Основы химии полимеров

ПОНЯТИЯ:

1. Полимер (от греч. polymeres – состоящий из многих частей)(высокомолекулярное соединение) – это химическое соединение, состоящее из большого числа атомов одного или нескольких химических элементов, соединенных прочными химическими связями (как правило, ковалентными), обладающее особыми физическими и химическими свойствами. Состоит из макромолекул.

2. Макромолекула (от греч. makros – большой, длинный)– это совокупность большого числа атомов, соединённых прочными химическими связями. Число атомов, входящих в состав макромолекул может колебаться в широких пределах от 10⁴ до 10⁷.

3. Мономер (от греч. monos – один, единый) – это низкомолекулярное соединение, которое является исходным сырьём для получения полимера.

4. Структурное звено – это атом или группировка атомов, которая многократно раз повторяется в структуре полимера.

5. Степень полимеризации – это число структурных звеньев в составе полимера. Обозначается – n.

6. Реакция полимеризации – это химическая реакция образования полимера из мономера, за счет разрыва кратных связей (двойных или тройных), без выделения низкомолекулярных продуктов. Природные полимеры (от греч. polymeres – состоящий из многих частей)– это природные высокомолекулярные соединения, имеющие особую структуру и обладающее уникальными физическими и химическими свойствами. Бывают периодическими и непериодическими.

7. Природный периодический полимер – это природное высокомолекулярное соединение, состоящее из многократно раз повторяющегося одного и того же структурного звена и обладающее уникальными физическими и химическими свойствами. Например: натуральный каучук, крахмал, целлюлоза.

8. Природный непериодический полимер – это природное высокомолекулярное соединение, состоящее из огромного числа различных структурных звеньев и обладающее уникальными физическими и химическими свойствами. Например: белки, нуклеиновые кислоты.

9. Пептиды – это короткие белки, состоящие из двух или более
(≈ до 40) остатков α-аминокислот, связанных пептидной связью. Делятся на олиго- и полипептиды.

10. Белки – это биоорганические вещества, состоящие из большого числа остатков α-аминокислот, связанных между собой пептидной связью и выполняющие в живом организме многочисленные биологические функции, главные из которых: структурно-каркасная, энергетическая, транспортная, защитная, запасающая, ферментативная (каталитическая), гормональная.

11. *Протеины (от греч. protes – простой) – это простые белки, т.е. белки состоящие только из большого числа остатков α-аминокислот, связанных между собой пептидной связью.

12. *Протеиды – это сложные белки, т.е. белки, имеющие в своём составе, кроме многочисленных остатков α-аминокислот, связанных между собой пептидной связью различные другие остатки: углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, неорганических кислот и т.д. Состоят из апобелка (белковая часть) и простетической группы (небелковая часть).

13. Первичная структура белка – это последовательность α-аминокислотных звеньев в полипептидной цепи, связанных между собой пептидными связями. Каждый белок имеет строго свою последовательность α-аминокислотных звеньев. Впервые открыта Э.Г. Фишером (Германия) в 1901 году.

14. Вторичная структура белка – это упорядоченные участки полипептидной цепи в виде α-спирали (α-структура) или «складчатого листа» (β-структура), образованные за счёт водородных связей между соседними витками спирали или «складок листа». α-структура более распространена в природе, чем β-структура. В природе наиболее распространена правозакрученная спираль.

15. Третичная структура белка – это сочетание упорядоченных и неупорядоченных участков полипептидной цепи и расположение их особым образом в пространстве в виде глобулы (от лат. globulas – шарик) или клубка. В образовании глобулы участвуют различные связи: моносульфидные (–S–), дисульфидные (–S–S–), тиоэфирные (–О–S–), простоэфирные (–О–), сложноэфирные (–СОО–), дополнительные водородные и др. При образовании глобулы все радикалы аминокислотных звеньев направлены наружу, образую я при этом боковую поверхность белка.

16. Четвертичная структура белка – это надмолекулярная структура, образующаяся в результате соединения непрочными связями двух или более одинаковых или различных белковых молекул (субединиц). В образовании этой структуры участвуют: силы Ван-дер-Ваальса, ион-дипольные взаимодействия, торсионные силы, дополнительные водородные связи, взаимодействия «ключ к замку» и др. 

