Основные проблемы современной химии
г) рекуперация энергии химической реакции.
Энергия не отдается Во внешнюю среду, а захватывается катализатором и идет на ослабление связи реагента. Чем сложнее активный центр, тем он химически активнее. Все 4 эффекта проявляются одновременно, но в зависимости от вида реакции роль каждого эффекта изменяется. Несмотря на большие успехи, точного определения катализа пока нет. Наиболее п
одходящее определение: катализ – способ осуществления химической реакции, характеризующийся:
1. активацией реагентов путем их неполновалентного взаимодействия с веществом, которое в ходе реакций остается неизменным.
2. селективной направленностью реакции как следствие такого взаимодействия.
Учение о катализе как об одной из составляющих третьей концептуальной системы коренным образом изменило и цели, и задачи, и методы химической технологии.
Пятый способ решения задачи химии. Эволюционная химия
Идеи эволюции занимали важное место у геологов, астрономов, химиков же этот вопрос мало волновал, так как получение веществ – это было дело рук человека. Но постепенно проблема происхождения химических индивидов стала актуальной, так как повлияли 3 фактора:
- вековая мечта овладеть опытом лаборатории живого организма.
- включение в историческую науку принципа историзма. Только с его помощью можно было объяснить самопроизвольное восхождение от низших материальных систем к высшим.
- появление серии работ, указывающих на экспериментально установленные факты прогрессивной эволюции химических индивидов через их естественный отбор.
Изучая в 1835 году явления, которые Берцелиус назвал катализом, он увидел в них связующее звено между неорганической химией и живой природой. Рассматривая гидролиз крахмала под действием ферментов,
Берцелиус провел этот эксперимент с участием неорганических веществ, следовательно, этот процесс – один из множества в живом организме.
Берцелиус: «Мы получаем обоснованный вывод думать, что в живом организме происходит 1000 таких каталитических процессов». Биокатализ – вот что Берцелиус назвал основой основ лаборатории живого организма.
Три направления исследования состава и химических процессов в живых организмах:
1) Химики изучали вещества с целью их искусственного воспроизведения.
2) Биологи использовали субстратные (вещественные) и функциональные основы живого.
3) Медики изучали с целью уяснить границы нормы и патологии.
Изучение ферментов
На определенной стадии возникла идея о ведущей роли ферментов. Затем – биорегуляторов в процессе живой деятельности. На этом пути были достигнуты значительные успехи.
- открыта структура терпенов, хлорофилла, стероидов, полисахаридов и ряда других соединений.
- синтезированы гормоны, витамины и т.д.
- триумфом было открытие структуры инсулина, в состав которого входит
C254 H377 N65 O75 S6
Параллельно изучались процессы с участием ферментов, реакции брожения. На этом пути Пастер увидел различие между бесклеточным брожением и ферментативной деятельностью дрожжевых клеток. Открыта белковая природа ферментов. 2 противоположных тенденции: химическая и биологическая.
1) результаты химической тенденции:
- биокатализ сводится к химическому катализу.
- это упрощение, но оно дало:
а) аналогию между катализом и биокатализом;
б) положение о наличии двух составляющих активных центров и носителей;
в) важная роль ионов переходных металлов в активных центрах;
г) биокатализ подчинен законам химической кинетики;
д) в некоторых случаях биокатализ сводится к катализу неорганическими ферментами.
2) результаты биологической тенденции:
- живые организмы – это особый уровень материальной организации;
- строгая стереоспецифичность живой природы.
В итоге оба направления привели к:
1) состав и структура биополимеров (основа живого) есть единый набор для всех живых организмов.
2) показана исключительная специфичность живого, более высокий уровень как клетки, так и на молекулярном уровне.
3) в живых системах осуществляются такие реакции, которые никогда не обнаруживаются в неживой природе.
Самоорганизация
Считается, что этот термин ввел Кальвин в 1950-е годы. Но он ссылается на Ч. Дарвина. Дарвин полагал, что законы эволюции жизни есть часть или следствие более общего закона о развитии живой и неживой природы. Он имел ввиду принцип отбора. Учение Дарвина стало фундаментом биологии. Дарвин использовал идею Мальтуса о борьбе за существование и выдвинул 2 формы конкуренции биологических систем: внутривидовую и межвидовую. Заслуга Дарвина в том, что он вскрыл движущий фактор эволюции – это естественный отбор, и тем самым выявил причину биологической эволюции.
Химия пока не располагает мерилом высоты организации своих соединений.
Возникают такие вопросы:
- высота химической организации;
- отбор элементов и структур;
- о факторах этого отбора, то есть, о движущей силе химической эволюции;
- решение проблем хемо- и биогенеза.
Они неотделимы, так как окончание хемогенеза – это начало биогенеза.
Оказалось, что при синтезе продуктов человек не в состоянии обойти законы природы. Достигнуть цели можно лишь зная эти законы и поступая в соответствии с ними. Химическая организация кинетической системы – это законы существования данной системы. Самоорганизация отражает эти законы существования динамических систем. При этом существовании происходит переход на более высокий уровень упорядоченной материальной организации.
В 1960 г. Жданов с сотрудниками предложил 2 параметра для оценки структурного и энергетического уровня организации соединений:
1) информационная емкость в расчете на один атом в формуле соединения, которая не зависит от величины сложности молекул.
2) Средняя степень окисления углерода в соединении. Это энергетический барьер.
С учетом этих параметров можно строить химическую иерархию соединений.
Различные подходы к самоорганизации
Существует два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем:
- Субстратный (вещественный)
- Функциональный
Субстратный подход. Исходным постулатом является специфика вещественной основы живых организмов, то есть, строго определенный состав элементов и структура. Решение проблемы видят в выяснении путей постоянного усложнения органических соединений вплоть до белковоподобных.
Основу живых организмов до 97% составляют всего 6 элементов – C, H, O, N, S, P. Все не те. И еще 12 элементов участвуют во многих важных физиологических компонентах биологических систем. (Na, K, Ca, Mg, Fe, Al, Cu, Co, Mn, Cl, Zn и кремний).
Известно 16 -17 млн соединений, из них 96% органических и 2 – 2,5 млн неорганических.
Функциональный подход. Как природа подошла к проблеме отбора элементов? (и веществ).
Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно больших числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.
Существует 2 формы вещественной основы химической эволюции:
Скачать реферат