सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री (एससी)- अपेक्षाकृत नया खंडरसायन विज्ञान, यौगिकों पर विचार करते हुए, आणविक पहनावा, स्टोइकोमेट्रिक और गैर-स्टोइकोमेट्रिक रचनाओं के सहयोगी, जिनमें से घटक इंटरमॉलिक्युलर (नॉनवैलेंट) इंटरैक्शन द्वारा परस्पर जुड़े होते हैं। दूसरे शब्दों में, सीएक्स गैर-वैलेंटाइन इंटरैक्शन का रसायन है। तिथि करने के लिए, यह सबसे आम है, हालांकि सार्वभौमिक रूप से स्वीकार नहीं किया गया है, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के विषय की परिभाषा, जो विचाराधीन विषय के युवाओं को इंगित करता है। वैज्ञानिक अनुशासनऔर इसकी कार्रवाई की सीमाओं का धुंधलापन, लेकिन उस पर और नीचे।

शर्तें अपरामोलेक्युलर केमिस्ट्री » 1973 में लॉरेट द्वारा पेश किया गया था नोबेल पुरुस्कार 1987 के लिए रसायन विज्ञान में जे.-एम। लेन। लेहन के अनुसार, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के विषय को दो व्यापक, आंशिक रूप से अतिव्यापी क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है: क) - आणविक मान्यता और दो या दो से अधिक घटकों के बाद के अंतर-आणविक संघ के परिणामस्वरूप सुपरमॉलेक्यूल का रसायन विज्ञान - एक रिसेप्टर और इसका सब्सट्रेट, और जो एक प्रकार के अणुओं (होस्ट) से एक आणविक ढांचे का निर्माण करते हैं, जिसकी गुहा में एक अन्य प्रकार के अणु (अतिथि), और बी) पेश किए जाते हैं - आणविक पहनावा का रसायन जो घटकों की अनिश्चित संख्या के सहज जुड़ाव से उत्पन्न होता है और अधिक या कम स्पष्ट रूप से परिभाषित सूक्ष्म संगठन (क्लैथ्रेट्स, वेसिकल्स, मिसेल, मेम्ब्रेन; उदाहरण के लिए, राइबोसोम की किस्मों में से एक में 55 प्रोटीन अणु और राइबोन्यूक्लिक एसिड के तीन अणु होते हैं, जो लगभग 200 के आकार के साथ एक गोलाकार बनाते हैं। ) इन संरचनाओं में बातचीत की ताकत कमजोर, देखी गई, उदाहरण के लिए, गैस हाइड्रेट्स में और हाइड्रोजन बॉन्ड के कारण बनने वाली मजबूत से भिन्न हो सकती है, जो डी.-ए द्वारा बनाई गई है। उदाहरण के लिए, क्राउन यौगिकों में देखे गए बांड। साथ ही, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि इस तरह के यौगिकों के गठन से अक्सर दोनों मेजबान अणुओं के स्थिरीकरण की ओर जाता है जो ढांचे का निर्माण करते हैं और उदाहरण के लिए, मुक्त अणु की तुलना में ऊर्जावान रूप से कम अनुकूल संरचना में होते हैं, के लिए उदाहरण के लिए, "स्नान" प्रकार की संरचना, और अतिथि अणु, कभी-कभी एक व्यक्तिगत अवस्था में भी मौजूद नहीं होते हैं (उदाहरण के लिए, रेडिकल)। इस घटना को इसका विशेष नाम "अणुओं के संपर्क स्थिरीकरण" मिला है। इससे यह निष्कर्ष निकलता है कि अवधारणा सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्रीपाठ्यक्रम में माने जाने वाले पदार्थों से लेकर पदार्थों की एक विस्तृत विविधता को एकजुट करता है अकार्बनिक रसायन शास्त्र, और उन पदार्थों के साथ समाप्त होता है जो जीवित रसायन विज्ञान का विषय हैं। ऊपर से यह भी पता चलता है कि कई शोधकर्ताओं ने शब्द के पहले निर्माण से बहुत पहले गैर-संयोजक बातचीत से बंधे पदार्थों का अध्ययन किया था सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री. इसके अलावा, इस अवधारणा में शामिल अधिकांश शर्तों को प्रस्तावित किया गया था देर से XIXऔर 20 वीं सदी की शुरुआत।

क्लैथ्रेट्स(उनके में एक शब्द आधुनिक समझ 1947 में पॉवेल द्वारा प्रस्तावित) or कनेक्शन कनेक्शन(यह शब्द 1949 में श्लेनक द्वारा प्रस्तावित किया गया था), जाहिरा तौर पर उन्हें पहली बार पियरे, बर्थेलॉट और क्रोनस्टेड ने 40-50 में देखा था। XVIII सदी, लेकिन 1778 में प्रीस्टले द्वारा विस्तार से वर्णित ("विषम" बर्फ - सल्फर डाइऑक्साइड का हाइड्रेट)। 1785 में पेलेटियर और कार्स्टन ने "म्यूरियम ऑक्साइड" के गठन का वर्णन किया, जो वास्तव में मौलिक क्लोरीन हाइड्रेट निकला, जिसे डेवी ने 1811 में साबित किया था। साथ ही, इस "ऑक्साइड" की संरचना (Cl 2 × 10H 2 O) 1823 में फैराडे द्वारा निर्धारित किया गया था, और संरचना केवल 1952 में स्टैकेलबर्ग और मुलर द्वारा निर्धारित की गई थी।

अब नीचे क्लैथ्रेट्ससमझना सुपरमॉलेक्यूलरकनेक्शन कनेक्शन, केवल वैन डेर वाल्स की बातचीत के कारण बनता है अतिथि अणुएक अलग तरह के अणुओं के साथ कहा जाता है गुरु का, जिसमें से अतिथि को प्राप्त करने के लिए गुहाओं वाला एक फ्रेम बनाया गया है। ऐसे यौगिकों की थर्मोडायनामिक स्थिरता मेजबान गुहा में अतिथि अणुओं की व्यवस्था की उपयुक्त ज्यामिति द्वारा सुनिश्चित की जाती है (स्थानिक पत्राचार, संपूरकता), जिसके कारण कमजोर लेकिन कई अंतर-आणविक बंधनों के निर्माण से क्लैथ्रेट के घटकों की ऊर्जा की तुलना में ऊर्जा में कुछ लाभ होता है। उसी समय, कोई भी मैक्रोचेंज, आमतौर पर अधिक के गठन के दौरान प्रकट होता है मज़बूत संबंध, कनेक्शन घटकों में कोई रोकथाम नहीं पाई जाती है। क्लैथ्रेट में घटकों का अनुपात, अर्थात। इसकी स्टोइकोमेट्री परिवर्तनशील हो सकती है, दोनों ही अक्रिय गैसों के साथ हाइड्रोक्विनोन यौगिकों में, और कड़ाई से परिभाषित, जैसे कि पैराफिन के साथ यूरिया यौगिकों में, अधिकांश गैस हाइड्रेट्स में, या एक ही हाइड्रोक्विनोन में, लेकिन हाइड्रोजन सल्फाइड या फुलरीन के साथ यौगिक बनाते हैं।

काफी हद तक, स्टोइकोमेट्री मेजबान ढांचे की स्थिरता से निर्धारित होती है। यदि ढांचा अस्थिर है या अतिथि की अनुपस्थिति में बिल्कुल भी मौजूद नहीं है, तो निरंतर संरचना का एक क्लैथ्रेट यौगिक बनता है। यदि अतिथि की अनुपस्थिति में भी मेजबान ढांचा थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर है, तो इस मामले में प्रारंभिक ए-संशोधन के आधार पर ठोस समाधान बनते हैं, अर्थात। बातचीत एक नए चरण के गठन के साथ नहीं है, हालांकि कुछ स्थिरीकरण समग्र संरचनाऔर होता है। दूसरे शब्दों में, क्लैथ्रेट फ्रेमवर्क in अंतिम मामलाप्रारंभिक ए-संशोधन के संबंध में मेटास्टेबल, लेकिन अतिथि के अणुओं या परमाणुओं के साथ रिक्तियों को भरने की एक निश्चित डिग्री के साथ, यह अधिक स्थिर हो जाता है और परिवर्तनीय संरचना का क्लैथ्रेट बनाता है।

इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि अधिकांश मामलों में मेजबान उस रूप में मौजूद नहीं होता है जिसमें वह क्लैथ्रेट के रूप में मौजूद होता है। मेजबान के संशोधन और क्लैथ्रेट के गठन के लिए आवश्यक अतिथि की रचना उनके प्रत्यक्ष या कैस्केड इंटरैक्शन द्वारा प्राप्त की जाती है। बाद के मामले में, क्लैथ्रेट के गठन के कई क्रमिक चरण होते हैं। उदाहरण के लिए, ग्लोबिन ( प्रोटीन अणुहेमा) में पहले बिना वैलेंस इंटरेक्शन के एक आयरन पोर्फिरिन कॉम्प्लेक्स शामिल होता है, जो तब एक बाउल कंफॉर्मेशन प्राप्त करता है और जिसमें फिर एक ऑक्सीजन अणु या कार्बन मोनोऑक्साइड शामिल होता है। यह स्थिति फिशर के सरल के विपरीत है, लेकिन कई अन्य कारणों से, अधिक सामान्य धारणा है कि उच्च विशिष्टता एंजाइमी प्रतिक्रियाएंसब्सट्रेट और एंजाइम की संपूरकता (की-लॉक सिद्धांत) के कारण। सामान्य तौर पर, एक धातु केंद्र वाले एंजाइम के प्रोटीन वातावरण की भूमिका, जैसे ग्लोबिन, या एक धातु क्लस्टर, जैसे कि नाइट्रोजनेज या फेरोडॉक्सिन में, किसी भी तरह से माध्यमिक नहीं है। यह एक ऐसी प्रणाली है जिसमें कोई भी घटक दूसरे के बिना काम नहीं करता है। अधिकांश एक प्रमुख उदाहरणयह - 70-80 के दशक में असफल प्रयास। नाइट्रोजनेज कॉफ़ेक्टर के केवल Fe-Mo-S क्लस्टर का उपयोग करके नाइट्रोजन के संचालन का अनुकरण करें।

क्लैथ्रेट में गुहा के आकार के अनुसार, समावेशन यौगिकों को वर्गीकृत किया जाता है क्रिप्टो-क्लैथ्रेट्स(कोशिकाएं), ट्यूबुलेटो-क्लैथ्रेट्स(ट्यूब) और इंटरकैलेटो-क्लैथ्रेट्स(स्तरित समावेशन यौगिक)। बातचीत "अतिथि-मेजबान" की प्रकृति के अनुसार वे उप-विभाजित हैं सरल क्लैथ्रेट में, उदाहरण के लिए, पैराफिन के साथ यूरिया के चैनल यौगिक, केवल वैन डेर वाल्स बलों (इंटरमॉलिक्युलर नॉन-वैलेंट इंटरैक्शन) के कारण बनते हैं, समन्वय clathrates, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन बांड (विशिष्ट इंटरैक्शन के साथ) (पूरा नाम - क्रिप्टो-कोऑर्डिनेट-क्लैथ्रेट) द्वारा गठित सेलुलर ट्राइमेथिलमाइन हाइड्रेट, और क्लैथ्रेट कॉम्प्लेक्स -दाता-स्वीकर्ता बंधनों के साथ मजबूत संरचनाएं।

मेजबान ढांचे में बांड की प्रकृति के अनुसार एक वर्गीकरण भी है। यह जाली clathrates, जिसमें मेजबान ढांचा अपेक्षाकृत जुड़े हुए अणुओं से बनाया गया है कमजोर संधि, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन। इस प्रकार के क्लैथ्रेट्स के विशिष्ट प्रतिनिधि हाइड्रोक्विनोन और फिनोल होते हैं जिनमें ओएच समूह होते हैं। इन समूहों के माध्यम से, एक मचान बनाया जाता है, जिसमें छह मेजबान अणु होते हैं (चित्र 16)। इस तरह के क्लैथ्रेट की तापीय स्थिरता प्रत्येक घटक के गलनांक से कई दसियों डिग्री अधिक हो सकती है।

चावल। 16. मेजबान गुहा, हाइड्रोक्विनोन के छह अणुओं से बना है।

पर मैक्रोमोलेक्यूलर क्लैथ्रेट्सढांचा सहसंयोजक बाध्य टुकड़ों से बनाया गया है। एक उदाहरण गहन शोध किया गया है पिछले साल काफ्रेम समन्वय यौगिकों या एमओएफ-संरचनाओं (धातु-कार्बनिक ढांचे) (चित्र। 17), जिसे हम नीचे गैस संचय (मीथेन, हाइड्रोजन, एसिटिलीन, कार्बन डाइऑक्साइड) या क्लैट्रोसिल की समस्याओं पर चर्चा करते समय सूत्र इकाई SiO 2 के साथ विचार करेंगे। उत्तरार्द्ध की गुहाएं उन्हीं मेहमानों को समायोजित कर सकती हैं जैसे

चावल। 17. लिंकर्स के साथ जिंक कार्बोक्सिलेट्स पर आधारित एमओएफ अलग संरचना. पीली गेंद बहुलक में गुहा का आयतन है

हाइड्रेट्स में, क्योंकि उनके आकार करीब हैं, लेकिन तापीय स्थिरतावे काफी अधिक हैं और ट्राइमेथिलैमाइन के साथ क्लैथ्रेट के लिए यह हाइड्रेट में 200 सी ओ के मुकाबले 950 सी ओ पर एक्सपोजर के 3 घंटे तक पहुंच सकता है।

पर मोनोमोलेक्यूलर क्लैथ्रेट्समेजबान में बड़े अणु होते हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक या अधिक गुहाएं होती हैं। ये यौगिक समाधान में भी मौजूद हो सकते हैं। ऐसे क्लैथ्रेट का एक उदाहरण रंगीन है नीला रंगअमाइलोज स्टार्च के साथ आयोडीन का संयोजन।

इन पदार्थों में सबसे विशिष्ट और दिलचस्प क्लैथ्रेट हाइड्रेट्स हैं, जिनमें दोनों हो सकते हैं गैस घटक, हम उनके बारे में नीचे बात करेंगे, साथ ही आयनिक परिसरों सहित अधिक जटिल अणु, उदाहरण के लिए, टेट्राएल्किलमोनियम बेस के लवण। बाद के मामले में, पानी के ढांचे को आयनों के चारों ओर बनाया गया है, और ढांचे के बड़े गुहाओं में प्रवेश करने वाला कटियन, क्लैथ्रेट को समग्र रूप से स्थिर करता है। इसी तरह का प्रभाव समन्वय यौगिकों के आधार पर कई क्लैथ्रेट्स में भी देखा जाता है, जिसके ढांचे में विलायक अणुओं को पेश किया जाता है और उन्हें स्थिर किया जाता है (संपर्क स्थिरीकरण प्रभाव)। इस प्रकार, तांबे या जस्ता के पाइरिडाइल-रोडेनाइड परिसर स्वयं अस्थिर होते हैं, लेकिन बेंजीन के साथ उनके क्लैथ्रेट काफी स्थिर होते हैं। अक्सर, हालांकि, अतिथि अणु मेजबान के गुणों को प्रभावित नहीं करते हैं, और इसलिए उनकी भागीदारी से बनने वाले यौगिकों को कभी-कभी "पैकिंग कॉम्प्लेक्स" कहा जाता है। यह बहुत ही सामान्य प्रकार का अंतरालीय यौगिक न केवल समन्वय में, बल्कि ऑर्गोमेटेलिक रसायन विज्ञान में भी, जाहिरा तौर पर, हॉफमैन द्वारा पहली बार 1897 में संरचना Ni(CN) 2 NH 3 ×C 6 H 6 के निकल परिसर के उदाहरण का उपयोग करके देखा गया था।

यूरिया आधारित क्लैथ्रेट बहुत आम हैं (चित्र 18)। इसके बी-संशोधन के क्लैथ्रेट ढांचे में, सभी एच-बॉन्ड को सीधा किया जाता है और प्रारंभिक ए-संशोधन की तुलना में घनत्व तेजी से कम हो जाता है। इस वजह से, यह स्वयं मौजूद नहीं हो सकता है और इसके ट्यूबलर गुहाओं में अतिथि अणुओं को शामिल करके स्थिर हो जाता है। में ये मामलापैराफिन

स्तरित यौगिक, अंतरालीय यौगिक, अंतर्संबंधित यौगिक - यह सब क्लैथ्रेट यौगिकों का एक वर्ग है जिसमें अतिथि परमाणु या अणु इंटरलेयर स्पेस या ज्यामितीय रिक्तियों में स्थित होते हैं। क्रिस्टल लैटिस. उनमें से सबसे अच्छी तरह से ज्ञात ग्रेफाइट और फुलराइड्स में इंटरकलेशन यौगिक हैं, जिन्हें चार्ज ट्रांसफर या इंटरकैलेटो क्लैथ्रेट्स के साथ रेडिकल आयन कॉम्प्लेक्स के रूप में वर्गीकृत किया गया है।

उनकी विविधता में उल्लेखनीय हाइड्रोक्विनोन क्लैथ्रेट्स (चित्र। 19) हैं, जो तीन स्थिर संशोधनों में मौजूद हैं और इसके अलावा एक थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर डी-फ्रेमवर्क देता है, जो केवल अक्रिय गैसों, सल्फर डाइऑक्साइड के साथ क्लैथ्रेट गठन की प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप होता है। कार्बन डाइआक्साइड,

चावल। 18. यूरिया अणुओं के क्लैथ्रेट ढांचे के चैनल गुहाओं में एन-पैराफिन के अणु।

एल्काइल हैलाइड, मीथेन और यहां तक ​​कि विशाल फुलरीन अणु (चित्र 20), आदि।

सभी ज्ञात क्लैथ्रेट्स में, व्यावहारिक दृष्टिकोण से, गैस हाइड्रेट्स, मुख्य रूप से मीथेन हाइड्रेट्स, सबसे बड़ी रुचि रखते हैं। उनमें विशेष रुचि पृथ्वी और महासागर के आंतों में मीथेन हाइड्रेट्स की खोज के बाद पैदा हुई, जिसमें ईंधन भंडार संयुक्त रूप से अन्य सभी ईंधन भंडार से अधिक है। यह माना जाता है कि कई वैश्विक आपदापृथ्वी पर, 230 मिलियन वर्ष पूर्व त्रैसिक काल सहित और