17. Денатурация белков (от лат. de – приставка, означающая отделение, удаление и nature – природа)– это процесс нарушения пространственной структуры белка (четвертичной, третичной и вторичной структур) под действие механических, физических, химических факторов, приводящий к невозможности выполнения биологических функций. Бывает необратимая и обратимая (процесс ренатурации).

18. Факторы, вызывающие обратимую денатурацию белков – это факторы, при снятии воздействия которых, возможно самопроизвольное восстановление пространственной структуры белка. К ним относятся: а) лёгкое встряхивание или слабое облучение ультрафиолетом; б) нагревание до 45 ºС; в) действие очень разбавленными растворами кислот, щелочей или растворами солей лёгких металлов.

19. Факторы, вызывающие необратимую денатурацию белков – это факторы, при снятии воздействий которых, невозможна самопроизвольное восстановление пространственной структуры белка. К ним относятся: а) удары, порезы, переломы, сильное облучение ультрафиолетом; б) нагревание выше 45 ºС; в) действие концентрированными растворами кислот, щелочей или растворами солей тяжёлых металлов.

20. Ренатурация белков (от лат. re – приставка, обозначающая возобновление или повторность действия и nature – природа)– это самопроизвольный процесс восстановления пространственной структуры белка (вторичной, третичной и четвертичной структур) после снятия действия механических, физических, химических факторов, приводящий к возможности выполнения биологических функций.

21. Деструкция (от лат. destructio – разрушение, нарушение) белков – это процесс нарушения первичной структуры белка под действие механических, физических, химических факторов, приводящий к его гибели.

22. Биуретова реакция на белки (качественная реакция на пептидную связь) – это химическая реакция, с помощью которой доказывают, что в состав пептидов и белков входит пептидная связь, для этого к пробе добавляют 1-2 капли сульфата меди (II), 3-5 капель гидроксида натрия и встряхивают – при этом образуется красно-фиолетовое окрашивание.

Реагентом на пептидную связь является щелочной раствор гидроксида меди (II).

23. Ксантопротеиновая (от греч. csantos – жёлтый) реакция на белки (качественная реакция на присутствие ароматических колец) – это химическая реакция, с помощью которой доказывают, что в состав пептидов и белков входят аминокислоты, содержащие ароматические кольца (фенилаланин, тирозин), для этого к пробе добавляют 2-3 капли азотной кислоты и нагревают – при этом образуется жёлтое окрашивание.

24. *Ферменты (от лат. fermentum – закваска, брожение) или энзимы (от греч. enzyme – дрожжи) – это органические катализаторы белковой природы, вырабатываемые живой протоплазмой клетки. Обязательные участники всех биохимических процессов, обладают большой активностью и специфичностью действия. В настоящее время известно более 800 ферментов. Имеют суффикс –аза.

25. Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – это биоорганические вещества, состоящие из остатков нуклеотидов, связанные между собой сложной фосфорнодиэфирной связью (через положения 3→5) и отвечающие в живом организме за хранение и передачу генетической информации.

26. **Нуклеозиды – это биоорганические вещества, состоящие из остатков пентоз (β-рибозы или 2-дезокси-β-рибозы) и азотсодержащих гетероциклических оснований, связанных между собой β- или N-гликозидной связью. 

27. *Нуклеотиды – это фосфорные эфиры нуклеозидов, состоящие из остатков пентоз (β-рибозы или 2-дезокси-β-рибозы), фосфорной кислоты и азотсодержащих гетероциклических оснований. Играют большую роль в процессах обмена веществ и энергии, входят в состав нуклеиновых кислот, многих коферментов и других биологически активных соединений. Остатки фосфорной кислоты присоединены в молекуле β-рибозы (2-дезокси-β-рибозы) в 3 (или 5) положении, а остатки азотсодержащих гетероциклических оснований в 1 положении (β или N-гликозидная связь).

