Техника - молодёжи 1984-03, страница 37

СКУЛЬПТУРНЫЙ ПОРТРЕТ МОЛЕКУЛЫ

НИКОЛАЙ ЗЕФИРОВ, член-корреспондент АН СССР

Как синтезировать вещества с заранее заданными свойствами: новые лекарства, термостойкие пластмассы, катализаторы, которые, подобно ферментам, ускоряют течение химических реакций в миллионы _у раз, но в отличие от них проявляют чрезвычайную стойкость « воздействиям внешней среды?

Чтобы научиться конструировать молекулы таких веществ, необходимо знать их геометрическую форму и трехмерное строение.

Мысль о том, что свойства вещества зависят от расположения атомов в пространстве, родилась еще в древности, по-видимому, одновременно с идеей существования самих атомов. Во всяком случае, у Аристотеля, излагающего учение Лев-киппа и Демокрита, мы находим рассуждения о том, что тела отличаются друг от друга формой простейших частиц, порядком их расположения и взаимным поворотом по отношению друг к другу. Аристотель приводит сравнение порядка соединения атомов между собой с порядком соединения букв алфа» вита, образующих все многообразие слов языка. И действительно, не только буква А, окажем, отличается от Д, но и слово «ад» отличается по смыслу от «да», хотя оба они состоят из одних и тех же букв. Различие в смысле обусловлено тем порядком, в котором находятся буквы в этих словах. Аналогичную картину наблюдаем мы и при соединении атомов в молекуле, порядок их сочетания определяет согласно теории химического строения А. М. Бутлерова свойства вещества. Однако если буквы лежат в одной плоскости — на странице книги или тетради, то атомы в молекулах могут расло лагаться во всех трех измерениях пространства.

Стереохимия — наука о пространственном строении молекул — прошла долгий путь. В 1815 году французский ученый Био установил, что растворы некоторых веществ могут поворачивать (или «вращать») плоскость поляризации света на определенный угол. Такие вещества стали называть оптически активными. Позднее выдающийся французский ученый Луи Пастер разработал методы получения оптически активных веществ из неактивных. Например, из виноградной кислоты ему удалось получить как природную правовращающую винную кислоту, так и другую, левовращающую.

Такова пространственная структура молекулы метана. Тетраэдрическое расположение связей в ней обусловливает устойчивость этого соединения.

Более того, Пастер пришел к пониманию, что оптическая активность является следствием асимметрии молекул. Однако годом рождения науки стереохимии принято считать 1874 год, ж.огда голландцу Якобу Хендрику Ван-Гоффу и французу Жозефу Ашилю ле Белю удалось показать, как и почему то или иное расположение атомов в пространстве, соединяющихся в трехмерную молекулу, определяет физические и химические свойства вещества. Они установили, что четыре связи, образуемые атомом углерода, направлены к четырем углам тетраэдра. Такая тетраэдри-ческая модель объясняет многие непонятные явления изомерии. Например, фумаровая кислота, выделенная из некоторых грибов, и синтетическая малеиноваН кислота имеют одинаковую структурную формулу. Однако в малеиновой кислоте заместители (группы, замещающие водород в углеводородном соединении) находятся по одну сторону от двойной связи, а в фу-маровой — по разные.

Эти кислоты являются, таким образом, изомерами в пространстве, или стереоизомерами. Приведем еще один пример. Вот перед нами молекулы каучука и гуттаперчи. И та и другая состоят из одних и тех же стандартных блоков-мономеров — молекул химического соединения (в данном случае изопрена), которые, объединяясь, образуют длинную цепь полимера, подобно тому как из одинаковых кирпичей строятся здания и сооружения разной этажности и различной архитектуры. Если у молекулы каучука ответвления от молекулярной цели располагаются только по одну

из ее сторон (та!к называемая цис-конфигурация), то у молекулы гуттаперчи — по разные стороны (транс-конфигурация). Молекула каучука напоминает по форме расческу, а гуттаперчи — щетку. Именно благодаря такому строению каучук эластичен, а гибкая и мяг кая гуттаперча не обладает упругостью. Молекулы самого каучуке тоже могут иметь различное строе ние. У природного они строго упорядочены: все блоки-мономеры расположены в них в определенной последовательности, как солдаты в строю. Такие полимеры называются стереорегулярными. В первых же синтетических каучуках подобного строения получать не удавалось. Здесь блоки-мономеры располагались хаотически, 1как люди в толпе. В результате первые синтетические каучуки уступали по своим качествам природным. Сегодня благодаря разработке методов получения стереорегулярных полимеров с использованием специальных катализаторов они по многим показателям даже превосходят натуральные. Подобным способом удалось резко повысить качество многих полимерных материалов, прежде всего пластмасс. Взять, к примеру, полистирол. Если его молекулы состоят из хаотически соединенных друг с другом мономерных -блоков, то пластмасса размягчается уже при 85° С. Стерео-регулярный же полистирол выдерживает температуру до 230° С.

Проблема термостойкости для полимеров особенно остра. Всем ведь хороши пластмассы: они легки, прочны, да и себестоимость их чрезвычайно низка, одна была у них беда — они не могли выдерживать высокие температуры и поэтому не конкурировали с металлами, скажем, в машиностроении. Это было следствием строения их молекул, которые сна'чала представляли собой линейные цепи мономеров, вроде веревки. Перережь ее в одном месте — и она разорвется. Совсем иное дело — лестница. Если у нее перепилить не только одну из ступенек, но даже одну боковую стойку, она не развалится. Значит, решили химики, для получения термостойких -полимеров необходимо научиться строить молекулы по «образу и подобию» лестницы. И такие «лестничные» полимеры уоке построены. К примеру, лестничный полиа'крилонитрил. Из него получен материал, названный «черным орлоном», который способен

НА ПЕРЕДНЕМ КРАЕ НАУНИ

з*