चावल। 19. शामिल क्सीनन अणु के साथ β-हाइड्रोक्विनोन की संरचना में गुहा

चावल। 20. यौगिक की -संरचना का टुकड़ा 60 ∙3Q

पैलियोसीन युग 55 मिलियन वर्ष पहले, अरबों टन मीथेन के वातावरण में भयावह उत्सर्जन के कारण हुआ था, जो दबाव में और गैस हाइड्रेट्स के रूप में समुद्र की गहराई में "स्थिर" स्थितियों में था। कम तामपान. या वह तबाही जो 8,000 साल पहले नॉर्वे के तट पर हुई थी, जब कई हजार वर्ग किलोमीटर के एक शेल्फ से निकली गैस ने कई सौ मीटर ऊंची सुनामी को उभारा। पहले से ही हमारे समय (1986) में, हाइड्रोजन सल्फाइड, सल्फर डाइऑक्साइड, मीथेन, कार्बन डाइऑक्साइड युक्त क्रेटर झील न्योस (कैमरून) के गैस हाइड्रेट्स के सहज और अप्रत्याशित अपघटन से 1700 लोगों की मौत हो गई। रहस्यों की व्याख्या करने वाली परिकल्पनाओं में से एक बरमूडा त्रिभुज, इस धारणा पर भी आधारित है कि मीथेन के विशाल गैस बुलबुले महासागर की गहराई से निकलते हैं। इससे भी अधिक प्रभावशाली वह परिकल्पना है जो आधुनिकता के कारणों की व्याख्या करती है ग्लोबल वार्मिंगपृथ्वी की जलवायु। यह मीथेन के साथ भी जुड़ा हुआ है: वायुमंडल और महासागर के औसत तापमान में स्पष्ट वृद्धि ऊपरी वायुमंडल में इसकी मात्रा में वृद्धि से जुड़ी है, जिससे अवशोषण में वृद्धि होती है। ऊष्मीय विकिरण. आंशिक संदेह उस पर एक अभिकर्मक के रूप में गिर गया जो नष्ट कर देता है ओजोन परत. हालाँकि, यह सब वैज्ञानिक मान्यताओं के क्षेत्र से संबंधित है, हालाँकि वर्तमान में गैस हाइड्रेट्स की अस्थिरता और उनके कारणों की वैज्ञानिक रूप से आधारित बहुत सारी परिकल्पनाएँ हैं (अंतिम एक ठोस परत के अंदर के चैनल हैं) गैस हाइड्रेट, नीचे की दरारों से शुरू पृथ्वी की पपड़ीऔर इस परत में गर्मी का प्रवाह प्रदान करना), और कभी-कभी कल्पनाएँ। वास्तविकता यह है कि एक घन मीटर "मीथेन बर्फ", जिसका एक टुकड़ा 32 पानी के अणुओं और 8 मीथेन अणुओं से बना है, में 164 घन मीटर है प्राकृतिक गैस, जो कि तरल मीथेन से केवल 2-2.5 गुना कम है! और इस रूप में इसे 10000-15000 गीगाटन स्टोर किया जाता है! दुर्भाग्य से, या शायद सौभाग्य से, वर्तमान में नहीं है औद्योगिक प्रौद्योगिकियांइस धन का उपयोग, लेकिन इस दिशा में काम चल रहा है और, नॉर्वे और कैमरून के दुखद "अनुभव" को देखते हुए, इन कार्यों के सफल समापन का सकारात्मक मूल्यांकन करना शायद ही संभव होगा।

गैस हाइड्रेट्स की संरचना हाइड्रोजन बांड से जुड़े पानी के अणुओं से बने ढांचे से निर्धारित होती है। वर्तमान में, 15 से अधिक ऐसे फ्रेम ज्ञात हैं, जिनमें बड़े (मुख्य) और छोटे (अतिरिक्त या स्थिर) गुहा हैं। गुहाओं का वर्णन करने वाले पॉलीहेड्रा भी बहुत अलग हैं। इनमें से सबसे विशिष्ट 12, 14, 15, 16 और 20-हेड्रा हैं, जिन्हें आमतौर पर क्रमशः पहले अक्षरों द्वारा दर्शाया जाता है। ग्रीक वर्णमाला- डी, टी, पी, एच और ई (चित्र। 21) (इससे कुछ अलग गैस हाइड्रेट गुहाओं के पदनाम भी हैं)।

उनकी विविधता पानी के अणुओं के टेट्राहेड्रल समन्वय और लंबाई और वैलेंस कोण के साथ एच-बॉन्ड के ध्यान देने योग्य लचीलेपन से निर्धारित होती है, जिससे विभिन्न ढांचे का निर्माण संभव हो जाता है जो ऊर्जा में बहुत कम भिन्न होते हैं। बांड की लंबाई और बंधन कोणके लिए विशिष्ट "मूल" स्थिति के भीतर परिवर्तन नियमित बर्फ-2.76 और

चावल। 21. पानी क्लैथ्रेट ढांचे में गुहा-पॉलीहेड्रा (ऑक्सीजन परमाणु पॉलीहेड्रा के शिखर पर स्थित होते हैं, किनारे को दर्शाता है हाइड्रोजन बंध)

109.5 ओ. इस मामले में गठित जाली और, तदनुसार, गैस हाइड्रेट यौगिकों की रचनाएं भी काफी विविध हैं और सबसे ऊपर, उस दबाव पर निर्भर करती हैं जिस पर वे स्थित हैं। गैस हाइड्रेट्स के लिए सबसे विशिष्ट क्यूबिक KS-I और KS-III जाली और हेक्सागोनल GS-III (अंग्रेजी साहित्य में संरचना H) सूत्रों के साथ जाली हैं प्राथमिक सेल 6T 2D 46H 2 O, 8H 16D 136H 2 O और E 2D' 3D 34H 2 O, जिसमें फ्रेम बनाने वाले पानी के अणुओं की संख्या के अलावा, अतिथि अणुओं या परमाणुओं की संख्या और उनके द्वारा व्याप्त रिक्तियों के प्रकार हैं संकेत दिया। चतुष्कोणीय जालकों को भी जाना जाता है, जो आमतौर पर तब बनते हैं जब उच्च दबाव. बर्फ के ढीले रूप Ih, Ice Ic और Ice II, जो उच्च दबाव पर मौजूद होते हैं, को भी ढांचे के रूप में माना जाता है। अंजीर पर। 22 गुहाओं के पारंपरिक पदनाम में इनमें से एक गैस (मीथेन) हाइड्रेट की संरचना को दर्शाता है।

गैस हाइड्रेट्स की स्थिरता फ्रेम संरचना (बड़े और छोटे गुहाओं को भरने की डिग्री और गुणवत्ता), तापमान, दबाव और कुछ विशेष रूप से पेश किए गए एडिटिव्स पर निर्भर करती है। इस प्रकार, जीएस-III जाली, जिसमें सबसे बड़ी गुहा ई है, तब तक स्थिर नहीं है जब तक कि छोटी गुहाएं डी नहीं भरी जाती हैं। साथ ही, न्यूनतम पी, टी-शर्तें, जिस पर मीथेन हाइड्रेट स्थिर हो जाता है, - 0 o C और 25-30 atm का दबाव। बढ़ते दबाव के साथ, इसकी स्थिरता बढ़ जाती है और 2-2.5 Kbar पर यह पहले से ही 40-50 ° C पर मौजूद होता है। सिस्टम में तीसरे घटक की शुरूआत - दूसरे में टेट्राहाइड्रोफुरन या मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन अधिकसिस्टम को स्थिर करता है और कम करता है पी, टी पैरामीटरमीथेन हाइड्रेट की स्थिरता इस मामले में, कार्बनिक योजक भी गैस हाइड्रेट गुहाओं में शामिल होते हैं, जो मिश्रित यौगिक बनाते हैं (चित्र 23)।

चावल। 22. डी और टी गुहाओं में मीथेन अणुओं के साथ केएस -1 का संरचनात्मक टुकड़ा

चावल। 23. टेट्राहाइड्रोफुरन (ए) और मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन (बी) के योग के साथ मीथेन हाइड्रेट्स की संरचना

15 Kbar तक के दबाव और सामान्य या कम तापमान पर, H 2 /H 2 O=1 और H 2 /2H 2 O=1 रचनाओं के साथ नियॉन, आर्गन और यहां तक ​​कि हाइड्रोजन के क्लैथ्रेट हाइड्रेट स्थिर हो जाते हैं। बाद वाले बर्फ II या बर्फ आईसी के ढांचे पर आधारित होते हैं और इसमें 11.2 और 5.3 wt होते हैं। % एच 2, क्रमशः। आंकड़े अन्यथा हासिल करना मुश्किल है, उदाहरण के लिए, धातु हाइड्राइड या विशेष रूप से संश्लेषित कार्बन-आधारित सॉर्बेंट्स, जिओलाइट्स या कम घनत्व में जटिल यौगिकहाइड्रोजन की वजन मात्रा काफी कम है। समान पदार्थसामान्य दबाव पर भी कम तापमान पर स्थिर हो सकता है, और उच्च दबाव (> 300 एटीएम) पर या तीसरे घटक की थोड़ी मात्रा की उपस्थिति में, उदाहरण के लिए, टेट्राहाइड्रोफुरन या एक एल्केलामोनियम नमक (चित्र। 24) काफी स्थिर हो सकता है तब भी कमरे का तापमानऔर अपेक्षाकृत कम दबाव (<100 атм).

दो गैसीय मेहमानों - हाइड्रोजन और मीथेन और एक तरल - टेट्राहाइड्रोफुरन का संयोजन आज ईंधन सामग्री के मामले में अद्वितीय है।

चावल। 24. एच 2-एच 2 ओ-एनआर 4 बीआर सिस्टम में गठित क्लैथ्रेट की संरचना, और दबाव और तापमान पर इसकी स्थिरता की निर्भरता।

घटक हाइड्रोजन है। संरचना के यौगिक (Н 2) 4 ·CH 4 में हाइड्रोजन की गणना की गई मात्रा 33.4 wt है। % और 2 Kbar और 77 K के तापमान पर मौजूद है, जबकि 300 K पर 50 Kbar का दबाव आवश्यक है। लेकिन यह अभी भी अपुष्ट डेटा है, जो वास्तविकता से बहुत दूर हो सकता है।

हाल के वर्षों में, साइक्लोडेक्सट्रिन पर आधारित क्लैथ्रेट्स के अध्ययन, 6, ​​7, या 8 डी-ग्लाइकोपाइरानोज इकाइयों से निर्मित एक चक्रीय ओलिगोसेकेराइड, काफ़ी बढ़ गए हैं (चित्र 25)।

साइक्लोडेक्सट्रिन अणु की ज्यामिति को नीचे के बिना एक टोकरी के रूप में दर्शाया जा सकता है, जिसके ऊपरी भाग पर 12-16 माध्यमिक ओएच समूह होते हैं, और निचले हिस्से पर 6-8 प्राथमिक या उनके कार्यात्मक पदार्थ होते हैं ("पूंछ के साथ एक ब्रश")। ये पदार्थ, जो ग्लाइकोसिडिक इकाइयों की संख्या के आधार पर, "नीचे के बिना टोकरी" के ऊपरी हिस्से के व्यास को 5.7 से 9.5 (और, तदनुसार, निचला भाग, लेकिन कुछ हद तक) में बदल सकते हैं, जाहिर है, विशेष रूप से वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन के कारण, उनके गुहा में सब्सट्रेट की एक विस्तृत विविधता शामिल है। कुछ मामलों में, यह संभव बनाता है

चावल। 25. साइक्लोडेक्सट्रिन अणु की संरचना

केवल उनका चयनात्मक चयन, बल्कि साइक्लोडेक्सट्रिन गुहा और पारंपरिक सिंथेटिक प्रतिक्रियाओं (यानी "नैनोरिएक्टर" के रूप में काम) में एक चयनात्मक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को अंजाम देने के लिए, लेकिन असामान्य और कठिन-से-पहुंच वाले उत्पादों, जैसे कि कैटेनेन्स, रोटॉक्सेन, के लिए अग्रणी। पॉलीरोटॉक्सेन और ट्यूब, यानी। घटकों या रिक्त स्थान का उपयोग नैनोस्केल संरचनाओं या सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की अधिक जटिल वस्तुओं को प्राप्त करने के लिए बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में किया जाता है।

विशुद्ध रूप से रासायनिक समस्याओं को हल करने के अलावा, जैव रसायन में साइक्लोडेक्सट्रिन का सफलतापूर्वक उपयोग किया जाने लगा, उदाहरण के लिए, फेरोसिन डेरिवेटिव की इन विट्रो एंटीवायरल या एंटिफंगल गतिविधि का निर्धारण करने के लिए। इस उद्देश्य के लिए उपयोग किए जाने वाले परिसर का संरचनात्मक मॉडल अंजीर में दिखाया गया है। 26.

चावल। 26. प्रतिस्थापित फेरोसिन के साथ साइक्लोडेक्सट्रिन के परिसर की संरचना का मॉडल।

प्रकृति में बहुत व्यापक वितरण के बावजूद, क्लैथ्रेट यौगिकों और उनके लंबे इतिहास के लिए शोधकर्ताओं का बहुत ध्यान, फिर भी, पेडर्सन द्वारा क्राउन ईथर की खोज को सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की अवधारणा के गठन की शुरुआत माना जाना चाहिए और एक स्वतंत्र में अलग होना चाहिए। ज्ञान का क्षेत्र (चित्र। 27 सबसे प्रसिद्ध मुकुट ईथर की संरचनाओं के मॉडल दिखाता है) और क्षार धातु के पिंजरों (चित्र 28-30) को उनके गुहा में पकड़ने की उनकी अद्वितीय क्षमता की खोज। परिणामी परिसरों की ताकत और ज्यामिति या ताज कनेक्शनकई कारणों से, लेकिन, सबसे पहले, अतिथि के आकार के लिए गुहा के आकार का ज्यामितीय पत्राचार ( ज्यामितीय पत्राचार सिद्धांत): एक बड़ा अणु या आयन इंट्राकैविटरी यौगिक नहीं बनाता है, हालांकि इसे लिगैंड के बाहर समन्वित किया जा सकता है, और छोटे वाले कम मजबूत इंट्राकैविटरी देते हैं

चावल। 27. कुछ क्राउन ईथर का चित्रमय प्रतिनिधित्व

यौगिकों, क्योंकि उन्हें मैक्रोसायकल संरचना के गहन पुनर्गठन की आवश्यकता होती है। हालांकि, किसी भी मामले में, जटिलता मुकुट ईथर संरचना के पुनर्व्यवस्था के साथ होती है, कभी-कभी एक सम्राट के सिर की तरह एक धातु आयन को ताज के सममित मुकुट के आकार के अणु में। क्रिप्टैंड्स, एज़ा- और सल्फर-क्राउन ईथर, और उनके हेटेरोएनालॉग्स का संश्लेषण, जो इस खोज के बाद हुआ, ने विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान, चरण हस्तांतरण कटैलिसीस, निष्कर्षण, आदि में उनके आवेदन के संदर्भ में पॉलीसाइक्लिक अणुओं की सीमा और संभावनाओं का काफी विस्तार किया। हालांकि, ये सभी कनेक्शन एक अतिथि को प्राप्त करने के लिए अच्छी तरह से व्यवस्थित नहीं हैं। उनके संरेखण के लिए अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो परिसर की समग्र स्थिरता को प्रभावित करती है।

मैक्रोसाइक्लिक अणुओं के रसायन विज्ञान के विकास में अगले चरण में, स्फेरैंड्स, कैविटैंड्स, कार्सरैंड्स, हेमी- और क्रिप्टोस्फेरैंड्स, कैलीक्सरेन्स, कैटापिनैड्स और लैरीएट्स को संश्लेषित किया गया था (चित्र। 31-36)। इनमें से अधिकांश पदार्थों में एक कठोर, सुव्यवस्थित संरचना होती है, जो अतिथि को प्राप्त करने के लिए आदर्श होती है। उदाहरण के लिए, गोलाकारों और गुहाओं में यह एक कटोरा है, कैरसैंड में यह एक विशाल गुहा (गुफा) है।

यहां यह सवाल उठता है कि क्या शास्त्रीय समन्वय यौगिकों से धातु आयनों के साथ मैक्रोसायकल के यौगिकों को अलग करना वैध है, उदाहरण के लिए, एन-डोनर्स या हाइड्रेट्स द्वारा गठित सॉल्वेट्स। मेरे पास स्पष्ट उत्तर नहीं है। संक्षेप में, ये समन्वय यौगिक हैं। सबसे पहले, अधिकांश आयनिक मुकुट यौगिकों में, घटकों के बीच संबंध सामान्य d.-a द्वारा प्रदान किया जाता है। बांड और परिसरों में ऑक्सीजन, नाइट्रोजन या सल्फर के आयन और दाता परमाणुओं के बीच एक वैलेंस संपर्क भी हो सकता है, और इन पदार्थों का गठन इतना थर्मोडायनामिक रूप से अनुकूल है कि उन्हें सीधे प्राप्त किया जा सकता है

चावल। 28. 1: 1 की संरचना के साथ पोटेशियम आयन के साथ जटिल डिबेंजो-18-क्राउन -6 की संरचना का मॉडल

चावल। 30. संरचना 2:1 के सोडियम आयनों के साथ डिबेंजो-18-क्राउन -6 के परिसर की संरचना का मॉडल

चावल। 29. 2:1 . की संरचना के साथ पोटेशियम आयन के साथ जटिल 12-मुकुट -4 की संरचना का मॉडल

