічну активність речовини можуть виявляти до певної групи
рослин чи тварин (але зазвичай мають на увазі людину) або до певних груп
клітин (тканин). Фізіологічну активність речовин можна використовувати для
лікування або підтримання нормальної життєдіяльності організму. Серед біологічно активних речовин виділяють декілька груп. Ця
класифікація не має чіткого хімічного підґрунтя, вона спирається більше на
фізіологічну дію та походження речовин.
До групи вітамінів належить понад 20 органічних речовин природного
походження й чимало їхніх синтезованих аналогів. Вітаміни, окрім назви, мають
умовні позначення великими літерами латинського алфавіту, а деякі з них ще й числами. Середня добова норма вітамінів
Формули вітамінів
свідчать, наскільки різноманітні склад і хімічна будова вітамінів.
Біологічна
роль вітамінів. Вітаміни регулюють в організмі обмін
речовин через систему ферментів, діють у комплексі з ними. І нестача навіть
одного вітаміну є небезпечною, бо порушуються обмінні процеси, унаслідок чого
розвиваються різного роду захворювання. Потреба у вітамінах кожної людини
індивідуальна й залежить від віку, стану здоров’я й навіть пори року. Найбільше організм людини потерпає від нестачі двох
вітамінів – С і B1. Організм людини досить чутливий до вмісту в ньому
кожного з вітамінів і йому
однаково небезпечні як
нестача, так і надлишок вітамінів. За нестачі розвивається захворювання на гіповітаміноз, за надлишку – на гіпервітаміноз. Стан, коли вітамін в організмі
відсутній, називають авітаміноз. Організм людини так влаштований, що не синтезує
більшості вітамінів, а тому надходження їх з їжею обов’язкове. Вітамін С (аскорбінова кислота). Підвищує захисні сили організму, поліпшує еластичність
судин, робить організм стійким до захворювань дихальних шляхів. Стимулює
діяльність ендокринної й центральної нервової систем, сприяє кращому
засвоєнню іонів феруму й нормальному кровотворенню. Нестача вітаміну С
проявляється втомою, кровоточивістю ясен, зниженням опірності організму до
інфекцій. Джерелами вітаміну С є шипшина, кизил, чорна смородина, плоди цитрусових,
червоний перець, хрін, петрушка, зелена цибуля, кріп, картопля, капуста,
лісові ягоди тощо. Вітамін А (ретинол) – вітамін росту й зору. Впливає на ріст людини,
поліпшує стан шкіри, посилює опірність організму до інфекцій. У разі нестачі
вітаміну погіршується зір, що може призвести до захворювання на курячу
сліпоту, розвивається сухість шкіри, організм втрачає вагу. На вітамін А
багаті продукти тваринного походження – риб’ячий жир, молочні жири, вершкове
масло, сир, яйця, печінка тощо. У рослинах міститься каротин, який в
організмі людини у присутності жирів перетворюється на вітамін А. На каротин багаті морква, червоний перець, абрикоси, гарбузи та інші. Вітаміни групи В відповідальні за енергетичний обмін в організмі,
поліпшують пам’ять, зменшують болі у випадках радикулітів, невритів,
захворювань органів травлення. Вітамін В1 (тіамін) позитивно впливає на м’язи й нервову систему, утворює
комплекси з ферментами, що регулюють обмін вуглеводів та амінокислот.
Міститься переважно в рослинах (зернівках гречки, проса, вівса), волоських
горіхах, абрикосах, шипшині, капусті. Багатий вітаміном B1 пшеничний хліб грубого помолу. Тіамін є також у молоці, м’ясі, яєчному
жовтку, дріжджах. Вітамін В2 (рибофлавін) впливає на ріст і
відновлення клітин, бере участь у процесах окиснення в усіх тканинах тіла
людини, підтримує нормальне функціонування очей. Природними джерелами
вітаміну В2 є печінка, молоко, яйця, дріжджі, а також зернобобові
рослини, шипшина, абрикоси, капуста, помідори. Вітамін В9, або фолієва кислота, бере участь у процесах
кровотворення, а також у синтезі нуклеїнових кислот. Найбільше його в зелені
та овочах – петрушці, квасолі, шпинаті, салаті, а також у печінці, нирках,
хлібі, сирі. Вітамін D (кальциферол) регулює фосфорно-кальцієвий
обмін в організмі. Він забезпечує всмоктування іонів кальцію в кишечнику і
транспортування їх до кісткової тканини. У разі нестачі цього вітаміну
порушується сольовий обмін, у кістках недостатньо відкладається сполук
Кальцію, вони втрачають міцність, а в дітей з’являється захворювання на
рахіт. Найліпшими джерелами вітаміну D є риба й морепродукти. Вітамін Е (токоферол) сприяє засвоєнню білків і жирів, бере участь у
процесах тканинного дихання, впливає на роботу мозку, нервової системи,
м’язів, затримує старіння, прискорює загоєння ран. Особливо важливим він є
під час великих фізичних навантажень. Найбільше його в нерафінованій олії,
особливо в соняшниковій, пророслій пшениці й житі, помідорах, петрушці,
насінинах шипшини. У невеликій кількості вітамін Е міститься у жирному м’ясі,
молоці, печінці. Вітамін РР (ніацин, або нікотинова
кислота). Задіяний у
клітинному диханні й обміні білків, регулює вищу нервову діяльність, роботу
органів травлення. Джерелами цього вітаміну є м’ясні продукти, особливо печінка
й нирки, яйця, молоко, вироби з борошна грубого помелу, крупи
(особливо гречана).
