Πώς να σχεδιάσετε μόρια και δομικές φόρμουλες για συστατικά τροφίμων

Φανταστείτε να έχετε τις σελίδες ενός βιβλίου, αλλά να μην έχετε ιδέα με ποια σειρά πρέπει να ακολουθήσουν. Ή να έχετε μια συνταγή με μόνο μια λίστα συστατικών, χωρίς οδηγίες για το πώς να φτιάξετε το φαγητό. Ή έχοντας ένα ντουλάπι ΙΚΕΑ, με όλα τα μεμονωμένα κομμάτια, αλλά όχι εγχειρίδιο. Όλα αυτά είναι αρκετά παρόμοια με το να γνωρίζουμε από ποια άτομα αποτελείται ένα μόριο, αλλά να μην ξέρουμε πώς να καθόμαστε προσκολλημένο το ένα στο άλλο. Εάν δεν γνωρίζετε αυτή τη σειρά σελίδων, αυτές τις οδηγίες συνταγής ή αυτό το εγχειρίδιο, είναι δύσκολο (όχι πάντα αδύνατο) να καταλάβετε πώς θα πρέπει να είναι το τελικό πράγμα.

Ευτυχώς καταλήξαμε σε αριθμούς σελίδων, οδηγίες συνταγών και ένα εγχειρίδιο. Και ευτυχώς οι χημικοί βρήκαν δομικούς τύπους. Αυτοί οι τύποι μας λένε πώς δημιουργείται ένα μόριο, πώς συνδέονται τα άτομα και, επομένως, πώς πραγματικά μοιάζει ένα μόριο. Σε αυτήν την ανάρτηση θα σας παρουσιάσουμε αυτές τις δομικές φόρμουλες και φυσικά θα τις εφαρμόσουμε για μόρια στα τρόφιμα.

Μοριακοί τύποι

Σε προηγούμενη ανάρτηση σας παρουσιάσαμε την έννοια των μορίων και των ατόμων. Μάθαμε ότι υπάρχει ένας οριακός αριθμός τύπων ατόμων (ονομάζονται επίσης στοιχεία) και ότι αυτά τα διαφορετικά άτομα μπορούν να σχηματίσουν μόρια, όπως λίπη, υδατάνθρακες και πρωτεΐνες. Σε μια επόμενη ανάρτηση συζητήσαμε πώς οι χημικοί χρησιμοποιούν συντομογραφίες για να εξηγήσουν ποια άτομα υπάρχουν σε ένα μόριο, τους μοριακούς τύπους. Ένα παράδειγμα τέτοιου μοριακού τύπου είναι το H₂ O. Αυτός ο τύπος περιγράφει το νερό που είναι ένα μόριο που αποτελείται από 2 άτομα υδρογόνου και 1 άτομο οξυγόνου.

Όπως περιγράψαμε στην εισαγωγή, οι μοριακές φόρμουλες είναι σαν μια συνταγή χωρίς οδηγίες, γνωρίζουμε ποια συστατικά χρειαζόμαστε (έχουμε μια λίστα με άτομα), αλλά δεν ξέρουμε πώς να τα συνδέσουμε.

Δομικοί τύποι

Εκεί μπαίνουν στο παιχνίδι οι δομικοί τύποι! Αυτοί οι τύποι είναι λίγο πιο περίπλοκοι, αλλά σας λένε ακριβώς πώς συνδέονται τα άτομα σε ένα μόριο μεταξύ τους. Ας το δείξουμε αυτό χρησιμοποιώντας μερικά παραδείγματα. Το μόριο που βλέπετε παρακάτω είναι το μεθάνιο, δεν είναι ένα κοινό μόριο στα τρόφιμα, αλλά είναι ένα καλό παράδειγμα για να ξεκινήσετε. Ο μοριακός τύπος του μεθανίου είναι CH₄ . Δείχνει ότι το μεθάνιο έχει ένα άτομο άνθρακα (C) στο κέντρο και 4 άτομα υδρογόνου (Η) συνδεδεμένα στο κέντρο. Όπως μπορείτε να δείτε, χρησιμοποιούμε τις ίδιες συντομογραφίες για τα άτομα σε δομικούς καθώς και σε μοριακούς τύπους.

