Природные полимеры примеры: Полимеры

Природные полимеры примеры: Полимеры — урок. Химия, 9 класс.

alexxlab | 08.03.2023 | 0 | Разное

Содержание

Классификация полимеров. Искусственные полимеры | Химия 10 класс

Классификация полимеров. Искусственные полимеры

План урока

Классификация полимеров.
Искусственные полимеры.
Пластмассы.
Волокна.

Цели урока

Рассмотреть классификацию полимеров.
Рассмотреть особенности строения важнейших искусственных полимеров.
Рассмотреть важнейшие пластмассы и волокна.

Разминка

Какие вы знаете искусственные вещества?
Какие вы помните полимеры природного происхождения?
Как можно классифицировать полимеры? По какому признаку?

Классификация полимеров

Вы уже знаете, что многие органические вещества образуют высокомолекулярные молекулы – полимеры . С природными полимерами, к которым относят крахмал, целлюлозу, полипептиды, белки и др, мы с вами уже знакомились. Помимо этой группы, существуют также искусственные и синтетические полимеры (рис.

1), некоторые из которых нам уже встречались в ходе изучения курса органической химии.

Рисунок 1. Классификация полимеров

Природные полимеры используются человеком с незапамятных времён. Например, древесина, шерсть, шёлк, хлопок. Они обладают целым набором достоинств, но не лишены и недостатков. В первую очередь это подверженность гниению, износу и воздействию микроорганизмов.

По этой причине человек, начиная с 19 века, стал получать искусственные полимеры.

Искусственные полимеры

Искусственным полимеры – это высокомолекулярные вещества, которые получают на основе природных полимеров путем их химической модификации.

Технология заключается в обработке природных полимеров определенными реагентами.

Рисунок 2. Схема получения искусственных полимеров

В результате удалось синтезировать вещества с новыми свойствами.

Искусственные полимеры являются сырьем для производства пластмасс, волокон и других материалов.

Подробнее рассмотрим наиболее известные пластмассы .

Пластмассы

Пластмассы – материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения, содержащие различные добавки. Способны приобретать форму в процессе изготовления и не изменять ее в результате эксплуатации.

Так, при обработке целлюлозы азотной кислотой получались либо динитрат целлюлозы, либо тринитрат. Последний используется как бездымный порох (пироксилин).

Динитрат целлюлозы с примесью камфоры стал первой пластмассой широко применяемой человеком. Материал, напоминающий слоновую кость, получил название целлулоид . Схематически его синтез можно представить на следующем рисунке:

Рисунок 3. Схема получения динитрата целлюлозы

Из него изготавливали бильярдные шары, расчески, игрушки, линейки, фотопленку, искусственные зубы и многое другое. Сейчас применение этой пластмассы ограничено ввиду её высокой пожароопасности.

В настоящее время большинство пластмасс являются синтетическими. Их мы рассмотрим на следующем занятии.

К искусственным полимерам, помимо пластмасс, относят также волокна .

Волокна

Волокна – высокомолекулярные вещества природного или искусственного происхождения, имеющие линейное или упорядоченное строение, что позволяет использовать их в виде нитей.

Полимеры на основе волокон имеют линейное строение. Поэтому пригодны для изготовления нитей, тканей, жгутов, пряжи.

Волокна также могут быть природные, искусственные и синтетические.

Рисунок 4. Классификация волокон

К волокнам растительного происхождения относят хлопок, лён; к животным – шерсть, шёлк; к минеральным асбест, стекловолокно.

Исходным сырьем для синтеза искусственных волокон часто служит целлюлоза . Она имеет волокнистое строение, что отчетливо видно, например, в вате, которая состоит из целлюлозы.

Однако, как и все природные полимеры, она повреждается микроорганизмами.

Обработка волокон уксусной кислотой (точнее её ангидридом) дает нам самое распространённое искусственное волокно – ацетатное.

Схема синтеза аналогична получению динитрата целлюлозы, только гидроксильные группы замещаются не на нитра-ионы, а на сложноэфирные группы:

Образуется триацетат целлюлозы , синтез которого можно представить в виде следующей схемы:

Триацетат целлюлозы не обладает волокнистой структурой. Для получения волокон исходное сырьё растворяют в органическом растворителе и продавливают через мельчайшие отверстия – фильеры. Растворитель испаряется и полученные волокна затвердевают.

Существует также ацетат целлюлозы . Его получают аналогично триацетату, только вводится недостаток уксусной кислоты.

Ацетатное волокно применяется для частичной замены шерсти.

Ацетатные волокна внешне похожи на натуральный шёлк, имеют блестящую поверхность, плохо впитывают влагу, имеют хорошую упругость, поэтому не мнутся. Из минусов – плавятся при достаточно низких температурах, горят. Поэтому гладить материалы из ацетатного волокна можно только с влажной марлей.

Из ацетатного волокна изготавливают различные изделия бельевого трикотажа, женские платья, блузки, летние костюмы и т.д.

