Компактное транспортабельное энергоемкий химический продукт
22.02.2010 | 
Автор: Итак, человечество нуждается в компактном, транспортабельном достаточно энергоемком химическом продукте, который можно было бы использовать в существующих транспортных средствах. Рассеянная же форма солнечного излучения для этих целей малопригодна. Не таскать же за собой на автомашинах отражающие зеркала, солнечные концентраторы и другие детали гелиоустановок! Поэтому следует подумать об устройстве таких стационарных установок, в которых солнечная энергия запасалась бы в форме энергоемких продуктов – потенциального моторного топлива и органического сырья для химической индустрии будущего.
Приведем данные о теплотворной способности некоторых веществ.
Рубрика: 
Важные углеводы животной ткани
Нетрудно показать, что из трех различных моносахаридов можно построить 2496 трисахаридных структур, отличающихся друг от друга последовательностью звеньев, местом расположения и типом О-гликозидной связи. Всего из пяти разных моносахаридов можно сконструировать около 2,5 миллиарда пентасахаридных структур, т. е. почти столько же, сколько людей живет на земном шаре. Для сравнения укажем, что из пяти разных аминокислот (имеющих по две функциональные группы) можно построить всего 120 олигопептидных структур. В этом смысле углеводы обладают огромной информационной емкостью – возможностью построения практически неограниченного количества молекулярных структур, не похожих друг на друга, как дактилоскопические отпечатки.
Вот так (14), например, выглядит структура олигосахаридного блока группового вещества слизистой оболочки желудка свиньи – гликопротеина-Н (мы не приводим структуру моносахаридов и характер стыковочных О-гликозидных связей). Легко, однако, себе представить, что при том же составе и характере углеводов одним лишь изменением конфигурации О-гликозидных связей можно получить очень большое число различных (в биологическом смысле) олигосахаридов.
Углеродный атом
Надо прибегнуть к защите всех гидроксильных групп, кроме одной. Но какими средствами блокировать эти группы по принципу «все, кроме одной»? Это – вопрос первый.
Развитие стереохимической гипотезы
Но остановить развитие и победное шествие стереохимической гипотезы Вант-Гоффа и его современника француза Жака Ашиля Ле Беля уже было невозможно. Она властно завоевывала умы выдающихся химиков конца прошлого века. Органические структуры получили для своего изображения еще одну координату. И случилось это в самое подходящее время, потому что в те же самые годы происходило становление химии углеводов, в объектах которой вообще невозможно разобраться, не привлекая пространственные представления стереохимической теории.
Вант-Гофф написал более двухсот научных трудов. Особо широкую известность получили его «Очерки по химической динамике» (1896 г.), в которых были разработаны количественные законы химических реакций. Этой работой были заложены основы нового научного направления – физической химии. В становлении этой стыковой науки и ; ее дальнейшем развитии главную роль, сыграл выдающийся «триумвират» химиков – Вант-Гофф, Аррениус, Оствальд. Первые статьи этого «трио» опубликованы в первом номере основанного Вильгельмом Оствальдом «Журнала физической химии» (1887 г.).
Простейшие одноклеточные
Через два десятилетия человечество будет встречать 2000-й год. Каким он будет этот новый год, что нас ожидает? Люди много думают сейчас об этом, мечтают, прогнозируют. Разные есть прогнозы, оптимистические и пессимистические, важные и несущественные. Полагают, например, что к этому времени человек научится продлевать жизнь на полвека, осуществит заветный синтез живого вещества, создаст искусственный «разум». Это хорошо. Но как будет обстоять дело с энергетическими и сырьевыми ресурсами? Хватит ли их нам для того, чтобы обеспечить на длительную перспективу нормальные условия жизни человека на нашей планете? В этой части есть свои прогнозы. Они говорят нам, что к концу XXI века на Земле не останется нефти и газа.
Нефть, уголь и природный газ
Нефть, уголь, природный газ – основные природные органические ресурсы. Мы «приспособились» к ним, научились использовать их как топливо и как источник огромного количества разнообразных изделий бытового и технического назначения. Достаточно сказать, что до 95% всех производимых органических материалов мы получаем на основе нефти. Всему, однако, есть предел. И уже условий для избирательного синтеза углеводов заданного строения. В 1887 году Эмиль Фишер осуществил синтез фруктозы конденсацией глицеринового альдегида и дио-ксиацетона, а в 1891 году опубликовал свою знаменитую работу по установлению пространственной структуры трех простых углеводов. Эти исследования, с одной стороны, явились надежным экспериментальным доказательством стереохимической теории Вант-Гоффа и Ле-Беля, а с другой – дали мощный толчок дальнейшему развитию структурно-химических представлений в химии углеводов.
