Органикалық химиядағы маңызды бағыттардың бірі-Полимерлік материалдарды зерттеу және жасау болып табылады, олардың бүгінгі таңда көптеген тұрмыстық және өнеркәсіптік мақсаттағы бұйымдар дайындалады.
Бұл күрделі тақырып, бірақ оны жалпы мағынада түсіну полимерлердің әртүрлі түрлерінің қасиеттері мен ерекшеліктерін жақсы түсіну үшін қажет.

Мономерлер дегеніміз не?
Органикалық химияда мономерлер атомдар, атомдар топтары немесе тұрақты полимерлік тізбектерді құруға қабілетті шағын молекулалар деп аталады. Сөз екі грек тілінен құралған: “моно” – бір, бір, және “мерос” – бір бөлігі. Көбінесе мономерлер ретінде органикалық заттар – этилен, ацетилен, Алкен және т. б. болады.

Табиғи мономерлердің мысалы ретінде амин қышқылдарын еске алуға болады, олар полимеризу арқылы күрделі ақуыз молекулаларын құрайды. Жасуша ядросындағы нуклеотидтер өте маңызды табиғи полимерлер – нуклеин қышқылдары РНК және ДНК құрайды. Бірақ қазіргі заманғы өнеркәсіпте пайдаланылатын полимерлердің басым көпшілігі химиялық кәсіпорындарда Органикалық синтез арқылы, акриламид пен акрил қышқылынан, этилен мен ацетилен, винил хлоридінен және т. б. алынған.

Полимерлер дегеніміз не?
“Полимер” сөзі “поли” грек сөзінен алынған — көп және “мерос” — бөлігі. Бұл химиялық зат, негізінен органикалық, оның молекуласы бірдей молекулалық кесінділерден-мономерлерден тұрады.

Полимерлер жоғары молекулалық қосылыстар деп аталады, өйткені олардың молекулалық салмағы өте жоғары және жүздеген мың және тіпті миллион бірлікке жетеді. Полимерлер поликонденсация мен полимерлеудің химиялық реакциялары нәтижесінде пайда болады.

Полимерлі молекулалардың үш түрі бар:

– сызықтық, мономерлік кесінділер бір-бірімен ұзын тізбек түрінде екі байланысқан кезде;

– макромолекула торлы құрылымды құрғанда торлы, ал әрбір мономер басқалармен үш немесе төрт байланыстардың көмегімен байланысты;

-бір молекулада екі валентті (екі байланысы бар) және үш-төрт валентті мономерлерді біріктіретін тармақталған.

Сызықтық және тармақталған полимерлер иілімді үлдірлер мен анизотропты талшықтарды түзуі мүмкін, ал торлы полимерлер жоғары беріктігімен, қаттылығымен және өте жоғары термотұрақтылығымен ерекшеленеді. Бірақ қатты қыздыру, балқыту температурасына дейін, тор құрылымын бұзады, содан кейін ол қалпына келтірілмейді.

Егер сызықтық немесе тармақталған полимерді қыздыру болса, онда ол пластикалық массаға айналады, ал қатып қалғаннан кейін өз қасиеттерін қалпына келтіреді, сондықтан олар көп рет қолдануға жарамды.

Полимерлерді химиялық жолмен алу
Полимерлер поликонденсация немесе полимерлеу процестері барысында жеке мономерлерден құралады. Поликонденсация екі немесе бірнеше атомдық топтардан тұратын мономерлер үшін мүмкін. Полимердің макромолекуласында, әдетте, қарапайым буынды бастапқы мономерден құрамы бойынша ерекшеленеді.

Реакция барысында кейбір атомдар жоғалады және олардан полимерден басқа заттар пайда болады. Жарқын мысал ретінде қызмет етеді поликонденсация капроннан бірі аминокапроновой қышқылы ағып бөле отырып, молекулалардың су “жоғалған” атомдар сутегі және гидрокси тобы.

Полимерлеу процесінде бірлі-жарым мономерлер полимердің молекуласына атомдарды жоғалтпай тұтас қосылады. Сонымен қатар, мономер молекулаларындағы еселі байланыстар бір реттік, ал екінші байланыстардың валентті электрондары мономер молекулалары арасындағы байланыстарды орнату үшін қызмет етеді. Этиленнен полиэтилен пайда болады.

Табиғи және синтетикалық полимерлер
Полимерлердің кейбір түрлері табиғи жолмен қалыптасады. Табиғи полимерлердің мысалдары целлюлоза, крахмал, жүн талшықтары, жібек немесе мақта, Табиғи каучук, сондай-ақ ақуыз қосылыстарының барлық түрлері сияқты кең таралған заттар бола алады.

Полимерлердің көпшілігі органикалық шикізаттың арзан және қол жетімді түрлерінен – тас көмірден, табиғи газдан, Мұнай және т. б. түрлі фракцияларынан полимерлік синтез барысында жасанды жолмен алынады.

Көптеген синтетикалық полимерлер беріктігі, химиялық беріктігі, су өткізбеуі және басқа да маңызды қасиеттер табиғи материалдардан айтарлықтай асып түседі. Сонымен қатар, полимерлер өндірісінде табиғи материалдардан әлдеқайда арзан, сондықтан оларды өнеркәсіп пен тұрмыстың барлық салаларында кеңінен қолданады.Көміртегі атомдары бір-бірімен қосылып, тікелей, тармақталған тізбектерді, сондай-ақ органикалық қосылыстардың сақиналы құрылымдарын құруы мүмкін. Бұл құрылымдар биологиялық полимерлерді құрайды және жасушаның органикалық қосылыстарының әртүрлі түрлерінің негізі ретінде әрекет етеді.

Мазмұны:

Жасушаның маңызды органикалық қосылыстары
Органикалық қосылыстардың изомерлері
Органикалық заттардың функционалдық топтары
Мономерлер және биологиялық полимерлер
Бүгінде миллиондаған түрлі органикалық заттар белгілі.

Маңызды биологиялық молекулалардың кейбір мысалдары витаминдер, ферменттер, полифенолдар және т.б. қамтиды.

Көміртекті молекулалардың көпшілігі органикалық қосылыстар болса да, бірнеше ерекшеліктер бар.

Карбидтер, карбонаттар, көміртектің қарапайым оксидтері (CO2), көміртектің аллотропы және цианидтер сияқты қосылыстар Органикалық емес болып саналады.

Карбид көміртектен және аз электр теріс элементтен тұрады. Мысалдар-кальций карбиді( CaC2), кремний карбиді (SiC), вольфрам карбиді (WC) және цементитті (Fe3C). Осы заттардың әрқайсысы өнеркәсіптік мақсатта пайдаланылады.
Карбонат-көмір қышқылының тұзы (H2CO3). Бұл атау көмір қышқылының күрделі эфирін білдіреді – органикалық қосылыс, құрамында Карбонат тобы бар (R-OCO-R).
Цианид CN (цианогруппа) бір валентті тобы бар кез келген қосылыс болып табылады.
Жасушалардың маңызды органикалық қосылыстары (ақуыздар, майлар, көмірсулар, нуклеин қышқылдары) және олардың функциялары.
Биомолекулалардың 4 негізгі түрлерінің әрқайсысы жасушаның маңызды компоненті болып табылады және көптеген функцияларды орындайды.

Жасушалардың төрт негізгі органикалық заттарға жатады:

1) көмірсулар
2) липидтер
3) ақуыздар
4) нуклеин қышқылдары

Олардың ерекше функцияларынан басқа көмірсулар, липидтер мен ақуыздар энергия көзі болып табылады, ал нуклеин қышқылдары өмірдің үздіксіздігін қамтамасыз ететін маңызды макромолекулалар болып табылады.

Көмірсулар
Өсімдіктер мен балдырлар жыл сайын миллион тонна көмірсуларды фотосинтездейді.

Көмірсулардың негізгі функциясы негізінен көмірсулар мономерлерінің бірі – глюкоза арқылы энергияны қамтамасыз ету болып табылады.

Жасушалық тыныс алу кезінде глюкоза жойылады және жасушалардың ішінде тотығады. Бұл процесс жасушалық реакциялар үшін АТФ – энергия көзін синтездеу үшін қолданылады. АТФ мөлшері ағзаға жеткілікті болғанда, қарапайым көмірсулар көмірсулар полимерлерге (гликоген немесе крахмал) немесе майларға айналады және қорылады.

