Молекула (франц. molecule, от лат. moles — масса) — это наименьшая способная к самостоятельному существованию частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
Учение о строении и свойствах молекул приобрело исключительный интерес для познания субмикроскопической структуры клеток и тканей, а также механизма биологических процессов на молекулярном уровне. Большие успехи в изучении структуры молекул и, в частности, молекул таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, показали, что важнейшие функции этих веществ в организмах осуществляются на уровне отдельных молекул и поэтому должны исследоваться как молекулярные явления. Установлено, например, что такие функции белков, как ферментативная, структурная, сократительная, иммунная, транспортная (обратимое связывание и перенос жизненно необходимых веществ) разыгрываются на молекулярном уровне и непосредственно определяются структурой и свойствами молекул этих веществ. Наследственность и изменчивость организмов связаны с особой структурой и свойствами молекул нуклеиновых кислот, в которых зафиксирована вся генетическая информация, необходимая для синтеза белков организма. Небольшие отклонения в структуре или составе молекул ряда биологически важных веществ или изменения в молекулярном механизме некоторых обменных процессов являются причиной возникновения ряда заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, наследственная галактоземия, сахарный диабет и др.), называемых молекулярными болезнями.
Молекула каждого вещества состоит из определенного числа атомов (см.) одного химического элемента (простое вещество) или различных элементов (сложное вещество), объединенных посредством химических (валентных) связей. Состав молекулы выражают химической формулой, в которой знаки элементов указывают вид атомов, образующих молекулу, а числа, стоящие справа внизу, показывают, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы. Так, из химической формулы глюкозы С6H12O6 следует, что молекула глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Молекулы инертных газов и паров некоторых металлов одноатомны. Это самые простые молекулы. Наиболее сложными являются молекулы белков (см.), нуклеиновых кислот (см.) и других биополимеров, состоящие из многих тысяч атомов.
Для нахождения химической формулы молекулы необходимо определить приблизительный молекулярный вес (см.) исследуемого вещества и простейшую (эмпирическую) формулу его молекулы. Последнюю выводят из процентного состава данного вещества и атомных весов (см.) химических элементов, входящих в состав этого вещества. Так, например, химическим анализом установлено, что бензол состоит из 92,26% углерода и 7,74% водорода. Отсюда следует, что отношение числа атомов углерода к числу атомов водорода в молекуле бензола равно:
где 12,011 и 1,008 — атомные веса углерода и водорода соответственно. Следовательно, простейшая формула бензола должна быть СН. Сопоставляя простейшую формулу бензола с его приблизительным молекулярным весом (78,1), найденным опытным путем, определяют его действительную, или истинную, формулу С6Н6.
Размеры молекул выражают в А. Так например, диаметр молекулы воды, предполагая, что она имеет сферическую форму, составляет 3,8 А. Молекулы высокомолекулярных веществ значительно больше, например линейные размеры больших и малых осей палочковидных молекул фибриногена быка равны 700 и 40 А, а вируса табачной мозаики — 2800 и 152 А соответственно. Мерой относительной массы молекулы является молекулярный вес (см.), величина которого колеблется от нескольких единиц до миллионов.
Последовательность, в которой атомы связаны в молекуле (химическое строение молекул по А. М. Бутлерову), изображают так называемыми структурными формулами. Например, химическое строение уксусной кислоты С2Н4O2 представляют следующей структурной формулой:
где каждая линия обозначает единицу валентности (см.), число линий, подходящих к атому, равно его валентности в данном соединении.
Химическое строение молекулы, находимое на основании определения молекулярного веса, химического состава и изучения химических свойств исследуемого вещества и окончательно подтверждаемое его синтезом из веществ, химическое строение которых известно, является важным фактором, определяющим свойства вещества, в частности его фармакологическое действие, токсичность и биологические функции. Различие в свойствах изомеров (см. Изомерия) является примером зависимости свойств веществ от химического строения их молекул. Атомный состав молекул изомеров одинаков, так, например,
диметиловый эфир и этиловый спирт, будучи изомерами, имеют одинаковые химические формулы С2Н6O, однако структурные формулы их различны:
чем и объясняются их различные свойства.
