Помимо полимерных углеводов в природе встречаются и прочие виды супермолекул. Они тоже связаны с живым веществом, поскольку только живое способно производить столь сложные соединения. Оттого природные полимеры чаще всего называют биополимерами (от греческого биос — «жизнь»). Ранее уже назывались такие полимеры. Это белки, представляющие собой огромные молекулярные цепочки из аминокислот.

Размеры белков значительны, равно как и велик спектр выполняемых ими функций. Молекула белка гемоглобина из группы глобинов весит в 3000 раз больше молекулы этилового спирта. А масса молекулы мышечного белка миозина в 10 000 раз превосходит массу спиртовой молекулы. Простейшие белки являются цепочками из нескольких сотен мономеров, как правило, 200–300 аминокислот. Поэтому нет ничего удивительного в том, что белковые молекулы называются в химии макромолекулами (гр. макрос — «очень крупный»).

Большие полимерные белки являются полипептидами, поскольку аминокислоты объединяются в длинные цепочки за счет особого рода химической связи, т. н. пептидной. Белки выполняют огромное количество функций, это рабочие молекулы нашего организма. Ученые называют их самыми удачными нанороботами. Белки защищают организм, слагают собой клетки, транспортируют вещества, ускоряют химические реакции и выполняют множество другой разнообразной работы.

Самыми известными естественными полимерами нужно назвать нуклеиновые кислоты, о которых подробно рассказано в настоящей главе в разделе, посвященном наследственности. Молекула ДНК является носителем генетической информации. Считывать эту информацию помогает другая нуклеиновая кислота, называемая РНК. Все нуклеиновые кислоты невероятно велики, степень их полимеризации чудовищна.

Под степенью полимеризации химики понимают количество мономеров, образующих одну молекулу. Масса одной-единственной молекулы ДНК примерно в 1 млн раз (а иногда и в 10 млн раз) превосходит массу молекулы этилового спирта. Длина такого исполинского полимера как минимум в 1000 раз больше длины самых крупных белковых молекул. Мономерами этого гиганта служат вещества нуклеотиды. Полимерное строение нуклеиновых кислот было открыто в ходе генетических исследований 1944–1953 гг. Вещества оказались одними из самых поздних классов биополимеров, описанных учеными. Все остальные классы были изучены задолго до того.

Само открытие биополимеров произошло в середине XIX в. После успешного синтеза Ф. Велером в 1828 г. мочевины начались активные биохимические исследования. Полимером, открытым Т. Шванном в 1836 г., оказался фермент желудочного сока пепсин, представляющий собой пептидную цепочку из 327 аминокислот. Затем, уже во второй половине XIX столетия, биологи и химики открывают пептидную связь, сцепляющую пепсин и белки (Э. Фишер), а также получают начальные сведения о структуре белков, углеводов и жиров. Биохимические исследования оказались во многом плодотворными благодаря открытию причин брожения Л. Пастером, Э. Бухнером и Ю. Либихом.

После подробного изучения основных представителей биополимеров химики поставили перед собой задачу попытаться синтезировать хотя бы одно из таких веществ. Промышленность была крайне заинтересована в подобного рода материалах. Например, хорошо было бы получить искусственную резину взамен редкого каучука. Кроме того, в природе имеется много простых соединений, которые практически не используются. Они могли бы послужить мономерами для крупных молекул, более необходимых в хозяйстве и обладающих массой полезных свойств.

Поскольку полимерные цепи образуются за счет химической связи между атомами углерода в соединениях, содержащих непременно водород, то синтез макромолекул возможен на основе простейших углеводородов. Ученых заинтересовали алкены, которые охотно соединяются друг с другом, образуя внушительный гомологический ряд. Начинается этот ряд с элементарного этилена, состоящего из двух групп CH₂. За ним следует пропилен, формула которого уже гораздо сложнее: молекула включает в себя 3 углеродных атома. Бутен и трансбутен содержат по 4 атома углерода в своих молекулах, пентен — 5 углеродных атомов.