Рисунок 5. Изделия из ацетатных волокон

Вискозное волокно также получают из целлюлозы. Для этого ее обрабатывают сначала щелочью, затем сероуглеродом (CS2)и серной кислотой. Для получения волокон сырье, как и в случае триацетата целлюлозы, пропускают через фильеры. Образуется вискозное волокно, отличающееся мягкостью, шелковистостью. Внешне напоминает хлопок:

Рисунок 6. Изделия из вискозы

Если пропускать не через фильеры, а небольшую щель, то образуется целлофан, применяемый в качестве пищевой пленки, упаковочных пакетов и т. д.

Рисунок 7. Пищевая плёнка из целлофана

Медно – аммиачное волокно получают растворением целлюлозы в так называемом медно – аммиачном растворе ([Cu(Nh4)4](OH)2), который получается в результате взаимодействия гидроксида меди (II) с аммиаком.

Изделия из медно-аммиачного волокна отличаются большей прочностью по сравнению с вискозой.

Многие волокна имеют синтетическое происхождение. С ними мы познакомимся на следующем занятии.

Упражнение 1

Составьте структурные формулы динитрата целлюлозы и моноацетата целлюлозы.

Контрольные вопросы

1. Какие вы знаете группы полимеров?

2. Что такое пластмассы? Чем они отличаются от полимеров?

3. Как классифицируют волокна?

4. Приведите примеры природных и искусственных волокон.

Ответы

Упражнение 1

Белки – природные полимеры.

Состав и строение белков

“Жизнь, есть способ существования белковых тел”

Ф. Энгельс.

Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов – катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д.

I. Состав белков

Белки (полипептиды) – биополимеры, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями. В состав этих биополимеров входят мономеры 20 типов. Такими мономерами являются аминокислоты. Каждый белок по своему химическому строению является полипептидом. Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей. В составе большинства белков находится в среднем 300-500 остатков аминокислот.

Известно несколько очень коротких природных белков, длиной в 3-8 аминокислот, и очень длинных биополимеров, длиной более чем в 1500 аминокислот. Образование белковой макромолекулы можно представить как реакцию поликонденсации α-аминокислот:

Аминокислоты соединяются друг с другом за счёт образования новой связи между атомами углерода и азота – пептидной (амидной):

Из двух аминокислот (АК) можно получить дипептид, из трёх – трипептид, из большего числа АК получают полипептиды (белки).

II. Функции белков

Функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав мозга, внутренних органов, костей, кожи, волосяного покрова и т.д. Основным источником α – аминокислот для живого организма служат пищевые белки, которые в результате ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте дают α – аминокислоты.

Многие α – аминокислоты синтезируются в организме, а некоторые необходимые для синтеза белковα – аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, треонин, метионин, триптофан и др. (см. таблицу). При некоторых заболеваниях человека перечень незаменимых аминокислот расширяется.

Рис. 5. Функции белков в организме

1. Каталитическая функция

Oсуществляется с помощью специфических белков – катализаторов (ферментов). При их участии увеличивается скорость различных реакций обмена веществ и энергии в организме.

Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), а также репликации ДНК и матричного синтеза РНК. Известно несколько тысяч ферментов. Среди них такие, как, например пепсин, расщепляют белки в процессе пищеварения.

2. Транспортная функция

Cвязывание и доставка (транспорт) различных веществ от одного органа к другому.

Так, белок эритроцитов крови гемоглобин соединяется в легких с кислородом, превращаясь в оксигемоглобин. Достигая с током крови органов и тканей, оксигемоглобин расщепляется и отдает кислород, необходимый для обеспечения окислительных процессов в тканях.

3. Защитная функция

Cвязывание и обезвреживание веществ, поступающих в организм или появляющихся в результате жизнедеятельности бактерий и вирусов.

Защитную функцию выполняют специфические белки (антитела – иммуноглобулины), образующиеся в организме (физическая, химическая и иммунная защита). Так, например, защитную функцию выполняет белок плазмы крови фибриноген, участвуя в свертывании крови и тем самым уменьшая кровопотери.

4. Сократительная функция (актин, миозин)

B результате взаимодействия белков происходит передвижение в пространстве, сокращение и расслабление сердца, движение других внутренних органов.

5. Структурная функция

Белки составляют основу строения клетки. Некоторые из них (коллаген соединительной ткани, кератин волос, ногтей и кожи, эластин сосудистой стенки, кератин шерсти, фиброин шелка и др.) выполняют почти исключительно структурную функцию.

В комплексе с липидами белки участвуют в построении мембран клеток и внутриклеточных образований.

6. Гормональная (регуляторная) функция

Способность передавать сигналы между тканями, клетками или организмами.

Выполняют белки-регуляторы обмена веществ. Они относятся к гормонам, которые образуются в железах внутренней секреции, некоторых органах и тканях организма.

7. Питательная функция

Осуществляется резервными белками, которые запасаются в качестве источника энергии и вещества.

Например: казеин, яичный альбумин, белки яйца обеспечивают рост и развитие плода, а белки молока служат источником питания для новорожденного.

Разнообразные функции белков определяются α-аминокислотным составом и строением их высокоорганизованных макромолекул.

