Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 23 из 68)
5. Для каждой реакции существуют определенные вещества или смесь веществ, обладающих селективным каталитическим действием. Поэтому, называя катализатор, следует обязательно указывать реакцию или тип реакции, на которые распространяется действие катализатора.
5.3. Перспективы развития каталитических систем
Роль каталитических систем, как в промышленности, так и в окружающем нас мире вообще трудно переоценить. Ускорение множества промышленных процессов невозможно без применения катализаторов. В результате биохимической эволюции миллионы лет шло совершенствование природных катализаторов. Сама жизнь зародилась на Земле благодаря каталитическим процессам. Природные катализаторы – тысячи энзимов, или ферментов – ускоряют превращения веществ в живых организмах, в том числе и в организме человека. Среди других видов каталитических систем ферментативный катализ является самым высокоорганизованным, так как ферменты отличаются высокой избирательностью, селективностью, специфичностью и каталитической активностью. Молекула белковой молекулы-фермента образует активный каталитический центр, содержащий функциональные группы, способные ориентировать молекулы реагирующих веществ в определенном положении к активному центру. В состав активного центра многих ферментов входят ионы металлов, причем при удалении такого иона молекула теряет каталитические свойства. Активные центры имеют строго определенную структуру, что позволяет ферменту присоединять только молекулы определенного строения. Так, например, фермент уреаза гидролизует карбамид (мочевину) в 1014 раз быстрее, чем ион водорода и не оказывает влияния на реакции гидролиза других соединений. В настоящее время известны тысячи ферментов, одни из которых катализируют только окислительно-восстановительные процессы, другие – реакции гидролиза и т.д.
Катализ является одним из самых современных и перспективных направлений химии. Выдающийся химик Н.Н. Семенов представлял химические процессы, протекающие в органах и тканях растений, животных и человека, в виде химического производства живой природы. По его мнению, в ходе эволюции организмов природа создала «молекулярные машины» исключительной точности, быстроты действия и необычайного совершенства. В качестве примера можно привести матричный синтез белковых молекул (см. Лекцию 18). Клетки живых организмов содержат субмикроскопические сборные «заводики» - рибосомы, содержащие «сборные машины» - транспортные и информационные рибонуклеиновые кислоты. Каждый вид коротких молекул транспортных рибонуклеиновых кислот захватывает один определенный тип аминокислот, несет их в рибосому и ставит на свое место в соответствии с информацией, содержащейся в информационной РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторыферменты и производят «сшивание» аминокислот в макромолекулу белка, соблюдая их строгую очередность. Это настоящий завод, строящий молекулу белка по плану, выработанному в ходе эволюции. Многие ферментативные реакции протекают через стадию образования между субстратом (реагентом, вступающим в реакцию) S и ферментом (катализатором) E промежуточного фермент-субстратного комплекса SE, который затем распадается с регенерацией фермента E и образованием продукта P:
1) S + E = SE; 2) SE = E + P
Используя принципы химии организмов, можно построить совершенно новую, эволюционную химию, основанную на необычном управлении химическими процессами при помощи биокатализаторовферментов. Установлены важные положения эволюционной химии: аналогия между химическим катализом и биокатализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах активных центров и носителей; заключение о важной роли металлоорганических соединений в биокатализе; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение (в отдельных случаях) биокатализа к катализу неорганическими агентами. В настоящее время эволюционная химия уровня живой лаборатории еще не достигла, но наметились три подхода к освоению опыта живой природы:
Катализ при помощи металлоорганических соединений, объединяющий методы классического гетерогенного катализа с приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях. Первые шаги в этом направлении сделаны в 1954 году немецким химиком, лауреатом Нобелевской премии К. Циглером (1898 -1973), который открыл реакцию полимеризации олефинов (например, этилена) при помощи катализатора на основе металлоорганических соединений титана и алюминия (известной сейчас под названием реакции Циглера-Натта). В настоящее время существует более 40 промышленных процессов с участием металлоорганических катализаторов. 
