כיצד "לבנות" מולקולה?

איך בונים מולקולה? בשנת 1861 קרה אירוע יוצא מן הכלל - חומר דמוי סוכר נוצר לראשונה במבחנה של כימאי!

מיותר לומר על המשמעות של אירוע זה? אוכלוסיית כדור הארץ מכפילה את עצמה כל 60-100 שנה. הוא זקוק לעוד ועוד אוכל. בשביל זה חורשים אדמות חדשות, משפרים את הדייג וכו '. ואז באטלרוב קיבל סוכר על ידי טיפול בפורמלדהיד במי גיר. מדוע להמשיך ולעבד מטעי קנה סוכר וסלקי סוכר? אוכל - תחילה סוכר ואז חלבונים - ניתן ליצור באופן מלאכותי!

אבל אם תחפש כעת אוכל מלאכותי, לא תמצא אותו, למרות שחלפה מאה מאז סינתזת הסוכר. כימאים קיבלו קלפים מבולבלים ... עם זאת, בואו לא נקדים את עצמנו.

איך בונים מולקולה? במתמטיקה שתיים היא תמיד שתיים, אך בכימיה אורגנית שתי מולקולות המורכבות מאותם אטומים, באותו סדר, אינן מקבילות בהכרח זו לזו. וה"אשם "בכך הוא המבנה המרחבי של מולקולות.

מה זה? יש לך חמש אצבעות על שתי הידיים. ההזמנה שלהם זהה. אבל נסה לערבב כפפות ולשים את השמאלית על יד ימין. המבנה המרחבי הוא זה שמבדיל בין שמאל לימין.

מולקולות פולימריות - שרשראות ענקיות אלה של יחידות בודדות של מולקולות קטנות הנקראות מונומרים - מכוונות בחלל בקפידה זו לזו ומבחינה זו הן כמו כפפות. חלק מהמולקולות הללו נותנות את המאפיינים המרחבים שלהן בכך שחלקן, כאשר הן מסובבות, הופכות את קרן האור המקוטבת ימינה, ואילו אחרות - שמאלה. גופם של בעלי חיים ובני אדם מורכב רק ממולקולות חלבון מריצות. מולקולות דה-סיבוביות פשוט אינן נספגות בגוף. הם "לא אכילים" בשבילו. ומכיוון שמוצרים סינתטיים הם תערובת של מולקולות נכונות ומוותות, אז ...

מסתבר שלא מספיק להשיג את החומר הנדרש. כמו כן יש צורך להיפטר מהארכיטקטורה של כל מולקולה. כך שכל קבוצת אטומים במולקולה תופסת מקום מוגדר בהחלט בחלל. ואם לא מקפידים על כלל זה גם בעת יצירת חומרים פולימרים טכניים, התוצאות מאכזבות.

כך, למשל, יש פוליסטירן ופוליסטירן. פוליסטירן, שממנו מיוצרים כיום פריטים ביתיים רבים, הוא אמורפי. המבנה המולקולרי שלו הוא כמו סבך בלתי חדיר, שבו גבעולים, ענפים, שורשים מעורבבים בבלגן.

איך בונים מולקולה? אבל אם מולקולות הפוליסטירן היו מכוונות בחלל, מסודרות בסדר קפדני, כמו צמחים שנזרעו בצורה מקוננת מרובעת, אז פוליסטירן כזה היה דומה מאוד לשמו ה"לא מאורגן ". אם לפוליסטירן אמורפי יש נקודת התכה של 80 מעלות, אז פוליסטירן "מאורגן" (מולקולות של חומר כזה מכונות סטריאורגי) - 240 מעלות. הֶבדֵל! בנוסף, הפולימר הסטריאורגי הוא חזק פי שניים.

קל לדמיין איזה קפיצה תעשה הכלכלה הלאומית אם המפעלים ייצרו רק פולימרים סטריאו רגילים! וכמה הסיכוי להחליף מוצרים טבעיים יגדל במוצרים סינתטיים!

אבל מולקולה איננה בית, וחומר אינו עיר שניתן לבנות כרצונך. קשה לדמיין "פיגום" לכל אחד מטריליוני המולקולות הרבות.

זו הסיבה שכל הניסיונות להשיג פולימרים סטריא-רגולריים טהורים לא היו מעודדים במיוחד. במקרה הטוב, בעזרת זרזים מיוחדים, ניתן היה להשיג תערובות בהן שמונים אחוז מהמולקולות מכוונות, ועשרים היו בהפרעה. מולקולות "לא מאורגנות" אלה השחיתו מיד את איכות החומר.

היה ברור שלא ניתן להשיג את חומרי העתיד בשיטות הישנות; צריך לחפש דרכים חדשות.ובבת אחת במעבדה של מכון המחקר לסינתזה פטרוכימית של האקדמיה למדעים של ברית המועצות הם מצאו את אחת הדרכים לכך.

כאן הם הצליחו לבנות "פיגומים" להרכבת מולקולות פולימר סטריאורמליות. אך לא ניתן לראות את המולקולה הזו עצמה אפילו במיקרוסקופ אלקטרונים.

"הפיגומים" התבררו כמולקולות של חומר אחר - אוריאה.

אם אנו מפשטים מעט, אנו יכולים לומר שלמולקולת האוריאה יש צורה של ריבוע. במהלך התגבשות אוריאה טהורה, הריבועים מחוברים בזוגות ויוצרים מעוין.

אולם, באינטראקציה עם פחמימן (שהוא מונומר), מולקולות אוריאה אינן משתלבות בשניים, אלא בשלושה. נוצר משושה, אשר "לוכד" את מולקולת המונומר.

איך בונים מולקולה? כמו זחלים בחלת דבש, מולקולות מונומריות טמונות כעת בגבישי אוריאה. הם ממוקמים בתוך סריג הקריסטל בסדר קפדני, תופסים מיקום מסוים בחלל. אם כעת אנו "מצליבים" את המונומרים זה לזה, כלומר נקשר אותם עם קשר כימי, אז הפולימר הסטריאורגי הוא מוכן ...

"קישור רוחב" של מונומרים נעשה על ידי הקרנה. מיקרו-חלקיקים של קרינה מעוררים זחלים מונומרים, גורמים להם להיראות מחזיקים ידיים. פילמור הקרנות יכול להיעשות תוך שניות, ואילו עם זרזים זה יכול לקחת שעות. זה יכול להתנהל בכל נפח חומר, כל עוד כוחו של הפולט מספיק.

פיגומי מתכת טובים לאחר סיום הבנייה מפורקים ומועברים לבנייה חדשה. אז זה כאן. לאחר סיום הפילמור, האוריאה מומסת במים ומתקבל פולימר טהור, ושוב ניתן להשתמש במלואו לאותו תהליך.

על גבי סריג הקריאה של אוריאה, לעומת זאת, רק פולימרים מונומרים יכולים להציב אותם בתוך הערוץ שנוצר על ידי המשושים של מולקולותיו. אך לא רק אוריאה יכולה לקיים אינטראקציה עם פחמימנים בדרך זו. כעת מדענים מחפשים חומרים שמתגבשים יוצרים תעלות בגודל ובצורה שונים, ועל כן הם יכולים לשמש "פיגום" למגוון חומרים פולימרים.

מולקולות בעלות ארכיטקטורה נתונה ... חומרים הבנויים על פי שרטוט ... זהו צעד ענק קדימה בכימיה.