Конформації макромолекул високомолекулярних сполук

Макромолекули природних і деяких синтетичних високомолекулярних з”єднань частіше всього мають форму нерозгалужених ланцюгів або ланцюгів з невеликими розгалуженнями. Така лінійна форма макромолекул обумовлює типові для полімерів властивості - еластичність, здатність утворювати нитки, або плівки високої міцності, додавати при розчиненні в”язкі розчини. Ці властивості визначаються гнучкістю лінійних молекул, здатністю до коливально-обертального руху окремих ланок макромолекул навколо одинарних зв”язків, що їх з”єднують. Завдяки обертанню окремих ланок макромолекула вигинається і може приймати різні конформації.

Конформаціями називаються просторові форми молекул, що переходять одна в одну без розриву хімічного зв”язку за рахунок повороту ланок.

Так, як зв”язків в молекулі багато і важливих її конформацій. Але внутрішнє обертання в молекулах не може відбуватися вільно. В кожній макромолекулі крім атома вуглецю, що утворюють основний ланцюг, є атоми, водню, розташовані збоку від неї, а також атоми або групи атомів інших елементів, що заміщають водень. Вони можуть взаємодіяти одна з одною, знаходячись або в одній макромолекулі або в різних молекулах.

При повороті одного ланцюга в якій небудь макромолекулі змінюється відстань між цими боковими атомами або групами атомів, що в свою чергу викличе зміни енергії молекули. Відповідно, для повороту однієї частини молекули відносно іншої необхідно виконати роботу, значення якої залежить від будови молекули. Найбільш гнічкі ланцюги

- СН₂ – СН₁, бо взаємодія атомів водню в них невелика. Якщо замість атомів водню в молекулу входять полярні атоми і групи, наприклад,

- CI –OH-COOH, то взаємодія між ними буде більш сильною як в межах однієї макромолекули, так і між суспільними молекулами.

Це приводить до зменшення гнучкості макромолекул і збільшенню жорсткості полімерів.

При низьких температурах для макромолекул характерна витягнута форма. З підвищенням температури збільшується тепловий рух окремих ланок і макромолекули скручуються. Вірогідність існування випрямлених і скручених конформацій неоднакова. Це виходить хоча б з того, що гранично витягнутий стан лінійної макромолекули може бути тільки один, а скрученим макромолекулам може відповідати досить велике число конформації, тобто вони більш вірогідні.

2. Природні і синтетичні високомолекулярні з’єднання

До найбільш важливих природних високомолекулярних сполук відносяться білки, що є головною складовою частиною всіх речовин тваринного походження. Вони містяться також в рослинах, особливо в зернах пшениці, насінні бобових. Молекули білків побудовані із залишків різних амінокислот, з’єднаних пептидними зв’язками, але в якому порядку ці амінокислоти зв’язані одна з одною, для багатьох білків невідомо. Лінійно побудовані макромолекули білків можуть бути зв’язані одна з одною, наприклад, дисульфідними містками або водневими зв’язками. Молекулярна маса різних білків коливається в широких межах і досягає кількох мільйонів. Білки використовуються головним чином для харчових потреб. Деякі речовини, що містять білки – шкіра, шерсть, натуральний шовк – знаходять і технічне застосування.

Білки – основний матеріал, з якого побудований живий організм. Запас усіх білків у живих організмах повинен постійно поповнюватися, тому білки – найважливіші поживні речовини. Харчова цінність білків залежить від їхнього складу, тобто від вмісту в них незамінних (не синтезованих самим організмом) амінокислот. Звичайно тваринні білки вважаються для людини важливішими, ніж рослинні.

Природними високомолекулярними речовинами є целюлоза і крохмаль (вищі полісахариди).

Целюлоза – головна складова частина тканин рослин. Найбільше міститься чистої целюлози (96-98%) у бавовні. Молекули целюлози мають лінійну будову і складаються із залишків глюкози. Молекулярна маса її коливається в широких межах – від 500тис. до кількох мільйонів. Окремі макромолекули целюлози пов’язані між собою великою кількістю водневих зв’язків, тому вона не плавиться і не розчиняється.

Крохмаль є головною складовою частиною всіх злаків та картоплі. Він складається з двох полісахаридів, амілози та амілопектину.амілоза – лінійний полімер, побудований із залишків глюкози; молекулярна маса амілози вимірюється сотнями тисяч. Амілопектин – розгалужений полімер, також побудований із залишків глюкози; його молекулярна маса може досягати кількох мільйонів.

До найбільш розповсяджених і важливих для харчової промисловості синтетичних полімерів відносяться поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид та політетрафторетилен.

Поліетилен (-СН₂ – СН₂-)_n одержують полімеризацією етилена. Молекули цього полімера лінійні, іноді мають невеликі розгалуження. Молекулярна маса поліетилена знаходиться в межах 25000 до 100000.

При кімнатній температурі він не розчиняється ні в жодному з відомих розчинників. При 110-120^оС становиться пластичним і легко деформується. Завдяки водостійкості, поганий газо- і паропроникності полетилен використовують у вигляді плівки для упаковки харчових продуктів. З нього виготовляють труби, пробки і ємкості для зберігання рідин. СН₃

|

Поліпропілен (-СН₂-СН-)_n має молекулярну масу 60000-200000. Він стійкий до дії кислот. При звичайній температурі поліпропілен ні в чому не розчиняється, плавиться при температурі 164-170^оС.

Поліпропілен застосовують для виробництва пакувальної плівки, посуду, труб. Волокна з поліпропілену відрізняються високою міцністю.

Сl

|

Поліввінілхлорид (-СН₂-СН-)_n складається з лімітних або малорозгалужених молекул. Його молекулярна маса 18000-30000. На основі полівінілхлориду промисловість випускає вініпласт – твердий пружний матеріал. Він добре зварюється і склеюється. Його застосовують для виготовлення листів, плівки, труб і деталей апаратури, які можуть експлуатуватися при температурі не вище 50-60^оС.

Політетрафторетілен тефлон ( - СF₂ – CF₂ - )_n плавиться при 320-327^оС. Ні в чому не розчиняється і має надзвичайно високу хімічну стійкість до дії сильних кислот, луг і органічних розчинників навіть при підвищених температурах. Використовується для виробництва хімічно стійких труб, кранів, вентилів, підшипників.