Ένα άλλο απλό παράδειγμα φαίνεται παρακάτω. Δείχνει δύο μόρια με τον ίδιο χημικό τύπο:C₄ H₁₀ . Ωστόσο, οι δομικοί τύποι τους είναι αρκετά διαφορετικοί. Και πάλι, οι τύποι δείχνουν ξεκάθαρα πώς συνδέονται τα άτομα.

Αυτές ήταν απλές δομές, με μόνο δύο τύπους ατόμων, ας συζητήσουμε ένα ακόμη που είναι λίγο πιο περίπλοκο. Παρακάτω μπορείτε να δείτε τη δομική φόρμουλα των πιο απλών αμινοξέων, της αλανίνης. Μπορείτε να δείτε τέσσερα διαφορετικά άτομα σε αυτό το μόριο (N =άζωτο, O =οξυγόνο). Μπορείτε επίσης να δείτε ότι υπάρχει μια διπλή γραμμή μεταξύ ενός ατόμου O και C. Αυτός είναι ένας διπλός δεσμός.

Απλοποίηση δομικών τύπων

Οι χημικοί είναι τεμπέληδες, τουλάχιστον, είναι τεμπέληδες όταν πρόκειται να σχεδιάσουν δομικούς τύπους. Στην πραγματική ζωή δεν θα δείτε συχνά την αλανίνη να απεικονίζεται με τον τρόπο που το δείξαμε μόλις τώρα. Αντίθετα, οι χημικοί θα αφήσουν έξω ορισμένα άτομα και επίσης θα ομαδοποιήσουν τα άτομα σε πολύ κοινούς δομικούς συνδυασμούς.

Αφαίρεση ατόμων υδρογόνου και άνθρακα

Στα περισσότερα σχέδια τα άτομα υδρογόνου που συνδέονται με ένα άτομο άνθρακα δεν θα εμφανίζονται. Αυτά τα άτομα υδρογόνου δεν τείνουν να είναι πολύ σημαντικά για χημικές αντιδράσεις. Επίσης, τείνουν να υπάρχουν πολλά από αυτά (όπως είδατε στα παραπάνω παραδείγματα).

Αυτά τα άτομα υδρογόνου έχουν μείνει εντελώς έξω, δεν θα τα βλέπετε πλέον στους τύπους. Αλλά και τα άτομα άνθρακα στα οποία είναι συνδεδεμένα θα έχουν εξαφανιστεί. Δεδομένου ότι τα άτομα άνθρακα επίσης δεν τείνουν να παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στις χημικές αντιδράσεις και επειδή συχνά είναι πάρα πολλά, θα παραμείνουν επίσης έξω. Ωστόσο, αντί να τις αφήσετε εντελώς έξω (γράμμα + γραμμή σύνδεσης), θα συνεχίσετε να βλέπετε τις γραμμές, ωστόσο, το γράμμα C παραλείπεται

Ομαδοποίηση κοινών συνόλων ατόμων

Στον απλοποιημένο τύπο της αλανίνης μπορείτε επίσης να δείτε ότι όχι μόνο οι θέσεις H &C έχουν απλοποιηθεί. Επίσης το OH και το NH₂ -Οι ομάδες έχουν απλοποιηθεί. Αντί να τραβήξουμε τις γραμμές, οι γραμμές έχουν μείνει έξω, γιατί διαφορετικά θα γινόταν πολύ ακατάστατο. Αυτή η ομαδοποίηση ατόμων είναι πολύ κοινή για ομάδες με άτομα υδρογόνου και έναν άλλο τύπο. Ίσως αναρωτιέστε γιατί αυτά τα άτομα υδρογόνου δεν μένουν εντελώς έξω. Αυτό έχει να κάνει με κάπως πιο περίπλοκη χημεία. Αυτά τα άτομα υδρογόνου παίζουν σημαντικότερο ρόλο στις χημικές αντιδράσεις. Ένας χημικός δεν γνωρίζει αυτόματα πόσα είναι, γι' αυτό πρέπει να το δείξει.

Κανόνες για την κατασκευή μορίων

Αυτό μας φέρνει στους «κανόνες» για την κατασκευή μορίων. Όταν σχηματίζονται μόρια, τα άτομα χρησιμοποιούν τα ηλεκτρόνια τους για να σχηματίσουν δεσμούς μεταξύ τους. Ο αριθμός των ατόμων που είναι διαθέσιμα για τέτοιους δεσμούς καθορίζει με πόσα άλλα άτομα μπορούν να συνδεθούν ένα άτομο. Γνωρίζοντας αυτό, οι χημικοί μπορούν να καταλάβουν πώς θα ενωθούν τα άτομα.