28. *ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) – это биоорганические вещества, состоящие из остатков нуклеотидов, связанные между собой сложной фосфорнодиэфирной связью (через положения 3→5) и отвечающие в живом организме за хранение и передачу генетической информации. В состав остатков нуклеотидов входит 2-дезокси-β-рибоза, а также аденин, гуанин, тимин и цитозин. Сосредоточены в ядрах растительных и животных клеток, в хромосомах.

29. Первичная структура ДНК – это последовательность нуклеотидных звеньев в полинуклеотидной цепи, связанных между собой сложной фосфорнодиэфирной связью (через положения 3→5). 

30.   Вторичная структура ДНК – это образование двухцепочечной правовинтовой спирали. Две цепи в спирали связаны друг с другом с помощью водородных связей, образующихся между азотсодержащими гетероциклическими основаниями по принципу комплементарности. Модель предложена в 1953 году Д.Д. Уотсоном (США) и Ф.Х.К. Криком (Англия).

31. **Суперспирализация ДНК – это самопроизвольное накручивание двойной спирали ДНК на себя.  

32. **Репликация (от лат. replicatio – свернуть) ДНК – это процесс полного синтеза ДНК, происходящего в клетке под действием набора ферментов. В основном состоит из трёх этапов: инициирования, элонгации (продолжения) и терминации (окончания).

33. **Редупликация (от лат. reduplicatio – удвоение) ДНК – это процесс самоудвоения молекулы ДНК. Сначала молекула ДНК разделяется на две полинуклеотидных цепи, затем в соответствии с принципом комплементарности достраиваются дополняющие «дочерние» цепи, вследствие чего образующиеся молекулы ДНК состоят из одной «материнской» полинуклеотидной нити и комплементарной ей «дочерней» нити.

34. *РНК (рибонуклеиновые кислоты) – это биоорганические вещества, состоящие из остатков нуклеотидов, связанные между собой сложной фосфорнодиэфирной связью (через положения 3→5) и отвечающие в живом организме за биосинтез белков и реализацию генетической информации. В состав остатков нуклеотидов входит β-рибоза, а также аденин, гуанин, урацил и цитозин. Сосредоточены в цитоплазме растительных и животных клеток, в рибосомах.

Различают три основных вида РНК – матричные или информационные (м-РНК или и-РНК), рибосомные (р-РНК) и транспортные (т-РНК).

35. **Нуклеопротеиды – это сложные белки, в молекулах которых простетической группой являются нуклеиновые кислоты. Составляют основу сосредоточенного в ядрах клеток наследственного вещества – хроматина. Образуют рибосомы и вирусы.

36. **Ген (от греч. genos – род, происхождение) – это единица наследственного материала (генетической информации). Представляет участок молекулы ДНК (у высших организмов) или РНК (у вирусов и фагов), содержащий полную информацию о первичной структуре белка. Он расположен в определённом участке данной хромосомы (у эукариот) или генетическом материале (у прокариот).

37.   **Локус (от лат. locus – место) – это участок хромосомы, в котором расположен ген.

38. **Генетический код (от франц. cod – сборник условных сокращённых обозначений и названий) – это свойственная организмам единая система «записи» наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Реализация генетического кода происходит в два этапа: транскрипции и трансляции.

39. **Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) – это процесс биосинтеза молекул и-РНК на матрице (соответствующих участках) ДНК. В результате этого процесса происходит перенос генетической информации из ДНК в РНК. После полного формирования и-РНК, она переходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к одной из рибосом, становясь матрицей для биосинтеза специфических белков – процесса трансляции.

40. **Трансляция (от лат. translatio – передача) – это процесс биосинтеза полипептидных цепей молекул белков, идущий в клетке путём «считывания» генетической информации «записанной» в виде последовательности нуклеотидов в молекулах и-РНК. Она происходит благодаря генетическому коду, в котором каждая из 20 α-аминокислот задаётся определённой последовательностью трёх нуклеотидов – кодоном.

41. **Кодон (триплет) (от франц. cod – сборник условных сокращённых обозначений и названий) – это единица генетического кода, состоящая из трёх последовательных нуклеотидов, в молекуле ДНК или РНК. Из 64 кодонов 61 кодирует включение 20 α-аминокислот, а 3 служат «точками» или «стоп-кодонами», оканчивающими процесс синтеза белка.