III. Физические свойства белков

Белки – очень длинные молекулы, которые состоят из звеньев аминокислот, сцепленных пептидными связями. Это – природные полимеры, молекулярная масса белков колеблется от нескольких тысяч до нескольких десятков миллионов. Например, альбумин молока имеет молекулярную массу 17400, фибриноген крови – 400.000, белки вирусов – 50.000.000. Каждый пептид и белок обладают строго определенным составом и последовательностью аминокислотных остатков в цепи, это и определяет их уникальную биологическую специфичность. Количество белков характеризует степень сложности организма (кишечная палочка – 3000, а в человеческом организме более 5 млн. белков).

Первый белок, с которым мы знакомимся в своей жизни, это белок куриного яйца альбумин – хорошо растворим в воде, при нагревании свертывается (когда мы жарим яичницу), а при долгом хранении в тепле разрушается, яйцо протухает. Но белок спрятан не только под яичной скорлупой. Волосы, ногти, когти, шерсть, перья, копыта, наружный слой кожи – все они почти целиком состоят из другого белка, кератина. Кератин не растворяется в воде, не свертывается, не разрушается в земле: рога древних животных сохраняются в ней так же хорошо, как и кости. А белок пепсин, содержащийся в желудочном соке, способен разрушать другие белки, это процесс пищеварения. Белок инрерферон применяется при лечении насморка и гриппа, т.к. убивает вызывающие эти болезни вирусы. А белок змеиного яда способен убивать человека.

IV. Классификация белков

С точки зрения пищевой ценности белков, определяемой их аминокислотным составом и содержанием так называемых незаменимых аминокислот, белки подразделяются на полноценные и неполноценные.

К полноценным белкам относятся преимущественно белки животного происхождения, кроме желатины, относящейся к неполноценным белкам.

Неполноценные белки — преимущественно растительного происхождения. Однако некоторые растения (картофель, бобовые и др.) содержат полноценные белки. Из животных белков особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, яиц, молока и др.

В состав многих белков помимо пептидных цепей входят и неаминокислотные фрагменты, по этому критерию белки делят на две большие группы — простые и сложные белки (протеиды). Простые белки содержат только аминокислотные цепи, сложные белки содержат также неаминокислотные фрагменты (Например, гемоглобин содержит железо).

По общему типу строения белки можно разбить на три группы:

1. Фибриллярные белки — нерастворимы в воде, образуют полимеры, их структура обычно высокорегулярна и поддерживается, в основном, взаимодействиями между разными цепями. Белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру. Полипептидные цепи многих фибриллярных белков расположены параллельно друг другу вдоль одной оси и образуют длинные волокна (фибриллы) или слои.

Большинство фибриллярных белков не растворяются в воде. К фибриллярным белкам относят например, α-кератины (на их долю приходится почти весь сухой вес волос, белки шерсти, рогов, копыт, ногтей, чешуи, перьев), коллаген — белок сухожилий и хрящей, фиброин — белок шёлка).

2. Глобулярные белки — водорастворимы, общая форма молекулы более или менее сферическая. Среди глобулярных и фибриллярных белков выделяют подгруппы. К глобулярным белкам относятся ферменты, иммуноглобулины, некоторые гормоны белковой природы (например, инсулин) а также другие белки, выполняющие транспортные, регуляторные и вспомогательные функции.

3. Мембранные белки — имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки. Мембранные белки выполняют функцию рецепторов, то есть осуществляют передачу сигналов, а также обеспечивают трансмембранный транспорт различных веществ. Белки-транспортеры специфичны, каждый из них пропускает через мембрану только определённые молекулы или определённый тип сигнала.

Белки – неотъемлемая часть пищи животных и человека. Живой организм отличается от неживого в первую очередь наличием белков. Для живых организмов характерно огромное разнообразие белковых молекул и их высокая упорядоченность, что и определяет высокую организацию живого организма, а также способность двигаться, сокращаться, воспроизводиться, способность к обмену веществ и к многим физиологическим процессам.

V. Строение белков

Фишер Эмиль Герман, немецкий химик-органик и биохимик. В 1899 начал работы по химии белков. Используя созданный им в 1901 эфирный метод анализа аминокислот, Ф. впервые осуществил качественные и количественные определения продуктов расщепления белков, открыл валин, пролин (1901) и оксипролин (1902), экспериментально доказал, что аминокислотные остатки связываются между собой пептидной связью; в 1907 синтезировал 18-членный полипептид. Ф. показал сходство синтетических полинептидов и пептидов, полученных в результате гидролиза белков. Ф. занимался также изучением дубильных веществ. Ф. создал школу химиков-органиков. Иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1899). Нобелевская премия (1902).

Разнообразные функции белков определяются α-аминокислотным составом и строением их высокоорганизованных макромолекул.

Выделяют 4 уровня структурной организации белков:

1. Первичная структура – определенная последовательность α-аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
2. Вторичная структура – a) конформация полипептидной цепи, закрепленная множеством водородных связей между группами N-H и С=О. Одна из моделей вторичной структуры – α-спираль. б) Другая модель – β-форма (“складчатый лист”), в которой преобладают межцепные (межмолекулярные) Н-связи.	А Б
3. Третичная структура – форма закрученной спирали в пространстве, образованная главным образом за счет дисульфидных мостиков -S-S-, водородных связей, гидрофобных и ионных взаимодействий.
4. Четвертичная структура – агрегаты нескольких белковых макромолекул (белковые комплексы), образованные за счет взаимодействия разных полипептидных цепей

Молекула белка стремится не только к реализации своей биоактивности, но и к наиболее компактной структуре, позволяющей ей максимально реализовать свои функции.