एक उपयुक्त विलायक में धातु के साथ मैक्रोसायकल की बातचीत। इस मामले में, ऐसे अद्भुत आयनिक यौगिक M + ×MC×M' - (M=M' - Li, Na, K, Rb, Cs; M'- Au) संरचना के क्षार के रूप में बनते हैं, और भी अधिक असामान्य रचना Na 2 2- MC∙Ca 2+, Na - ∙MC - ∙Ba 2+ (चित्र) या इलेक्ट्राइड्स M + ×MC×e _ (MC-मैक्रोसाइक्लिक लिगैंड)। आयनिक संरचना

चावल। अज़ाक्रिप्टानाड बा +2 (एच 5 एज़ा 222) की संरचना - ना - ∙2MeNH 2। काली गेंदें - बेरियम धनायन, ग्रे - सोडियम आयन

इन पदार्थों का अणु में संयोजकता अंतःक्रियाओं का एक बिना शर्त प्रमाण है, और इस आधार पर, क्षार और इलेक्ट्राइड को सीएक्स के विषय के लिए जिम्मेदार नहीं ठहराया जा सकता है। लेकिन साथ ही, उन्हें समन्वय रसायन विज्ञान के ढांचे के भीतर माने जाने वाले पदार्थों के लिए जिम्मेदार नहीं ठहराया जा सकता है, मुख्य रूप से गठन, संरचना, संरचना और गुणों के तंत्र के संदर्भ में, जो तरल अमोनिया में क्षार धातुओं के समाधान के करीब हैं। लेकिन इसके बिना भी, सामान्य तौर पर, ताज यौगिकों के गुणों की विशेषताएं, उनकी संरचना और संरचना डी.-ए के शास्त्रीय संस्करण से काफी भिन्न होती है। परिसरों सीई के साथ प्रतिक्रियाओं में, अमोनियम और एल्केलामोनियम बेस जैसे आयन, भारी क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातुओं के आयन, जो अन्य "शास्त्रीय" लिगैंड्स द्वारा सॉल्व नहीं होते हैं, "सॉल्वेशन" से गुजरते हैं, हालांकि वे चेलेटिंग लिगैंड्स के साथ काफी मजबूत कॉम्प्लेक्स बना सकते हैं, जैसे डिग्लिमे के रूप में, लेकिन वे एसएच के विषय से संबंधित नहीं हैं। साथ ही, परिणामी यौगिकों की संरचना और ताकत, उदाहरण के लिए, पोटेशियम और अमोनियम आयनों के साथ 18-के -6 के परिसरों,

चावल। 31. क्रिप्टैंड्स (एमिनो एस्टर) में से एक की संरचना का मॉडल

चावल। 32. एक क्रिप्ट की संरचना का मॉडलऔर एक गुहा में एक धातु आयन के साथ

चावल। 33. सबसे सरल कैलीकेरेनेस में से एक की संरचना का मॉडल

चावल। 34. क्रिप्टोस्फेरैंड संरचना मॉडल

चावल। 35. गोलाकार अणु

चावल। 36. कैविटांड संरचना मॉडल

लगभग समान आकार का होना भी लगभग समान है, हालांकि इन प्रतिक्रियाओं की एन्थैल्पी लगभग हमेशा शून्य के करीब होती है, और थर्मोडायनामिक इंजन

प्राथमिकता एन्ट्रापी कारक को बदलना है। नतीजतन, शब्द "सॉल्वेशन" सीमित रूप से मुकुट यौगिकों पर लागू होता है, क्योंकि डी.-ए के रसायन विज्ञान में। परिसरों का थोड़ा अलग अर्थ है।

पहले से ही क्षार और इलेक्ट्राइड के अस्तित्व के तथ्य से यह निम्नानुसार है कि केवल आयनों के संबंध में विशिष्ट मैक्रोसाइक्लिक यौगिक प्राप्त किए जा सकते हैं। दरअसल, मैक्रोसाइक्लिक पेरफ्लुओरोरिल मर्क्यूरेट्स पर आधारित ऐसे यौगिकों को प्राप्त किया गया है और सफलतापूर्वक आयनों के जाल के रूप में उपयोग किया जाता है।

पहले से ही मैक्रोसाइक्लिक अणुओं के साथ तटस्थ अणुओं के यौगिकों को सीएक्स के विषय के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। ऐसे हजारों यौगिक वर्तमान में ज्ञात हैं। कम से कम, उनका गठन प्रक्रियाओं के साथ होता है मान्यता(सरल संरचनाओं के लिए, जैसे सीई या क्रिप्टैंड, यह मुख्य रूप से एक ज्यामितीय है या, जैसा कि वे कहते हैं, "गोलाकार" पत्राचार, अधिक जटिल लोगों के लिए, यह पहले से ही "टेट्राहेड्रल", "रैखिक" या यहां तक ​​​​कि इलेक्ट्रॉनिक मान्यता भी हो सकता है), आत्म संगठन(अतिथि की संरचना के लिए मेजबान की संरचना का समायोजन, अंतरिक्ष और / या समय में क्रम का सहज उद्भव) या यहां तक ​​कि सहज स्व-समूहन- एक उच्च क्रम की प्रक्रिया, जो कई घटकों से मिलकर जटिल सुपरस्ट्रक्चर के गठन की ओर ले जाती है। जैसा कि देखा जा सकता है, ये सभी शब्द जैव रसायन से सीएक्स में आए, जो प्रोटीन के मैट्रिक्स संश्लेषण के दौरान न्यूक्लिक एसिड अणुओं के स्व-संयोजन (प्रतिकृति) के मुद्दों पर भी विचार करता है, मेटलोएंजाइम का निर्माण, आदि। इस अर्थ में, ये सभी जैव रासायनिक वस्तुएं भी सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की वस्तुएं हैं।

मैट्रिक्स संश्लेषण की विधि न केवल प्रकृति द्वारा, बल्कि प्रयोगशालाओं में रसायनज्ञों द्वारा भी सफलतापूर्वक उपयोग की जाती है, हालांकि एक अलग नाम के तहत - टेम्पलेटया टेम्पलेटसंश्लेषण। विशेष रूप से, इसके उपयोग से कैटेनेन्स की तैयारी के लिए एक प्रभावी विधि का विकास हुआ, "रिंग में रिंग" प्रकार के कार्बनिक अणु ("शास्त्रीय" संक्रमण धातु की भागीदारी के साथ phthalocyanines और porphyrin ठिकानों के टेम्पलेट संश्लेषण के वेरिएंट) आयनों, हम समन्वय रसायन विज्ञान पर अनुभाग में विचार करेंगे)। एक आयतन मैट्रिक्स के रूप में कार्सरन जैसे कंटेनर यौगिकों का उपयोग, जो प्रतिक्रिया की मात्रा को सीमित करता है और निर्मित अणुओं को बाहरी प्रभावों से बचाता है, अर्थात। एक नैनोरिएक्टर के रूप में, न केवल उनकी गुहा में मायावी साइक्लोबुटाडीन के संश्लेषण को अंजाम देने की अनुमति दी, जो किसी पदार्थ के रासायनिक बंधन (सुगंधितता और एंटीरोमैटिकिटी की समस्या) के सिद्धांत की पुष्टि करने के लिए महत्वपूर्ण है, बल्कि इसे सामान्य परिस्थितियों में रखने के लिए भी है। कई दसियों मिनट के लिए। मानक कार्बनिक संश्लेषण में, यह पदार्थ सौ वर्षों से अधिक समय तक प्राप्त नहीं किया जा सकता था, और यद्यपि इसे क्रायोकेमिकल संश्लेषण विधि की शर्तों के तहत प्राप्त किया गया था, यहां तक ​​​​कि थोड़ा सा गर्म करने से भी इसकी मृत्यु हो गई।

आइसोटोप का पृथक्करण (हालांकि इस तकनीक का कार्यान्वयन अभी भी एक बड़ा सवाल है और, मेरे दृष्टिकोण से, शायद ही संभव है) और आइसोमर्स, जिसमें स्टीरियो-, फोटोडायग्नोसिस और कैंसर की फोटोथेरेपी, सेल झिल्ली के माध्यम से आयनों का चयनात्मक स्थानांतरण, बंधन और जीव से हानिकारक पदार्थों को हटाना, आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड और ऑप्टोड्स के लिए झिल्ली, और अंत में, आणविक उपकरणों के डिजाइन से जुड़े भौतिक विज्ञान पहलू जैसे कि आणविक स्विच जो प्रतिक्रिया करते हैं, उदाहरण के लिए, माध्यम के पीएच में परिवर्तन के लिए - यह मैक्रोसाइक्लिक यौगिकों के अनुप्रयोगों और संभावित अनुप्रयोगों की पूरी सूची नहीं है।

ऐसे यौगिकों के उपयोग के लिए अधिक शानदार योजनाएं उनके आधार पर एक आणविक कंप्यूटर के निर्माण से जुड़ी हैं। इसके लिए, कई प्रकार के अणुओं को संयोजित करना और एक आणविक पहनावा बनाना आवश्यक है, जिनमें से प्रत्येक तत्व एक माइक्रोप्रोसेसर में निहित कार्य करता है। निस्संदेह, यह सबसे कठिन कार्य है, जिसके लिए न केवल आणविक समुच्चय के स्व-संयोजन के तंत्र का अध्ययन करना और सूचना प्रौद्योगिकियों के अनुकूलन के लिए शर्तों का निर्धारण करना आवश्यक है, बल्कि सिद्धांत रूप में, वास्तव में एक नई विचारधारा और एक नई तकनीक का निर्माण करना है। उपसर्ग नैनो. इस सबसे जटिल समस्या को हल करने के लिए, आणविक स्विच बनाने के लिए दृष्टिकोण पहले ही विकसित किए जा चुके हैं, उदाहरण के लिए, स्पाइरोपाइरन और स्पिरोक्साज़िन अणुओं की फोटोकैमिक रूप से प्रेरित आइसोमेराइज़ेशन प्रतिक्रियाओं के कारण। इन यौगिकों की संरचना और संरचना को बहुत विस्तृत श्रृंखला में बदलने की संभावना सैद्धांतिक रूप से एक या किसी अन्य आणविक उपकरण की आवश्यकताओं के लिए उनके गुणों (क्वांटम पैदावार, फोटोइसोमर जीवनकाल, वर्णक्रमीय विशेषताओं, आदि) को समायोजित करना संभव बनाती है। फोटोक्रोमिक प्रणालियों के अलावा, विशेष चुंबकीय गुणों वाले यौगिकों पर भी विचार किया जाता है, उदाहरण के लिए, कुछ लोहे के परिसर जो कम-स्पिन अवस्था से उच्च-स्पिन अवस्था में संक्रमण करने में सक्षम होते हैं, जो कुछ तापमान हिस्टैरिसीस के साथ होते हैं।

एक संभावित आणविक स्मृति वाहक के रूप में, त्रि-आयामी (3-डी या बहुपरत डिवाइस) सिस्टम पर विचार किया जाता है, जिसमें परतों या तत्वों का निर्माण होता है, उदाहरण के लिए, एक ही आणविक स्विच से, जिनमें से एक रूप प्रतिदीप्ति में सक्षम है, जो जानकारी पढ़ना संभव बनाता है।

वर्तमान में, आणविक स्विच और आणविक स्मृति तत्वों के बीच सबसे आशाजनक कंडक्टर विद्युत प्रवाहकीय बहुलक हैं, जैसे पॉलीएसिटिलीन, पॉलीएनिलिन, कार्बाइन के आणविक परिसरों जैसे कि प्रसिद्ध एलएल "रे (सी) 20 आरएलएल 'या प्रकार की साधारण कार्बाइन श्रृंखलाएं। हाल ही में ग्राफीन परतों के अध्ययन में खोजा गया (चित्र 37)। एकमात्र प्रश्न

चावल। 37. कार्बन परमाणुओं (कार्बाइन) से पॉलीइन श्रृंखला के निर्माण की योजना, जो तब होती है जब एक ग्राफीन शीट टूट जाती है, और उनके बीच की दूरी।

जो इन सभी तत्वों को एक उपकरण या सुपरमॉलेक्यूलर कॉम्प्लेक्स में कैसे इकट्ठा किया जाए, इस समस्या पर चर्चा करते समय उत्पन्न होता है: पूरकता (आणविक मान्यता) के सिद्धांत का उपयोग करते हुए, जो कि सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान में, जाहिरा तौर पर, ऐसा "रहस्यमय" अर्थ नहीं है जैसा कि रसायन विज्ञान में है जीवितों की, चूंकि पहले से ही पर्याप्त हैं, ऐसे कई उदाहरण हैं जहां यह किसी भी तरह से स्पष्ट रूप से दिखाई नहीं दे रहा है, उदाहरण के लिए, तथाकथित में। मिश्रित संरचना, हालांकि इस मामले में संपूरकता परमाणु या समूह स्तर, या किसी अन्य सिद्धांत पर काम कर सकती है, अभी भी खुला है। हालांकि, इस दिशा में कई शोध टीमों द्वारा गहन कार्य किया जा रहा है, क्योंकि इस मुद्दे की लागत बहुत अधिक है। इस संबंध में, बहुत गंभीर प्रगति पहले ही हासिल की जा चुकी है, विशेष रूप से मोनोमोलेक्युलर लैंगमुइर-ब्लोडेट फिल्मों पर आधारित द्वि-आयामी संरचनाओं की असेंबली में, उदाहरण के लिए, 15-20 परमाणु धातु समूहों के माध्यम से, और इसका उपयोग करके एक ट्रांजिस्टर का निर्माण सैंडविच।

आणविक संरचनाओं के आकार सतह के 1 सेमी 2 प्रति लगभग 10 13 तार्किक तत्वों की नियुक्ति की अनुमति देते हैं, जो आधुनिक माइक्रोचिप्स में प्राप्त विधानसभा घनत्व से सैकड़ों हजारों गुना अधिक है। ऐसे उपकरणों में प्रतिक्रिया समय को कम करके फेमटोसेकंड किया जा सकता है, जबकि सबसे तेज़ आधुनिक उपकरण नैनोसेकंड रेंज में काम करते हैं। नतीजतन, हम सूचना प्रसंस्करण के सबसे शक्तिशाली आधुनिक साधनों की तुलना में आणविक कंप्यूटर की दक्षता में 10 11 गुना वृद्धि की उम्मीद कर सकते हैं।

अंत में, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री का विषय अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, इसकी सीमाएँ धुंधली हैं, फैशन इस तथ्य की ओर जाता है कि एक सोनोरस नाम के तहत, जैसे कि एक बैनर के नीचे, वस्तुओं को निचोड़ा जाता है, जो अधिक आरामदायक होगा पारंपरिक और स्थापित विषयों के ढांचे के भीतर हो। लेकिन ऐसी परिस्थितियां हैं जिनके लिए कारणों और प्रभावों के अधिक विस्तृत विश्लेषण की आवश्यकता होती है। ऐसे मामले अक्सर होते हैं, उदाहरण के लिए, आधुनिक प्रकार के आणविक उपकरणों में जो सौर ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में बदलने के लिए फोटोकैटलिटिक सिस्टम को डिजाइन करना संभव बनाते हैं, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 38. इस "निर्माण" में, पोर्फिरीन कॉम्प्लेक्स इलेक्ट्रॉनों का एक दाता है, जो संयुग्मित बंधों की एक प्रणाली के साथ एक संवाहक स्पेसर के माध्यम से, उदाहरण के लिए, एक आयामी कार्बन श्रृंखला (कार्बाइन) से मिलकर, "इलेक्ट्रॉनों के डिपो" में प्रवेश करता है। ”- एक फुलरीन अणु जो 12 इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने में सक्षम है।

चावल। 38. सौर ऊर्जा को परिवर्तित करने के लिए आणविक उपकरण की योजना।

अंजीर पर। चित्र 39 एक फोटोएक्टिव सिस्टम को पहले से विकसित किया जा रहा है, एक दाता-स्वीकर्ता हाइब्रिड, जिसमें इलेक्ट्रॉन-उत्पादक अणु एक एकल-दीवार वाला कार्बन नैनोट्यूब है जो एक क्राउन ईथर के टुकड़े के माध्यम से एक फुलरीन अणु से जुड़ा होता है।

आणविक कंप्यूटर बनाने के प्रयासों का वर्णन करते समय कुछ अलग स्थिति पर विचार किया गया था, जिसके बारे में माना जाता है कि यह फोटोकैमिक रूप से प्रेरित प्रतिक्रियाओं की भागीदारी के साथ भी कार्य करता है। लेकिन एक सामान्य सवाल यह उठता है कि इस कंप्यूटर के सभी घटक या सौर ऊर्जा के कनवर्टर को फोटोक्रेक्ट में वैलेंस या नॉन-वैलेंस इंटरैक्शन से कैसे जोड़ा जाएगा? यदि वे गैर-संयोजक हैं, तो मुद्दे के मार्ग गायब हो जाते हैं, लेकिन यदि वे वैलेंस हैं, तो एक और सवाल उठता है, लेकिन कम से कम तीन घटकों से बना यह जटिल आणविक पहनावा अन्य जटिल बहुपरमाणु कार्बनिक से कैसे भिन्न होता है या

चावल। 39. प्रकृति में भिन्न दो कार्बन अणुओं पर आधारित फोटोएक्टिव सुपरमॉलिक्युलर सिस्टम।

ऑर्गेनोमेटेलिक अणु? केवल एक दिलचस्प कार्यात्मक संपत्ति? लेकिन यह बाद में भी मौजूद हो सकता है। इसलिए मुझे सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री कॉम्प्लेक्स अणुओं के विषय का उल्लेख करना अनुचित लगता है जिसमें फ़ंक्शन-निर्धारण घटक एक दूसरे से सीधे या स्पेसर्स के माध्यम से सहसंयोजक बंधे होते हैं और यह एसोसिएशन केवल इस संपत्ति को बढ़ाता है, यह मुझे अनुचित लगता है (के लिए) उदाहरण, अणु