Химия углеводов, как видим, еще молода – она ровесница стереохимической теории. В ее становлении сыграли большую роль выдающиеся химики-органики конца прошлого и начала нашего века – Эмиль Фишер, Герман Килиани, Норман Хеуорс, Клод Хэдсон, Бернгард Тол-ленс.
Химические превращения исходного вещества
Для того чтобы найти связь между константами kH (kOH) и Ка, надо иметь некоторое представление о химических превращениях исходного вещества и выяснить, по какой именно функциональной группе идет протежирование (или отщепление протона). Обычно при этом прибегают к гипотезам относительно схемы реакции, составляют уравнение для скорости реакции в функции концентрации всех участников процесса и затем сравнивают следствия, вытекающие из этого «пробного» уравнения, с данными эксперимента (например, с экспериментально найденной зависимостью константы скорости от концентрации катализирующей кислоты или основания). Вот и все. Если следствия из предполагаемой схемы согласуются с экспериментом, значит, мы правильно понимаем ход реакции в условиях кислотно-основного катализа.
Действительность, конечно, намного сложнее, и обычно хорошие результаты получаются только для самых простых реакций, не осложненных никакими побочными процессами. К таким реакциям можно отнести, например, гидролиз сахарозы и мутаротацию моносахаридов. Не случайно именно на примере этих реакций была отработана тактика изучения явлений гомогенного катализа и установления количественных закономерностей химических процессов, протекающих в жидкой фазе. Но как мало таких реакций. Особенно среди углеводов.
Конденсация формальдегида с образованием простых сахаров
Обратимся теперь к реакции Бутлерова – конденсации формальдегида с образованием простых сахаров. Некоторое представление о механизме развивающихся при этом процессов могут дать символические схемы 1 и 2, о которых мы говорили в начале брошюры. Элементарным актом этих реакций является образование углерод-углеродной связи между молекулой формальдегида и карбонильной группой полиоксиальдегида. Для осуществления этого акта необходимы щелочные среды, в которых происходит формирование карбанионов. Наиболее активны в качестве катализаторов гидроокиси щелочно-земельных элементов, и особенно гидроокись кальция. За сто с лишним лет, прошедших со времени открытия этой реакции, было перепробовано огромное число разнообразных агентов в попытках подобрать наиболее активный и избирательно действующий катализатор. Однако исследования в этом направлении пока не привели к решению основной проблемы – направленному синтезу моносахаридов заданной структуры.
Наращивание звеньев Н-С-ОН – стереохимически неуправляемый акт, и в результате в реакционной среде спонтанно развивается сеть параллельных реакций. Проблема стереоизбирательного катализа как раз и состоит в том, чтобы ускорить только одну из этих реакций, что позволит быстро выводить продукт из зоны реакций и предотвратить его дальнейшие химические превращения. Это очень важно, потому что в щелочных средах могут происходить таутомерные превращения Сахаров и их ретроальдольный распад с последующим участием продуктов распада в реакциях альдолькой конденсации. Реакция должна протекать при низких температурах, потому что при повышении температуры начинают развиваться процессы, связанные с образованием муравьиной кислоты и метанола. Ко всему этому надо добавить, что реакция Бутлерова – процесс автокаталитический.
Работы по закреплению лекарственных соединений
Так не использовать ли введение углеводов в структуру физиологически активных веществ и известных лекарственных препаратов для их «облагораживания» (снижения токсичности, повышения водной растворимости, а возможно, и для увеличения избирательности" действия)? Сейчас ученые интенсивно работают в этом направлении, и уже получены первые результаты, свидетельствующие об исключительной плодотворности таких работ в современной фармакологии. Вот только один пример, полученный в совместных работах Института органической химии АН Киргизской ССР и Института химической физики АН СССР: «посадка» сильнейшего химического мутагена (и одновременно противоракового препарата) М-нитрозо-метилмочевины (23) на моносахаридную матрицу привела к снижению его токсичности на два порядка и увеличению избирательности действия.
Свойства эфиров целлюлозы
Свойства эфиров целлюлозы зависят как от природы заместителя, так и от их числа в элементарном глюкопира-нозном звене целлюлозной цепи. Поэтому даже относительно небольшие вариации в содержании эфирных групп приводят часто к весьма ощутимым изменениям физико-химических и эксплуатационных свойств эфиров целлюлозы. Так, например, для нитратов целлюлозы предельное значение концентрации азота в продуктах нитрования-составляет 14,14 % вес. На практике обычно получают продукты с несколько меньшим содержанием азота. Нитроэфиры с содержанием азота 12,5-13,5 % (так называемые пироксилины) используют главным образом для изготовления порохов, а при содержании азота 10,5-12,5 % (так называемые коллоксилины) – для получения нитроэмалей, лаков и пластических масс типа целлулоида.,