Барлық тірі ағзаларда көмірсулар басқа да маңызды функцияларға ие.

Мысалы, Олар өсімдік жасушаларының құрылыс материалдары ретінде қызмет етеді және цитоплазмалық мембрананың сыртқы беттеріне бекітілгенде, бір жасушаны басқа жасушамен сәйкестендіру қызметін атқарады.

Липидтер
Липидтер биомолекулалардың түрлі тобын қамтиды. Олар суда ерімейді және негізінен көміртекті емес көміртекті немесе көміртекті сутегі байланыстарын қамтиды.

Бұл жасушалардың органикалық қосылыстары энергия қоры үшін қызмет ететін биомолекулалардың ең көп таралған және энергия сыйымды нысаны болып табылады. Көмірсулардың артық болуы болашақ пайдалану үшін майға айналады. 1 г май 38 кДж өндіреді (көмірсулар мен ақуыздар үшін 17 кДж қарсы).

Клеткада липидтер көптеген функцияларды орындайды.

Мысалы, өсімдіктер мен жануарлар майды қоршаған ортаның температуралық ауытқуынан Термоизоляция ретінде пайдаланады. Липидтер барлық жасушалық мембраналар мен көптеген гормондардың маңызды бөлігі болып табылады.

Ақуыз
Ақуыз жасушаның барлық 4 маңызды органикалық қосылыстарының ең алуан тобын білдіреді. Олардың макромолекулалық құрылымы мен функциялары өте ерекшеленеді.

Тірі жасушада мыңдаған ақуыз бар, олардың әрқайсысы бірегей функцияны орындайды.

Ақуыздар жасушаның барлық міндеттеріне тартылған құрылымдық құрылыс блоктары мен функционалдық молекулалар ретінде әрекет ете алады. Барлық ферменттер ақуыздар.

Органикалық қосылыстардың бұл класы полимерлерден тұрады. Ақуыздардың мономерлері-20 амин қышқылы.

Нуклеин қышқылдары
Нуклеин қышқылдары жасушаның қызметі туралы Тұқым қуалайтын ақпаратты сақтайды және береді.

Нуклеин қышқылдары биологиялық молекулалардың екі негізгі класын, дезоксирибонуклеин қышқылын (ДНК) және рибонуклеин қышқылын (РНК) қамтиды және нуклеотидтерден тұрады.

Белоктар мен нуклеин қышқылдарының ферменттері катаболизм кезінде де, макромолекул анаболизмінде де биохимиялық реакцияларды катализдейді.

Катаболизм-тірі ағзаларда биомолекулалардың бұзылуы.

Анаболизм-күрделі биологиялық макромолекул синтезі.

Органикалық қосылыстардың изомерлері
Органикалық молекулалардың негізгі қасиеттерінің бірі әртүрлі қасиеттерге ие болады, атап айтқанда, олардың изомерлерді қалыптастыру қабілетіне байланысты.

Органикалық заттардың изомерлері-бірдей молекулалық формуламен, бірақ кеңістіктегі атомдардың әртүрлі орналасуы бар қосылыстар.

Изомерлердің екі негізгі түрі бар:

Құрылымдық изомерлер
Стереоизомерлер
Биомолекулалардың құрылымдық изомерлері олардың коваленттік байланыстарын орналастыру бойынша ерекшеленеді.

Құрылымдық изомерлердің мысалдары көмірсулардың мономерлері – глюкоза және фруктоза. Олардың әртүрлі құрылымдарына байланысты олар әртүрлі қасиеттерге ие және әртүрлі метаболизденеді.

Стереоизомерлер-олардың коваленттік байланыстарының ұқсас орналасуы бар, бірақ осы байланыстардың басқа атомдарға қатысты кеңістікте орналасуымен ерекшеленеді. Стереоизомерлер геометриялық немесе оптикалық болуы мүмкін.

Геометриялық изомерлердің әртүрлі физикалық, бірақ ұқсас химиялық қасиеттері болуы мүмкін.

Геометриялық изомерлердің мысалдары-глюкоза және галактоза.

Оптикалық изомерлер (энантиомерлер) әдетте ұқсас химиялық және физикалық қасиеттері бар, бірақ ферменттер әдетте бір биомолекуланы екіншісінен ажыратады.