रसायन विज्ञान, जिस मूल अवधारणा पर हम विचार करेंगे, वह एक विज्ञान है जो पदार्थों और उनके परिवर्तनों का अध्ययन करता है जो संरचना और संरचना में परिवर्तन के साथ होते हैं, और इसलिए गुण। सबसे पहले, यह परिभाषित करना आवश्यक है कि "पदार्थ" के रूप में इस तरह के शब्द का क्या अर्थ है। अगर हम इसके बारे में व्यापक अर्थों में बात करें, तो यह पदार्थ का एक रूप है जिसमें एक विराम द्रव्यमान होता है। एक पदार्थ कोई भी प्राथमिक कण है, उदाहरण के लिए, एक न्यूट्रॉन। रसायन शास्त्र में, इस अवधारणा का प्रयोग संकुचित अर्थ में किया जाता है।

आरंभ करने के लिए, आइए हम संक्षेप में रसायन विज्ञान, परमाणु और आणविक विज्ञान के मूल शब्दों और अवधारणाओं का वर्णन करें। उसके बाद, हम उन्हें समझाएंगे, और इस विज्ञान के कुछ महत्वपूर्ण नियमों को भी बताएंगे।

रसायन विज्ञान (पदार्थ, परमाणु, अणु) की बुनियादी अवधारणाएँ हम में से प्रत्येक को स्कूल से परिचित हैं। नीचे उनका संक्षिप्त विवरण दिया गया है, साथ ही अन्य, इतने स्पष्ट शब्द और घटनाएं नहीं हैं।

परमाणुओं

सबसे पहले, रसायन शास्त्र में अध्ययन किए जाने वाले सभी पदार्थ परमाणु नामक छोटे कणों से बने होते हैं। न्यूट्रॉन इस विज्ञान के अध्ययन का विषय नहीं हैं। यह भी कहा जाना चाहिए कि परमाणु एक दूसरे के साथ जुड़ सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप रासायनिक बंधन बनते हैं। इस बंधन को तोड़ने के लिए, ऊर्जा के व्यय की आवश्यकता होती है। नतीजतन, परमाणु सामान्य परिस्थितियों ("महान गैसों" के अपवाद के साथ) के तहत व्यक्तिगत रूप से मौजूद नहीं हैं। वे कम से कम जोड़े में एक दूसरे से जुड़ते हैं।

निरंतर तापीय गति

निरंतर तापीय गति उन सभी कणों की विशेषता है जिनका अध्ययन रसायन विज्ञान द्वारा किया जाता है। इस विज्ञान की मूल अवधारणाओं को इसके बारे में बात किए बिना नहीं बताया जा सकता है। कणों की निरंतर गति के साथ, यह तापमान के समानुपाती होता है (हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अलग-अलग कणों की ऊर्जा अलग-अलग होती है)। एकिन = केटी / 2, जहां के बोल्ट्जमान स्थिरांक है। यह सूत्र किसी भी प्रकार के आंदोलन के लिए मान्य है। चूंकि एकिन = एमवी 2/2, बड़े कणों की गति धीमी होती है। उदाहरण के लिए, यदि तापमान समान है, तो ऑक्सीजन के अणु कार्बन अणुओं की तुलना में औसतन 4 गुना धीमी गति से चलते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि उनका द्रव्यमान 16 गुना अधिक है। आंदोलन ऑसिलेटरी, ट्रांसलेशनल और रोटेशनल है। कंपन तरल में, और ठोस में, और गैसीय पदार्थों में मनाया जाता है। लेकिन गैसों में अनुवाद और घूर्णी सबसे आसानी से किया जाता है। द्रवों में यह अधिक कठिन होता है, और ठोस में यह और भी कठिन होता है।

अणुओं

हम रसायन विज्ञान की मूल अवधारणाओं और परिभाषाओं का वर्णन करना जारी रखते हैं। यदि परमाणु एक दूसरे के साथ मिलकर छोटे समूह बनाते हैं (उन्हें अणु कहा जाता है), तो ऐसे समूह थर्मल गति में भाग लेते हैं, एक पूरे के रूप में कार्य करते हैं। विशिष्ट अणुओं में 100 तक परमाणु मौजूद होते हैं, और तथाकथित उच्च-आणविक यौगिकों में उनकी संख्या 105 तक पहुंच सकती है।

गैर-आणविक पदार्थ

हालांकि, परमाणु अक्सर 107 से 1027 तक विशाल समूहों में एकजुट होते हैं। इस रूप में, वे व्यावहारिक रूप से थर्मल गति में भाग नहीं लेते हैं। इन संघों का अणुओं से बहुत कम समानता है। वे एक ठोस शरीर के टुकड़ों की तरह अधिक हैं। इन पदार्थों को आमतौर पर गैर-आणविक कहा जाता है। इस मामले में, टुकड़े के अंदर थर्मल गति की जाती है, और यह एक अणु की तरह उड़ता नहीं है। एक संक्रमणकालीन आकार सीमा भी है, जिसमें 105 से 107 की मात्रा में परमाणुओं से युक्त संघ शामिल हैं। ये कण या तो बहुत बड़े अणु होते हैं, या वे पाउडर के छोटे दाने होते हैं।

आयनों

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि परमाणुओं और उनके समूहों में विद्युत आवेश हो सकता है। इस मामले में, उन्हें रसायन विज्ञान जैसे विज्ञान में आयन कहा जाता है, जिनकी मूल अवधारणाएं हम अध्ययन करते हैं। चूँकि एक ही नाम के आवेश हमेशा एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, एक पदार्थ जहाँ कुछ आवेशों की अधिकता होती है, वह स्थिर नहीं हो सकता। अंतरिक्ष में ऋणात्मक और धनात्मक आवेश हमेशा वैकल्पिक होते हैं। और पदार्थ समग्र रूप से विद्युत रूप से तटस्थ रहता है। ध्यान दें कि इलेक्ट्रोस्टैटिक्स में बड़े माने जाने वाले चार्ज रसायन विज्ञान की दृष्टि से नगण्य हैं (105-1015 परमाणुओं के लिए - 1e)।

रसायन विज्ञान में अध्ययन की वस्तुएं

यह स्पष्ट किया जाना चाहिए कि रसायन विज्ञान में अध्ययन की वस्तुएं वे घटनाएं हैं जिनमें परमाणु उत्पन्न नहीं होते हैं और नष्ट नहीं होते हैं, बल्कि केवल पुन: समूह होते हैं, अर्थात वे एक नए तरीके से जुड़ते हैं। कुछ कड़ियाँ टूट जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप दूसरों का निर्माण होता है। दूसरे शब्दों में, नए पदार्थ परमाणुओं से प्रकट होते हैं जो मूल पदार्थों का हिस्सा थे। यदि, हालांकि, दोनों परमाणु और उनके बीच मौजूद बंधन संरक्षित हैं (उदाहरण के लिए, आणविक पदार्थों के वाष्पीकरण के दौरान), तो ये प्रक्रियाएं अब रसायन विज्ञान के अध्ययन के क्षेत्र से संबंधित नहीं हैं, बल्कि आणविक भौतिकी के हैं। मामले में जब परमाणु बनते या नष्ट होते हैं, हम परमाणु या परमाणु भौतिकी के अध्ययन के विषयों के बारे में बात कर रहे हैं। हालांकि, रासायनिक और भौतिक घटनाओं के बीच की सीमा धुंधली है। आखिरकार, अलग-अलग विज्ञानों में विभाजन सशर्त है, जबकि प्रकृति अविभाज्य है। इसलिए रसायनज्ञों के लिए भौतिकी का ज्ञान बहुत उपयोगी है।

हमने संक्षेप में रसायन विज्ञान की बुनियादी अवधारणाओं को रेखांकित किया। अब हम आपको उन पर अधिक विस्तार से विचार करने के लिए आमंत्रित करते हैं।

परमाणुओं के बारे में

परमाणु और अणु वे हैं जिन्हें कई रसायन विज्ञान से जोड़ते हैं। इन बुनियादी अवधारणाओं को स्पष्ट रूप से परिभाषित किया जाना चाहिए। तथ्य यह है कि परमाणु मौजूद हैं दो हजार साल पहले शानदार ढंग से अनुमान लगाया गया था। फिर, पहले से ही 19 वीं शताब्दी में, वैज्ञानिकों के पास प्रायोगिक डेटा (अभी भी अप्रत्यक्ष) था। हम अवोगाद्रो के कई अनुपातों के बारे में बात कर रहे हैं, रचना की स्थिरता के नियम (नीचे हम रसायन विज्ञान की इन बुनियादी अवधारणाओं पर विचार करेंगे)। 20 वीं शताब्दी में परमाणु की खोज जारी रही, जब कई प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक पुष्टि हुई। वे स्पेक्ट्रोस्कोपी डेटा पर आधारित थे, एक्स-रे, अल्फा कणों, न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉनों आदि के बिखरने पर। इन कणों का आकार लगभग 1 ई = 1o -10 मीटर है। उनका द्रव्यमान लगभग 10 -27 - 10 -25 है किलोग्राम। इन कणों के केंद्र में एक धनावेशित नाभिक होता है, जिसके चारों ओर ऋणात्मक आवेश वाले इलेक्ट्रॉन चलते हैं। नाभिक का आकार लगभग 10-15 मीटर है। यह पता चला है कि इलेक्ट्रॉन खोल परमाणु के आकार को निर्धारित करता है, हालांकि, इसका द्रव्यमान लगभग पूरी तरह से नाभिक में केंद्रित होता है। रसायन विज्ञान की बुनियादी अवधारणाओं पर विचार करते हुए एक और परिभाषा पेश की जानी चाहिए। एक प्रकार का परमाणु जिसमें समान परमाणु आवेश होता है।

यह अक्सर रासायनिक रूप से अविभाज्य पदार्थ के सबसे छोटे कण के रूप में पाया जाता है। जैसा कि हमने पहले ही नोट किया है, घटना का भौतिक और रासायनिक में विभाजन सशर्त है। लेकिन परमाणुओं का अस्तित्व बिना शर्त है। इसलिए, उनके माध्यम से रसायन विज्ञान को परिभाषित करना बेहतर है, न कि इसके विपरीत, रसायन विज्ञान के माध्यम से परमाणुओं को।

रासायनिक बंध

यह वही है जो परमाणुओं को एक साथ रखता है। यह उन्हें तापीय गति के प्रभाव में बिखरने नहीं देता है। हम बंधों की मुख्य विशेषताओं पर ध्यान देते हैं - यह अंतर-परमाणु दूरी और ऊर्जा है। ये रसायन विज्ञान की मूल अवधारणाएँ भी हैं। बांड की लंबाई प्रयोगात्मक रूप से पर्याप्त रूप से उच्च सटीकता के साथ निर्धारित की जाती है। ऊर्जा - भी, लेकिन हमेशा नहीं। उदाहरण के लिए, एक जटिल अणु में एकल बंधन के संबंध में यह निर्धारित करना असंभव है कि यह क्या है। हालांकि, सभी मौजूदा बंधनों को तोड़ने के लिए आवश्यक पदार्थ की परमाणु ऊर्जा हमेशा निर्धारित होती है। बंधन की लंबाई जानने के बाद, आप यह निर्धारित कर सकते हैं कि कौन से परमाणु बंधे हैं (उनकी दूरी कम है) और कौन से नहीं हैं (उनकी लंबी दूरी है)।

समन्वय संख्या और समन्वय

विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान की मूल अवधारणाओं में ये दो शब्द शामिल हैं। वे किस लिए खड़े हैं? आइए इसका पता लगाते हैं।

समन्वय संख्या उस विशेष परमाणु के निकटतम पड़ोसियों की संख्या है। दूसरे शब्दों में, यह उन लोगों की संख्या है जिनके साथ वह रासायनिक रूप से जुड़ा हुआ है। समन्वय पड़ोसियों की सापेक्ष स्थिति, प्रकार और संख्या है। दूसरे शब्दों में, यह अवधारणा अधिक सार्थक है। उदाहरण के लिए, अमोनिया और नाइट्रिक एसिड के अणुओं की विशेषता नाइट्रोजन की समन्वय संख्या समान है - 3. हालांकि, उनका समन्वय अलग है - गैर-प्लानर और प्लेनर। यह बंधन की प्रकृति के बारे में विचारों की परवाह किए बिना निर्धारित किया जाता है, जबकि ऑक्सीकरण और वैधता की डिग्री सशर्त अवधारणाएं हैं जो समन्वय और संरचना की अग्रिम भविष्यवाणी करने के लिए बनाई गई हैं।

अणु परिभाषा

हम संक्षेप में रसायन विज्ञान की बुनियादी अवधारणाओं और नियमों पर विचार करते हुए इस अवधारणा को पहले ही छू चुके हैं। आइए अब इस पर अधिक विस्तार से ध्यान दें। पाठ्यपुस्तकें अक्सर एक अणु को किसी पदार्थ के सबसे छोटे तटस्थ कण के रूप में परिभाषित करती हैं जिसमें इसके रासायनिक गुण होते हैं और यह स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में भी सक्षम होता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह परिभाषा अब पुरानी हो चुकी है। पहला, जिसे सभी भौतिक विज्ञानी और रसायनज्ञ एक अणु कहते हैं, वह पदार्थ के गुणों को संरक्षित नहीं करता है। पानी अलग हो जाता है, लेकिन इसके लिए कम से कम 2 अणुओं की आवश्यकता होती है। पानी के पृथक्करण की डिग्री 10 -7 है। दूसरे शब्दों में, 10 मिलियन में से केवल एक अणु इस प्रक्रिया से गुजर सकता है। यदि आपके पास एक अणु है, या सौ भी है, तो आप इसके पृथक्करण का अनुमान नहीं लगा पाएंगे। तथ्य यह है कि रसायन विज्ञान में प्रतिक्रियाओं के ऊष्मीय प्रभावों में आमतौर पर अणुओं के बीच बातचीत की ऊर्जा शामिल होती है। इसलिए, वे उनमें से किसी एक को नहीं मिल सकते हैं। रासायनिक और भौतिक दोनों पदार्थों को अणुओं के एक बड़े संग्रह द्वारा ही परिभाषित किया जा सकता है। इसके अलावा, ऐसे पदार्थ भी हैं जिनमें स्वतंत्र रूप से मौजूद "सबसे छोटा" कण अनिश्चित काल तक बड़ा है और सामान्य अणुओं से बहुत अलग है। अणु वास्तव में परमाणुओं का एक समूह है जो विद्युत आवेशित नहीं होता है। किसी विशेष मामले में, यह एक परमाणु हो सकता है, उदाहरण के लिए, Ne। यह समूह प्रसार में भाग लेने में सक्षम होना चाहिए, साथ ही साथ अन्य प्रकार की तापीय गति में, समग्र रूप से कार्य करना।

जैसा कि आप देख सकते हैं, रसायन विज्ञान की मूल अवधारणाएँ इतनी सरल नहीं हैं। एक अणु एक ऐसी चीज है जिसका सावधानीपूर्वक अध्ययन करने की आवश्यकता है। इसके अपने गुण होने के साथ-साथ आणविक भार भी है। हम अब बाद के बारे में बात करेंगे।

मॉलिक्यूलर मास्स

प्रयोगात्मक रूप से आणविक भार का निर्धारण कैसे करें? एक तरीका सापेक्ष वाष्प घनत्व द्वारा अवोगाद्रो के नियम पर आधारित है। सबसे सटीक तरीका मास स्पेक्ट्रोमेट्रिक है। एक अणु से एक इलेक्ट्रॉन खटखटाया जाता है। परिणामी आयन को पहले विद्युत क्षेत्र में त्वरित किया जाता है, फिर चुंबकीय रूप से विक्षेपित किया जाता है। आवेश से द्रव्यमान का अनुपात विचलन के परिमाण द्वारा सटीक रूप से निर्धारित किया जाता है। समाधान के गुणों के आधार पर विधियां भी हैं। हालांकि, इन सभी मामलों में अणु निश्चित रूप से गति में होना चाहिए - समाधान में, निर्वात में, गैस में। यदि वे गतिमान नहीं हैं, तो उनके द्रव्यमान की वस्तुनिष्ठ गणना करना असंभव है। और इस मामले में उनके अस्तित्व का पता लगाना मुश्किल है।

गैर-आणविक पदार्थों की विशेषताएं

उनके बारे में बोलते हुए, वे ध्यान देते हैं कि वे परमाणुओं से बने होते हैं, अणुओं से नहीं। हालांकि, महान गैसों के लिए भी यही सच है। ये परमाणु स्वतंत्र रूप से चलते हैं, इसलिए, उन्हें एकपरमाणुक अणु के रूप में सोचना बेहतर है। हालाँकि, यह मुख्य बात नहीं है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि गैर-आणविक पदार्थों में बहुत सारे परमाणु होते हैं जो एक साथ जुड़े होते हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सभी पदार्थों का गैर-आणविक और आणविक में विभाजन अपर्याप्त है। कनेक्टिविटी द्वारा विभाजन अधिक सार्थक है। उदाहरण के लिए, ग्रेफाइट और हीरे के गुणों में अंतर पर विचार करें। दोनों कार्बन हैं, लेकिन पूर्व नरम है और बाद वाला कठोर है। वे एक दूसरे से कैसे भिन्न हैं? अंतर ठीक उनकी कनेक्टिविटी में है। यदि हम ग्रेफाइट की संरचना पर विचार करें, तो हम देखेंगे कि मजबूत बंधन केवल दो आयामों में मौजूद हैं। लेकिन तीसरे में, अंतर-परमाणु दूरियां बहुत महत्वपूर्ण हैं, इसलिए कोई मजबूत बंधन नहीं है। ग्रेफाइट इन परतों पर आसानी से फिसलता और विभाजित होता है।