Строение белков: вторичная структура

Строение белков: третичная структура

Иллюстрация. Четвертичная структура белка (на примере гемоглобина)

VI. Тренажеры

Тренажер №1: “Биологические функции белков”

Тренажер №2: “Свойства белков”

ЦОРы

Природные полимеры – целлюлоза, хитон, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты

Биотический мир, в котором живут люди, состоит из более мелких субъединиц, называемых природными полимерами. Они отличаются от синтетических полимеров и состоят из органических молекул или атомов. Живой компонент земной экосистемы функционирует в присутствии природных полимеров. Они являются строительными блоками, на которых основано каждое живое взаимодействие во всех пяти биологических царствах стандартной таксономии. Их обилие в мире природы объясняется очень важной ролью, которую они выполняют в природе. Некоторыми из важных природных полимеров являются целлюлоза, хитон, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

Слово «полимер» состоит из двух слов «поли», означающих «много», и «мер», означающих «единица». Полимеры представляют собой большие единицы, и они состоят из повторяющихся единиц, известных как мономеры. Тогда как мономеры представляют собой простые молекулы, которые подвергаются полимеризации. Полимеризация — это процесс, при котором две или более молекул реагируют и соединяются, образуя полимеры с образованием длинной цепочки повторяющихся звеньев, называемых полимерами. Мономеры могут соединяться двумя разными способами, прямым или непрямым. При прямом соединении они соединяются вместе и образуют длинные цепи, а при непрямом соединении соединяются вместе и выделяют молекулу воды.

Полимеры бывают двух типов: натуральные и синтетические. Синтетические полимеры используются в медицине. Многие материалы, используемые в медицине, представляют собой полимеры. Они обладают различными свойствами, которые делают их полезными для применения биоматериалов.

Классификация

Полимеры можно классифицировать на основе различных свойств, и свойства, используемые для их классификации, включают структуру, молекулярные силы, источник, способ полимеризации и ростовую полимеризацию.

Классификация на основе источника полимера

Далее подразделяются на природные, полусинтетические и синтетические полимеры.

Природные полимеры: Полимеры, полученные из живых организмов, таких как растения и животные. Они обнаружены в живых существах и поддерживают метаболическую активность растений и животных. Природные полимеры являются компонентами в бодибилдинге и уходе за телом в обоих царствах. Они вездесущи и встречаются повсюду. Например, целлюлоза, каучук и т. д.
Полусинтетические полимеры: получают из целлюлозы. Основным источником полусинтетических полимеров являются сами природные полимеры. Но они модифицируются путем искусственной химической обработки, чтобы улучшить или уменьшить определенные свойства. Это человеческое вмешательство гарантирует, что конкретный природный полимер теперь лучше подходит для той конкретной роли, для которой он был предназначен.

Примеры: ацетат целлюлозы, искусственный шелк, нитроцеллюлоза и т. д.

Синтетические полимеры. Полимеры, получаемые в результате химических процессов и используемые в нашей повседневной жизни, называются синтетическими полимерами. Они получены из нефтехимических источников, таких как нефть и нефть. Как и полусинтетические полимеры, они подвергаются обработке для придания желаемых свойств, таких как долговечность и гибкость. Таким образом, они обладают многочисленными желательными свойствами.

Пример: вулканизированная резина, нейлон, тефлон, полиэтилен и т. д.

Классификация на основе структуры полимера

Далее он классифицируется как линейные полимеры, полимеры с разветвленной цепью и сшитые или сетчатые полимеры.

Линейные полимеры: изготавливаются с использованием прямых и длинных цепочек мономеров. Например, полиэстер, нейлон, тефлон и т. д.
Полимеры с разветвленной цепью: Это полимеры, образованные линейными полимерами, когда они делятся на разные ответвления. Например, полиэтилен, гликоген, крахмал и т. д.
Сшитые или сетчатые полимеры: Эти полимеры образуются путем соединения двух линейных полимеров прочными ковалентными связями. Например, стекловолокно, клеи, полиэстер и т. д.

Классификация на основе способа полимеризации

Кроме того, они подразделяются на различные типы, такие как полимеры присоединения и полимеры конденсации.

Дополнительные полимеры: они образуются путем многократного присоединения ненасыщенных мономеров независимо от их связи (двойной или тройной).
Полимеры конденсации: они образуются в результате реакций конденсации между двумя разными мономерами и приводят к удалению небольших молекул, таких как вода и т. д.

