Химический процесс и химическая система. Реакции Белоусова-Жаботинского. Катализаторы. Химическая эволюция.

Представление о химических связях и реакциях тесно связано с понятиями химической системы и химического процесса. Химические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические процессы, а в неравновесных – необратимые процессы, как правило, цепные и разветвленные. Именно в них возникают флуктуации и неустойчивости, а их развитие починяется законам нелинейной динамики.

Область химии, объясняющая типы реакций, их ход и возможность изменения направлений процессов, называется химической кинетикой. Самопроизвольные химические реакции идут в сторону образования более устойчивых химических соединений и сопровождаются выделением энергии. Скорость реакции зависит от температуры, при этом каждая молекула проходит стадию активации.Катализаторы уменьшают энергию активации, что увеличивает скорость химической реакции. Если скорости прямой и обратной реакции равны, то система находится в динамическом равновесии.

В современной химии важнейшее значение имеет проблема поиска эффективных катализаторов для различных химических технологий. В то же время в биохимии установлено, что основой химии живого являются каталитические реакции, т.н. биокатализ. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение механизмов химических превращений, присущих живой материи. Химиков-органиков интересуют перспективы синтеза сложных веществ, аналогичных образующимся в живом организме. Изучив принципы, заложенные эволюцией в химизм живой природы, можно использовать их для развития химической науки и технологии.

Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками, и являются биологическими катализаторами. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма. Биокатализаторы обладают высокой селективностью – один фермент катализирует обычно только одну реакцию.

Проблемы моделирования биокатализаторов показали необходимость детального изучения химической эволюции, т.е. установления закономерностей самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более высокоорганизованными по сравнению с исходными веществами.

Примером самопроизвольных периодических химических реакций является реакция окисления лимонной кислоты в присутствии катализатора, впервые открытая Б.Белоусовым в 1951 г. При этом чередовались окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовались для различных веществ и получили название реакций Белоусова-Жаботинского.

В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе реакции (обычно катализаторы в ходе реакции дезактивировались), что позволило говорить о самоорганизация химического процесса – такое состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Роль процессов самоорганизации катализаторов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем.

Одна задач из эволюционной химии – понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».Есть два подхода к изучению предбиологических систем:

ü Синергетический, который в химии получил название функционального;

ü Субстратный, связанный с вещественной основой процессов химической самоорганизации.

Результатом субстратного подхода является накопление информации о роли отдельных химических элементов и структур в ходе химической эволюции. В настоящее время известно более ста химических элементов, но основу живых систем составляют только шесть из них, т.н. органогенов (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97.4%. Еще двенадцать элементов (Na, К, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn) составляют в живом примерно 1.6%, остальные слабо представлены в живой материи.

Таким образом, наблюдается резкая диспропорция между громадным множеством органических соединений и малым количеством составляющих их элементов. Это явление не связано с распространенностью элементов. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, а углерод занимает только 16-е место. Совместная весовая доля четырех органогенов (C, N, P, S) в поверхностных слоях Земли составляет 0.24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли при формировании органических систем.

С химической точки зрения отбор элементов происходил по следующим признакам:

ü Способность образовывать достаточно прочные энергоемкие связи;

ü Образованные связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми.

Поэтому углерод был отобран эволюцией как органон №1. Он участвует почти во всех типах химических связей, известных в химии, образует углерод-углеродные связи, строя длинные и стабильные скелеты молекул в виде цепей, колец и даже сложных трехмерных образований (т.н. фуллеренов).

Углеродные атомы создают связи с атомами H, N, O, P, S в различных комбинациях, что обеспечивает колоссальное разнообразие органических соединений, проявляющееся в размерах, структуре и химических свойствах молекул. Таким образом, лабильные атомы (S, P, Fe) имеют большое значение в биохимии, а стабильные атомы (SI, Al, Na) играют второстепенную роль. Кислород и водород можно рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных.

Подобно тому, как только шесть органогенов отобраны природой в основу биосистем, также в предбиологической эволюции из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен (из ста известных аминокислот в состав белков входят только двадцать). В природе происходит отбор тех соединений, которые получаются относительно большим числом химических путей и обладают широким каталитическим спектром.