Όπως είδατε στα προηγούμενα παραδείγματα, ο άνθρακας (C) έχει την ικανότητα να σχηματίζει τέσσερις δεσμούς, το οξυγόνο (Ο) μόνο δύο, το άζωτο (Ν) τρεις και το υδρογόνο (Η) μόνο 1. Εφόσον οι χημικοί το γνωρίζουν αυτό, θα εξακολουθούν να γνωρίζουν πόσα άτομα υπάρχουν σε έναν δομικό τύπο, ακόμα κι αν κάποια έχουν παραλειφθεί.

Εμφάνιση τρισδιάστατων δομών

Για πολλά μόρια στα τρόφιμα, αυτές οι απλές σκελετικές εκδόσεις δεν είναι αρκετές για να δείξουν την πραγματική δομή ενός μορίου ή είναι ελαφρώς άβολες. Αυτό συμβαίνει όταν είναι σημαντικό να γνωρίζουμε εάν ένα συγκεκριμένο άτομο κάθεται στο μπροστινό ή στο πίσω μέρος ενός μορίου. Ή όταν η δομή έχει ένα βρόχο μέσα. Για τους σκοπούς αυτούς έχουν αναπτυχθεί ελαφρώς πιο προηγμένες τεχνικές.

Ένα από αυτά φαίνεται παρακάτω. Αυτό το μόριο γλυκόζης έχει έναν κύκλο στη δομή. Μπορείτε να δείτε ότι το μπροστινό μέρος ενός κύκλου είναι ελαφρώς παχύτερο από το πίσω μέρος. Αυτός ο τρόπος σχεδίασης μορίων είναι αυτός που χρησιμοποιείται συνήθως για τους υδατάνθρακες, καθώς βοηθά στην προβολή της τρισδιάστατης δομής.

Στην παρακάτω δομή μπορείτε να δείτε μια άλλη μέθοδο για να υποδείξετε την τρισδιάστατη δομή ενός μορίου. Οι διακεκομμένες γραμμές σε αυτήν τη δομή της βιταμίνης Β12 υποδεικνύουν ότι η ομάδα των ατόμων δείχνει προς τα πίσω. Ο παχύτερος τριγωνικός δεσμός δείχνει ότι οι ομάδες δείχνουν προς τα εμπρός. Ίσως αναρωτιέστε γιατί αυτό είναι καθόλου σημαντικό. Λοιπόν, στη χημεία, οι κατάλληλες ομάδες πρέπει να είναι μαζί για να αλληλεπιδράσουν και να αντιδράσουν. Εάν γνωρίζετε ότι η ομάδα αντιδράσεών σας κάθεται στο μπροστινό μέρος, αλλά γνωρίζετε επίσης το μόριο με το οποίο μπορεί να αντιδράσει, δεν έχει πού να δει, επειδή πολλές άλλες ομάδες βρίσκονται στο δρόμο, η αντίδραση σας πιθανότατα δεν θα συνεχιστεί έτσι εύκολα πια.

Περιορισμοί δομικών τύπων

Στα τρόφιμα πολλά μόρια είναι πολύ μεγάλα και πολύ περίπλοκα για να φαίνονται σε δομικούς τύπους. Ένα κοινό παράδειγμα είναι οι πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες τείνουν να είναι τεράστια μόρια και η σχεδίασή τους με τέτοια λεπτομέρεια θα ήταν πολύ περίπλοκη και δεν θα σας έδινε απαραίτητα πολλές πληροφορίες.

Τούτου λεχθέντος, σε πολλές άλλες εφαρμογές οι δομικοί τύποι είναι πολύ βολικοί, όπως δείχνουμε για παράδειγμα όταν συζητάμε το λαρδί έναντι του ελαιολάδου. Θα δείτε δομικούς τύπους να χρησιμοποιούνται και σε πολλούς άλλους τομείς σε αυτό το ιστολόγιο (π.χ. όταν συζητάμε για την οξείδωση της βιταμίνης C ή την αντίδραση Maillard).