Классификация на основе молекулярных сил используются для различных целей в зависимости от их эластичности, прочности на разрыв и т. д. Механические силы полимеров определяются водородными связями, ионными связями и т. д.
По межмолекулярным силам полимеры можно разделить на следующие типы:
1. Эластомеры: Эластомеры представляют собой твердые вещества, обладающие эластичными свойствами. Эти полимеры имеют низкие молекулярные силы между каждым мономером, что помогает мономерам легко растягиваться. Например, полибутадиен, полиизопрен и т. д.
2. Волокна: изготовлены из нитевидной структуры и обладают высокой прочностью на растяжение. Например, терилен.
3. Термопластичные полимеры: это полимеры с линейной или разветвленной цепью, которые становятся мягкими при нагревании и твердыми при охлаждении. Например, нейлон, акрил и т. д.
4. Термореактивные полимеры: Это сильно разветвленные полимеры. При нагревании эти полимеры не могут быть возвращены к исходной форме и не могут быть использованы повторно. Например, ластики, воздушные шары и т. д.
1. Классификация на основе полимеризации роста
Полимеры присоединения и конденсации также известны как полимеры для роста цепи.
1. Натуральные полимеры: Полимеры, полученные из природных материалов, называются природными полимерами. В основном их получают из растений, животных и человека. Например, ДНК, РНК, глюкоза и т. д. Натуральные продукты питания изготавливаются из природных полимеров, таких как углеводы, белки и т. д. Упаковки, в которых доставляются продукты, также изготовлены из полимеров, таких как пластиковые контейнеры, пакеты, одноразовые столовые приборы, и т. д.
2. Важные полимеры включают: целлюлозу, нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, каучук и хитон.
3. Целлюлоза: состоит из длинных цепей глюкозы. Это самый натуральный полимер, в изобилии встречающийся в растениях. Они состоят из вытянутых волокон, что является свойством хлопчатника, позволяющим им становиться тканью. Целлюлоза не растворяется в воде и поэтому используется в производстве бумаги.
4. Хитон: присутствует в клеточной стенке паразитических клеток. Встречается во внешнем скелете крабов, пауков и т. д.
5. Углеводы: полимеры, образованные из глюкозы. Крахмал и сахара — это тип углеводов, которые животные и растения могут использовать для производства энергии. Известно, что и целлюлоза, и углеводы состоят из глюкозы, но разница заключается только в их структуре, в которой одна имеет кластерную цепь, а другая — вытянутую, и есть еще одно отличие: углеводы растворимы в воде и могут быть растворены в воде. легко усваивается людьми, но целлюлоза не усваивается людьми, потому что она не растворяется в воде.
6. Белки: Белки состоят из аминокислот, которые представляют собой органические соединения, содержащие одну карбоксильную группу, аминогруппу и боковую цепь R, специфичную для каждой аминокислоты. Всего имеется двадцать аминокислот, и две или более аминокислоты объединяются вместе, образуя разные белки. Существует большое количество белков, которые содержатся в перьях, мехе, ногтях рук и ног, волосах и т. д. У животных шерсть, шелк и кожа являются важными волокнами, состоящими из белков.
7. ДНК и РНК: ДНК и РНК представляют собой макромолекулы и состоят из нуклеотидов. Нуклеотиды представляют собой органические молекулы и состоят из пуринов и пиримидинов, которые также называются азотистыми основаниями, сахара рибозы в РНК и сахара дезоксирибозы в ДНК и фосфатной группы. Эти полимеры образуются за счет конденсации.
8. Каучук: Каучук представляет собой полимер изопреновых мономеров, образованный аддитивной полимеризацией. Его получают из латекса, выделяемого каучуковыми деревьями.
Синтетические полимеры
Синтетические полимеры имеют преимущество, поскольку они очень стабильны. Они также могут быть настроены в зависимости от требований и целей.
Пример: оргстекло, пенополистирол, нейлон и т. д.
Синтетические полимеры стали необходимостью в повседневной жизни. Почти все, что мы используем, состоит из искусственных полимеров. Стабильность является не только преимуществом, но может быть и недостатком, поскольку это означает, что эти полимеры не могут разрушаться естественным образом, что приводит к накоплению в окружающей среде, что приводит к различным токсичным условиям в окружающей среде. Одним из способов разрушить или разрушить эти искусственные полимеры является их сжигание или нагревание при очень высоких температурах, но, опять же, это не экологический подход, поскольку он вызывает выделение токсичных газов.
Сополимеризация
Различные мономеры вступают в реакцию полимеризации с образованием полимеров, известных как сополимеры.
Пример: сополимер акрилонитрила и стирола
Биоразлагаемые полимеры
Большое количество полимеров из-за их прочных связей очень трудно разрушить и, следовательно, разложить. Это приводит к тому, что они накапливаются в окружающей среде, становятся токсичными и вызывают дисбаланс в природе. Чтобы избежать таких ситуаций, в последнее время производятся новые разновидности искусственных полимеров, которые легко разлагаются и, следовательно, не менее токсичны.
Необходимо постоянно распространять информацию, чтобы избежать использования не биоразлагаемых полимеров и использовать биоразлагаемые материалы.
Заключение