Способность атома образовывать то или иное число химических связей с другими атомами в молекулах называют валентностью данного атома. При образовании химической (валентной) связи происходит перегруппировка внешних (валентных) электронов взаимодействующих атомов, в результате которой внешние электронные оболочки атомов в молекуле приобретают устойчивую структуру, свойственную атомам инертных газов (см.) и состоящую обычно из восьми электронов (электронный октет). В зависимости от способа перегруппировки валентных электронов различают несколько основных типов химических связей.
Ионная (электровалентная) связь возникает между атомами элементов, сильно различающихся по химическим свойствам, например между атомами щелочных металлов и атомами галогенов. При этом атом металла отдает электрон атому галогена (рис. 1).
Рис. 1. Образование молекулы хлористого натрия.
Атом, отдающий электрон, становится положительно заряженным ионом. Атом, принимающий электрон, становится отрицательно заряженным ионом. Возникающие таким путем противоположно заряженные ионы взаимно притягиваются, образуя молекулу. Молекулы и соединения с ионными связями (например, соли и окислы металлов первой и второй групп периодической системы элементов) называются гетерополярными. Ионная связь характеризуется большой прочностью (энергия связи), т. е. работой, необходимой для разрыва молекулы на отдельные ионы.
Ковалентная (атомная) связь возникает при взаимодействии одинаковых или близких по свойствам атомов. При этом каждый из соединяющихся атомов отдает по одному или по нескольку валентных электронов на образование пары (или нескольких пар электронов), которая становится общей для обоих атомов. Обобщенная пара электронов, охватывая в своем движении ядра соединяющихся атомов, удерживает их один возле другого. К молекулам с ковалентной связью относятся молекулы простых газов, окислов и водородных соединений не металлов и многих органических соединений:
Точками обозначены электроны, находящиеся на внешних электронных оболочках атомов, химическими знаками — ядра атомов со всеми электронными оболочками, кроме внешних. Пара электронов, связывающих атомы, соответствует валентной черте в обычных структурных формулах.
Молекулы, в которых электрические центры тяжести отрицательных (электроны) и положительных (ядра атомов) зарядов совпадают, называют гомеополярными. К ним относятся, например, молекулы простых газов, углеводородов. Если электрические центры тяжести отрицательных и положительных зарядов в молекулах не совпадают, молекулы называют полярными (например, молекулы воды, аммиака, галогеноводородов, спиртов, кетонов, альдегидов, эфиров). Полярная молекула ведет себя как диполь, т. е. система из двух электрических зарядов е+ и е- , одинаковых по величине, но противоположных по знаку, расположенных на пекотором расстоянии h один от другого (рис. 2).
Рис. 2. Схема диполя.
Произведение e·h=μ называют дипольным моментом молекулы. Последний является мерой полярности молекулы. Вещества, состоящие из полярных молекул, имеют более высокие температуру кипения, теплоемкость, теплоту парообразования и поверхностное натяжение, чем вещества, состоящие из гомеополярных молекул. Взаимодействие между полярными молекулами является одной из причин ассоциации молекул в жидкостях, а взаимодействие полярных молекул растворителя с полярными молекулами или ионами растворенного вещества — сольватации последних. Скорость диффузии полярных молекул через мембрану клеток меньше таковой для гомеополярных молекул.
Координационная (семиполярная, донорно-акцепторная) связь — это разновидность ковалентной связи, возникает между атомами, входящими в состав разных молекул, у одного из которых имеется неподеленная пара электронов, а у другого не хватает двух электронов для образования устойчивой внешней электронной оболочки. Такого рода связи характерны для комплексных соединений. Так, например, соединение молекулы аммиака NH3 с молекулой фтористого бора BF3 в комплексную молекулу аммиаката фтористого бора осуществляется неподеленной парой электронов азота
Атом азота служит донором, атом бора акцептором электронной пары.
Водородная связь осуществляется между атомом водорода, ковалентно связанным с атомом F, О или N, и атомами F, О или N, находящимися в других молекулах. Прочность водородной связи невелика (5—10 ккал/моль), однако достаточна для образования ассоциаций молекул в жидкостях и растворах. В воде, например, такие ассоциации имеют следующее строение (водородные связи обозначены пунктиром):
Водородные связи возникают не только между молекулами, но и между атомами внутри одной и той же молекулы; это так называемые внутримолекулярные водородные связи (водородные мостики). Примером такой связи может служить водородная связь между атомом водорода и атомом кислорода в молекуле o-метилсалицилата:
Вследствие наличия этой связи свойства o-метилсалицилата резко отличаются от свойств m- и n-изомеров. Наличие водородных мостиков в молекулах нуклеиновых кислот, белков и других полимеров во многом определяет лабильность этих молекул. Водородные связи играют значительную роль в субмикроскопической структуре протоплазмы.
При помощи рентгено-, электроно-, нейтронографии, молекулярной спектроскопии и ядерного магнитного резонанса удалось установить пространственное расположение отдельных атомов в молекуле, т. е. геометрическую конфигурацию молекул ряда веществ, в том числе молекул биологически важных веществ.
Определение пространственной конфигурации молекул слагается из определения так называемые остова молекулы, т. е. пространственного расположения ядер образующих ее атомов, и распределения электронов в пределах данной молекулы.
Остов молекулы находят на основании данных о длине связи и величине валентных углов, определяемых с помощью указанных выше методов. Длина связи представляет собой расстояние между центрами двух атомов в молекуле, связанных друг с другом ковалентной связью. Меньший по величине угол, образуемый прямыми, соединяющими центры двух атомов А1 и А2 с центром третьего атома А3 в данной молекуле, называют валентным углом. Остов молекулы не является абсолютно жестким. Например, в молекулах органических соединений атомы углерода могут вращаться около ординарных (простых) связей, при этом меняется взаимное положение ядер, но остаются постоянными последовательность соединения атомов в молекуле, длина связей и валентные углы. Такие различные формы молекул, возникающие в результате поворота атома углерода вокруг ординарной связи, называют конформациями. Различные конформации одной и той же молекулы легко и обратимо переходят друг в друга, чем объясняются отсутствие изомеров вращения и переход молекул в форму, наиболее соответствующую для протекания той или иной реакции.
Распределение электронов в молекулах находят главным образом с помощью теоретических расчетов, в основе которых лежат два основных принципа квантовой химии. Первый из них утверждает, что электроны в атомах и молекулы могут находиться лишь на дискретных и совершенно определенных энергетических уровнях. Согласно второму принципу электроны в атомах и молекулы нельзя рассматривать как точечные частицы, положение и скорость которых в молекуле (или атоме) можно точно определить для каждого момента времени. В действительности, как учит квантовая механика, можно определить лишь вероятность нахождения электрона в некоторых областях пространства в данный момент времени. Поэтому можно представить, что заряд электрона как бы «размазан» в определенной области пространства в виде электронного облака, распределение которого в пространстве определяется соответствующей математической функцией (называемой волновой функцией электрона или его молекулярной орбиталью (или атомной орбиталью, если его распределение определяют в атоме).
Выло показано, что не все электроны в молекуле одинаково существенны для ее химических свойств. Так, например, в молекуле с большим числом двойных связей, к которым относится подавляющее большинство соединений, играющих доминирующую роль в процессах жизнедеятельности, электроны можно разделить на два типа. К первому типу относятся σ-электроны, участвующие в образовании ординарных связей, ко второму — п-электроны, участвующие в образовании двойных связей. Первые образуют жесткий скелет молекулы и локализованы попарно между соседними атомами. Вторые образуют значительно более расплывчатое облако, охватывающее всю периферию молекулы. В таких молекулах все основные их свойства обусловлены п-электронами, которые более лабильны сравнительно с σ-электронами и поэтому с большей легкостью могут участвовать в различного рода процессах.