Продвигаясь по гомологическому ряду нетрудно, т. о., заметить нарастание углерода в молекулах. Это означает, что простые алкены в качестве мономеров охотно вступят в химическую реакцию с образованием макромолекул. Этот процесс синтеза химики нарекли реакцией полимеризации, но добиться ее осуществления никак не удавалось. Лишь в 1884 г. отечественный химик Г. Г. Густавсон впервые осуществил неполную полимеризацию и получил олигомер этилена. Олигомер является полимером крайне малой массы и с очень низкой степенью полимеризации.

Примитивный полимер Густавсона резко отличался от этиленового газа. То была вязкая и мутная жидкость, отдаленно напоминающая техническое масло. Затвердевать полимер не мог, но химики уже думали о том, какое замечательное вещество получат, если доведут реакцию до конца. Твердый полимер удобно применять в целях промышленного выпуска самых разнообразных изделий. Впервые синтез макромолекул на основе газовых мономеров удалось осуществить англичанам на рубеже XIX–XX столетий.

Английские ученые использовали при получении вещества высокое давление, превосходящее 1 млн Па (в 1000 раз выше атмосферного). Синтетический продукт чудесным образом отличался от исходного материала. Взамен газа в руках ученых оказалась восковидная масса, которая была сравнительно прочной, легкой и очень эластичной. Гибкий воск назвали полиэтиленом, т. е. множественным этиленом.

Трудно подсчитать, какое количество мономеров входит в состав полиэтилена, т. к. одна молекула отличается от другой. Число их чрезвычайно велико. Однако не следует думать, будто молекула не имеет конца. Конечно, при благоприятных условиях она могла бы тянуться до бесконечности. Именно в таком беспредельном виде и записываются формулы всех полимеров. Однако на самом деле каждая макромолекула имеет два окончания, где находятся какие-то атомы, служащие пограничными отметками. У полиэтилена в роли таких пограничных маркеров выступают атомы водорода.

Популярность вещества стремительно росла, а химики испытывали новые синтезы. В 1939 г. произошло знаменательное событие в истории промышленной химии. Из полиэтилена был изготовлен изоляционный слой для телеграфного кабеля, который проложили на дне Атлантического океана. Стало очевидным, что возможности нового соединения почти безграничны (как и его молекулы!). Кабели, провода, волокна, пленки, покрытия, баллоны воздушных шаров и дирижаблей и многое другое можно было успешно изготавливать из синтетического вещества.

Однако первоначально полиэтилен добывать было невероятно трудно, да и стоил он дорого. Лишь в Германии был освоен сравнительно простой способ получения больших количеств полиэтилена в промышленности. Но в годы Второй Мировой войны одно-единственное предприятие по выпуску ценного вещества было разрушено. Несмотря на это, уже в послевоенные годы во многих странах работы по дешевому и несложному синтезу этого вещества возобновились и завершились победой ученых.

С середины 1950-х гг. реакцию полимеризации этилена научились осуществлять на индустриальных предприятиях при невысоких давлениях и температуре в пределах +100 °C. Сегодня из алкенов путем полимеризации получают массу других необходимых веществ. Тефлон обладает большой устойчивостью к высоким и низким температурам, а также отличается большой химической инертностью.

Воздействовать на тефлон могут лишь немногие вещества. Это в основном расплавленные натрий и калий, с которыми полимер вступает в реакцию. Тефлоновые волокна используются для изготовления одежды, с которой легко удаляются грязь, пятна и пыль.

Поливинилхлорид является продуктом реакции полимеризации хлористого винила. Он очень устойчив к разным воздействиям, но при этом легко окрашивается. Из него получают пластмассы, идущие на изготовление пленок, клеенок, плащей, электрической изоляции. Полистирол добывается путем полимеризации стирола. Его используют для разных нужд, но чаще всего как сырье для легких пластмасс (пенопластов).