Терміни «фермент» та «ензим» – синоніми, перший почали застосовувати в
німецькомовних наукових статтях, а другий – у франко- та англомовній
літературі. Для ферментів характерна висока специфічність: для кожної хімічної
реакції існує свій фермент. Унаслідок цього склалася традиція в називанні
ферментів: у назві позначають субстрат (речовину або клас речовин,
перетворення якої каталізує фермент), хімічне перетворення та додають суфікс -аза-.
6.3. Роль органічної хімії
у розв’язанні сировинної,
енергетичної, продовольчої
проблем, створенні нових матеріалів Досліджуючи органічні речовини, учені не лише роблять
наукові відкриття, а й сприяють розв’язанню сировинної, енергетичної,
продовольчої проблем, створюють нові матеріали, яких не існує в природі та
які своїми властивостями не поступаються природним, а багато в чому й кращі
за них. Нині кількість синтезованих сполук сягає понад 8 мільйонів.
Органічній хімії належить провідна роль у забезпеченні людства одягом і
житлом, джерелами енергії, у створенні нових матеріалів, зміцненні здоров’я
людини й захисті довкілля. Роль органічної хімії в розв’язанні сировинної проблеми. Нафта, природний газ, кам’яне вугілля внаслідок
різноманітних хімічних і фізико-хімічних перетворень забезпечують органічний
синтез необхідною сировиною.
Завдяки винайденню
процесу переробки нафти одержують сотні найменувань різноманітних
нафтопродуктів, кожний з яких є чи може стати цінною сировиною для тієї чи
тієї галузі сучасного виробництва. Це дало змогу відмовитися від
дороговартісної харчової сировини у виробництві каучуків, розгорнути потужне
виробництво полімерів, фарб, ліків тощо синтетичним способом. Найважливіші нафтопродукти – це моторне паливо (авіаційний і
автомобільний бензини, реактивне й дизельне паливо); енергетичне паливо
(паливо для газових турбін і котелень); нафтові масла (засоби, призначені для
зменшення сили тертя). Нафтопереробні заводи (мал. 6.1) виробляють нафтопродукти
та готують сировину для такої галузі промисловості, як нафтохімія.
Мал. 6.1. Кременчуцький
нафтопереробний завод З року в рік у світі зростають потреби в бензиновому паливі, тоді як його
вихід як результат прямої перегонки нафти становить від 5 до 20 %. Зростання
попиту на бензин спонукало вчених до пошуку нових способів переробки
вуглеводневої сировини, що входить до складу нафти. Один з них дістав назву крекінг нафти. За крекінг-процесу
вихід бензину може досягати 75 %. Різні види транспорту використовують настільки багато бензину та іншого
палива, що перед хімією постало завдання заміни його на альтернативні –
дешевші та екологічно безпечніші види, наприклад гази: метан, пропан, бутан,
водень. Нині в багатьох країнах світу, зокрема й в Україні, вчені працюють
над технологічним втіленням цієї ідеї з метою перетворення біомаси (листя та стебел рослин, гною тощо) на біопаливо (біогаз). Основу біогазу становить метан (близько 55 – 75 %).
Сьогодні відомі різні види біопалива, тобто палива, одержаного з біологічної
сировини. Людство добуває дедалі більше природних копалин для виготовлення нових
речовин і матеріалів. За останні п’ять років корисних копалин було добуто
більше, ніж за всю історію людства. Уже сьогодні багато країн відчувають брак
окремих видів сировинних ресурсів. В Україні, наприклад, не вистачає нафти й
природного газу. Для розв’язання сировинної проблеми останніми десятиліттями
активно розвивається новий напрям хімії – «Зелена хімія» (Green Chemistry), метою якого є розвиток замкнених технологій,
безпечних для навколишнього середовища. Також у світі прийнято та реалізують концепцію сталого розвитку (мал. 6.2).
Вона передбачає такі принципи природокористування, які дозволять «передати»
нашу планету нащадкам невиснаженою та забезпечити їхній розвиток, а не
примусити їх розв’язувати численні
екологічні проблеми.