संरचना कनेक्टिविटी

अन्यथा, इसे स्थानिक आयाम कहा जाता है। यह अंतरिक्ष के आयामों की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है, इस तथ्य की विशेषता है कि उनके पास कोर (मजबूत कनेक्शन) की एक सतत (लगभग अनंत) प्रणाली है। इसके द्वारा लिए जा सकने वाले मान 0, 1, 2 और 3 हैं। इसलिए, त्रि-आयामी रूप से जुड़े, स्तरित, श्रृंखला और द्वीप (आणविक) संरचनाओं के बीच अंतर करना आवश्यक है।

रचना की स्थिरता का नियम

हम पहले ही रसायन विज्ञान की बुनियादी अवधारणाओं को सीख चुके हैं। पदार्थ की हमारे द्वारा संक्षिप्त समीक्षा की गई थी। अब बात करते हैं उस पर लागू होने वाले कानून की। आमतौर पर इसे निम्नानुसार तैयार किया जाता है: कोई भी व्यक्तिगत पदार्थ (अर्थात शुद्ध), चाहे वह कैसे भी प्राप्त किया गया हो, उसकी मात्रात्मक और गुणात्मक संरचना समान होती है। लेकिन अवधारणा का क्या अर्थ है?आइए देखते हैं।

दो हजार साल पहले, जब पदार्थों की संरचना का अभी तक प्रत्यक्ष तरीकों से अध्ययन नहीं किया जा सकता था, जब हमें परिचित रसायन विज्ञान की बुनियादी रासायनिक अवधारणाएं और नियम भी मौजूद नहीं थे, यह वर्णनात्मक रूप से निर्धारित किया गया था। उदाहरण के लिए, पानी वह तरल है जो समुद्रों और नदियों का आधार बनता है। इसमें कोई गंध, रंग, स्वाद नहीं है। इसमें ऐसे-ऐसे जमने और पिघलने वाले तापमान होते हैं, यह नीला हो जाता है।समुद्र का खारा पानी इसलिए है क्योंकि यह साफ नहीं है। हालांकि, आसवन द्वारा लवण को अलग किया जा सकता है। लगभग इसी तरह, एक वर्णनात्मक विधि द्वारा, रसायन विज्ञान की बुनियादी रासायनिक अवधारणाओं और नियमों को निर्धारित किया गया था।

उस समय के वैज्ञानिकों के लिए, यह स्पष्ट नहीं था कि तरल, जिसे अलग-अलग तरीकों से अलग किया गया था (हाइड्रोजन को जलाने, विट्रियल को डीहाइड्रेट करने, समुद्र के पानी को डिस्टिल करने से) एक ही संरचना है। विज्ञान में एक महान खोज इस तथ्य का प्रमाण थी। यह स्पष्ट हो गया कि ऑक्सीजन और हाइड्रोजन का अनुपात सुचारू रूप से नहीं बदल सकता है। इसका मतलब है कि तत्व परमाणुओं से बने होते हैं - अविभाज्य भाग। तो पदार्थों के सूत्र प्राप्त हुए, और अणुओं के बारे में वैज्ञानिकों का विचार उचित था।

आजकल, किसी भी पदार्थ को स्पष्ट रूप से या परोक्ष रूप से सूत्र द्वारा परिभाषित किया जाता है, न कि गलनांक, स्वाद या रंग द्वारा। पानी एच 2 ओ है। यदि अन्य अणु मौजूद हैं, तो यह अब शुद्ध नहीं होगा। अतः शुद्ध आण्विक पदार्थ वह है जो केवल एक ही प्रकार के अणुओं से बना हो।

हालांकि, इस मामले में इलेक्ट्रोलाइट्स के बारे में क्या? आखिरकार, उनमें केवल अणु ही नहीं, आयन होते हैं। अधिक कठोर परिभाषा की आवश्यकता है। एक शुद्ध आणविक पदार्थ वह होता है जो एक ही प्रकार के अणुओं से बना होता है, और संभवतः, उनके प्रतिवर्ती तीव्र परिवर्तन (आइसोमेराइजेशन, एसोसिएशन, पृथक्करण) के उत्पाद भी होते हैं। इस संदर्भ में "तेज" शब्द का अर्थ है कि हम इन उत्पादों से छुटकारा नहीं पा सकते हैं, वे तुरंत फिर से प्रकट होते हैं। शब्द "प्रतिवर्ती" इंगित करता है कि परिवर्तन पूरा नहीं हुआ है। अगर लाया जाए तो यह कहना बेहतर है कि यह अस्थिर है। इस मामले में, यह एक शुद्ध पदार्थ नहीं है।

पदार्थ के द्रव्यमान के संरक्षण का नियम

इस नियम को प्राचीन काल से रूपक रूप में जाना जाता रहा है। उन्होंने कहा कि पदार्थ अविनाशी और अविनाशी है। फिर इसका मात्रात्मक सूत्रीकरण आया। इसके अनुसार वजन (और 17वीं शताब्दी के अंत से - द्रव्यमान) किसी पदार्थ की मात्रा का एक माप है।

यह नियम अपने सामान्य रूप में 1748 में लोमोनोसोव द्वारा खोजा गया था। 1789 में, इसे एक फ्रांसीसी वैज्ञानिक ए. लावोज़ियर द्वारा पूरक बनाया गया था। इसका आधुनिक सूत्रीकरण इस तरह लगता है: रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रवेश करने वाले पदार्थों का द्रव्यमान इसके परिणामस्वरूप प्राप्त पदार्थों के द्रव्यमान के बराबर होता है।

अवोगाद्रो का नियम, गैसों के आयतन अनुपात का नियम

इनमें से अंतिम को 1808 में फ्रांसीसी वैज्ञानिक जे एल गे-लुसाक द्वारा तैयार किया गया था। इस नियम को अब गे-लुसाक के नियम के रूप में जाना जाता है। उनके अनुसार, प्रतिक्रिया करने वाली गैसों की मात्रा एक दूसरे से संबंधित होती है, साथ ही परिणामी गैसीय उत्पादों की मात्रा, छोटे पूर्णांक के रूप में।

गे-लुसाक ने जिस पैटर्न की खोज की, वह उस कानून की व्याख्या करता है जिसे 1811 में एक इतालवी वैज्ञानिक एमेडियो अवोगाद्रो द्वारा खोजा गया था। यह बताता है कि समान आयतन वाली गैसों में समान परिस्थितियों (दबाव और तापमान) में अणुओं की संख्या समान होती है।

अवोगाद्रो के नियम से दो महत्वपूर्ण परिणाम मिलते हैं। पहला यह है कि समान परिस्थितियों में, किसी भी गैस का एक मोल बराबर मात्रा में होता है। सामान्य परिस्थितियों में उनमें से किसी की मात्रा (जो 0 डिग्री सेल्सियस का तापमान है, साथ ही 101.325 केपीए का दबाव है) 22.4 लीटर है। इस नियम का दूसरा परिणाम निम्नलिखित है: समान परिस्थितियों में, समान आयतन वाली गैसों के द्रव्यमान का अनुपात उनके दाढ़ द्रव्यमान के अनुपात के बराबर होता है।

एक और कानून है, जिसका निश्चित रूप से उल्लेख किया जाना चाहिए। आइए इसके बारे में संक्षेप में बात करते हैं।

आवर्त नियम और सारणी

डी.आई. मेंडेलीव ने तत्वों के रासायनिक गुणों और परमाणु और आणविक सिद्धांत के आधार पर इस कानून की खोज की। यह घटना 1 मार्च, 1869 को हुई थी। आवधिक कानून प्रकृति में सबसे महत्वपूर्ण में से एक है। इसे निम्नानुसार तैयार किया जा सकता है: तत्वों के गुण और उनके द्वारा गठित जटिल और सरल पदार्थ उनके परमाणुओं के नाभिक के आरोपों पर आवधिक निर्भरता रखते हैं।

मेंडलीफ द्वारा बनाई गई आवर्त सारणी में सात आवर्त और आठ समूह हैं। समूह इसके लंबवत स्तंभ हैं। उनमें से प्रत्येक के तत्वों में समान भौतिक और रासायनिक गुण होते हैं। समूह, बदले में, उपसमूहों (मुख्य और माध्यमिक) में विभाजित है।

इस तालिका की क्षैतिज पंक्तियों को आवर्त कहा जाता है। उनमें जो तत्व हैं वे एक दूसरे से भिन्न हैं, लेकिन उनमें यह भी समानता है - कि उनके अंतिम इलेक्ट्रॉन समान ऊर्जा स्तर पर स्थित हैं। प्रथम आवर्त में केवल दो तत्व हैं। ये हाइड्रोजन एच और हीलियम हे हैं। द्वितीय आवर्त में आठ तत्व होते हैं। उनमें से चौथे में पहले से ही 18 हैं मेंडेलीव ने इस अवधि को पहली बड़ी अवधि के रूप में नामित किया। पांचवें में भी 18 तत्व हैं, इसकी संरचना चौथे के समान है। छठे में 32 तत्व होते हैं। सातवां पूरा नहीं हुआ है। यह अवधि फ्रांसियम (Fr) से शुरू होती है। हम यह मान सकते हैं कि इसमें 32 तत्व होंगे, जैसे कि छठा तत्व। हालांकि अभी तक 24 ही मिले हैं।

रोलबैक नियम

रोलबैक नियम के अनुसार, 8-इलेक्ट्रॉन नोबल गैस कॉन्फ़िगरेशन उनके सबसे करीब होने के लिए सभी तत्व एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त या खो देते हैं। आयनीकरण ऊर्जा एक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा है। किकबैक नियम कहता है कि जैसे ही आप आवर्त सारणी में बाएं से दाएं जाते हैं, एक इलेक्ट्रॉन को किक करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए, बाईं ओर के तत्व एक इलेक्ट्रॉन खो देते हैं। इसके विपरीत, जो दाहिनी ओर स्थित हैं, वे इसे प्राप्त करने के लिए उत्सुक हैं।

हमने संक्षेप में रसायन विज्ञान के नियमों और बुनियादी अवधारणाओं की रूपरेखा तैयार की। बेशक, यह सिर्फ सामान्य जानकारी है। एक लेख के ढांचे के भीतर इतने गंभीर विज्ञान के बारे में विस्तार से बात करना असंभव है। हमारे लेख में संक्षेप में रसायन विज्ञान की बुनियादी अवधारणाएँ और नियम, आगे के अध्ययन के लिए केवल एक प्रारंभिक बिंदु हैं। दरअसल, इस विज्ञान में कई खंड हैं। उदाहरण के लिए, कार्बनिक और अकार्बनिक रसायन है। इस विज्ञान के प्रत्येक खंड की मूल अवधारणाओं का अध्ययन बहुत लंबे समय तक किया जा सकता है। लेकिन ऊपर प्रस्तुत किए गए सामान्य प्रश्न हैं। इसलिए, हम कह सकते हैं कि ये कार्बनिक रसायन विज्ञान के साथ-साथ अकार्बनिक की मूल अवधारणाएँ हैं।

रसायन कार्बनिक। आणविक संरचना
A. कार्बन के रासायनिक बांड
कार्बन की रासायनिक प्रकृति, धातुओं और विशिष्ट गैर-धातुओं के बीच मध्यवर्ती, इसे बड़ी संख्या में तत्वों के साथ सहसंयोजक बंधन बनाने की अनुमति देती है, अक्सर हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, हैलोजन, सल्फर और फास्फोरस के साथ। कार्बन अधिक विद्युत धनात्मक धातुओं के साथ अत्यधिक आयनिक बंधन बनाता है, लेकिन ऐसे पदार्थ अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं और संश्लेषण में मध्यवर्ती के रूप में उपयोग किए जाते हैं। कार्बन-कार्बन बांड सहसंयोजक प्रकृति के होते हैं और सरल (एकल), दोहरे, तिहरे और सुगंधित होते हैं
(अणु संरचना देखें)।
सुगंधित प्रणाली।बेंजीन - सुगंधित यौगिकों के वर्ग के पूर्वज - में एक अद्वितीय स्थिरता होती है और रासायनिक प्रतिक्रियाओं में प्रवेश करती है जो गैर-सुगंधित प्रणालियों की प्रतिक्रियाओं से भिन्न होती हैं। अन्य सुगंधित प्रणालियाँ हैं, जिनमें से सबसे आम में पी-ऑर्बिटल्स हैं जो रिंग के प्रत्येक परमाणु पर पी-बॉन्ड बनाने के लिए उपलब्ध हैं। दो संयुग्मित (अर्थात, एकल के साथ बारी-बारी से) दोहरे बंधन वाले पांच-सदस्यीय रिंग सिस्टम और इलेक्ट्रॉनों की एक अकेली जोड़ी वाले पांचवें परमाणु भी उनके गुणों में सुगंधित होते हैं। नीचे इनमें से कुछ प्रणालियां दी गई हैं:

सुगंधितता की अवधारणा को जर्मन रसायनज्ञ ई। हकल द्वारा सामान्यीकृत किया गया था। हकल के नियम के अनुसार, 4n + 2 p-इलेक्ट्रॉनों के साथ तलीय चक्रीय संयुग्मित प्रणालियाँ सुगंधित और स्थिर होती हैं, जबकि 4n p-इलेक्ट्रॉनों वाली समान प्रणालियाँ एंटीरोमैटिक और अस्थिर होती हैं।
चक्रीय प्रणालियों की स्थिरता।बंध कोण (बांडों के बीच का कोण) अनियंत्रित सी-सी-सी खंड में 109 डिग्री है, और इस मान को बनाए रखने वाले छल्ले उन लोगों की तुलना में अधिक स्थिर होते हैं जहां कोण इस मान से बहुत विचलित होते हैं। बांड कोणों के विरूपण के परिणामस्वरूप चक्रीय प्रणालियों में उत्पन्न होने वाले तनाव को बायर तनाव कहा जाता है - जर्मन रसायनज्ञ ए बेयर के बाद, जिन्होंने पहले संतृप्त छल्ले की स्थिरता के लिए इस तरह की व्याख्या का प्रस्ताव दिया था। इस प्रकार, तीन-सदस्यीय वलयों में, जहां बंध कोण केवल 60° होता है, वलय दृढ़ता से तनावग्रस्त होते हैं और आसानी से टूट जाते हैं; उनकी कुछ अभिक्रियाएँ C=C द्विबंध अभिक्रियाओं से मिलती-जुलती हैं। चार-सदस्यीय वलय भी तनावपूर्ण होते हैं (बंध कोण 90°), लेकिन उतनी दृढ़ता से नहीं। पाँच-सदस्यीय वलय लगभग सपाट हैं और उनके कोण 108° हैं; इसलिए वे अस्थिर और स्थिर हैं। छह-सदस्यीय वलयों जैसे साइक्लोहेक्सेन में, कार्बन परमाणु एक ही तल में नहीं होते हैं; ऐसे चक्रों को मोड़ा जाता है, जिससे रिंग का तनाव कम होता है। पांच- और छह-सदस्यीय छल्ले सबसे आम हैं। बड़े वलय भी सिलवटों को बनाकर कोणीय तनाव को कम करने में सक्षम होते हैं, लेकिन उनमें से कुछ में (सात से बारह-सदस्यीय) हाइड्रोजन परमाणु रिंग के विपरीत किनारों पर इस कदर पहुंच जाते हैं कि उनका प्रतिकर्षण कनेक्शन को कम स्थिर बना देता है (प्रीलॉग स्ट्रेस) , स्विस रसायनज्ञ डब्ल्यू। प्रीलॉग के नाम पर, जिन्होंने इस प्रभाव की खोज की थी)।
निरंकुशता।यदि एक अणु या आयन को कई संरचनाओं के रूप में दर्शाया जा सकता है जो केवल इलेक्ट्रॉनों के वितरण में एक दूसरे से भिन्न होते हैं, तो इन संरचनाओं को गुंजयमान कहा जाता है, और गुंजयमान रूप एक दूसरे के साथ संतुलन में नहीं होते हैं, केवल अणु की वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक संरचना है इन चरम सीमाओं के बीच में कुछ। हालाँकि, ऐसी परिस्थितियाँ होती हैं जिनमें परमाणु एक अणु में सामान्य परिस्थितियों में इतनी तेज़ी से गति करते हैं कि विभिन्न आणविक रूपों के बीच एक संतुलन स्वतः स्थापित हो जाता है। इस घटना को टॉटोमेरिज्म कहा जाता है। एक उदाहरण कीटोन और एनोल (कीटो-एनोल टॉटोमेरिज्म) के बीच संतुलन है:

यहाँ, दो यौगिक केवल हाइड्रोजन धनायन और इलेक्ट्रॉनों के युग्म (p-आबंध में) की व्यवस्था में भिन्न हैं। संतुलन जल्दी स्थापित हो जाता है, लेकिन दृढ़ता से कीटो रूप की ओर स्थानांतरित हो जाता है। इसलिए, -सी = सी-ओएच संरचना वाले अल्कोहल आमतौर पर अस्थिर होते हैं और जल्दी से कीटो रूप में परिवर्तित हो जाते हैं, जब तक कि कुछ संरचनात्मक विशेषताएं नहीं होती हैं जो एनोल फॉर्म को स्थिर करती हैं, उदाहरण के लिए, फिनोल में, जो परिवर्तित होने पर अपने सुगंधित चरित्र को खो देंगे। कीटो फॉर्म:

अणुओं में टॉटोमेरिज्म आम है जिनकी संरचना -सीएच = एक्स या -सी = एक्सएच है, जहां एक्स एस, ओ या एन है। इस प्रकार, एच 2 सी = सी (एनएच 2) -सीएच 3 अणु तेजी से एच 3 सी-सी (= एनएच) में पुनर्व्यवस्थित होता है। )- CH3, और R-C(OH)=NH imides को R-C(=O)NH2 एमाइड में पुनर्व्यवस्थित करता है। बार्बिट्यूरिक एसिड और संबंधित यौगिकों जैसे जैविक रूप से महत्वपूर्ण हेट्रोसायक्लिक सिस्टम में टॉटोमेरिज्म आम है:

टॉटोमेरिक संतुलन में ऐसे पदार्थ अक्सर दोनों रूपों की विशेषता प्रतिक्रियाओं में प्रवेश करते हैं।
अन्य तेज संतुलन।संबंधित संरचनाओं वाले अणुओं के बीच अन्य तेज संतुलन को भी जाना जाता है। यदि OH, SH, या NH2 समूहों में से कोई भी दो एक ही कार्बन परमाणु पर हैं, तो यौगिक आमतौर पर दोगुने बंधित रूप की तुलना में अस्थिर होता है:

ऐसे मामले हैं जहां यह संतुलन डायहाइड्रॉक्सी यौगिक की ओर स्थानांतरित हो जाता है। गैसीय फॉर्मेल्डिहाइड की संरचना CH2=O होती है, लेकिन जलीय घोल में यह एक पानी के अणु को जोड़ता है, जो HO-CH2-OH को प्रमुख रूप में प्राप्त करता है। क्लोरल हाइड्रेट Cl3CCH(OH)2 तीन क्लोरीन परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन-निकासी प्रभाव के परिणामस्वरूप डायहाइड्रॉक्सिल रूप में स्थिर है।
बी आइसोमेरिया
कार्बन श्रृंखला का समरूपता।अणु जो केवल कार्बन श्रृंखला की शाखाओं में भिन्न होते हैं, चेन आइसोमर्स कहलाते हैं। एक उदाहरण पहले ही दिया जा चुका है - यह एन-ब्यूटेन और आइसोब्यूटेन की एक आइसोमेरिक जोड़ी है।
कार्यात्मक समूहों का समरूपता।समान सकल सूत्रों वाले अणु लेकिन विभिन्न कार्यात्मक समूह कार्यात्मक आइसोमर होते हैं, उदाहरण के लिए, एथिल अल्कोहल C2H5OH और डाइमिथाइल ईथर CH3-O-CH3।
स्थिति समरूपता।स्थितीय समावयवों के सकल सूत्र और कार्यात्मक समूह समान होते हैं, लेकिन उनके अणुओं में कार्यात्मक समूहों की स्थिति भिन्न होती है। इस प्रकार, 1-क्लोरोप्रोपेन CH3CH2CH2Cl और 2-क्लोरोप्रोपेन CH3CHClCH3 स्थितीय आइसोमर हैं।
ज्यामितीय समरूपता।ज्यामितीय आइसोमर्स में एक ही क्रम में जुड़े समान परमाणु होते हैं, लेकिन इन परमाणुओं की स्थानिक व्यवस्था में डबल बॉन्ड या रिंग के सापेक्ष अंतर होता है। ओलेफिन के सीआईएस-ट्रांस आइसोमेरिज्म और ऑक्सिम्स के सिन-एंटी-आइसोमेरिज्म इस प्रकार के हैं।

ऑप्टिकल आइसोमेरिज्म।अणुओं को ऑप्टिकल आइसोमर्स कहा जाता है जब वे एक ही तरह से जुड़े हुए समान परमाणुओं से बने होते हैं, लेकिन इन परमाणुओं की स्थानिक व्यवस्था में उसी तरह से भिन्न होते हैं जैसे दायां हाथ बाएं से अलग होता है। ऐसा समावयवता तभी संभव है जब अणु असममित हो, अर्थात्। जब इसमें सममिति का तल नहीं होता है। इस स्थिति में आने का सबसे आसान तरीका चार अलग-अलग समूहों को कार्बन परमाणु से जोड़ना है। तब अणु असममित हो जाता है और दो आइसोमेरिक रूपों में मौजूद होता है। अणु केवल केंद्रीय कार्बन परमाणु से लगाव के क्रम में भिन्न होते हैं, जिसे असममित कार्बन परमाणु या चिरल केंद्र कहा जाता है, क्योंकि यह चार अलग-अलग समूहों से जुड़ा होता है। ध्यान दें कि दो प्रकाशिक समावयव एक दूसरे के दर्पण प्रतिबिम्ब हैं; उन्हें "एनेंटिओमर्स" या "ऑप्टिकल एंटीपोड्स" कहा जाता है और उनके पास समान भौतिक और रासायनिक गुण होते हैं, सिवाय इसके कि वे ध्रुवीकृत प्रकाश के विमान को विपरीत दिशाओं में घुमाते हैं और यौगिकों के साथ अलग तरह से प्रतिक्रिया करते हैं जो स्वयं ऑप्टिकल आइसोमर हैं। एक आइसोमर जो ध्रुवीकृत प्रकाश के तल को दक्षिणावर्त घुमाता है उसे d- ("डेक्सट्रो" से - दाएं) या (+) - आइसोमर कहा जाता है; आइसोमर जो प्रकाश को वामावर्त घुमाता है उसे l- ("बाएं" से - बाएं) या (-) - आइसोमर कहा जाता है। जब एक अणु में एक से अधिक असममित केंद्र मौजूद होते हैं, तो ऑप्टिकल आइसोमर्स की अधिकतम संभव संख्या 2n होती है, जहां n असममित केंद्रों की संख्या होती है। कभी-कभी इनमें से कुछ आइसोमर्स समान होते हैं, और इससे ऑप्टिकल आइसोमर्स की संख्या कम हो जाती है। इस प्रकार, मेसो-आइसोमर ऑप्टिकल आइसोमर होते हैं जो वैकल्पिक रूप से निष्क्रिय होते हैं क्योंकि उनके पास समरूपता का एक विमान होता है। प्रकाशिक समावयवी जो दर्पण प्रतिबिम्ब नहीं हैं, "डायस्टेरेमर्स" कहलाते हैं; वे भौतिक और रासायनिक गुणों में उसी तरह भिन्न होते हैं जैसे कि ज्यामितीय आइसोमर उनमें भिन्न होते हैं। इन अंतरों को निम्नलिखित संरचना वाली सीधी श्रृंखला छह-कार्बन शर्करा के साथ चित्रित किया जा सकता है: CH2OH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-CHO। यहां, चार असममित परमाणु, एक तारक के साथ चिह्नित, प्रत्येक चार अलग-अलग समूहों से जुड़े हुए हैं; इस प्रकार, 24, या 16, समावयवी संभव हैं। ये 16 आइसोमर्स 8 जोड़े एनैन्टीओमर बनाते हैं; कोई भी जोड़ा जो एनैन्टीओमर नहीं है, डायस्टेरोमर हैं। इन 16 शर्कराओं में से छह को तथाकथित रूप से नीचे प्रस्तुत किया गया है। फिशर अनुमान।

एनैन्टीओमर्स के लिए पदनाम डी- और एल- रोटेशन की दिशा (डी या एल के रूप में चिह्नित) का उल्लेख नहीं करते हैं, लेकिन सबसे कम (फिशर प्रोजेक्शन में) असममित कार्बन पर ओएच की स्थिति के लिए: जब ओएच दाईं ओर है, आइसोमर को डी के रूप में निरूपित किया जाता है, जब बाईं ओर, एल। डी - और एल-ग्लूकोज के गलनांक, घुलनशीलता आदि समान होते हैं। दूसरी ओर, ग्लूकोज और गैलेक्टोज, डायस्टेरोमर होने के कारण, अलग-अलग गलनांक, घुलनशीलता आदि होते हैं।

कोलियर इनसाइक्लोपीडिया। - खुला समाज. 2000 .

देखें कि "जैविक रसायन। आणविक संरचना" अन्य शब्दकोशों में क्या है:

कोलियर इनसाइक्लोपीडिया

रसायन विज्ञान की एक शाखा जो कार्बन यौगिकों का अध्ययन करती है, जिसमें शामिल हैं, सबसे पहले, पदार्थ जो अधिकांश जीवित पदार्थ (प्रोटीन, वसा, कार्बोहाइड्रेट, न्यूक्लिक एसिड, विटामिन, टेरपेन्स, एल्कलॉइड, आदि) बनाते हैं; दूसरे, कई पदार्थ, ... ... कोलियर इनसाइक्लोपीडिया

इस शब्द के अन्य अर्थ हैं, रसायन विज्ञान (अर्थ) देखें। रसायन विज्ञान (अरबी کيمياء‎‎ से, जो संभवतः मिस्र के शब्द km.t (काला) से उत्पन्न हुआ है, जहाँ से मिस्र का नाम, काली मिट्टी और सीसा "काली ... ... विकिपीडिया

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स

1965 में, कंप्यूटर युग की शुरुआत में, फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर्स के अनुसंधान निदेशक गॉर्डन मूर ने भविष्यवाणी की थी कि एक चिप पर ट्रांजिस्टर की संख्या हर साल दोगुनी हो जाएगी। 35 साल हो गए हैं और मूर का कानून अभी भी लागू है। सच है, समय के साथ, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादन के अभ्यास ने इसमें थोड़ा संशोधन किया: आज यह माना जाता है कि ट्रांजिस्टर की संख्या का दोगुना हर 18 महीने में होता है। यह विकास मंदी माइक्रोचिप आर्किटेक्चर की जटिलता के कारण है। और फिर भी, सिलिकॉन प्रौद्योगिकी के लिए, मूर की भविष्यवाणी हमेशा के लिए नहीं रह सकती।

लेकिन "मूर के नियम" पर एक और मौलिक सीमा है। चिप पर तत्वों के घनत्व में वृद्धि उनके आकार को कम करके प्राप्त की जाती है। आज भी, प्रोसेसर तत्वों के बीच की दूरी 0.13x10-6 मीटर (तथाकथित 0.13-माइक्रोन तकनीक) हो सकती है। जब ट्रांजिस्टर के आकार और उनके बीच की दूरी कई दसियों नैनोमीटर तक पहुंच जाती है, तो तथाकथित आकार प्रभाव लागू हो जाएंगे - भौतिक घटनाएं जो पारंपरिक सिलिकॉन उपकरणों के संचालन को पूरी तरह से बाधित करती हैं। इसके अलावा, क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर में ढांकता हुआ की मोटाई में कमी के साथ, इससे गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों की संभावना बढ़ जाती है, जो उपकरणों के सामान्य संचालन को भी रोकता है।

प्रदर्शन में सुधार करने का एक अन्य तरीका सिलिकॉन के बजाय अन्य अर्धचालकों का उपयोग करना है, जैसे गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)। इस सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की उच्च गतिशीलता के कारण, परिमाण के क्रम से उपकरणों की गति को बढ़ाना संभव है। हालांकि, गैलियम आर्सेनाइड पर आधारित प्रौद्योगिकियां सिलिकॉन वाले की तुलना में बहुत अधिक जटिल हैं। इसलिए, हालांकि पिछले दो दशकों में GaAs के अध्ययन में काफी धन का निवेश किया गया है, इसके आधार पर एकीकृत सर्किट मुख्य रूप से सैन्य क्षेत्र में उपयोग किए जाते हैं। यहां, उनकी उच्च लागत कम बिजली की खपत, उच्च गति और विकिरण प्रतिरोध से ऑफसेट होती है। हालांकि, GaAs पर आधारित उपकरणों का विकास मौलिक भौतिक सिद्धांतों और निर्माण प्रौद्योगिकी दोनों के कारण सीमाओं के अधीन है।

यही कारण है कि आज विज्ञान और प्रौद्योगिकी के विभिन्न क्षेत्रों के विशेषज्ञ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के आगे विकास के वैकल्पिक तरीकों की तलाश कर रहे हैं। समस्या को हल करने का एक तरीका आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा पेश किया जाता है।

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स - भविष्य की तकनीक।

इलेक्ट्रॉनिक्स के सक्रिय तत्वों के रूप में आणविक सामग्री और व्यक्तिगत अणुओं के उपयोग की संभावना ने लंबे समय से विज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों में शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया है। हालांकि, हाल ही में, जब अर्धचालक प्रौद्योगिकी की संभावित संभावनाओं की सीमाएं व्यावहारिक रूप से स्पष्ट हो गई हैं, इलेक्ट्रॉनिक्स के मूल तत्वों के निर्माण की आणविक विचारधारा में रुचि सक्रिय और लक्षित अनुसंधान की मुख्यधारा में चली गई है, जो आज एक बन गई है इलेक्ट्रॉनिक्स का सबसे महत्वपूर्ण और आशाजनक वैज्ञानिक और तकनीकी क्षेत्र।

इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास के लिए आगे की संभावनाएं क्वांटम घटना का उपयोग करने वाले उपकरणों के निर्माण से जुड़ी हैं, जिसमें खाता पहले से ही इलेक्ट्रॉनों की इकाइयों में जाता है। हाल ही में, कृत्रिम रूप से निर्मित निम्न-आयामी संरचनाओं के सैद्धांतिक और प्रायोगिक अध्ययन व्यापक रूप से किए गए हैं; क्वांटम परतें, तार और बिंदु। यह उम्मीद की जाती है कि इन प्रणालियों में देखी गई विशिष्ट क्वांटम घटनाएं मौलिक रूप से नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण का आधार बन सकती हैं।

क्वांटम स्तर पर संक्रमण निस्संदेह इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास में एक नया, महत्वपूर्ण चरण है, क्योंकि आपको लगभग एकल इलेक्ट्रॉनों के साथ काम करने और स्मृति तत्व बनाने की अनुमति देता है जिसमें एक इलेक्ट्रॉन एक बिट जानकारी के अनुरूप हो सकता है। हालांकि, कृत्रिम क्वांटम संरचनाओं का निर्माण एक बहुत ही कठिन तकनीकी कार्य है। हाल ही में, यह स्पष्ट हो गया है कि ऐसी संरचनाओं का कार्यान्वयन एकल तत्वों को बनाते समय भी बड़ी तकनीकी कठिनाइयों से जुड़ा है, और बहु-मिलियन तत्वों के साथ चिप्स बनाते समय दुर्गम कठिनाइयाँ उत्पन्न होती हैं। कई शोधकर्ताओं के अनुसार, इस स्थिति से बाहर निकलने का रास्ता एक नई तकनीक - आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए संक्रमण है।

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के सक्रिय तत्वों के रूप में व्यक्तिगत अणुओं का उपयोग करने की मौलिक संभावना 1957 में फेनमैन द्वारा व्यक्त की गई थी। बाद में, उन्होंने दिखाया कि क्वांटम यांत्रिक कानून परमाणु आकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में बाधा नहीं हैं, जब तक कि सूचना रिकॉर्डिंग घनत्व 1 बिट/परमाणु से अधिक न हो। हालांकि, कार्टर और अविराम के कार्यों के आगमन के साथ ही, उन्होंने आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के बारे में एक नए अंतःविषय क्षेत्र के रूप में बात करना शुरू कर दिया, जिसमें भौतिकी, रसायन विज्ञान, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक और कंप्यूटर विज्ञान शामिल थे, और जिसका उद्देश्य माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक को एक नए तत्व आधार - आणविक में स्थानांतरित करना था। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों।

यह निश्चित रूप से सटीक समय उपकरणों के विकास के इतिहास के साथ एक सादृश्य का सुझाव देता है, जो ठोस अवस्था प्रतिध्वनि के आधार पर क्वार्ट्ज घड़ियों के माध्यम से विभिन्न प्रकार के पेंडुलम का उपयोग करके यांत्रिक कालक्रम से चले गए हैं, और अंत में, आज सबसे सटीक घड़ियां अमोनिया में इंट्रामोल्युलर प्रभाव का उपयोग करती हैं। अणु, आदि। इलेक्ट्रॉनिक्स एक समान तरीके से विकसित हो रहा है, मैकेनिकल इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रिले और वैक्यूम ट्यूब से सॉलिड-स्टेट ट्रांजिस्टर और माइक्रोक्रिकिट्स तक चले गए हैं, और आज यह उस दहलीज पर आ गया है जिसके आगे आणविक प्रौद्योगिकी का क्षेत्र है।

यह कोई संयोग नहीं है कि मुख्य ध्यान आणविक प्रणालियों पर केंद्रित था। सबसे पहले, एक अणु एक आदर्श क्वांटम संरचना है जिसमें व्यक्तिगत परमाणु होते हैं, इलेक्ट्रॉनों की गति जिसके साथ क्वांटम रासायनिक कानूनों द्वारा निर्धारित किया जाता है और लघुकरण की प्राकृतिक सीमा होती है। एक और, आणविक प्रौद्योगिकी की कोई कम महत्वपूर्ण विशेषता यह नहीं है कि इस तरह की क्वांटम संरचनाओं का निर्माण इस तथ्य से बहुत सुविधाजनक है कि उनका निर्माण स्व-संयोजन के सिद्धांत पर आधारित है। कुछ शर्तों के तहत परमाणुओं और अणुओं की पूर्व निर्धारित आणविक संरचनाओं में स्वचालित रूप से संयोजित होने की क्षमता सूक्ष्म क्वांटम संरचनाओं को व्यवस्थित करने का एक साधन है; अणुओं के साथ संचालन उनके निर्माण के तरीके को पूर्व निर्धारित करता है। यह एक आणविक प्रणाली का संश्लेषण है जो संबंधित उपकरणों के स्व-संयोजन का पहला कार्य है। यह इकट्ठे पहनावा की पहचान प्राप्त करता है और, तदनुसार, तत्वों के आयामों की पहचान और, इस प्रकार, क्वांटम प्रक्रियाओं के पाठ्यक्रम की विश्वसनीयता और दक्षता और आणविक उपकरणों के कामकाज।

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में आणविक दृष्टिकोण के विकास की शुरुआत से ही, आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के कामकाज के भौतिक सिद्धांतों का सवाल खुला रहा। इसलिए, मुख्य प्रयास उनकी खोज पर केंद्रित थे, जिसमें मुख्य ध्यान एकल अणुओं या आणविक पहनावा पर दिया गया था। इस दिशा में बड़ी संख्या में कार्यों के बावजूद, आणविक उपकरणों का व्यावहारिक कार्यान्वयन पूर्ण नहीं है। इसका एक कारण यह है कि, विशेष रूप से आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण की प्रारंभिक अवधि में, व्यक्तिगत अणुओं के काम पर, ट्रिगर गुणों की नकल करने वाले बस्टेबल अणुओं की खोज और निर्माण पर जोर दिया गया था। बेशक, लघुकरण के मामले में यह दृष्टिकोण बहुत आकर्षक है, लेकिन यह बहुत कम मौका छोड़ता है कि निकट भविष्य में आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए जा सकते हैं।

