Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

В состав материала, из которого формировались твёрдые горючие ископаемые, в основном входят углеводы, лигнин, белки, липиды [7-10]. Количественное соотношение между ними зависит от вида органического материала (табл.

Таблица 2.1 – Групповой состав исходного органического материала, мас.%

Как следует из табл. 2.1, в низкоорганизованных формах (водоросли, бактерии) преобладают липиды и белки – их общее содержание может достигать 70-80 мас.%, лигнина нет совсем. В высших растениях основные компоненты – это целлюлоза и лигнин (80-90 мас.%), остальные группы играют подчиненную роль.

Углеводами (сахаридами) называют вещества с общей формулой С_n(H₂O)_m. Они служат источником энергии организмов и формируют опорные ткани растений. Из углеводов наиболее распространена целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_n.

Её часто отождествляется с клетчаткой, но в клетчатку кроме целлюлозы входят и другие вещества – кутины, суберины, спорополенины.

В целлюлозе заключено около 50% углерода, находящегося в растениях, и по общей массе на Земле целлюлоза занимает первое место среди всех органических соединений. Практически всю целлюлозу поставляют растения, хотя она встречается у некоторых видов беспозвоночных и грибов.

Целлюлоза представляет собой высокомолекулярный полимер регулярной структуры, построенный из одинаковых шестичленных фрагментов β-D-глюкозы, соединенных через атом кислорода:

Существует множество разновидностей целлюлоз, различающихся степенью полимеризации. В связи с этим, различаются и их физические свойства: механическая прочность, набухание, растворимость в различных растворителях. Прочность целлюлозных волокон при растяжении обусловлена длиной макромолекул и их параллельной ориентацией.

Целлюлоза представляет собой твёрдый волокнистый материал и составляет остов клеточной ткани древесины. При нагревании она легко обугливается. Под действием кислот, щелочей и микроорганизмов целлюлоза разрушается на простые сахара, которые легко растворяются в воде.

Лигнин – органическое вещество, занимающее второе место после целлюлозы по распространенности на Земле. В процессе эволюции растительного мира лигнин появился впервые во мхах. Если целлюлоза формирует опорные ткани растений, то лигнин играет роль цементирующего вещества, как бы склеивающего пучки целлюлозных волокон для придания устойчивости стеблям и стволам. Лигнин составляет до 30% сухой массы наземных растений.

В основе химической структуры лигнина лежат ароматические циклы. Считается, что предшественниками ароматических молекул углей являются фрагменты молекул лигнина.

По химическому строению – это сложный аморфный полимер ароматической природы с присоединенными –ОН, –ОСН₃ и другими группами.

Точная структура этих полимеров не установлена и может быть представлена в виде фрагментов фенилолпропана с различным числом заместителей в ядре:

В среднем лигнин содержит по массе 63% углерода (усредненная условная формула С₉Н_10,3О₃) и считается основным углеобразующим веществом. Лигнин легче, чем целлюлоза, окисляется кислородом воздуха и образует гуминовые кислоты.

Белки – природные высокомолекулярные соединения, образованные путем поликонденсации a-аминокислот:

где R – остаток алифатического или ароматического углеводорода или гетероцикл, содержащий серу или азот.

В организме белки являются единственными концентраторами азота (до 20%) и серы. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь. В построении природных белков участвуют 20 аминокислот из более чем двухсот, известных к настоящему времени.

Белки являются структурной основой живых организмов, обеспечивают наследственную передачу и формирование их признаков и свойств. В клетках растений белковые вещества входят в протоплазму, составляя часто более половины последней. Они способны накапливаться особенно в тех частях растений, в которых физиологические процессы идут наиболее энергично, например в листьях.

Белки легко разлагаются, но продукты их разложения частично связываются с другими органическими остатками, что обеспечивает в каустобиолитах наличие азота и органической серы.

Липиды – широкая группа веществ, способных растворяться в органических растворителях и практически нерастворимых в воде. К липидам относят жиры, воски, смолы – углеводороды в основном цепочечной (кроме смол) структуры, с усредненной условной формулой СН_1,8О_0,8. Липиды, как и белки, являются обязательной составной частью клетки. Они составляют до 30% массы водной растительности и бактерий. Назначение этой группы – создание в организме энергетического запаса, резерва питательных веществ. Калорийность липидов выше калорийности углеводов, поскольку в липидах больше водорода и совсем мало кислорода.

