Элементный и молекулярный состав веществ.

Новый всплеск в развитии химии начинается со второй половины 19-го столетия и может быть охарактеризован как время серьезных теоретических достижений в изучении структуры молекул. Среди последних, выдающееся место занимает сформулированная А. Бутлеровым, теория химического строения вещества, позволяющая определять строение молекул химических веществ. До этого открытия считалось невозможным узнать строение молекулы, и порядок химических связей между атомами. Только с момента разработки этой теории А. Бутлеровым стало понятным явление изомерии, т. е. явления, когда химические соединения имеют одну и ту же молекулярную массу, один и тот же состав атомов, но пространственное построение их в молекуле различно, вследствие чего они могут серьезно отличаться по своим качествам. К примеру, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют совершенно одинаковый качественный и количественный состав С2Н6О, но в то же время они резко различаются по своим физическим свойствам. Этиловый спирт при комнатной температуре - жидкость, диметиловый эфир – газ, этиловый спирт легко растворим в воде, диметиловый эфир почти не растворим и т. д. Теория А. Бутлерова способствовала развитию органического синтеза и получению громадного числа, так широко известных сегодня, органических соединений, а в последние годы и неорганических.

В связи с этими достижениями возникла необходимость понимания механизмов химических реакций для управления получения веществ. К основным методам управления можно отнести термодинамические (управление направленностью химического процесса) и кинетические (управление скоростью химического процесса). Поэтому стали развиваться новые направления исследований по выяснению термодинамики и кинетики химических процессов, которые могут определяться строением молекул вступающих в реакцию веществ, концентрацией веществ, особенностями каталитических материалов и т. д. В реальности, очень редко вступающие в реакцию вещества сразу образуют необходимый продукт. Обычно химические реакции проходят ряд последовательных и параллельных стадий, где образуются и расходуются промежуточные вещества. Число стадий может быть очень большим, достигая иногда сотен тысяч. Поэтому продолжительность промежуточных реакций и продолжительность существования промежуточных веществ могут быть как доли секунды, так и более длительное время. Часто скорость химических реакций зависит от температуры, давления и концентрации вступающих в реакцию веществ. Так при увеличении последних скорость протекания реакции существенно ускоряется из-за увеличения вероятности столкновения молекул вступающих в реакцию компонентов. Также на скорость реакций может влиять присутствие и других веществ – катализаторов, которые сами по себе не вступают в химическую реакцию. Просто фантастическую роль катализаторов в ускорении реакций можно показать на примере системы пирольных циклов в гемине, обеспечивающей повышение активности атома железа в окислительно-восстановительных реакциях в миллиарды раз. Сегодня катализаторы широко используются в промышленных технологиях и могут и ускорять реакции, а могут и замедлять их, если это необходимо. Тем самым экономическая эффективность применения катализаторов может быть весьма ощутимой.

Вообще вопросы катализа относятся к одним из самых актуальных в современной химии, в том числе и в эволюционной химии, особенно активно начавшей свое развитие при изучении химических реакций в живых системах. Эволюционные аспекты в химии стали развивать не так давно – в последней трети 20-го столетия, при изучении биокатализа, имеющего место в живой природе. Ученые давно мечтают о разгадке тайн катализа в живых организмах, но возможность открытия многих механизмов процессов в клетках так и остается пока далекой мечтой. Зная, основополагающую роль каталитических реакций в живых организмах, исследователи полагают, используя природные принципы катализа, можно экономически эффективно преобразовывать световую энергию солнца в химическую (как это происходит при фотосинтезе) и электрическую. Они также пытаются получить искусственные ферменты и применить их в промышленности по аналогии с живыми системами. В будущем очевидно будет совершенно новая химия, когда можно будет использовать принципы эффективного образования себе подобных молекул как это происходит при синтезе РНК и ДНК в клетках живых организмов.

Кроме того, есть очень смелые, но в то же время и очень логичные предположения ученых о роли катализа в возникновении жизни. Они утверждают, что эволюция катализа как самосовершенствующегося явления - основа возникновения жизни. Логически предполагается, что в ходе эволюции отбирались те каталитические структуры, которые были эффективнее, причем образование их шло путем саморазвития. Случаи самосовершенствования катализаторов в ходе химических реакций впервые экспериментально наблюдались в начале 70-х годов 20-го столетия, тогда как обычно во время пользования свойства катализаторов ухудшались. В настоящее время, активно развиваясь, эволюционная химия дает надежду на решение многих актуальных проблем. В частности, на дешевое получение водорода из воды и обеспечение Человечества практически неисчерпаемым энергоресурсом, на синтез многих органических соединений (метанола, этанола, формальдегида и т. д.) при использовании избытка углекислого газа в атмосфере, на ферментативную очистку загрязненных органическими веществами сточных вод и решение других проблем.

Эволюционная химия также пытается разобраться с проблемой природного отбора химических элементов для построения живых систем. В построении и функционировании организмов из 112 известных химических элементов участвуют только 6 (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера). В весовых долях в организме они составляют – 97,4%. Еще 12 элементов (натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель) также принимают участие в построении систем клеток и организмов и их доля - 1,6%. В организмах специфических сред, например, морских водорослях, встречается еще 20 элементов. Остальные элементы не принимают участия в построении и функционировании организмов. Что определяет такой отбор химических элементов для жизни? Пока неясно. Хорошо обоснованного ответа еще не существует. Именно эти, отобранные природой, элементы образуют великое множество органических соединений, насчитывающих сегодня чуть менее 8 млн. или около 96% всех химических соединений. Но в построении живого принимают участие совсем немногие. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит лишь 20. Всего пять разновидностей нуклеотидов образуют сложные полимерные цепи нуклеиновых кислот, РНК и ДНК, ответственные за наследственность и синтез белков в живых системах.

В 1969 году разработана общая теория химической эволюции и биогенеза. Данная теория рассматривает в комплексе проблемы движущих сил химической эволюции и механизмов эволюционного процесса, т. е. законы химической эволюции, причинах отбора элементов и структур и их взаимообусловленности. В основе теории лежит утверждение, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем.