Какие вещества обладают гидрофобными свойствами

Кое-кому в школе повезло на уроках химии не только писать скучные контрольные и вычислять молярную массу или указывать валентность, но и смотреть на то, как учитель проводит опыты. Неизменно в рамках эксперимента как по волшебству жидкости в пробирках непредсказуемо меняли цвет, а еще что-нибудь могло взорваться или красиво сгореть. Пожалуй, не так эффектны, но все равно интересны опыты, в которых используются гидрофильные и гидрофобные вещества. Кстати, что это и чем они любопытны?

Физические свойства

На уроках химии, проходя очередной элемент из периодической таблицы, а также все основные вещества, обязательно шла речь об их различных характеристиках. В том числе затрагивались их физические свойства: плотность, агрегатное состояние в нормальных условиях, температура плавления и кипения, твердость, цвет, электропроводность, теплопроводность и многие другие. Иногда шла речь о таких характеристиках, как гидрофобность или гидрофильность, однако отдельно, как правило, об этом не говорят. Между тем это достаточно интересная группа веществ, с которой легко можно столкнуться в повседневной жизни. Так что нелишним будет узнать о них больше.

Гидрофобные вещества

Примеры легко можно взять из жизни. Так, нельзя смешать воду с маслом – это известно всем. Оно просто не растворяется, а остается плавать пузырьками или пленкой на поверхности, поскольку его плотность меньше. Но почему так и какие существуют еще гидрофобные вещества?

Обычно к этой группе относят жиры, некоторые белки и нуклеиновые кислоты, а также силиконы. Название веществ происходит от греческих слов hydor – вода и phobos – страх, но это не значит, что молекулы боятся. Просто они являются мало или совсем нерастворимыми, их еще называют неполярными. Абсолютной гидрофобности не бывает, даже те вещества, которые, казалось бы, совсем не взаимодействуют с водой, все-таки адсорбируют ее, хоть и в ничтожных количествах. На практике же контакт такого материала с H2O выглядит в виде пленки или капелек, либо жидкость остается на поверхности и принимает форму шара, поскольку он имеет наименьшую площадь поверхности и обеспечивают минимальный контакт.

Гидрофобные свойства объясняются химической структурой тех или иных веществ. Это связано с низким показателем притяжения к молекуле воды, как это происходит, например, с углеводородами.

Гидрофильные вещества

Название этой группы, как уже несложно догадаться, тоже происходит от греческих слов. Но в данном случае вторая часть philia – любовь, и это прекрасно характеризует отношения таких веществ с водой – полное “взаимопонимание” и прекрасная растворимость. В эту группу, иногда называемую “полярной”, относятся простые спирты, сахара, аминокислоты и т. д. Соответственно, они обладают такими характеристиками, поскольку имеют высокую энергию притяжения к молекуле воды. Строго говоря, вообще-то все вещества являются гидрофильными в большей или меньшей степени.

Амфифильность

А бывает ли так, что гидрофобные вещества могут одновременно иметь и гидрофильные свойства? Оказывается, да! Эту группу веществ называют дифильными, или амфифильными. Оказывается, одна и та же молекула может иметь в своей структуре как растворимые – полярные, так и водоотталкивающие – неполярные элементы. Такими свойствами, например, обладают некоторые белки, липиды, поверхностно-активные вещества, полимеры и пептиды. При взаимодействии с водой они образуют различные надмолекулярные структуры: монослои, липосомы, мицеллы, бислойные мембраны, везикулы и т. д. Полярные группы при этом оказываются ориентированными к жидкости.

Значение и применение в жизни

Помимо взаимодействия воды и масла, можно найти немало подтверждений тому, что гидрофобные вещества встречаются едва ли не повсеместно. Так, чистые поверхности металлов, полупроводников, а также кожа животных, листья растений, хитиновый покров насекомых обладают подобными свойствами.

В природе оба вида веществ имеют важное значение. Так, гидрофилы используются в транспорте питательных веществ в организмах животных и растений, конечные продукты обмена также выводятся при помощи растворов биологических жидкостей. Неполярные вещества же имеют серьезное значение в формировании клеточных мембран, имеющих избирательную проницаемость. Именно поэтому подобные свойства играют важную роль в протекании биологических процессов.

В последние годы ученые разрабатывают все новые гидрофобные вещества, при помощи которых можно защитить различные материалы от смачивания и загрязнения, создавая таким образом даже самоочищающиеся поверхности. Одежда, металлические изделия, стройматериалы, автомобильные стекла – сфер применения множество. Дальнейшее изучение этой темы приведет к разработке мультифобных веществ, которые станут основной для грязеотталкивающих поверхностей. Создав подобные материалы, люди смогут сэкономить время, средства и ресурсы, а также появится возможность снизить степень загрязнения природы чистящими средствами. Так что дальнейшие разработки пойдут на пользу всем.

В биологии липиды — это  несколько свободная группа органических молекул (жиров и жироподобных веществ (липоидов). Их главной химической характеристикой называют нерастворимость (гидрофобность) или частичную растворимость (амфифильность) в воде и расщепление в неполярных органических растворителях, таких как бензин, эфир, ацетон, хлороформ, метанол, бензол.

Кокосовое масло

Липиды содержат большую долю неполярных углеводородных связей (C – H), и поэтому их длинноцепочечные молекулы не могут складываться, как у белков, чтобы отгородить свои гидрофобные части от окружающей водной среды. Вместо этого при погружении молекулы липидов самопроизвольно группируются и их полярные (гидрофильные) группы направляются в сторону воды, а неполярные (гидрофобные) части поднимаются над водой.

Вы могли замечать этот эффект при добавлении масла в кастрюлю с водой, оно собирается в капли и поднимается на поверхность. В сторону воды обращается хорошо растворимая глицериновая часть молекулы, а над водой находится цепочка нерастворимых жирных кислот. Эта способность к спонтанной агрегации имеет важное значение для клетки, так как из таких комплексов состоит основа клеточных мембран.

Масло в воде

Состав липидов

Липиды – это органические вещества, основу которых составляют высшие жирные кислоты или высокомолекулярные спирты. По составу и строению они разнообразны. Липидными мономерами могут быть:

• высшие углеводороды;
• жирные кислоты;
• высшие алифатические спирты, кетоны, альдегиды;
• высшие полиолы;
• изопрены и их производные;
• высшие аминоспирты.

Кроме основной части они могут включать и нелипидные компоненты, тогда их называют сложными: липопротеины, гликолипиды.

Чтобы понять физико-химические свойства и биологические функции липидов, рассмотрим строение наиболее распространённых из них – триглицеридов и фосфолипидов.

Липиды триглицериды

Триглицериды (триацилглицериды) – это сложные эфиры глицерина и трёх остатков высших не всегда одинаковых жирных кислот (ЖК), соединённых сложноэфирными связями реакцией дегидрации (кондинсации). К ним относятся жиры и масла.

ЖК – это карбоновые кислоты (COOH), с углеводной цепью, содержащей не менее 4 атомов. Мы описываем их как «кислоты», потому что их функциональная группа (- COOH, карбоксильная) имеет тенденцию ионизировать с производством ионов водорода, что является свойством кислоты. Глицерин представляет собой трёхуглеродный полиспирт (с тремя —OH группами).

Триглицериды – довольно большие молекулы, однако по сравнению с гликогеном и крахмалом они малы. Но так как молекулы триглицеридов могут группироваться, образуя агрегаты, они внешне становятся похожими на макромолекулы. Углеводородные цепи жирных кислот сильно отличаются по длине. Наиболее распространены триглицериды с 14-22 атомами углерода. Их многочисленные C—H связи служат формой долгосрочного хранения энергии.

Если все внутренние атомы углерода в цепи ЖК связаны с двумя атомами водорода, тогда все максимально возможные связи заполнены и липид называется насыщенным, или предельным (в них нет двойных связей). Жирная кислота с двойными связями между одной или несколькими парами последовательных атомов углерода будет иметь меньше возможного количества атомов водорода, она будет ненасыщенной, или непредельной.

ЖК с одной двойной связью называются мононенасыщенными, а имеющие более одной двойной связи называются полиненасыщенными. Наиболее часто встречающиеся в природе ненасыщенные жирные кислоты имеют двойные связи с цис-конфигурацией, где углеродная цепь находится на одной стороне до и после двойной связи.

Промышленные частично гидрированные жиры могут приобрести двойные связи с транс-конфигурацией, где углеродная цепь перемещается на противоположную сторону до и после двойной связи. Это так называемые транс-жиры. Они связаны с повышением уровня «плохого холестерина» — липопротеинов низкой плотности и понижением уровня «хорошего холестерина» — липопротеинов высокой плотности. Это может стать причиной ишемической болезни сердца. Транс-жиры не должны присутствовать в продуктах нашего питания.

Наличие двойной связи влияет на поведение молекул, так как вокруг такой связи не может происходить вращение C = C, в отличие от связи одинарной C—C. Эта характеристика влияет на точку плавления липидов, то есть отвечает за то, является ли ЖК при комнатной температуре твёрдым жиром или жидким маслом.

По этой причине триглицериды подразделяют на твёрдые жиры и жидкие масла. В жирах в основном содержатся предельные насыщенные кислоты (например, стеариновая и пальмитиновая). В маслах – непредельные, ненасыщенные кислоты (например, олеиновая). В молекуле масла имеется одна двойная связь, которая значительно понижает температуру плавления. Сравните: Тпл. стеариновой кислоты равна 69,6°С, олеиновой – 13,4°С.

Жиры, содержащие полиненасыщенные ЖК, имеют низкие температуры плавления, потому что их цепи не сгибаются в местах двойных связей. Большинство насыщенных жиров, таких как животные жиры и сливочные масла, твёрдые при комнатной температуре. Например, говяжье сало состоит из глицерина, насыщенных пальмитиновой и стеариновой кислот (пальмитиновая кислота плавится при 63°С, а стеариновая – при 70°С).

У животных, обитающих в условиях холодноого климата (например, арктических рыб), триглицериды содержат больше остатков ненасыщенных кислот, чем у обитателей южных широт. Поэтому их жир и при низких температурах остается жидким, а тело сохраняет гибкость.

Триглицериды, помещённые в воду, самопроизвольно связываются, образуя шарики, порой очень большие по отношению к размеру отдельных молекул. Эта их особенность позволяет им выполнять разные функции в организме, например, храниться в везикулах жировой ткани как потенциальный источник энергии.

Фосфолипиды

Фосфолипид можно рассматривать как замещённый триглицерид, в нём одна жирная кислота заменена фосфатом. За счёт этого гидрофильные свойства фосфолипидов выражены сильнее, в связи с чем в воде они могут образовывать двухслойные структуры – билипидный слой биологической мембраны. Структура фосфолипида состоит из трёх субъединиц.

1. Глицерин – 3-углеродный спирт, в котором каждый атом углерода несёт гидроксильную группу. Глицерин образует костяк молекулы фосфолипида.
2. Жирные кислоты – длинные углеводные цепи (CH2), заканчивающиеся карбоксильной группой (- COOH). Две жирные кислоты присоединяются к глицериновой основе.
3. Фосфатная группа (–PO42-), прикреплённая к одному концу глицерина. Она встречается в заряженных молекулах: холин, этаноламин, аминокислота серин.

Молекула фосфолипида имеет заряженную гидрофильную «головку» на одном конце (фосфатная группа) и два длинных неполярных гидрофобных «хвоста» на другом. Такая структура важна для выполнения функций молекулой, хотя она и парадоксальна. Почему молекула должна одновременно быть и нерастворимой и растворимой в воде?

Только благодаря этим уникальным свойствам фосфолипидов появилась биологическая мембрана. Фосфолипиды образуют сложную структуру (бислой), в которой два слоя молекул выстраиваются в линию, причём гидрофобные «хвосты» каждого слоя направлены друг к другу, или внутрь, оставляя гидрофильные головки ориентированными наружу. Это и есть основа биологической мембраны, но об этом подробнее поговорим при изучении строения клетки.

Функции фосфолипидов:

• служат запасными соединениями, в том числе в семенах, желтках яиц;
• образуют бислой биологических мембран;
• формируют внешний слой липопротеинов плазмы крови;
• входят в состав сурфоктанта легких и способствует предотвращению слипания стенок во время выдоха;
• исполняют роль вторичных посредников в передаче гормонального сигнала в клетки.

Фосфолипиды в биологической мембране.
Автор: Dhatfield (talk)

Другие липиды

Липиды под названием воски выполняют в клетках растений, животных и некоторых прокариот защитную роль. В составе секрета сальных желёз млекопитающих они смазывают волосы и кожу, придавая им эластичность и уменьшая их изнашиваемость. Воски копчиковой железы птиц предназначены для создания водоотталкивающей плёнки на перьях.

Восковая плёнка наземных растений (восковая кутикула) предохраняет листья от застоя излишков воды в условиях высокой влажности и от испарения воды в жарком климате. Воск входит и в состав кутикулы наземных членистоногих.

Водоотталкивающая восковая кутикула

Воски — сложные эфиры одноатомных высокомолекулярных спиртов и высших карбоновых кислот.

У животных они также входят в состав селезёнки, лимфатических узлов и головного мозга. К природным воскам относятся спермацетовый, пчелиный, ланолин, воск сахарного тростника, карнаубский и др.

Пчелиный воск – это, в основном, мирицилпальмитат плюс небольшое кол-во пигментов, других спиртов и жирных кислот. Его производят пчёлы для изготовления сот.

Спермацет – это эфир цетилового спирта и пальмитиновой кислоты. Добывается из фиброзных мешков костных углублений черепа кашалотов и служит животному проводником звуков при эхолокации. Используется в парфюмерии, хорошо всасывается через кожу и служит прекрасной основой для кремов и мазей. Поэтому на кашалотов долгое время шла беспощадная охота.

Ланолин – состоит из смеси эфиров ланолиновой, пальмитиновой, стеариновой и др. кислот и двух стеринов – ланостерина и агностерина. Вырабатывается как смазочное вещество, покрывающее шерсть овец.

Еще одну группу липидов составляют стероиды. Их молекулы не содержат остатков карбоновых кислот. Стероидами являются, например, желчные кислоты (важнейшие компоненты желчи) и стероидные гормоны (половые гормоны, гормоны коры надпочечников — кортикостероиды), а также стерины.

Атеросклероз

Некоторые молекулы связанного холестерина способны выпадать в осадок в виде кристаллов и формировать атеросклеротические бляшки в сосудах, вызывая инфаркты, инсульты, сосудистую непроходимость, тромбоз.

Низкомолекулярного «плохого» холестерина в нашем организме не должно быть больше 2,586 ммоль/л. Факторы, повышающие его:

• курение;
• избыточный вес;
• гиподинамия;
• питание с большим количеством трансжиров, углеводов (особенно легкоусвояемых), недостаточное содержание клетчатки, полиненасыщенных жирных кислот, витаминов, микроэлементов;
• застой желчи (причины: алкоголь, вирусные заболевания, лекарства);
• эндокринные нарушения – сахарный диабет, гиперсекреция инсулина, гормонов коры надпочечников, недостаток гормонов щитовидной железы, половых гормонов.

Классификация липидов

Классификация липидов – спорный вопрос. Существуют разные типы деления этих веществ: по степени растворимости в воде и другим физико-химическим свойствам, по структурным и биосинтетическим особенностям. Мы не будем рассматривать полной классификации, обратим внимание только на те вещества, которые имеют важнейшее значение в биосистемах.

В зависимости от состава липиды классифицируют на несколько групп. Различают простые и сложные липиды. Сложные липиды в отличие от простых имеют дополнительные нелипидные группы.

В настоящее время целесообразно руководствоваться следующей классификацией липидов:

• ацилглицеролы (нейтральные жиры) – моно-, ди- и триглицериды. Универсальные вещества всех организмов. Они могут вступать во все реакции, свойственные сложным эфирам. Самая значимая из них – реакция омыления. При омылении (гидролизе) из ацетилглицеролов образуется глицерол и соли жирных кислот (мыла). Омыление может быть ферментативным, кислотным или щелочным;
• диольные липиды;
• орнито- и лизинолипиды;
• воски;
• фосфолипиды (глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды);
• гликолипиды (гликозилдиацилглицериды, цереброзиды, олиго(поли)гликозилцерамиды, полипренилфосфатсахара);
• жирные кислоты;
• эйкозаноиды (простагландины, тромбоксаны, простациклины, лейкотриены);
• стероиды (стеролы, стериды, стероидные гормоны, желчные кислоты, витамины группы D, кортикостероиды, стероидные гликозиды);
• терпены.

Биологические функции липидов

1. Энергетическая. В количественном отношении липиды – основной энергетический резерв организма. Они содержатся в клетках в виде жировых капель, служащих «метаболическим топливом». Липиды окисляются в митохондриях до воды и диоксида углерода с образованием большого количества АТФ.

При полном окислении 1 г жиров до углекислого газа и воды выделяется около 39 кДж энергии, что намного больше по сравнению с полным окислением такого же количества углеводов. Это дает возможность животным, впадающим в спячку, расходовать накопленные летом и осенью жировые запасы для поддержания процессов жизнедеятельности в зимний период. Высокое содержание липидов в семенах растений обеспечивает энергией развитие зародыша и проростка, пока он не перейдет к самостоятельному питанию.

2. Структурная (строительная). Ряд липидов принимает участие в построении клеточных мембран. Типичными мембранными липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин. Интересно, что мембраны совсем не содержат жиров.
3. Изолирующая (защитная). Жировые отложения в подкожной ткани и вокруг различных органов обладают высокими теплоизолирующими свойствами, благодаря тому, что жиры плохо проводят тепло. У синего кита толщина подкожного жирового слоя превышает 50 см, доходя до 1 м, поэтому он может жить в холодных водах.

Липиды предохраняют внутренние органы от механических повреждений (например, почки человека покрыты жировым слоем, защищающим их от травм, сотрясения при ходьбе и прыжках), так они выполняют роль амортизатора.

Как основной компонент клеточной мембраны липиды изолируют внутреннюю часть клетки от окружающей среды и за счёт гидрофобных свойств обеспечивают образование мембранных потенциалов.

Воск покрывает тонким слоем листья растений, не давая им намокать во время обильных дождей, препятствуя испарению воды в жарком климате.

У водоплавающих птиц и некоторых зверей во