Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

Файер Майкл

Рис. 15.3. Центральная молекула воды связана водородными связями с четырьмя окружающими молекулами воды. Атомы водорода из двух гидроксильных групп центральной молекулы воды связаны с двумя атомами кислорода других молекул, а атом кислорода центральной молекулы воды притягивает две гидроксильные связи двух других молекул воды

Тепла при комнатной температуре довольно много, так что водородные связи между одними молекулами воды постоянно разрушаются и вместо них образуются водородные связи с другими молекулами воды. Поэтому сеть водородных связей не является статичной. Она постоянно трансформируется и реорганизуется. Характерный временной масштаб этой реорганизации водородных связей был измерен при помощи сверхскоростной

инфракрасной спектроскопии и составляет примерно 3 пс (1 пс = 10^{– 12} сек)^{25}.

Жизнь основана на химических реакциях, которые протекают в воде. Космический аппарат, отправленный недавно на Марс, ищет не столько непосредственные свидетельства существования в прошлом жизни, сколько признаки существования в прошлом жидкой воды. Жидкая вода имеет настолько фундаментальное значение для существования жизни, что её присутствие является необходимым и, возможно, достаточным для этого условием. Удивительные свойства воды, которые чрезвычайно важны для протекания биохимических реакций, являются следствием строения этой сети водородных связей и её способности к реорганизации. Свойства воды позволяют протекать огромному числу химических процессов, необходимых для жизни. Например, именно в воде происходит фолдинг белков^{26}.

Белки — это очень большие и чрезвычайно сложные молекулы, ответственные за большинство химических процессов в наших телах. Когда белки химически производятся другими белками, то первоначально они не обладают правильной конфигурацией для выполнения своих функций. Они находятся в развёрнутом состоянии. У белков есть участки, которые вскоре образуют водородные связи с водой, и участки, которые больше похожи на углеводороды и не хотят смешиваться с водой. Белок меняет своё строение, складываясь таким образом, чтобы гидрофильные (любящие воду) участки находились снаружи и контактировали с водой, образуя с ней водородные связи, а гидрофобные (избегающие воды) участки располагались внутри, вдали от воды. Такое избирательное взаимодействие с водой — важная движущая сила, помогающая белкам принимать правильную форму, необходимую для выполнения их функций. Именно благодаря тому, что вода может легко реорганизовывать свою сетевую структуру, создавая и разрушая водородные связи, она легко поддерживает структурные преобразования белков и огромное число других химических процессов, которые протекают в живых организмах.

Вода — великий растворитель

Одно из свойств воды — её способность растворять очень широкий набор химических соединений. Мы уже обсуждали, что соль NaCl растворяется в воде с образованием ионов Na⁺ и Cl^– . Положительные ионы окружены частично отрицательными атомами кислорода воды, а отрицательные ионы — частично положительными атомами водорода воды. Соль растворяется благодаря способности воды хорошо взаимодействовать как с катионами, так и с анионами. Вода также может растворять очень широкий набор органических веществ. Вода не растворяет углеводороды вроде этана, но она растворяет такие органические молекулы, как этанол, содержащий гидроксильную группу (-OH) или другие группы, имеющие слабо или сильно заряженные участки. Вода растворяет этанол, образуя водородные связи с гидроксильной группой этанола. В чистом этаноле водородные связи между молекулами этанола образуют цепочки, изображённые на рис. 15.2. Когда этанол попадает в воду, вода может образовывать водородные связи с гидроксильными группами этанола, включая молекулы этанола в единую сеть водородных связей. Водка, по сути, представляет собой этанол в воде. Вино — это вода с меньшим количеством этанола, чем в водке. Вино также содержит большие органические молекулы, придающие красному вину его цвет, а всем винам — характерные для каждого из них аромат и оттенки вкуса.

Этанол участвует в химических реакциях с кислородом

Если вино слишком долго находится на воздухе, оно портится, превращаясь в уксус. Уксус можно целенаправленно получить путём сбраживания вина. Химические реакции, превращающие вино в уксус, в действительности осуществляются уксуснокислыми бактериями (Acetobacteraceae), которые в присутствии кислорода способны превращать этанол в уксусную кислоту. Этот процесс протекает как последовательность двух химических реакций:

CH₃CH₂OH -> CH₃CHO + H₂,

2CH₃CHO + O₂– > 2CH₃COOH.