Накопление большого количества небиоразлагаемых синтетических и полусинтетических полимеров создает огромную проблему в окружающей среде человека. Эта проблема усугубляется тем фактом, что некоторым из них требуются сотни, если не миллионы лет, чтобы распасться на свои мономерные единицы. Они часто оседают на мусорных свалках, вызывая загрязнение почвы. Точно так же их нельзя сжигать или оставлять в источниках воды. Пластик является основным представителем этой категории, и в последние дни люди страдают от перепроизводства и чрезмерного использования пластика. То же самое и с другими синтетическими и полусинтетическими полимерами, которые не являются органическими или биоразлагаемыми.
Люди должны быть осведомлены о вредном воздействии небиоразлагаемых полимеров, и их следует поощрять к использованию большего количества биоразлагаемых веществ. В дополнение к этому синтетические и полусинтетические полимеры должны производиться только после анализа и оценки их воздействия на окружающую среду. Конкретные свойства природных полимеров, которые делают их способными к разложению, должны быть тщательно изучены, и такой устойчивый подход должен быть принят в индустрии синтетических полимеров, чтобы спасти планету от новой катастрофы загрязнения.
Натуральные полимеры
Много лет назад, до того, как появились пластмассы и синтетические полимеры, на самом деле все путь назад к началу жизни на земле, природа использовала природные полимеры, чтобы сделать жизнь возможной. мы не Думайте о природных полимерах так же, как о синтетических полимерах. потому что мы не можем считать их чудом собственной изобретательности. И хотя химические компании не могут продать большинство из них с прибылью, многие природные полимеры невероятно полезны. Куда же без съедобных вариантов, таких как крахмал, белок и коллаген? Не где, именно там!
Природные полимеры включают РНК и ДНК, которые так важны в генах и жизненных процессах. Фактически, матричная РНК — это то, что делает возможные белки, пептиды и ферменты. Ферменты помогают сделать химия внутри живых организмов и пептиды составляют некоторые из более интересные структурные компоненты кожи, волос и даже рога носорогов. Другие природные полимеры включают полисахариды. (сахарные полимеры) и полипептиды, такие как шелк, кератин и волосы. Натуральный каучук, естественно, также является природным полимером, изготовленным из только углерод и водород. Давайте рассмотрим каждое из основных семейств природных полимеров тесно.
Полисахариды
ДНК и РНК
РНК и ДНК содержат полимерные цепи, основанные на сахаре. единицы измерения. Это делает их полисахаридами, хотя в случае РНК и ДНК, есть хорошо упорядоченные группы, прикрепленные к единицы сахара, которые придают этим полимерам их уникальные свойства.
Древесина и картофель
Другое семейство полисахаридов включает крахмал и целлюлозу. Крахмал представляет собой высокомолекулярный полисахарид. Такие продукты, как хлеб, кукуруза и картофель полон крахмала. Крахмал может имеют до 10 000 единиц сахара, связанных вместе. Как эти агрегаты соединяются, все в линейном расположении или с некоторыми из них образуя ветви, определяет, какой крахмал или полисахарид это (подробнее об этом позже). Еще один очень важный член из семейства полисахаридов – целлюлоза. Это основной полимер, из которого состоят растения и деревья. Дерево прежде всего целлюлоза Это полимер отличается от крахмала. (Кликните сюда чтобы узнать больше.) Крахмал растворим в горячей воде и легко может превращаться в полезные предметы. Целлюлоза, наоборот, высококристаллический и почти ни в чем не растворяется. Хлопок представляет собой форму целлюлоза, которую мы используем в большей части нашей одежды. Тот факт, что это нерастворим в горячей воде имеет важное значение. Будь иначе наша одежда растворялась, когда мы ее стирали. Целлюлоза также имеет аккуратное свойство, что если его намочить и провести горячим утюгом она разглаживается и выравнивается. Это делает наш хлопок одежда выглядит красиво (по крайней мере, какое-то время), но все же позволяет их легко очистить, когда мы их моем.
Хитин: полимер для любителей морепродуктов в вас!
Еще одним представителем полисахаридов является хитин. Он составляет оболочки раков, креветок, крабов, омаров и других ракообразных. Это трудно, нерастворимыйи все же как-то гибко. Мы не придумали, как делать синтетические полимеры которые имеют это изящное сочетание свойств. у нас тоже нет придумали, как много сделать с хитином, хотя мы используем целлюлозу для многих химических применений и для изготовления бумаги, дерева дома, деревянная обувь и тому подобное. Есть много исследований ведутся работы по использованию хитина для разных целей, и, возможно, когда-нибудь мы сделаем из него одежду или пластик. Это область исследований что это важно, так как он использует натуральные полимеры, которые происходят из возобновляемые ресурсы или отходы. (Вы знаете, сколько креветки у нас каждый год теряют панцири?)
Химически хитин представляет собой поли( N -ацетилглюкозамин). Вот это состав:
Мы учимся у природы
Если вы внимательно посмотрите на каждого члена этих семей, природных полимеров, помните: природа была первой, длинный выстрел! Одна из наших задач как ученых состоит в том, чтобы выяснить как природа делает такую хорошую работу, что мы можем ей подражать. Для например, как только мы поняли, почему шелк обладает такими прекрасными свойствами, мы смогли сделать синтетический шелк в виде нейлон. Однако нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем производить синтетические РНК и ДНК, которые приведут к синтетической жизни. Хотя мы, возможно, никогда добраться туда, пытаясь понять, как это весело и приводит к большому количеству важные разработки в синтетических полимерах и других областях, включая медицины и биохимии. Это поднимает важный момент, который наука как жизнь. Это касается не только одной вещи, но все смешалось вместе. Наука о полимерах — не единственная наука, и это может быть даже не самая важная наука (хотя мы в бизнесе нравится думать, что это!). Это одна из областей которые могут помочь нам понять и использовать знания, которые мы получаем от изучение природы. Таким образом, мы развиваем технологии.