42. **Антикодон (от греч. anti – противо и франц. cod – сборник условных сокращённых обозначений и названий) – это участок молекулы т-РНК, состоящий из трёх нуклеотидов, специфически (комплементарно) связывающийся с кодоном и-РНК, что обеспечивает правильную расстановку каждой аминокислоты при биосинтезе белка.

43. Каучук – это полимерное вещество (эластомер), обладающее высокой эластичностью и упругостью, т.е. способностью к большим обратимым деформациям при комнатной и других температурах. Бывает природный (натуральный) каучук и синтетический (получаемый на основе химического синтеза) каучук.

44. Натуральный (природный) каучук – это упругая аморфная масса, получаемая из млечного сока (латекса) растений-каучуконосов, состоящая из изопреновых звеньев ((С₅Н₈)_n). Наиболее известный каучуконос – дерево гевея, родина которого тропические леса Бразилии. Натуральный каучук является стереорегулярным полимером, причём все двойные связи имеют цис–конфигурацию.

45. **Латекс (от лат. latex – сок) – это водная эмульсия каучукоподобных полимеров. Бывает натуральный и синтетический. Натуральный латекс – это млечный сок каучуконосов, жидкость, напоминающая молоко.

46. **Гуттаперча – это полимер белого или желтоватого цвета, изомер натурального каучука, способен вулканизироваться с серой. Имеет состав – (С₅Н₈)_n. Добывают из млечного сока гуттаперченосных растений, произрастающих на островах Малайского архипелага, Филиппинских островах. Применяют как изолирующий материал радиопромышленности, в химической и обувной промышленности и т.д. 

47. *Синтетический каучук – это полимерный материал, представляющий упругую аморфную массу, получаемый на основе химического синтеза из диеновых углеводородов, их производных и других веществ. Наиболее используемые синтетические каучуки – бутадиеновый, изопреновый, хлоропреновый (наирит), а также фторкаучуки. 

48. *Вулканизация – это процесс образования пространственного полимера – резины, в результате взаимодействия при нагревании сырого каучука с серой или другими веществами.

49. *Резина (от лат. resina – смола) – это эластичный материал, представляющий пространственный полимер, который образуется в результате вулканизации натурального или синтетического каучука.

50. **Эбонит (от греч. ebonos – чёрное дерево)– это очень твёрдый материал, представляющий пространственный полимер, который образуется в результате вулканизации натурального или синтетического каучука с большим содержанием серы (30-32 %). Применяется как кислотостойкий электроизоляционный материал.

51. Пластмассы (пластические массы) – это материалы, полученные на основе природных или химических полимеров, с добавлением пластификаторов, стабилизаторы, наполнителей и красителей. Бывают: термопластичными (термопласты) и термореактивными (реактопласты).

52. **Пластификаторы – это нелетучие органические растворители, образующие с используемым материалом гели (студни). Вводят для снижения температуры размягчения полимеров, повышения их гибкости и морозостойкости. К ним относятся эфиры фталевой кислоты, различные масла и др.

53. **Плексиглас (органическое стекло) – это полимер, образующийся в результате полимеризации метилметакрилата (CH₂=C(CH₃)COOCH₃) и обладающий хорошими физико-механическими и электроизоляционными свойствами. Применяют в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий и т.д.

54. **Поливинилацетат – это полимер, образующийся в результате полимеризации винилацетата (CH₃COOCH=СН₂) и обладающий высокой прочностью и прозрачностью. Применяют в изготовлении броневых стёкл для танков и авиации, для получения лаков, клеев (например, ПВА) и т.д.

55. **Поролон (пенополиуретан) – это вспененная пластмасса, получаемая из полимеров, содержащих уретановые группировки –NH(CO)O– и вспенивающих агентов, при температуре и давлении. Применяют для получения мягкой мебели, матрацев, игрушек, бытовых изделий, как тепло и электроизоляционные материалы в строительстве, машиностроении и т.д.

