Шелк и шерсть представляют собой белковые волокна, состоящие из длинных полипептидных цепей (гл. 15). Хлопок и лен — полисахариды (углеводы), имеющие состав (С6Н10О5)x. Эти волокна состоят из длинных цепей, в состав которых входят атомы углерода, водорода и кислорода, но в них отсутствуют атомы азота.
За последние годы получены синтетические волокна благодаря тому, что в лабораторных условиях научились синтезировать длинные молекулы. Одним из таких веществ, имеющих ценные свойства, является найлон. Это продукт конденсации адипиновой кислоты и диаминогексана. Указанные два вещества имеют следующее строение:
Адипиновая кислота состоит из молекул, образующих цепь из четырех метиленовых групп, на концах которой находятся карбоксильные группы, а диаминогексан — из аналогичной цепи из шести метиленовых групп, причем на концах цепи находятся аминогруппы. Молекула адипиновой кислоты может соединяться с молекулой диаминогексана следующим образом
Если такой процесс продолжить, то можно получить очень длинную (полимерную) молекулу, в которой остатки адипиновой кислоты чередуются с остатками диаминогексана. Найлон представляет собой волокнистый материал, состоящий из полимерных молекул указанного выше строения, ориентированных приблизительно параллельно друг другу.
Получение других искусственных волокон и пластмасс основано на аналогичных реакциях конденсации. Термопластики обычно представляют собой агрегаты таких больших молекул; при нагревании эти материалы размягчаются и их можно формовать. Термореактивные пластики также являются агрегатами полимерных молекул, в состав которых входят некоторые активные группы, способные к дальнейшей конденсации. При нагревании такого материала в формах активные группы реагируют между собой, связывая молекулы в пространственную решетку, после чего образовавшаяся пластмасса отвердевает и не поддается дальнейшему формованию.
Химики, имея в своем распоряжении множество различных веществ, сумели получить из них волокна и пластические массы, которые во многих отношениях превосходят природные материалы. Эта область химии, область синтетических гигантских макромолекул (полимеров), развивается очень быстро, и можно предвидеть дальнейший прогресс уже в ближайшие годы.
Упражнения
13.1. Дайте определение органической химии.
13.2. Опишите петролейный эфир, бензин и керосин, указав их состав.
13.3. Что такое сопряженная система двойных связей? В качестве примера рассмотрите гексадиен, содержащий цепь из шести атомов углерода.
а) Сколько в нем атомов водорода? б) Положение двойной связи указывается порядковым номером первого из двух атомов углерода цепи, между которыми образована двойная связь; гексадиен-1,5 имеет двойную связь на каждом конце молекулы. Как записываются формулы остальных гексадиенов? Какие из них имеют сопряженные связи?
13.4. Пентадиен-1,3 (г.) имеет стандартную энтальпию образования 78,0 кДж·моль-1 (средняя величина между 78,2 и 77,8 для цис- и транс-изомеров); она меньше, чем значение 105,4 кДж·моль-1 для пентадиена-1,4 (г.). Чем можно объяснить более высокую устойчивость 1,3-изомеров?
13.5. Расположенные рядом две двойные связи, как, например, в аллене Н2С = С = СН2, нестабильны. Рассчитайте энергию, выражающую эту неустойчивость, обусловленную несопряженностью двойных связей, из стандартной энтальпии образования пентадиена-1,2 (г.), равной 129,7 кДж·моль-1. [Ответ: 24,3 кДж·моль-1.]
13.6. При вулканизации происходит реакция присоединения (разд. 7.2). Изобразите схематически в качестве примера химическое строение фрагмента резины — вулканизованного хлоропренового каучука.
13.7. Какую характеристическую химическую группу имеют все спирты? Может ли содержаться в молекуле более одной такой группы?
13.8. Первичные и третичные спирты в книге были рассмотрены. Что такое вторичный спирт?
13.9. В чем различие между фенолом и бензиловым спиртом? Напишите их структурные химические формулы. Вычислите их относительную кислотность.
13.10. Какие характеристические химические группы у альдегидов и кетонов? Чем они различаются?
13.11. Напишите структурные формулы ацетальдегида и ацетона.
13.12. Какую характеристическую химическую группу имеют органические кислоты? Сравните кислотность алифатических спиртов, фенолов и органических кислот.
13.13. Напишите структурную формулу этилацетата. Какую характеристическую химическую группу имеют сложные эфиры?
13.14. Напишите уравнение превращения тристеарилглицерида в мыло.
13.15. В чем заключаются структурные различия между восками и жирами?
13.16. Опишите химическое строение сахаров (сахаридов), сопоставьте его со строением других веществ.
13.17. Напишите структурные формулы циклической фруктозы, маннозы и галактозы.
13.18. Из равновесных количеств α-, β-глюкозы и глюкозы с открытой цепью в растворе определите, в какой последовательности они располагаются по своей устойчивости.
13.19. Какие связи различны в α-, β-глюкозе? Из значений энергии связей, приведенных в приложении V, рассчитайте ожидаемую разность энергий этих двух форм глюкозы, (Учтите, что для этих веществ в растворе может сказаться некоторое различие в энергии водородных связей с водой.)