(Примечание: чтобы прояснить весь этот научно-технический вопрос, наука и технология – две разные вещи, несмотря на то, что они так тесно связаны. Наука – это акт сбора знаний путем наблюдения и экспериментирования. Технологии используют эти знания. Пример: Использование науки мы знаем, что горячие газы расширяются. Затем по технологии, мы используем принцип расширения горячих газов, чтобы сделать бензиновый двигатель который может привести автомобиль в действие. Посмотри, как это работает?)
Белки и полипептиды
Белки
Белки были первыми примерами полиамидов (а причудливое слово для нейлона). Оба имеют много общих черт, но они очень разные в как они сделаны и в их физических свойствах. Они есть одинаково в том, что оба содержат амидные связи в основной цепи. Амиды состоят из групп карбоновых кислот и аминогрупп. через потерю воды. (Для получения дополнительной информации нажмите здесь.)
Молекулярный сегмент амида уникален по своей структуре и межмолекулярным взаимодействия. Из-за гибридизации азота, углерода, и кислорода амидной группы сегмент в основном плоский. Что еще более важно, водород на азоте и карбониле кислород способен к сильному взаимодействию, называемому водородной связью. Из-за этого амидные группы настолько похожи друг на друга, что они образуют прочные ассоциации, которые дают амидосодержащие полимеры необычные свойства. Этот тип взаимодействия также обсуждается в разделе о нейлонах, и это ключевое сходство между натуральными синтетические полиамиды.
Различия между тем, как природа делает нейлон, и тем, как мы это делаем это поразительно. Мы в основном делаем нейлон из молекул, которые много групп CH ₂ в них. Раздел о нейлонах показаны структуры нейлона 6 и нейлона 6,6, двух наиболее распространенных синтетические полиамиды. Они имеют четыре, пять или шесть CH ₂ группы между амидными звеньями. Природа, однако, гораздо более экономна, выбор использования только одного углерода между амидными группами. Что природа поступает по-другому — заменяет этот углерод большим количеством различных функциональных сегментов и групп.
Это приводит к два ключевых свойства. Во-первых, отдельные сегменты и весь молекулы оптически активны, или хиральны . Это означает, что они как перчатки: есть и правая, и левая версии. По какой-то причине природа решила использовать только левый вариант. аминокислот, синтезируемых растениями и животными. Тот факт, что используется только один из двух изомеров, приводит к некоторым аккуратные стереохимические последствия. Например, природные полипептиды. могут образовывать спиральные структуры, а нейлоны – нет. Спиральные конформации повышают стабильность природных полипептидов. Вы знали что некоторые бактерии могут выжить в кипящей воде? Это потому что их природные полимеры были стабилизированы такими спиральными структуры. На рисунке ниже показана одна такая спиральная структура, называется а-спиралью. Небольшие сегменты таких спиралевидных структур — это то, что использует природа. формировать ферменты в определенные формы, чтобы они могли выполнять свои функции. каталитическая магия. Например, гибкий хаотично свернутый отрезок могут быть соединены двумя сегментами а-спирали так что они могут реагировать вместе на некотором субстрате.
Ферменты
Ферменты являются одним из ключевых типов полипептидов и имеют решающее значение. к жизни на земле. Все живые организмы используют ферменты для создания, модификации, и измельчить обсуждаемые здесь полимеры. Ферменты являются катализаторами которые выполняют определенные работы. На самом деле, часто каждый фермент делает только один тип работы или делает только один вид молекулы. Это означает что должно быть много разных ферментов, и все они сделаны из разных комбинации аминокислот, соединенных уникальным образом в полипептиды, выполнять всю работу, которая необходима любому живому организму. Мы знаем что каждое существо на земле имеет сотни или даже тысячи различные ферменты, чтобы сделать все работы, которые он требует. Что действительно странно, что каждый из ферментов должен быть сделан другими ферментами. Это приводит к очень сложным механизмам управления: мы не имеем ни малейшего представления (в большинстве случаев), как природа решает какие ферменты нужно производить и когда, или как ферменты включался и выключался. Мы начинаем это понимать, и изучение таких систем составляет важную часть биохимии и биология.
Поездка по Шелковому пути
Один из уникальных полипептидов, который мы использовали очень рано для его превосходными свойствами был шелк. Шелк был открыт китайцами. задолго до рождения Христа. Шелк делают крошечные гусеницы пытаются плести коконы для их превращения в мотыльков. Мы украсть шелк у гусениц, что оставляет их в подвешенном состоянии, довольно много. Шелк скручивают в волокна.
Пучки очень тонких отдельных полимеров, соединенных вместе, чтобы сильнее. Таким же образом мы делаем веревку, используя слабую индивидуальную пряди связаны вместе таким образом, что в целом они одновременно гибкие и сильный. Структура молекул шелка необычна для полипептид. Он содержит большое количество незамещенных аминокислот, глицин. Сегменты глицина способны образовывать плоские вытянутые цепочки. которые могут упаковать вместе красиво и плотно. Это придает шелку его уникальная прочность и блестящая гибкость.