Сначала этанол (CH₃CH₂OH) превращается в ацетальдегид и газообразный водород (верхняя строка), а затем две молекулы ацетальдегида и одна молекула

кислорода (два атома кислорода) превращаются в две молекулы уксусной кислоты, которая и есть уксус. Строение этанола изображено на рис. 15.1, а на рис. 15.4 показано строение ацетальдегида (вверху) и уксусной кислоты (внизу). В ацетальдегиде и уксусной кислоте атом углерода, обозначенный C₁, образует метильную группу. C₁ связан с тремя атомами водорода и атомом углерода C₂. В ацетальдегиде атом C₂ также связан с одним атомом водорода и двойной связью с кислородом.

Рис. 15.4. Ацетальдегид (вверху) и уксусная кислота (внизу). Атомы кислорода изображены в виде тёмно-серых сфер. Атом углерода C ₂ в ацетальдегиде связан с C ₁ , с водородом и двойной связью с кислородом. Атом C ₂ в уксусной кислоте связан с C ₁ , двойной связью с кислородом и одиночной связью с другим атомом кислорода, входящим в состав гидроксильной группы

В общем случае в альдегиде есть атом углерода, соединённый двойной связью с кислородом и одиночными связями с водородом и другим углеродом. Так, в формальдегиде (см. рис. 14.3) вместо связи с другим атомом углерода атом C₂ связан со вторым атомом водорода. Атом C₂ использует три гибридные sp²– орбитали для образования трёх -связей и дополнительную 2p– орбиталь для объединения с 2p– орбиталью кислорода и формирования -связи в составе двойной связи. Как видно из верхнего уравнения химической реакции и строения этанола, показанного на рис. 15.1, этанол превращается в ацетальдегид, избавляясь от двух атомов водорода, что приводит к образованию ацетальдегида и молекулы H₂. Две молекулы ацетальдегида присоединяют каждая по одному атому кислорода из молекулы O₂, и получаются две молекулы уксусной кислоты (внизу на рис. 15.4). В уксусной кислоте атом C₂ связан с двумя атомами кислорода. С одним из них он связан двойной связью, а с кислородом из гидроксильной группы -OH — одиночной.

Уксусная кислота — это органическая кислота, относящаяся к классу карбоновых кислот. Группа -COOH является кислотной. Простейшее определение кислоты — это вещество, которые при попадании в воду приводит к появлению ионов водорода H⁺. Соляная кислота имеет формулу HCl. Как и молекула NaCl, в воде молекула HCl распадается на ионы H⁺ и Cl^– . Молекула соляной кислоты HCl полностью диссоциирует на ионы. Она классифицируется как сильная кислота, поскольку на каждую молекулу HCl, попавшую в воду, появляется один ион H⁺. H⁺ связывается (через сольватирование) с молекулами воды. Частично отрицательные атомы кислорода в молекулах воды окружают ион H⁺. Реакцию кислотной диссоциации уксусной кислоты в воде можно записать следующим образом:

Группа -COOH — это органическая кислотная группа. Такая группа ионизируется с образованием, как показано, ионов -COO^– и H⁺. Согласно схеме, отрицательный заряд привязан к одному из атомов кислорода. В действительности он поровну распределён между обоими атомами кислорода. Это равное распределение изображают на схеме следующим образом:

Пунктирная кривая указывает, что молекулярная орбиталь, содержащая электрон, придающий отрицательный заряд, распределена по обоим атомам кислорода. Каждый из них может рассматриваться как носитель половины отрицательного заряда. Органические кислоты очень хорошо растворяются в воде. Этанол растворим, поскольку кислород из гидроксильных групп имеет небольшой отрицательный заряд, который приводит к образованию водородных связей с молекулами воды. Недиссоциированная уксусная кислота имеет два атома кислорода с частичными зарядами, которые могут образовывать водородные связи с водой. Диссоциированная уксусная кислота имеет два атома кислорода с половинным отрицательным зарядом, что приводит к эффективному образованию водородных связей с водой.