Второй путь заключается в моделировании биокатализаторов. Искусственно отбирая структуры, удалось построить модели многих ферментов с высокой активностью и селективностью, но с более простым строением, чем у природных биокатализаторов. Но ни одна полученная модель до сих пор не смогла заменить природную систему. Дело в том, что такой искусственный катализатор работает всего несколько минут, во время работы он разрушается (как любой «классический» катализатор). В живых организмах ферменты способны самовосстанавливаться и самосовершенствоваться.
Третий путь называется химией иммобилизированных систем. Благодаря успехам микробиологии стало возможно получать дешевые ферменты, которые в 100 - 1000 раз дешевле натуральных продуктов. Но главное, найдены пути стабилизации ферментов и создания иммобилизированных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции. При этом ферменты превращаются в гетерогенный катализатор, который может работать непрерывно и стабильно. Больших успехов в этой области достиг И.В. Березин (1923 - 1987) и его сотрудники из Московского университета. Некоторые процессы уже реализованы в промышленных масштабах.Четвертый путь – это изучение и освоение всего каталитического опыта живой природы, в том числе и формирования самого фермента, клетки и даже самого организма.
5.4. Вопросы и задания
1. Объясните механизм действия катализатора на основе теории промежуточных соединений.
2. Что такое автокатализ?
3. Какой принцип лежит в основе мультиплетной теории гетерогенного катализа?
4. Что такое катализатор Ренея?
5. Какие каталитические системы называют системами с положительной обратной связью? С отрицательной обратной связью?
6. Как изменится константа скорости катализируемой реакции при гомогенном катализе, если заменить катализатор другим, активность которого в 10 раз выше, и уменьшить его концентрацию в 5 раз?
7. Найдите объѐм катализатора для синтеза аммиака NH3, если производительность установки составляет 5000 м3/час.
Производительность катализатора равна 2000 кг/(м3∙час).
8. При окислении аммиака на платиновом катализаторе было получено в течение суток 1440 кг азотной кислоты. Для окисления использовано 0,064 кг катализатора. Рассчитайте активность катализатора.
9. Какую реакцию ускоряет катализатор Циглера-Натта?
10. Что такое эволюционная химия?
Лекция 6. Полимеры и олигомеры
Полимеры и олигомеры относятся к органическим соединениям.
6.1. Органические соединения
Органические соединения – это соединения углерода (за исключением самых простых, как, например, как оксид и диоксид углерода, карбиды, и пр., которые считаются неорганическими соединениями), так как в природе они встречаются почти исключительно в организмах животных и растений, принимают участие в процессах жизнедеятельности или распада организмов. Деление веществ на органические и неорганические условно, так как множество соединений углерода можно обнаружить как в живой, так и неживой природе. В 1824 году немецкий химик Ф.Вѐлер получил из неорганического вещества дициана C2N2 органическую щавелевую кислоту HOOC-COOH, которую до тех пор добывали только из растений. В 1928 году он же осуществил первый синтез органического вещества животного происхождения: нагреванием цианата аммония NH4CNO получил мочевину, или карбамид (NH2)2CO. В настоящее время путем органического синтеза получают множество органических соединений. Современная теория органических соединений основывается на следующих положениях:
Все особенности органических соединений, прежде всего, определяются свойствами элемента углерод. Электронная формула углерода (1s2)2s22p2;
в возбужденном состоянии углерод имеет электронную конфигурацию 2s12p3 и может образовывать четыре ковалентные связи. Из одной s- и трех р-орбиталей в результате гибридизации образуются четыре симметричные sp3-орбитали, которые в результате перекрывания с электронными облаками других атомов (например, с 1s-шаровыми облаками атомов водорода) образуют так называемые ковалентные сигма-связи.
Исключительным свойством углерода является способность его атомов соединяться друг с другом прочными ковалентными связями. При этом образуются углеродные цепи практически неограниченной длины. Свободные валентности используются для присоединения других атомов или групп. Таким образом, можно выделить ряды однотипных органических соединений (гомологические ряды), в которых каждый последующий член отличается от предыдущего на один атом углерода. Так, например, если насыщать свободные валентности углеродных цепей атомами водорода, получится гомологический ряд насыщенных, или
предельных углеводородов (метан, этан, пропан, бутан и т.д.)