Мал. 6.2. Концепція
сталого розвитку є
результатом балансу трьох основних складових: економічної,
соціальної та екологічної Хіміки пропонують методи комплексного та раціонального використання
сировини, її комплексної переробки, ліквідації відходів, багато з яких
завдають шкоди навколишньому середовищу і здоров’ю людини. Створення нових матеріалів – актуальне завдання сьогодення. У сучасних технологіях
часто використовують великий тиск, температуру й агресивну дію хімічних
речовин. Матеріали з новими, поліпшеними властивостями мають замінити
застарілі, що недостатньо стійкі й міцні. Нових матеріалів потребують і
високотехнологічні галузі: космічна й атомна техніка, електроніка. Для
практичних потреб необхідні такі матеріали, як полімери, барвники, волокна. Із розвитком медицини виникла потреба в заміні частини органів та тканин
в організмах. Матеріали, які можна використовувати для виготовлення
різноманітних імплантів, створюють у хімічних лабораторіях (мал. 6.3).
Мал. 6.3. Сучасні
біоматеріали використовують
для виготовлення штучних суглобів (а) та багатофункціональних
протезів кінцівок (б) Особливе місце серед нових матеріалів посідають композити – матеріали, що складаються із пластмасової
основи (матриці) і наповнювача. За багатьма властивостями – міцністю,
в’язкістю тощо – композити набагато перевищують традиційні матеріали, завдяки
чому потреби суспільства в них невпинно збільшуються (мал. 6.4). На створення
композитів витрачають дедалі більше зусиль і ресурсів, а головними
споживачами композитів сьогодні є автомобільна й космічна галузі.
Мал. 6.4. Використання композитних
матеріалів: вуглецеву тканину (вуглеволокно) (а) використовують для армування деталей
спортивних велосипедів та автомобілів (б), склопластиком (склотканиною) армують
акрилові ванни (в) тощо Синтетичні барвники. Природні барвники
– це органічні сполуки, які виробляють живі організми і які забарвлюють тваринні й рослинні клітини і тканини. Переважно це сполуки жовтих,
коричневих, чорних і червоних кольорів, серед них дуже мало синіх і
фіолетових, а зелені майже не трапляються. Уперше штучно барвник було отримано 1883 року – у лабораторії
Адольф Байер синтезував індиго.
Сучасна промисловість виробляє тисячі синтетичних барвників різноманітного
складу будь-якого кольору й відтінку. Їх застосовують для фарбування волокон
і різних текстильних матеріалів, шкіри, хутра, паперу, деревини тощо (мал.
6.5). Розчинні в органічних розчинниках синтетичні барвники використовують для
забарвлення бензинів, парафіну, спиртів, восків, олій, пластмас, гум.
Останнім часом багато зусиль витрачається на розробку барвників, які можна
використовувати для виготовлення рідкокристалічних дисплеїв, в електронній
техніці.
Мал. 6.5. Різноманітні
барвники використовують у
виробництві тканин, пластмас, лаків і фарб, а харчові
барвники – у харчовій промисловості Енергетична проблема. Забезпеченість енергією є найважливішою умовою соціально-економічного
розвитку будь-якої країни – її промисловості, транспорту, сільського
господарства, сфер культури, побуту. Особливо багато енергії споживає хімічна
промисловість. Хімічні виробництва (разом з нафтохімічними) є найбільш
енергоємними галузями індустрії. Ви пускаючи приблизно 7 % промислової
продукції, вони споживають майже 13 – 20 % енергії, що витрачається всією
промисловістю. Джерелами енергії є переважно традиційні природні ресурси – вугілля,
нафта, природний газ, торф, сланці. У різних країнах енергетичну проблему
вирішують по-різному, і чималий внесок у її розв’язання робить саме органічна
хімія. Насамперед розвивається напрям добування біопалива – палива,
придатного для використання в автомобілях, але виготовленого не з вичерпних
копалин, а з рослинної сировини. Крім того, створення нових матеріалів дасть
змогу активно розвивати напрям альтернативної енергетики. Це, зокрема,
речовини для активного поглинання, перетворення та акумулювання сонячної
енергії (мал. 6.6).
Мал. 6.6. Використання альтернативних джерел енергії та енергоощадних технологій дозволяє розв'язати
глобальну енергетичну
проблему Питання для самоконтролю 1. Наведіть причини багатоманітності органічних
сполук. 3. Які речовини називають
біологічно активними? Наведіть приклади. 5. Дайте визначення поняттю
ферменти. 7. Охарактеризуйте роль органічної хімії у
розв'язуванні сировинної проблеми. 8. Яка роль органічної хімії у розв’язанні енергетичної
проблеми? |
||||||||