56. **Пенопласты – это вспененные пластмассы, получаемые из полимеров и вспенивающих агентов, при температуре и давлении, в результате чего образуются замкнутые или сообщающиеся газонаполненные ячейки в структуре полимера. В качестве вспенивающих агентов используют пентан, изопентан, фреоны, азот инертные газы, а также твёрдые гидрокарбонаты аммония и натрия и т.д.

57. Волокна – это полимеры, характеризующиеся упорядоченным расположением линейных макромолекул вдоль оси всей нити, что обуславливает их высокую механическую прочность. Делятся на натуральные и химические, а химические на искусственные и синтетические волокна.

58. Натуральное волокно – это волокно, растительного или животного происхождения. Волокна растительного происхождения в основном состоят из целлюлозы – лён, хлопок. Волокна животного происхождения в основном состоят из белковых молекул – шерсть, шёлк (продукт деятельности тутового шелкопряда).

59. Искусственное волокно – это волокно, полученное на основе натурального волокна, путём его химической модификации (переработки). К ним относятся ацетатный шёлк, вискозное волокно и др.

60. Ацетатное волокно (ацетатный шёлк) – это искусственное волокно, полученное на основе целлюлозы, путём действия на неё уксусного ангидрида ((CН₃СО)₂О), уксусной кислоты и катализаторов (серной кислоты и хлорида цинка) с образованием триацетата целлюлозы (иногда диацетата целлюлозы или их смеси).

61. **Вискозное волокно – это искусственное волокно, получаемое на основе целлюлозы, путём действия на неё сероуглерода (CS₂) и щёлочи (NaOH) с образованием ксантогената целлюлозы.

62. **Целлофан – это прозрачная плёнка, получаемая из раствора ксантогената целлюлозы (вискозы), продавливаемого через узкие щели.

63. Синтетическое волокно – это волокно, получаемое на основе химического синтеза. Исходными веществами, как правило, являются продукты, получаемые из нефти, каменноугольной смолы или природного газа. К ним относятся капрон, найлон, лавсан и др.

64. Капрон – это синтетическое полиамидное волокно, получаемое из ε-капролактама, путём его полимеризации. Из него изготовляют ткани, трикотаж, сети, канаты и другие изделия.

65. *Найлон (nylon – от первых букв английских названий городов New York и London) – это синтетическое полиамидное волокно, получаемое из соли гексаметилендиамина и адипиновой кислоты (соль АГ), путём её поликонденсации в автокаве при температуре 275-280 ˚С в атмосфере азота. Из него изготовляют трикотажные изделия, сети, транспортные ленты, канаты и другие изделия.

66. *Лавсан – это синтетическое полиэфирное волокно, получаемое из этиленгликоля и терефталевой кислоты, путём их поликонденсации. Из него изготовляют паруса, ткани, канцелярские товары (стержни фломастеров), в медицине (нити, для наложения швов, протезы сосудов) и другие изделия.

67. **Детонация (от лат. detono – гремлю) – это процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся освобождением энергии и распространяющийся по веществу в виде волны от одного слоя к другому со сверхзвуковой скоростью.

68. *Тротил (тол) – это взрывчатое вещество, большой мощности, получаемое из толуола путём его нитрования нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот) при нагревании. По химическому составу представляет 2,4,6-тринитротолуол.

 

ЗАКОНЫ:

1. *Принцип (правило) комплементарности (от лат complementum – дополнение) (1953 год): при построении двойной спирали ДНК между двумя нитями (цепями), за счёт водородных связей, образуются комплементарные пары азотсодержащих гетероциклических оснований – аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину, т.е. А…Т и Г…Ц, и наоборот: Т…А и Ц…Г. Между аденином и тимином образуются две водородных связи, а между гуанином и цитозином – три.

2. **Законы Э. Чаргаффа (США, 1950-1953 гг.):

1) В молекуле ДНК суммарное количество производных пуриновых оснований (аденина и гуанина) всегда равно суммарному количеству производных пиримидиновых оснований (цитозину и тимину), т.е. А+Г = Ц+Т.

2) В молекуле ДНК суммарное количество аденина и цитозина равно суммарному количеству гуанина и тимина, т.е. А+Ц = Г+Т.

3) В молекуле ДНК количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина, т.е. А=Т и Г=Ц.