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में एक नए दृष्टिकोण के विकास के लिए तीन मुख्य क्षेत्रों में कई समस्याओं के समाधान की आवश्यकता है: इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के कामकाज के लिए भौतिक सिद्धांतों का विकास; सूचनाओं को संग्रहीत करने, संचारित करने और बदलने में सक्षम नए अणुओं का संश्लेषण; अणुओं को एक सुपरमॉलेक्यूलर पहनावा या एक आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में व्यवस्थित करने के तरीकों का विकास।

वर्तमान में, आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास की अवधारणाओं और कामकाज के भौतिक सिद्धांतों की गहन खोज चल रही है, और बुनियादी तत्वों के निर्माण की नींव विकसित की जा रही है। आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स विज्ञान का एक नया अंतःविषय क्षेत्र बन रहा है जो ठोस अवस्था भौतिकी, आणविक भौतिकी, कार्बनिक और अकार्बनिक रसायन विज्ञान को जोड़ता है और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को एक नए तत्व आधार पर स्थानांतरित करना है। निर्धारित कार्यों को हल करने और ज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों में काम करने वाले शोधकर्ताओं के प्रयासों पर ध्यान केंद्रित करने के लिए, आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के केंद्र, सभी औद्योगिक देशों में संयुक्त प्रयोगशालाएं बनाई जा रही हैं, अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन और सेमिनार आयोजित किए जाते हैं।

अब, और जाहिरा तौर पर, और निकट भविष्य में, एकल अणुओं के कामकाज के आधार पर चलने वाले आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के बारे में बात करना मुश्किल है, लेकिन हम वास्तव में आणविक प्रणालियों के उपयोग के बारे में बात कर सकते हैं जिसमें इंट्रामोल्युलर प्रभाव होता है मैक्रोस्कोपिक अभिव्यक्ति। ऐसी सामग्रियों को "बुद्धिमान सामग्री" कहा जा सकता है। "बुद्धिमान सामग्री" बनाने का चरण, अर्थात्। कार्यात्मक आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स का चरण, इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास में एक प्राकृतिक और आवश्यक अवधि, अर्धचालक से आणविक प्रौद्योगिकी के संक्रमण में एक निश्चित चरण है। लेकिन यह संभव है कि यह अवधि हमारे विचार से अधिक लंबी होगी। यह अधिक यथार्थवादी लगता है, विशेष रूप से आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास के पहले चरणों में, आणविक प्रणालियों के मैक्रोस्कोपिक गुणों का उपयोग करने के लिए, जो व्यक्तिगत आणविक पहनावा के स्तर पर होने वाले संरचनात्मक पुनर्गठन द्वारा निर्धारित किया जाएगा। ऐसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के कामकाज के भौतिक सिद्धांत को कम से कम बड़े आणविक संरचनाओं के आकार तक, आयामी प्रतिबंधों को हटा देना चाहिए। इलेक्ट्रॉनिक्स के दृष्टिकोण से और आणविक उपकरणों को उनके अर्धचालक समकक्षों के साथ डॉकिंग करने की संभावित संभावना से, आणविक प्रणालियों से निपटना बेहतर होगा जो बाहरी प्रभावों के तहत अपनी इलेक्ट्रॉनिक चालकता को बदलते हैं, मुख्य रूप से एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में।

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के विचारों को एक अर्धचालक ट्रांजिस्टर के एक आणविक एक के साथ एक साधारण प्रतिस्थापन के लिए कम नहीं किया जाता है, हालांकि यह विशेष समस्या भी हल हो जाएगी। हालांकि, मुख्य लक्ष्य जटिल आणविक प्रणालियों का निर्माण करना है जो एक साथ कई अलग-अलग प्रभावों को लागू करते हैं जो एक जटिल कार्य करते हैं। यह स्वाभाविक है, सबसे पहले, इस प्रकार के कार्यों के बीच किसी भी सूचना-कंप्यूटिंग डिवाइस के सबसे महत्वपूर्ण हिस्से के रूप में एक सार्वभौमिक स्मृति तत्व बनाने के कार्य को शामिल करना। यह बहुत स्पष्ट प्रतीत होता है कि आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स की क्षमता अधिक हद तक प्रकट होगी जब तंत्रिका नेटवर्क बनाते हैं जिसमें न्यूरॉन्स और इलेक्ट्रोएक्टिव सिनेप्स शामिल होते हैं जो उन्हें जोड़ते हैं। कृत्रिम न्यूरॉन्स के आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के माध्यम से निर्माण, एक ही नेटवर्क में शामिल विभिन्न प्रकार के सेंसर, न्यूरोकंप्यूटर विचारधारा में निहित सभी क्षमताओं की प्राप्ति का मार्ग खोलेंगे, एक मौलिक रूप से नए प्रकार की जानकारी के निर्माण की अनुमति देंगे और कंप्यूटिंग सिस्टम और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस बनाने की समस्या को हल करने के करीब आते हैं।

बैक्टीरियरहोडॉप्सिन: संरचना और कार्य।

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स को आणविक और मैक्रोमोलेक्यूलर स्तरों पर सूचना के एन्कोडिंग (रिकॉर्डिंग), प्रसंस्करण और मान्यता (पढ़ने) के रूप में परिभाषित किया गया है। आणविक सन्निकटन का मुख्य लाभ "नीचे से ऊपर" के आणविक डिजाइन और उपकरणों के उत्पादन की संभावना में निहित है, अर्थात। परमाणु द्वारा परमाणु या खंड द्वारा खंड, उपकरणों के पैरामीटर कार्बनिक संश्लेषण और आनुवंशिक इंजीनियरिंग विधियों द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के दो अच्छी तरह से पहचाने जाने वाले फायदे डिवाइस के आकार और गेट के प्रसार में देरी में महत्वपूर्ण कमी हैं।

बायोइलेक्ट्रॉनिक्स, जो आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स की एक शाखा है, कंप्यूटर और ऑप्टिकल सिस्टम में प्रकाश या विद्युत आवेगों द्वारा नियंत्रित मॉड्यूल के रूप में बायोपॉलिमर का उपयोग करने की संभावना की पड़ताल करता है। बायोपॉलिमर्स के एक बड़े परिवार के बीच संभावित उम्मीदवारों के लिए मुख्य आवश्यकता यह है कि उन्हें कुछ शारीरिक प्रभाव के जवाब में अपनी संरचना को उलट देना चाहिए और कम से कम दो अलग-अलग राज्यों को उत्पन्न करना चाहिए जो आसानी से मापने योग्य भौतिक विशेषताओं (उदाहरण के लिए, वर्णक्रमीय पैरामीटर) में भिन्न हों।

इस संबंध में, प्रोटीन काफी रुचि रखते हैं, जिसका मुख्य कार्य विभिन्न प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों में प्रकाश ऊर्जा के रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तन से जुड़ा है। उनमें से सबसे संभावित उम्मीदवार एक प्रकाश-निर्भर प्रोटॉन पंप है - एक हेलोफिलिक सूक्ष्मजीव से बैक्टीरियरहोडॉप्सिन (बीआर) हेलोबैक्टीरियम सेलिनेरम(पहले हेलोबैक्टीरियम हेलोबियम), 1971 में खोजा गया।

बैक्टीरियरहोडॉप्सिन, एक रेटिना युक्त प्रोटॉन ट्रांसपोर्ट जनरेटर, 26 kDa के आणविक भार के साथ 248 अमीनो एसिड का एक ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटीन है, जो सात के रूप में झिल्ली को भेदता है। एक- सर्पिल; एन- और पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के सी-टर्मिनल साइटोप्लाज्मिक झिल्ली के विपरीत किनारों पर स्थित होते हैं: एन-टर्मिनस बाहर की ओर होता है, और सी- अंत - सेल के अंदर (चित्र। 1, 2)।

चित्र एक।माध्यमिक संरचना के तत्वों में बीआर मॉडल। अमीनो एसिड को अलग कर दिया गया है
प्रोटॉन परिवहन में शामिल: मंडलियों में एसपारटिक एसिड अवशेष,
स्क्वायर आर्गिनिन अवशेष। Lys-216 (K-216) के साथ एक शिफ बेस (SB) बनता है।
तीर प्रोटॉन परिवहन की दिशा दिखाता है।

क्रोमोफोर बीआर - प्रोटोनेटेड रेटिनल एल्डीमाइन के साथ एक-अवशेषों का अमीनो समूह लिस-216अणु के हाइड्रोफोबिक भाग में स्थित है। प्रकाश चक्र के दौरान एक प्रकाश क्वांटम के अवशोषण के बाद, रेटिना isomerizes से सब-इमें 13जेड-प्रपत्र। क्रोमोफोर के प्रोटीन माइक्रोएन्वायरमेंट को सब्सट्रेट विशिष्टता के साथ एक रिसेप्टर के रूप में माना जा सकता है सब-ई/13Z-रेटिनल, जो कमरे के तापमान पर इस आइसोमेराइजेशन को उत्प्रेरित करता है। इसके अलावा, कुछ अमीनो एसिड is के अलावा अन्य आइसोमेरिज़ेशन के दमन के लिए जिम्मेदार हैं सब-ई/13Z, उदाहरण के लिए . से सब-ई- से 7Z-, 9Z-, 11Z- रेटिना। शेष पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला एक प्रोटॉन परिवहन चैनल प्रदान करती है या पर्यावरणीय प्रभावों से फोटोक्रोमिक आंतरिक समूह को ढाल देती है।

क्रोमोफोर अणु द्वारा प्रकाश क्वांटम के अवशोषण के बाद बीआर पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला द्वारा गठित माध्यमिक संरचना तत्वों की पारस्परिक स्थलाकृति, जिसके परिणामस्वरूप साइटोप्लाज्म से बाहरी वातावरण में प्रोटॉन के ट्रांसमेम्ब्रेन स्थानांतरण के लिए एक चैनल का निर्माण होता है। हालांकि, प्रकाश-निर्भर परिवहन का आणविक तंत्र अभी भी अज्ञात है।

रेखा चित्र नम्बर 2।बीआर सेवन की त्रि-आयामी (स्थानिक) संरचना का योजनाबद्ध मॉडलएक-हेलिस एक क्रोमोफोर गुहा और एक ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटॉन ट्रांसफर चैनल बनाते हैं।

बीआर कोशिका झिल्ली में निहित है एच. सालिनारम- हेलोफिलिक आर्कबैक्टीरिया जो नमक दलदल और झीलों में रहता है और प्रजनन करता है, जहां NaCl की सांद्रता 4 M से अधिक हो सकती है, जो समुद्र के पानी की तुलना में 6 गुना अधिक है ( ~ 0,6 एम)। यह अद्वितीय प्रोटीन कई मायनों में दृश्य प्रोटीन रोडोप्सिन के समान है, हालांकि उनके शारीरिक कार्य भिन्न हैं। जबकि दृश्य रोडोप्सिन प्राथमिक फोटोरिसेप्टर के रूप में कार्य करता है जो अधिकांश कशेरुकियों को अंधेरे दृष्टि प्रदान करता है, बीआर की शारीरिक भूमिका हेलोबैक्टीरिया को वैकल्पिक अवायवीय के रूप में कार्य करने में सक्षम बनाती है जब वातावरण में ऑक्सीजन का आंशिक दबाव कम होता है। प्रोटीन एक प्रकाश-निर्भर प्रोटॉन पंप के रूप में कार्य करता है, जो कोशिका झिल्ली की सतह पर प्रोटॉन के इलेक्ट्रोकेमिकल ढाल के गठन को सुनिश्चित करता है, जो बदले में ऊर्जा को स्टोर करने का कार्य करता है। ग्रेडिएंट द्वारा किया गया प्राथमिक कार्य अवायवीय (प्रकाश संश्लेषक) फॉस्फोराइलेशन के माध्यम से एटीपी का संश्लेषण है और इस मामले में, मिशेल की ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण की केमियोस्मोटिक परिकल्पना का एक उत्कृष्ट उदाहरण है। जब प्रकाश नहीं होता है और ऑक्सीजन का आंशिक दबाव अधिक होता है, तो बैक्टीरिया एरोबिक ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण में वापस आ जाते हैं।
प्रकोष्ठों एच. सालिनारमदो तथाकथित संवेदी रोडोप्सिन भी होते हैं ( एसआर I और एसआर II), जो सकारात्मक और नकारात्मक फोटोटैक्सिस प्रदान करते हैं। विभिन्न तरंग दैर्ध्य पढ़े जाते हैं एसआर I और एसआर IIडिटेक्टर अणुओं के रूप में, जो संकेतों के एक कैस्केड का कारण बनता है जो जीवाणु के फ्लैगेलर मोटर को नियंत्रित करता है। प्रकाश बोध की इस प्राथमिक प्रक्रिया की मदद से सूक्ष्मजीव स्वतंत्र रूप से एक उपयुक्त वर्णक्रमीय संरचना के प्रकाश में चले जाते हैं। इसके अलावा, कोशिकाओं में हेलोरोडॉप्सिन (जीएच) होता है, जो एक प्रकाश-निर्भर आयन पंप है क्लोरीन-। इसका मुख्य कार्य क्लोराइड आयनों को सेल में ले जाना है, जो बैक्टीरिया द्वारा लगातार खो जाते हैं, बीआर द्वारा बनाए गए विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत अंदर से बाहर की दिशा में आगे बढ़ते हैं। जीआर की कार्रवाई का तंत्र स्पष्ट नहीं है। यह मान लिया है कि क्लोरीन- प्रोटोनेटेड शिफ बेस के धनात्मक आवेशित चतुर्धातुक नाइट्रोजन से बांधता है, और रेटिना के आइसोमेराइजेशन से सब- ई इन 13जेड-फॉर्म इस नाइट्रोजन से जुड़े आयन के साथ गति के कारण होता है क्लोरीन- इनपुट से आउटपुट तक क्लोरीन- - पथ संचालन।

चित्र 3.बैंगनी झिल्ली का एक भाग (शीर्ष दृश्य)।

बीआर कोशिका झिल्ली के क्षेत्रों में स्थानीयकृत है एच. सालिनारमबैंगनी झिल्ली (पीएम) के रूप में, एक हेक्सागोनल जाली के साथ द्वि-आयामी क्रिस्टल बनाते हैं। इन क्षेत्रों में प्रोटीन ही होता है, कुछ लिपिड, कैरोटेनॉयड्स और पानी (चित्र 3)। वे आम तौर पर लगभग के औसत व्यास के साथ अंडाकार या गोल आकार के होते हैं 0,5 माइक्रोन और लगभग होते हैं 25 % लिपिड और 75 % गिलहरी। पीएम सूरज की रोशनी, ऑक्सीजन, तापमान से ज्यादा प्रतिरोधी हैं 80ºसी(पानी में) to 140ºसी(सूखा), पीएचसे 0 इससे पहले 12 , उच्च आयनिक शक्ति (3 एम NaCl), अधिकांश प्रोटीज़ की क्रिया, पानी के साथ ध्रुवीय कार्बनिक सॉल्वैंट्स के मिश्रण के प्रति संवेदनशील होती है, लेकिन हेक्सेन जैसे गैर-ध्रुवीय सॉल्वैंट्स के लिए प्रतिरोधी होती है। फोटोकैमिकल गुणों के नुकसान के बिना बहुलक मैट्रिक्स में पीएम को एम्बेड करने की मौजूदा संभावना बहुत व्यावहारिक महत्व की है।

प्रकाश-प्रेरित प्रोटॉन परिवहन बीआर में कई चक्रीय वर्णक्रमीय परिवर्तनों के साथ होता है, जिसकी समग्रता को फोटोसायकल (चित्र 4) कहा जाता है। तीस साल के शोध ने फोटोसायकल की काफी विस्तृत समझ हासिल की है, लेकिन प्रोटॉन परिवहन के विवरण का अभी भी अध्ययन किया जा रहा है।

बीआर के फोटोकैमिकल चक्र में अलग-अलग मध्यवर्ती होते हैं, जिन्हें अवशोषण मैक्सिमा और गठन और क्षय के कैनेटीक्स दोनों द्वारा पहचाना जा सकता है। चित्रा 4 बीआर फोटोसायकल का एक सरलीकृत मॉडल दिखाता है।

चित्र 4.फोटोसाइकिल बीआर.