Шелк обладает такими уникальными свойствами, особенно в жарком влажном климате, что на протяжении веков он доминировал в торговле в восточной Азии. Торговля шелком между Японией и Китаем контролировалась экономика цивилизаций в этом регионе дольше, чем любая страна хочет признать. Даже в Америке шелк был важен до Второй мировой войны для использования в шелковых чулках. Когда шелк был используется для парашютного шнура, женщины в Америке очень расстроились. Этот привели к тому, что химические компании синтезировали искусственный шелк, нейлон, сделать нейлоновые чулки, чтобы женские ноги оставались теплыми и мужчины могли вернуться к своим войнам.
Другое ключевое различие между полипептидами и нейлонами заключается в как они сделаны. Мы, люди, производим нейлон тоннами в день огромными химические заводы, где простые молекулы соединяются вместе в большое количество, чтобы дать продукты, которые нам нужны или хотят. Природа гораздо более осторожна и лаконична в своих действиях. Для живой организм для производства фермента, другого фермента или активного виды должны быть вовлечены. В синтезе всегда участвует шаблон, или запись того, как отдельные аминокислоты должны быть соединены вместе, чтобы получить конечный полимер. Этот шаблон или карта информационная РНК (мРНК). Послание, которое оно несет, конечно же, как фермент, производящий пептиды, должен образовывать полипептид.
Каждая аминокислота доставляется к ферменту молекулой-носителем. и активируется для включения целым каскадным семейством этапы реакции. Фермент добавляет одну аминокислоту, одну за другой. время, как указано мРНК. Это медленный и утомительный процесс и занимает много времени. Иногда фермент расстраивается, ждет, когда появится нужная аминокислота, и дает неправильную пощечину. один на вместо. Чтобы компенсировать это, фермент используется для поддержки время от времени, чтобы проверить его работу. Если оно совершило ошибку, у него есть процесс вырезания неправильной аминокислоты и вставки правый. Мы, люди, никогда этого не делаем. Если мы ошибемся, мы просто измельчаем его и выбрасываем.
Наши слабые возможности
Мы начинаем понимать, как природа размещает эти молекулы вместе, и мы выяснили, как сделать это сами. Однако, мы не очень хороши в этом и не можем делать очень большие молекулы эффективно варьироваться. Причина в том, что если мы ошибаемся, это разрушает всю молекулу, и мы не знаем, как это исправить. Вид машины, используемой для производства синтетических аналогов полипептидов называется «синтезатор пептидов». Такая машина есть построены вокруг крошечных полимерных шариков, которые мы прикрепляем к первому амино кислоты, которую мы хотим поместить в нашу полипептидную цепь. (Это называется подходом синтеза Меррифилда. Применение полимера бисер был отличной творческой идеей, и Роберт Меррифилд выиграл Нобелевская премия за это еще в 1984.) Затем берем активированный аминокислоту, подобную той, что использует природа, и присоединяют ее, образуя амидная связь. Мы повторяем этот процесс снова и снова, пытаясь чтобы эта реакция шла каждый раз на каждую молекулу на каждом шарик. Иногда нам не так везет, и мы пропускаем и аминокислоту. Это означает, что в некоторых полипептидах отсутствуют звенья. Это всегда приводит к смешиванию хорошего продукта с плохим. в котором хороший продукт может быть второстепенным компонентом. Это получает тем хуже, чем больше полипептид, который мы пытаемся получить, и одна из основных проблем, с которыми мы сталкиваемся при производстве полипептидов. Если бы мы могли просто выяснить, как сделать резервную копию и проверить каждый наших дополнений, а потом исправить ошибки, которые там есть, может быть, мы могли бы делать свою работу так же хорошо, как природа. Может быть.
Вы, наверное, спрашиваете, почему мы хотим сделать такую плохую работу создания синтетических аналогов того, что природа делает так хорошо. (Если вы нет, просто подыгрывайте.) Причин много, одна из которых состоит в том, чтобы выяснить, как природа это делает. Другой выяснить, почему пептиды и ферменты работают так, как они делать. Нам, простым смертным, не всегда понятно, почему данная последовательность Аминокислоты заставляют полипептид принимать определенную форму или структура. Эти структуры являются ключом к тому, как полипептиды делать любую работу, которую приготовила для них природа. Иногда, когда мы видим, как природа объединяет эти молекулы, мы можем сделать синтетические аналоги, которые делают то же самое, но их легче изготовить. Это привело к разработке новых лекарств и методов лечения. при некоторых генетических заболеваниях.
Природа также действует не так, как мы, синтезируя полипептиды. в воде. Фактически, в большинстве наших синтезов вода не используется. Мы синтезировать наши полиамиды в токсичных органических растворителях. Это приводит к проблеме: что мы делаем с органическими растворителями, когда мы через? Иногда мы сжигаем, но все больше и больше пытаемся для переработки этих материалов. Они не только дорожают покупать в первую очередь (по сравнению с дешевой водой, которая есть везде, или почти везде) но мы должны нести ответственность за их переработку, очистка и окончательная утилизация. Пример того, как природа использует воды таким образом, и один из них, который мы до сих пор не выяснили, производство паутины. Пауки плетут свои сети из растворов полипептидов в воде.