Жиры – сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот (насыщенных и ненасыщенных) с четным числом атомов углерода (С₁₄‑С₂₄). В растительном и животном мире насчитывается около 1300 видов жиров.

Наиболее часто встречаются предельные кислоты линейного строения с 14-18 атомами углерода, для непредельных кислот характерна группировка R‑CH=CH‑(CH₂)₇‑COOH, в которой радикал R также может содержать двойные связи.

В процессе углеобразования ненасыщенные кислоты вступают в реакции полимеризации, окисления и декарбоксилирования. Насыщенные кислоты оказываются более устойчивыми и обнаруживаются в составе ТГИ в практически неизменном виде.

Воски – в основном, сложные эфиры высших монокарбоновых кислот (С₂₄‑С₃₄) нормального строения и высших первичных одноатомных спиртов (С₂₄‑С₃₄) нормального ряда:

Кроме того, в состав воска входят насыщенные углеводороды с нечетным числом атомов углерода (С₂₅‑С₃₁). В настоящее время известно около 300 видов твёрдых и жидких восков. Они принадлежат к очень стойким составным частям растений. Воски покрывают очень тонким слоем стебли, листья и оболочки плодов наземных растений, предохраняя их от внешних воздействий. В низших растениях воски сосредоточены в оболочках клеток.

Очень близки по своим свойствам к воскам кутин, пропитывающий наружный слой эпидермиса листьев и молодых побегов и образующий кутикулу и суберин – вещество пробковой ткани в коре некоторых растений. С химической стороны кутин является разновидностью восков, но образован жирными кислотами с более низкой молекулярной массой. Содержится он в растениях в небольших количествах (до 3,5%) главным образом в листьях, кожице плодов и коровых частях. Кутин и суберин очень стойкие вещества по отношению к действию гидролизующих агентов и микроорганизмов.

Смолы – соединения с так называемым полиизопреновым скелетом с общей формулой (С₅Н₈)_n разнообразной природы – спирты, альдегиды, кислоты и эфиры, построенные на основе фрагмента изопрена:

Углеводороды этого ряда называются терпенами и могут быть моно-, олиго- и полимерными в зависимости от числа изопреноидных звеньев, составляющих их скелет.

Смолы вырабатываются высшими растениями (в основном хвойными) в местах повреждений. Они выделяются в виде бальзамов, т. е. в смеси с эфирными маслами. При вытекании бальзама из места повреждения эфирные масла испаряются, а на растении накапливаются наплывы смолы – будущие конкреции смол в ископаемых углях.

Растительные смолы химически более устойчивы, чем жиры и воски, но некоторые из них способны гидролизоваться, образуя ароматические кислоты и спирты. Часть смол может окисляться и полимеризоваться, приобретая при этом ещё большую устойчивость.

Рассмотренные вещества не исчерпывают все разнообразие химических соединений растительного и животного мира. Важную роль в жизнедеятельности растений играют хиноны, каротиноиды, порфирины, флавоноиды. Они входят в состав пыльцы, цветов, хлорофилла, но доля их в общей растительной массе мала и не играет существенной роли в процессе углеобразования. Интерес к этим соединениям вызван, в первую очередь, тем, что надежно идентифицируемые продукты их превращений обнаруживаются в веществе ТГИ и могут служить свидетельством их происхождения и условий превращения в ходе углеобразовательного процесса.

Химический состав исходного органического материала, из которого образовывались ТГИ, исключительно разнообразен. В табл. 2.2 приведена примерная оценка элементного состава групп углеобразователей.

Наибольшее количество кислорода содержится целлюлозе. Значительное его количество в лигнине и белках. Наибольшее содержание углерода – в жирах, восках, смолах. Для них характерно и более значительное содержание водорода.

Таблица 2.2 – Элементный состав групп углеобразователей

Следует заметить, что для водной растительности морей и океанов характерны преимущественно низкоорганизованные растения, а для наземной – высшие.