Әдетте, бір оптикалық изомер биологиялық белсенді, ал екіншісі белсенді емес.

Бір биологиялық молекулалар басқа биомолекулалармен әрекет етсе, реакцияға тек функционалдық топтар ғана қатысады. Сондықтан органикалық заттың әрбір функционалдық тобы жасушалық метаболизмде белгілі бір рөл атқарады.

Функционалдық топтар осы молекулалардың тән химиялық реакцияларына жауап беретін органикалық қосылыстар молекулаларының ішіндегі атомдардың белгілі бір топтары болып табылады.

Бұл функционалдық топтар гидроксильді, карбонильді, карбоксильді, амино, сульфгидрильді және фосфатты топтарды қамтиды.

Көптеген биомолекулалардың бір функционалдық тобы бар.

Әрбір функционалдық топ өзі байланысты макромолекулалардың химиялық қасиеттерін түрлендіруге қабілетті.

Гидроксиль тобы
Гидроксильді топ-спирттердің функционалдық тобы. Ол органикалық молекулаларға полярлықты қосады. Спирттердің бір мысалы-глицерин. Глицерин-полиспирт және триглицеридтер мен фосфолипидтердің маңызды бөлігі.

Карбонил тобы
Альдегидтер мен кетондардың карбонильді топтары әдетте биологиялық молекулалардың полярлығы мен реакциялық қабілетін арттырады. Карбонильді топтары бар биомолекулалар әдетте ұшқыштар болып табылады және жағымды және жағымсыз иістер болуы мүмкін.

Карбоксильді топ
Карбоксильді топ карбон қышқылдарының құрамында карбонильді топ, сондай-ақ бір көміртегі атомымен байланысты гидроксильді топ бар. Құрамында карбоксильді топтар бар органикалық молекулалар жиі полярлы және химиялық белсенді. Құрамында карбоксильді функционалдық топтар бар кең таралған биомолекулалар, бұл майлы қышқылдар мен аминқышқылдар.

Амин тобы
Аминотоптар органикалық молекулалардың полярлығы мен реакциялық қабілетін арттырады. Олар басқа полярлық молекулалармен және сумен сутекті байланысты оңай құрайды. Аминдер әлсіз негіздер болып табылады. Амино және карбоксильді амин қышқылдарының топтары ақуыздардың пептидті байланыстарының пайда болуымен бір-бірімен өзара әрекеттеседі.

Фосфат тобы
Фосфат топтары жоғары қышқылдық және реакциялық қабілетті болып табылады. Фосфаттар фотосинтез және жасушалық тыныс алудың метаболикалық процестерінде маңызды рөл атқарады. Фосфат тобының бір молекуладан екіншісіне берілуі химиялық реакциялар үшін энергия көзі болып табылады.

Сульфгидрильді топ
Сульфгидрильді (- SH) топ ақуызды тұрақтандыру үшін қажет.

С-SH-топтарының аминқышқылдары дисульфидті көпіршіктер (S-S-байланыс) деп аталатын байланысты құрайды, олар ақуыз молекулаларына белгілі бір форманы қабылдауға және қолдауға көмектеседі.

Жасушаның Органикалық заттардың мономерлері мен полимерлері
Көптеген органикалық қосылыстар (биомолекулалар) жалғыз суббірліктерден немесе мономерлер деп аталатын құрылыс блоктарынан тұрады.

Мономерлер бір-бірімен ковалентті байланыстарды пайдалана отырып біріктіріледі және полимерлер ретінде белгілі ірі молекулаларды құрайды.

Полимерлер екі үлкен топқа бөлінуі мүмкін:

табиғи немесе биологиялық полимерлер;
синтетикалық немесе жасанды полимерлер.
Биологиялық молекулалардың синтезі мен тозуымен байланысты реакциялардың екі негізгі түрі – гидролиз және дегидрлеу.

Полимерлер гидролиз ретінде белгілі процесте мономерлерге ыдырайды. Гидролиз реакциясында ыдырату үшін су пайдаланылады.

Дегидратация реакциялары энергияны талап ететін жаңа байланыстардың пайда болуын қамтиды, ал гидролиз реакциялары энергияның бөлінуімен байланысты бұзады.

Дегидратация және гидролиз реакциялары катализденеді немесе арнайы ферменттермен “тездейді”.