फोटोकैमिकल और थर्मल चरणों को क्रमशः मोटे और पतले तीरों के रूप में दिखाया गया है। लंबवत प्रतीक इंगित करते हैं सब-ई-रेटिनल की संरचना (मध्यवर्ती) बीतथा हे), तिरछा प्रतीक - 13Z-रूपांतरण के लिए। अँधेरे में BR 1:1 के मिश्रण में बदल जाता है डीतथा बी, इस मिश्रण को डार्क-अनुकूलित बीआर कहा जाता है। जब बीआर प्रकाशित होता है, तो प्रकाश अनुकूलन होता है, अर्थात। जमीनी अवस्था में संक्रमण बी. वहां से, फोटोसायकल शुरू होता है, जो झिल्ली के पार एक प्रोटॉन के परिवहन की ओर जाता है। संक्रमण के दौरान लीप्रति एमलगभग 40 μs तक चलने से, शिफ आधार अवक्षेपित हो जाता है और Asp85 प्रोटोनेटेड हो जाता है। वहां से, प्रोटॉन प्रोटॉन चैनल के बाह्य भाग के बाहर चला जाता है। संक्रमण के दौरान एमप्रति एनएल्डीमाइन पुन: प्रोटोनेटेड होता है। Asp96 अवशेष एक प्रोटॉन दाता के रूप में कार्य करता है। Asp96 को साइटोप्लाज्मिक प्रोटॉन हेमीचैनल के माध्यम से पुन: पेश किया जाता है। जबकि मध्यवर्ती के बीच सभी परिवर्तन प्रतिवर्ती हैं, से संक्रमण एमआईप्रति एमआईआईमाना जाता है कि प्रकाश चक्र में प्रमुख अपरिवर्तनीय कदम है। इस संक्रमण के दौरान, शिफ बेस का नाइट्रोजन प्रोटॉन चैनल के बाह्य भाग के लिए दुर्गम हो जाता है, लेकिन केवल साइटोप्लाज्मिक हाफ-चैनल के लिए, जो प्रोटीन अणु में परिवर्तन से जुड़ा होता है।

मध्यवर्ती के भौतिक-रासायनिक गुणों को उनके अवशोषण मैक्सिमा की तरंग दैर्ध्य और विशिष्ट दाढ़ विलुप्त होने के गुणांक के मूल्य की विशेषता है। एसबी का प्रोटोनेशन और रेटिनिलिडीन अवशेषों का विन्यास अवशोषण मैक्सिमा के परिमाण को प्रभावित करता है। बीआर फोटोसायकल के दौरान, प्रोटीन में कई तापमान-निर्भर गठनात्मक परिवर्तन होते हैं, इसलिए अधिकांश मध्यवर्ती के गठन को ठंडा करके दबाया जा सकता है।

मुख्य प्रकाश चक्र के अलावा, दो अवस्थाएँ हैं जिन्हें कृत्रिम रूप से प्रेरित किया जा सकता है। इंटरमीडिएट में पीतथा क्यूरेटिना संरचना 9Z. यह फोटोकैमिकल उत्तेजना के बाद हासिल किया जाता है सब-इ-रेटिनल जब Asp85 एक ही समय में प्रोटॉन होता है। यह जंगली प्रकार के बीआर में कम मूल्य के साथ प्राप्त किया जा सकता है पीएचया विआयनीकरण (तथाकथित नीली झिल्लियों का निर्माण), हालांकि, ऐसी तैयारी अस्थिर होती है। एक वैकल्पिक दृष्टिकोण प्रतिस्थापित करना है एएसपी85एक अलग अर्थ के साथ एक एमिनो एसिड पीकेए, जो ब्याज के मूल्यों पर प्रभारित नहीं रहता है पीएचया साइट-निर्देशित उत्परिवर्तजन विधियों द्वारा कार्बोक्सिल समूह का पूर्ण निष्कासन। ऐसी उत्परिवर्ती नीली झिल्लियों की स्थिरता अधिक होती है।

बैक्टीरियरहोडॉप्सिन के अद्वितीय गुण तकनीकी अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान करते हैं जिसमें इसका उपयोग किया जा सकता है, हालांकि, वर्तमान में केवल ऑप्टिकल वाले ही व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य हैं, क्योंकि आधुनिक तकनीकी प्रणालियों में उनका एकीकरण सबसे सरल है।

ऑप्टिकल अनुप्रयोग बीआर फिल्मों के उपयोग पर आधारित होते हैं - प्रोटीन अणुओं के साथ विभिन्न रचनाओं के बहुलक मैट्रिक्स उनमें शामिल होते हैं। दुनिया में पहली बार, जंगली प्रकार के बीआर पर आधारित ऐसी फिल्में हमारे देश में "रोडोप्सिन" परियोजना के ढांचे के भीतर प्राप्त और अध्ययन की गईं; 1980 के दशक में, फोटोक्रोमिक सामग्री और होलोग्राफिक रिकॉर्डिंग के लिए एक माध्यम के रूप में "बायोक्रोम" नामक ऐसी सामग्रियों का उपयोग करने की प्रभावशीलता और संभावनाओं का प्रदर्शन किया गया था।

बीआर फिल्मों के फोटोकैमिकल गुणों में बदलाव की संभावना बहुत रुचिकर है:
ए) प्राकृतिक क्रोमोफोर को संशोधित एक के साथ बदलना;
बी) रासायनिक (भौतिक-रासायनिक) प्रभाव;
ग) आनुवंशिक इंजीनियरिंग विधियों द्वारा कुछ अमीनो एसिड अवशेषों के बिंदु प्रतिस्थापन।

ऐसी संशोधित सामग्रियों में मूल्यवान विशिष्ट गुण हो सकते हैं, जो बायोकंप्यूटर के तत्व आधार के रूप में उनके उपयोग को पूर्व निर्धारित करेंगे।

सोच अणु

हाल के वर्षों में, कई देशों के वैज्ञानिक "रासायनिक" कंप्यूटर के पुराने और सरल विचार पर लौट आए हैं जिसमें व्यक्तिगत अणुओं द्वारा गणना की जाती है। पिछले एक साल में, कई प्रयोगशालाओं के शोधकर्ता एक साथ इस क्षेत्र में शानदार परिणाम प्राप्त करने में सक्षम हुए हैं जो स्थिति को मौलिक रूप से बदलने का वादा करते हैं।

वैज्ञानिकों ने स्यूडोरोटॉक्सन अणुओं के साथ काम करने में बड़ी सफलता हासिल की है (उन्हें चित्र 1 में दिखाया गया है)।

वे एक ऐसे अणु को फिट करने में कामयाब रहे, जिसमें एक अक्ष पर एक अंगूठी का आकार होता है - एक रैखिक अणु। अंगूठी को अक्ष से कूदने से रोकने के लिए, बड़े आणविक टुकड़े इसके सिरों से जुड़े होते हैं, जो "नट्स" की भूमिका निभाते हैं (इस क्षमता में विभिन्न दाता समूहों का उपयोग किया गया था)। एक एसिड (एच +) या बेस (बी) के साथ प्रतिक्रिया करते समय, अंगूठी धुरी के एक छोर से दूसरे छोर पर जा सकती है, रासायनिक अवस्था को "स्विचिंग" कर सकती है। यह मज़ेदार है कि, सिद्धांत रूप में, एक यांत्रिक उपकरण को आणविक स्तर पर फिर से बनाया गया है, जो 17 वीं शताब्दी के पहले, सबसे आदिम, कंप्यूटिंग उपकरणों में छड़ और पहियों के कनेक्शन के समान है (हालाँकि, यदि आप चाहें, तो आप यह भी देख सकते हैं) इस आणविक संरचना में सबसे सरल लिपिक अबेकस, प्रत्येक टहनी पर एक पोर के साथ)।

इस सुरुचिपूर्ण रासायनिक स्विच अणु का अध्ययन 90 के दशक की शुरुआत में किया गया था, हालांकि, इस विचार के व्यावहारिक कार्यान्वयन के लिए, इन मिनीमाइक्रोडायोड्स के सरणियों के संयोजन और नियंत्रण के तरीकों के साथ आना अभी भी आवश्यक था। धातु की सतह पर इस प्रकार के समान उन्मुख अणुओं का एक मोनोलेयर बनाने के बाद (नवीनतम नैनोटेक्नोलॉजिकल सेल्फ-असेंबली विधियों का उपयोग करके यह बहुत कठिन कार्य हल किया गया था), वैज्ञानिकों ने उस पर सोने की सबसे पतली परत जमा की और पहले से ही आदिम प्रोटोटाइप बनाए हैं इस आधार पर तर्क द्वार।

कुछ महीने बाद, मार्क रीड और जेम्स टूर (येल और चावल विश्वविद्यालयों से) के एक संयुक्त समूह ने जनता के लिए स्विच अणुओं के एक और वर्ग का प्रदर्शन किया। परिणाम इतने प्रभावशाली थे कि पत्रिका "साइंटिफिक अमेरिकन" (जून 2000) ने "द बर्थ ऑफ मॉलिक्यूलर इलेक्ट्रॉनिक्स" (मैं जोड़ना चाहूंगा - अंत में!) जैसा कि लेखकों में से एक ने संयमित गर्व के साथ लिखा है: "हमने एक चर विद्युत चालकता के साथ एक अणु बनाया है, जो हमारे आदेश पर इलेक्ट्रॉनों को जमा कर सकता है, अर्थात भंडारण उपकरण के रूप में काम कर सकता है।"

सबसे पहले, जेम्स टूर ने एक विशेष तकनीक का उपयोग करते हुए, एक लंबाई के साथ बेंजीन-1,4-डाइथियोलेट इकाइयों की एक आणविक श्रृंखला को संश्लेषित किया। 14 नैनोमीटर। इसमें समूहों को पेश किया गया था जो अणुओं को "तनाव में" होने पर इलेक्ट्रॉनों को पकड़ते हैं। सबसे कठिन समस्या, जिसे दूर भी किया गया था, वह यह थी कि स्विच एक प्रतिवर्ती रासायनिक प्रक्रिया होनी चाहिए। एक अणु को स्मृति तत्व के रूप में काम करने के लिए, न केवल इलेक्ट्रॉनों को पकड़ना सिखाया जाना चाहिए, बल्कि उन्हें एक निश्चित समय के लिए ही पकड़ना चाहिए। कड़ाई से बोलते हुए, यह सहकर्मियों के साथ रीड एंड टूर की मुख्य उपलब्धि है।
एक इलेक्ट्रोकेमिकल (शब्द के सबसे सख्त और सबसे शाब्दिक अर्थ में!) स्विच अंजीर में दिखाया गया है। 2 (बाईं ओर)। यह तीन बेंजीन के छल्ले की एक श्रृंखला है, जिसके केंद्र में विपरीत पक्षों से समूह जुड़े होते हैं NO2, तथा NH2, (आकृति में रंग में हाइलाइट किया गया)। इस तरह का एक असममित आणविक विन्यास एक जटिल आकार का एक इलेक्ट्रॉन बादल बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप समस्या को हल करने के लिए आश्चर्यजनक रूप से सुंदर और मौलिक रूप से महत्वपूर्ण भौतिक प्रभाव होता है: जब एक क्षेत्र लागू किया जाता है, तो अणु मुड़ जाता है, इसका प्रतिरोध बदल जाता है, और यह चालू होना शुरू हो जाता है ( चित्र के दाईं ओर)। जब क्षेत्र हटा दिया जाता है, तो अणु विपरीत दिशा में घूमता है और अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। इस सिद्धांत पर आधारित एक स्विच दो धातु संपर्कों के बीच स्थित लगभग 1,000 नाइट्रोबेंजेनेथिओल अणुओं की एक रैखिक श्रृंखला है। इसके अलावा, टनलिंग माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके माप (एक आणविक श्रृंखला का एक टुकड़ा अल्ट्राथिन सुई के आकार के सोने के इलेक्ट्रोड के बीच मिलाप किया गया था; प्रयोगात्मक ज्यामिति को चित्र 3 में दिखाया गया है) ने स्विच के ऑपरेटिंग मापदंडों को प्राप्त करना संभव बना दिया, जिसे सही तरीके से कहा जा सकता है आणविक वर्तमान-वोल्टेज विशेषता और आणविक चालकता (चित्र। चार)। चालन वक्र (जो, वैसे, गणना के बहुत करीब निकला) में स्पष्ट रूप से स्पष्ट गिरावट है। यह अणु के वर्गों को एक संवाहक अवस्था से एक गैर-संचालन अवस्था में स्थानांतरित करना संभव बनाता है, और इसके विपरीत, लागू वोल्टेज में एक साधारण परिवर्तन द्वारा। औपचारिक रूप से और वास्तव में प्राप्त (रसायनज्ञ, निश्चित रूप से, "संश्लेषित" शब्द पसंद करते हैं) एक आणविक ट्रायोड। दरअसल, इसे आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण में पहला चरण माना जा सकता है।

Fig.4 आणविक वर्तमान-वोल्टेज विशेषता

निष्कर्ष

यद्यपि मोलेट्रोनिक्स की सैद्धांतिक नींव पहले से ही काफी अच्छी तरह से विकसित की जा चुकी है और तार्किक सर्किट के लगभग सभी तत्वों के प्रोटोटाइप बनाए गए हैं, हालांकि, वास्तव में एक आणविक कंप्यूटर के निर्माण के रास्ते में महत्वपूर्ण कठिनाइयां उत्पन्न होती हैं। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के तार्किक तत्वों के रूप में व्यक्तिगत अणुओं का उपयोग करने की बाहरी रूप से स्पष्ट संभावना आणविक प्रणालियों के विशिष्ट गुणों और तार्किक तत्वों की आवश्यकताओं के कारण बहुत ही समस्याग्रस्त हो जाती है।

सबसे पहले, नियंत्रण क्रिया लागू होने पर तार्किक तत्व में संचालन की उच्च विश्वसनीयता होनी चाहिए। यदि हम तत्वों के बीच ऑप्टिकल कनेक्शन पर विचार करते हैं, तो सिस्टम में एक अणु - एक फोटॉन, अणु के उत्तेजित अवस्था में संक्रमण की अपेक्षाकृत कम संभावना के कारण स्विचिंग की विश्वसनीयता कम होगी। एक साथ बड़ी संख्या में क्वांटा का उपयोग करके इस कठिनाई को दूर करने का प्रयास किया जा सकता है। लेकिन यह एक और महत्वपूर्ण आवश्यकता का खंडन करता है: एक अलग तत्व द्वारा सिग्नल रूपांतरण की दक्षता एकता के करीब होनी चाहिए, यानी औसत प्रतिक्रिया शक्ति औसत प्रभाव शक्ति के अनुरूप होनी चाहिए। अन्यथा, जब तत्वों को एक श्रृंखला में जोड़ा जाता है, तो उनके संचालन की संभावना कम हो जाएगी क्योंकि वे श्रृंखला की शुरुआत से दूर जाते हैं। इसके अलावा, तत्व को स्पष्ट रूप से आवश्यक स्थिति में स्विच करना चाहिए और लंबे समय तक इसमें रहना चाहिए - अगले प्रभाव तक। अपेक्षाकृत सरल अणुओं के लिए, यह आवश्यकता आमतौर पर संतुष्ट नहीं होती है: यदि एक उत्तेजित अवस्था में संक्रमण को नियंत्रित किया जा सकता है, तो विपरीत संक्रमण अनायास हो सकता है।

हालांकि, सब कुछ इतना बुरा नहीं है। बड़े कार्बनिक अणुओं या उनके परिसरों का उपयोग, सिद्धांत रूप में, गणना की गई कठिनाइयों को दूर करने के लिए संभव बनाता है। उदाहरण के लिए, कुछ प्रोटीनों में इलेक्ट्रॉन-ऑप्टिकल रूपांतरण की दक्षता एकता के करीब होती है। इसके अलावा, बड़े बायोऑर्गेनिक अणुओं के लिए, उत्तेजित अवस्था का जीवनकाल दसियों सेकंड तक पहुँच जाता है।

लेकिन भले ही एक एकल आणविक कंप्यूटिंग तत्व में अपने सिलिकॉन पूर्ववर्तियों की विश्वसनीयता न हो, सुपर कंप्यूटर में उपयोग किए जाने वाले मोलेट्रॉनिक्स और समानांतर कंप्यूटिंग के सिद्धांतों को मिलाकर भविष्य के कंप्यूटर का कुशल संचालन प्राप्त किया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, आपको कई समान आणविक तर्क तत्वों को समानांतर में काम करने की आवश्यकता है। फिर उनमें से एक के गलत संचालन से गणना में ध्यान देने योग्य विफलता नहीं होगी। कई सैकड़ों प्रोसेसर वाला एक आधुनिक व्यापक समानांतर सुपरकंप्यूटर उच्च प्रदर्शन बनाए रख सकता है, भले ही उनमें से 75% विफल हो जाएं। लगभग सभी जीवित प्रणालियाँ समानता के सिद्धांत का उपयोग करती हैं। इसलिए, व्यक्तिगत कोशिकाओं या जीन के स्तर पर जीवों की अपूर्णता उन्हें प्रभावी ढंग से कार्य करने से नहीं रोकती है।

आज दुनिया में आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरणों के विकास में शामिल एक दर्जन से अधिक वैज्ञानिक और तकनीकी केंद्र हैं। वार्षिक सम्मेलन इस क्षेत्र के सैकड़ों विशेषज्ञों को एक साथ लाते हैं।

मोलेट्रोनिक्स में बहुत रुचि न केवल कंप्यूटर बनाने की संभावनाओं के कारण है, बल्कि नई प्रौद्योगिकियों के विकास की व्यापक संभावनाओं के कारण भी है। प्रकाश के लिए आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की उच्च संवेदनशीलता के कारण, उनका उपयोग कुशल सौर ऊर्जा कन्वर्टर्स बनाने, प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया का अनुकरण करने और छवि डिटेक्टरों का एक नया वर्ग विकसित करने के लिए किया जा सकता है, जिसका सिद्धांत मानव आंख के काम जैसा होगा। . आणविक उपकरणों का उपयोग चयनात्मक सेंसर के रूप में भी किया जा सकता है जो केवल कुछ प्रकार के अणुओं पर प्रतिक्रिया करते हैं। पारिस्थितिकी, उद्योग और चिकित्सा में ऐसे सेंसर आवश्यक हैं। कार्बनिक अणुओं से बना एक सेंसर मानव शरीर में उसकी स्थिति की निगरानी के लिए प्रत्यारोपित करना बहुत आसान है।

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के सामने आने वाली समस्याओं को हल करने के लिए, कोलाइड रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान से लेकर सैद्धांतिक भौतिकी के साथ-साथ उच्च प्रौद्योगिकियों के क्षेत्र में अकादमिक ज्ञान के क्षेत्र में काम करने वाले वैज्ञानिकों की एक विस्तृत श्रृंखला के प्रयासों की आवश्यकता है। इसके अलावा, महत्वपूर्ण वित्तीय निवेश की आवश्यकता है।

इस जटिल क्षेत्र में काम करने के लिए नए उच्च योग्य कर्मियों को प्रशिक्षित करना भी आवश्यक है, जो विज्ञान के चौराहे पर स्थित है। लेकिन, जाहिरा तौर पर, 10-15 वर्षों में यह विज्ञान और प्रौद्योगिकी में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा।