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सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री नामक विज्ञान के क्षेत्र के विकास का विश्लेषण किया जाता है। इस अनुशासन की मुख्य परिभाषाएँ और अवधारणाएँ दी गई हैं। एक ऐतिहासिक संदर्भ में, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की नींव रखने वाले अध्ययनों पर विचार किया जाता है। इसकी कुछ विशिष्ट वस्तुओं, क्लैथ्रेट्स और साइक्लोडेक्सट्रिन के उदाहरण दिए गए हैं। यह ध्यान दिया जाता है कि सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान में नवीनतम उपलब्धियां और इसके उपयोग के सबसे आशाजनक क्षेत्र स्व-संयोजन और स्व-संगठन की प्रक्रियाओं से जुड़े हैं, जो विशेष रूप से, सुपरमॉलेक्यूलर संश्लेषण और आणविक और सुपरमॉलेक्यूलर के निर्माण में लागू किया जा सकता है। उपकरण।

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री। पार्श्वभूमि

सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान रसायन विज्ञान के सबसे युवा और साथ ही तेजी से विकासशील क्षेत्रों में से एक है। अपने अस्तित्व के 25 - 30 वर्षों के लिए, यह पहले से ही कई महत्वपूर्ण चरणों से गुजरने में कामयाब रहा है, लेकिन साथ ही, इस अनुशासन के मुख्य विचार और अवधारणाएं अभी तक प्रसिद्ध नहीं हैं और आम तौर पर स्वीकार की जाती हैं। इस समीक्षा में, हमने इसके मुख्य कार्यों और सबसे महत्वपूर्ण अवधारणाओं की सबसे सफल परिभाषाओं की पहचान करने और वर्तमान स्थिति और संभावनाओं की रूपरेखा तैयार करने के लिए, सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री नामक विज्ञान के क्षेत्र के विकास का पता लगाने की मांग की है।

शब्द "सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री" और इस अनुशासन की बुनियादी अवधारणाओं को फ्रांसीसी वैज्ञानिक जे.-एम द्वारा पेश किया गया था। 1978 में लेनोम पहले के कार्यों के विकास और सामान्यीकरण के हिस्से के रूप में (विशेष रूप से, 1973 में "सुपरमोलेक्यूल" शब्द उनके कार्यों में दिखाई दिया)। सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान को शब्दों द्वारा परिभाषित किया गया था: "जिस तरह सहसंयोजक बंधों पर आधारित आणविक रसायन विज्ञान का एक क्षेत्र है, उसी तरह सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान का एक क्षेत्र भी है, आणविक पहनावा और अंतर-आणविक बंधनों का रसायन।" इसके बाद, इस पहली परिभाषा में कई बार सुधार किया गया। लेन द्वारा दी गई एक अन्य परिभाषा का एक उदाहरण: "सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री "अणु से परे एक रसायन है" जो दो या दो से अधिक रासायनिक प्रजातियों के संघों की संरचना और कार्य का अध्ययन करता है जो अंतर-आणविक बलों द्वारा एक साथ आयोजित किए जाते हैं"।

कई मामलों में, सुपरमॉलेक्यूलर सिस्टम बनाने वाले घटकों को आणविक रिसेप्टर और सब्सट्रेट कहा जा सकता है (आणविक जीव विज्ञान में मानी जाने वाली प्रणालियों के अनुरूप) कहा जा सकता है, बाद वाला छोटा घटक है जिसे बाध्य करने की आवश्यकता है।

किसी रासायनिक वस्तु का पर्याप्त रूप से वर्णन करने के लिए, उसके तत्वों और उनके बीच के बंधनों के प्रकार, साथ ही स्थानिक (ज्यामितीय, टोपोलॉजिकल) विशेषताओं को इंगित करना आवश्यक है। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की वस्तुओं, सुपरमॉलेक्यूल्स में वही निश्चितता होती है जो उन्हें बनाने वाले अलग-अलग अणुओं में होती है। यह कहा जा सकता है कि "सुपरमोलेक्यूल्स अणुओं के संबंध में हैं जो अणु परमाणुओं के संबंध में हैं, और सुपरमोलेक्यूल्स में सहसंयोजक बंधों की भूमिका इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन द्वारा निभाई जाती है"।

लेहन के अनुसार, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान को दो व्यापक, अतिव्यापी क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है:

- सुपरमॉलेक्यूल्स का रसायन - स्पष्ट रूप से परिभाषित ओलिगोमोलेक्यूलर कण जो कई घटकों के इंटरमॉलिक्युलर एसोसिएशन से उत्पन्न होते हैं - रिसेप्टर और इसके सब्सट्रेट (सब्सट्रेट) और आणविक मान्यता के सिद्धांत पर निर्मित;

- आणविक पहनावा का रसायन विज्ञान - पॉलीमॉलेक्यूलर सिस्टम जो एक विशिष्ट चरण में संक्रमण के साथ अनिश्चित संख्या के घटकों के सहज जुड़ाव के परिणामस्वरूप बनते हैं, जिसमें कम या ज्यादा स्पष्ट रूप से परिभाषित सूक्ष्म संगठन और इसकी प्रकृति पर निर्भर विशेषताएं होती हैं (उदाहरण के लिए, क्लैथ्रेट्स, झिल्ली, पुटिका, मिसेल)।

सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं को घटकों की स्थानिक व्यवस्था, उनकी वास्तुकला, "सुपरस्ट्रक्चर", साथ ही साथ घटकों को एक साथ रखने वाले इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन के प्रकारों की विशेषता हो सकती है। सुपरमॉलेक्यूलर पहनावा में अच्छी तरह से परिभाषित संरचनात्मक, गठनात्मक, थर्मोडायनामिक, गतिज और गतिशील गुण होते हैं; उनमें विभिन्न प्रकार की बातचीत को प्रतिष्ठित किया जा सकता है, उनकी ताकत, दिशात्मकता, दूरियों और कोणों पर निर्भरता में भिन्नता: धातु आयनों, इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों, हाइड्रोजन के साथ समन्वय बातचीत बॉन्ड, वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन, डोनर-स्वीकर्ता इंटरैक्शन, आदि। इंटरैक्शन की ताकत एक विस्तृत श्रृंखला में भिन्न हो सकती है, कमजोर या मध्यम से, जैसे कि हाइड्रोजन बॉन्ड के निर्माण में, मजबूत और बहुत मजबूत, जैसे कि समन्वय के गठन में एक धातु के साथ बंधन। हालांकि, सामान्य तौर पर, इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन सहसंयोजक बंधों की तुलना में कमजोर होते हैं, जिससे कि सुपरमॉलेक्यूलर सहयोगी कम थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर, गतिज रूप से अधिक प्रयोगशाला और गतिशील रूप से अणुओं की तुलना में अधिक लचीले होते हैं।

इस प्रकार, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान एक एकीकृत दृष्टिकोण से सभी प्रकार के आणविक सहयोगियों पर विचार करना संभव बनाता है, सबसे छोटे संभव (डिमर) से सबसे बड़े (संगठित चरणों) तक। उसी समय, एक बार फिर इस बात पर जोर देना आवश्यक है कि सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की वस्तुओं में आवश्यक रूप से ऐसे भाग (उप-प्रणालियाँ) होते हैं जो सहसंयोजक बंधित नहीं होते हैं।

लेहन ने अंजीर में दिखाई गई योजना के साथ आणविक से सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान में संक्रमण का वर्णन करने का प्रस्ताव रखा। एक ।

अंजीर 1. आणविक रसायन विज्ञान से सुपरमॉलेक्यूलर में संक्रमण की योजना

सुपरमोलेक्यूल्स के मुख्य कार्य: आणविक मान्यता, परिवर्तन (उत्प्रेरण) और स्थानांतरण। आणविक और सुपरमॉलेक्यूलर उपकरणों को बनाने के लिए संगठित पॉलीमॉलेक्यूलर असेंबलियों और चरणों के साथ कार्यात्मक सुपरमॉलेक्यूल्स का उपयोग किया जा सकता है।

लेहन के अलावा, किसी को सी जे पेडर्सन और डी जे क्रुम का भी उल्लेख करना चाहिए, जिनके काम और शोध ने सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। 1987 में, इन तीन वैज्ञानिकों को रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था (मेक्रोथेरोसायक्लिक यौगिकों के रसायन विज्ञान के विकास में उनके निर्णायक योगदान के लिए जो मेजबान-अतिथि आणविक परिसरों का चयन करने में सक्षम थे)।

अनुसंधान जिसने सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की नींव रखी

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की बुनियादी अवधारणाओं की उत्पत्ति अतीत में और इस सदी की शुरुआत में किए गए कार्यों में पाई जा सकती है। इसलिए, 1906 में पी। एर्लिच ने वास्तव में रिसेप्टर और सब्सट्रेट की अवधारणाओं को पेश किया, इस बात पर जोर देते हुए कि अणु एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया नहीं करते हैं यदि वे पहले एक निश्चित बंधन में प्रवेश नहीं करते हैं। हालाँकि, बंधन कोई नहीं, बल्कि चयनात्मक होना चाहिए। ई. फिशर ने 1894 में इस पर जोर दिया था, जब उन्होंने अपना "की-लॉक" सिद्धांत तैयार किया था, एक सिद्धांत जो बताता है कि स्टेरिक पत्राचार, रिसेप्टर और सब्सट्रेट की ज्यामितीय संपूरकता, आणविक मान्यता का आधार है। अंत में, चयनात्मक बंधन के लिए भागीदारों के बीच बातचीत, आत्मीयता की आवश्यकता होती है, और इस विचार की जड़ों को ए। वर्नर के कार्यों में खोजा जा सकता है, जो इस संबंध में सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान को सामान्यीकरण और समन्वय रसायन विज्ञान का विकास बनाता है।

जे-एम के अनुसार। लेन, इन तीन अवधारणाओं - निर्धारण (बाध्यकारी), मान्यता और समन्वय - ने सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की नींव रखी।

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की कुछ अन्य अवधारणाएँ भी लंबे समय से जानी जाती हैं। यहां तक ​​कि टर्म « बीबरमोलेक्यूल", यानी। सुपर-, या सुपरमोलेक्यूल, पहले से ही 30 के दशक के मध्य में पेश किया गया था। समन्वयात्मक रूप से संतृप्त अणुओं (उदाहरण के लिए, एक एसिटिक एसिड डिमर के निर्माण के दौरान) के जुड़ाव से उत्पन्न होने वाले संगठन के उच्च स्तर का वर्णन करने के लिए। जीव विज्ञान में सुपरमॉलेक्यूलर संगठन की महत्वपूर्ण भूमिका सर्वविदित थी।

हालांकि, रासायनिक विज्ञान की प्रणाली में एक स्वतंत्र क्षेत्र के रूप में सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान का उद्भव और विकास बहुत बाद में हुआ। यहाँ वही है जो जे.-एम. लेन ने अपनी पुस्तक में: "... एक नए वैज्ञानिक अनुशासन के उद्भव और तेजी से विकास के लिए, तीन स्थितियों के संयोजन की आवश्यकता होती है। सबसे पहले, एक नए प्रतिमान को पहचानना आवश्यक है जो असमान और प्रतीत होता है कि असंबंधित टिप्पणियों, डेटा, परिणामों के महत्व को दर्शाता है और उन्हें एक सुसंगत पूरे में जोड़ता है। दूसरे, इस क्षेत्र में वस्तुओं का अध्ययन करने के लिए उपकरणों की आवश्यकता होती है, और यहां संरचना और गुणों (आईआर, यूवी, और विशेष रूप से एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी, मास स्पेक्ट्रोमेट्री, एक्स-रे विवर्तन, आदि) के अध्ययन के लिए आधुनिक भौतिक विधियों के विकास ने एक भूमिका निभाई है। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में निर्णायक भूमिका। , जो कम-ऊर्जा गैर-सहसंयोजक इंटरैक्शन की विशेषता वाले अपेक्षाकृत प्रयोगशाला सुपरमॉलेक्यूलर एनसेंबल का भी अध्ययन करना संभव बनाता है। तीसरा, नए प्रतिमान को स्वीकार करने के लिए वैज्ञानिक समुदाय की इच्छा आवश्यक है ताकि नया अनुशासन न केवल इसमें सीधे शामिल विशेषज्ञों के बीच, बल्कि विज्ञान के करीब (और बहुत करीब नहीं) क्षेत्रों में भी प्रतिक्रिया पा सके। यह सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री के साथ हुआ है, जहाँ तक पिछले 25 वर्षों में इसके विकास और अन्य विषयों में प्रवेश की तीव्र गति से अंदाजा लगाया जा सकता है।

लेहन के अनुसार, "... सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री, जैसा कि हम आज जानते हैं, प्राकृतिक और सिंथेटिक मैक्रोसाइक्लिक और मैक्रोपॉलीसाइक्लिक लिगैंड्स, क्राउन ईथर और क्रिप्टैंड्स द्वारा क्षार धातु के पिंजरों के चयनात्मक बंधन के अध्ययन के साथ शुरू हुआ"।

इस प्रकार के प्राकृतिक यौगिकों में सबसे पहले एंटीबायोटिक वैलिनोमाइसिन का उल्लेख किया जाना चाहिए। 1963 में इसकी संरचना का गूढ़ रहस्य, जिसमें यू.ए. ओविचिनिकोव के नेतृत्व में सोवियत वैज्ञानिकों ने एक महान योगदान दिया, सामान्य खोज से बहुत आगे निकल गया। यह चक्रीय डिप्सिपेप्टाइड (यह एमाइड और एस्टर बॉन्ड द्वारा परस्पर जुड़े अमीनो और हाइड्रॉक्सी एसिड अवशेषों से बनाया गया है) झिल्ली-सक्रिय परिसरों, या आयनोफोर्स में पहला निकला। इस तरह के नाम समाधान में क्षारीय धनायनों के साथ जटिल यौगिकों को देने और जैविक झिल्ली के माध्यम से बंधे हुए धनायन को स्थानांतरित करने के लिए इन पदार्थों की क्षमता को दर्शाते हैं। आयनोफोर्स की खोज के साथ, जीवित प्रणालियों में आयन प्रवाह के उद्देश्यपूर्ण विनियमन की संभावना एक वास्तविक संभावना बन गई। झिल्ली-सक्रिय परिसरों के क्षेत्र में काम करने के लिए, ओविचिनिकोव और उनके सहयोगियों को 1978 में लेनिन पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के विकास में अगला महत्वपूर्ण चरण 1962 में सी. पेडर्सन द्वारा क्राउन ईथर की खोज से जुड़ा है। ऑटोक्सिडेशन से पेट्रोलियम तेलों को स्थिर करने के लिए अवरोधकों को संश्लेषित करने के प्रयास में, पेडर्सन ने एक उप-उत्पाद प्राप्त किया जिसे अब डिबेंजो-18-क्राउन -6 कहा जाता है। इसके बाद, पेडर्सन ने 4 से 20 तक ऑक्सीजन परमाणुओं की संख्या और 12 से 60-सदस्यीय रिंग के आकार के साथ लगभग 60 मैक्रोसाइक्लिक पॉलीएस्टर को संश्लेषित और अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि क्राउन ईथर क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातु के पिंजरों के साथ मजबूत परिसरों का निर्माण करते हैं जिन्हें क्रिस्टलीय रूप में अलग किया जा सकता है।

1966 में जे.-एम. लेन को तंत्रिका तंत्र में होने वाली प्रक्रियाओं में दिलचस्पी हो गई और उन्होंने सोचा: क्या रसायन विज्ञान इन उच्च जैविक कार्यों के अध्ययन में योगदान दे सकता है? तंत्रिका कोशिकाओं में विद्युत प्रक्रियाएं कोशिका झिल्ली में पोटेशियम और सोडियम आयनों के वितरण में परिवर्तन पर आधारित होती हैं। उस समय प्रकाशित वैज्ञानिक पत्रों से पता चला कि वैलिनोमाइसिन पोटेशियम आयन के माइटोकॉन्ड्रिया में स्थानांतरण में मध्यस्थता कर सकता है। इसने लेन को इस विचार के लिए प्रेरित किया कि उपयुक्त कृत्रिम रूप से निर्मित साइक्लोपेप्टाइड या उनके एनालॉग झिल्ली में धनायनों के वितरण और झिल्ली के माध्यम से उनके परिवहन का अध्ययन करने का एक साधन हो सकते हैं। इस तरह के गुणों को एनिनैटिन और एक्टिन समूहों के अन्य तटस्थ एंटीबायोटिक दवाओं द्वारा भी दिखाया गया था, जिसे उद्धरणों के साथ परिसरों के चयनात्मक गठन द्वारा समझाया गया था। क्षारीय धातु. हालांकि, चक्रीय पेप्टाइड्स की तुलना में रासायनिक रूप से कम सक्रिय अणुओं को संश्लेषित करना आवश्यक हो गया। इस तरह के संश्लेषण के कार्यान्वयन में एक महत्वपूर्ण भूमिका Ch. Pedersen की खोज द्वारा निभाई गई थी। क्राउन ईथर को ऐसे पदार्थ के रूप में माना जाने लगा जो मैक्रोसाइक्लिक एंटीबायोटिक दवाओं की जटिल क्षमता और ईथर के स्थिर कार्यों को मिलाते हैं।

चित्र 2. जे.-एम द्वारा संश्लेषित क्रिप्टैंड्स। लेनोम (एम = 0, एन = 1; एम = 1, एन = 0; एम = एन = 1)

उसी समय, यह स्पष्ट हो गया कि त्रि-आयामी गोलाकार गुहा वाले यौगिक, जो पूरी तरह से बाध्य आयन को घेर लेते हैं, को प्लानर मैक्रोसायकल की तुलना में अधिक मजबूत परिसरों का निर्माण करना चाहिए। इस समस्या पर काम अक्टूबर 1967 में शुरू हुआ, और 1968 के पतन में पहला त्रि-आयामी अमीनो एस्टर प्राप्त हुआ, जिसे लेन ने क्रिप्टैंड कहा (चित्र 2, एम = एन = 1)। पोटेशियम आयनों को दृढ़ता से बांधने की इसकी क्षमता को तुरंत नोट किया गया था, और एक क्रिप्टेट (सेलुलर) संरचना को परिणामी परिसर के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था। अन्य क्रिप्टेट्स को भी संश्लेषित किया गया है। कई परिसरों (चित्र 3) की क्रिस्टल संरचना का निर्धारण करके उनकी संरचना की पुष्टि की गई थी।

डी. क्रैम ने क्राउन ईथर और क्रिप्टैंड्स की एक महत्वपूर्ण कमी पर ध्यान आकर्षित किया, जिसमें यह तथ्य शामिल है कि दोनों अतिथि आयनों को प्राप्त करने के लिए अच्छी तरह से व्यवस्थित नहीं हैं: उनकी संरचना, जैसे कि झुर्रियों वाली थी, लेकिन क्रिस्टलीय रूप में पृथक है। सीधा नहीं (चित्र 4, ए, बी)। इसलिए, जब एक धनायन गुहा में प्रवेश करता है, तो इसके संरेखण (अनुकूलन) के लिए ऊर्जा लागत की आवश्यकता होती है, और यह परिसर की स्थिरता को प्रभावित करता है। डी. क्रैम ने तथाकथित "अणुओं-से" को डिजाइन करने का निर्णय लिया

अंजीर 3. रूबिडियम क्रिप्टेट संरचना

कंटेनर" एक पूर्व-संगठित संरचना के साथ। 1980 के दशक की शुरुआत में जटिल मल्टी-स्टेज सिंथेसिस के परिणामस्वरूप। गोलाकार और गुहाएं प्राप्त की गईं (चित्र 4 सी, डी) - एक प्रकार के आणविक कटोरे, जिनकी दीवारें सुगंधित नाभिक के साथ पंक्तिबद्ध होती हैं, और अवसाद जहां अतिथि कण गिरता है, ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ पंक्तिबद्ध होते हैं। इन कटोरे में पैर भी होते हैं - फेनिल रेडिकल्स से जुड़े मिथाइल समूह। अध्ययन के दौरान, यह पता चला कि प्राप्त यौगिक क्राउन ईथर और क्रिप्टैंड की तुलना में क्षार धातु के पिंजरों के साथ अधिक स्थिर परिसरों का निर्माण करते हैं। छोटे तटस्थ अणु, जैसे सीएच 2 सीएल 2, सीएच 3 सीएन, एसओ 2, भी गुहा और कटोरे में आ सकते हैं और वहां मजबूती से पकड़ सकते हैं।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अधिक जटिल यौगिकों में आणविक मान्यता की अधिक जटिल प्रक्रिया भी होती है। यदि सरल क्रिप्टेट परिसरों को सबसे सरल - "गोलाकार" - मान्यता की विशेषता है, जिसमें केवल गोले का आकार, सब्सट्रेट का अनुमान लगाता है, एक भूमिका निभाता है, तो जटिल यौगिकों के लिए, आणविक मान्यता "टेट्राहेड्रल" या "रैखिक" मान्यता हो सकती है। , विभिन्न प्रकार के रिसेप्टर्स द्वारा किया जाता है। बाद के वर्षों में, आणविक मान्यता प्रक्रियाओं की इन सभी कई किस्मों का अध्ययन किया गया था, और प्रक्रियाओं में शामिल रिसेप्टर्स यौगिकों के बहुत अलग वर्गों (क्राउन ईथर, क्रिप्टैंड्स, स्फेरैंड्स, कैविटैंड्स, कैलीकेरेन्स, साइक्लोफेन्स, साइक्लोडेक्सट्रिन, क्रिप्टोफेन्स, आदि) से संबंधित थे। . जैसा कि लेहन लिखते हैं, "... अनुसंधान के क्षेत्र का विस्तार हुआ है, जिसके कारण रासायनिक अनुसंधान के एक नए क्षेत्र के रूप में आणविक मान्यता की प्राप्ति हुई, जिसने सामान्य रूप से अंतर-आणविक अंतःक्रियाओं और प्रक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित करते हुए, एक पूरी श्रृंखला में फैल गया। संबंधित क्षेत्रों में, सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में विकसित हो गया है"।

अंजीर। 4. क्राउन ईथर की वास्तविक (असंगठित) संरचनाएं (ए), क्रिप्टैंड (बी) और गुहा की पूर्वसंगठित संरचनाएं (सी) और स्फेरैंड (डी)

सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की कुछ विशिष्ट वस्तुओं के अध्ययन का इतिहास

एक ऐतिहासिक संदर्भ में, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की पहली अध्ययन की गई वस्तुएं समावेशी यौगिक थीं, जिन्हें बाद में क्लैथ्रेट कहा जाता था। क्लैथ्रेट्स अणुओं के शामिल होने से बने यौगिक होते हैं, जिन्हें मेहमान कहा जाता है, एक अलग तरह के अणुओं से युक्त एक मचान की गुहा में, जिसे मेजबान कहा जाता है, या एक बड़े मेजबान अणु की गुहा में। अक्सर वैन डेर वाल्स की तुलना में मेहमानों और मेजबानों के बीच कोई अन्य बातचीत नहीं होती है। ऐसे यौगिकों की थर्मोडायनामिक स्थिरता मेजबान ढांचे के गुहाओं में अतिथि अणुओं की व्यवस्था के अनुकूल ज्यामिति द्वारा सुनिश्चित की जाती है, जिसके परिणामस्वरूप कमजोर अंतःक्रियात्मक बातचीत प्रारंभिक घटकों के घटकों की ऊर्जा की तुलना में ऊर्जा लाभ की ओर ले जाती है। मुक्त अवस्था में। इस मामले में, पारंपरिक रासायनिक यौगिकों के लिए, घटक घटकों के अनुपात परिवर्तनशील हो सकते हैं, जैसे कि महान गैसों के साथ हाइड्रोक्विनोन क्लैथ्रेट्स के मामले में, या कड़ाई से परिभाषित, जैसे कि पैराफिन के साथ यूरिया यौगिकों में और अधिकांश क्लैथ्रेट हाइड्रेट्स में।

पदार्थ जिन्हें वर्तमान में समावेशन यौगिकों के रूप में माना जाता है, जाहिरा तौर पर ए। क्रोनस्टेड द्वारा सबसे पहले देखे गए थे, जिन्होंने 1756 में जिओलाइट स्टिलबाइट की खोज की थी, और जे। प्रीस्टली, जिन्होंने 1778 में "विसंगत बर्फ" की खोज की थी, जो SO 2 हाइड्रेट निकला। . 10H 2 O. 1785 - 1786 में। बी पेलेटियर और डब्ल्यू। कार्स्टन, और 1811 में जी। डेवी ने गैसीय क्लोरीन के ठंडा होने के दौरान क्रिस्टल के गठन को देखा, बाद में (1823 में) एम। फैराडे ने स्थापित किया कि यह क्ल 2 था। 10H 2 O, हालांकि, इस हाइड्रेट की संरचना केवल 1952 में एम. स्टैकेलबर्ग और जी. मुलर द्वारा स्थापित की गई थी।

चित्रा 5. एडामेंटेन 3:1 . के साथ थियोउरिया के क्लैथ्रेट परिसर की संरचना

एमो अवधारणा और शब्द "क्लैथ्रेट" को इसकी आधुनिक व्याख्या में 1947 में जी. पॉवेल द्वारा पेश किया गया था। अंजीर पर। चित्र 5 एक उदाहरण के रूप में थियोरिया-एडामेंटेन 3:1 क्लैथ्रेट कॉम्प्लेक्स की संरचना को दर्शाता है। क्लैथ्रेट परिसरों में साइक्लोडेक्सट्रिन के समावेशन यौगिक भी शामिल हैं।

अंजीर। 6. साइक्लोडेक्सट्रिन की संरचना: ए - रासायनिक संरचना, बी - आकार

Iclodextrins चक्रीय ओलिगोसेकेराइड हैं जिनके अणु छह, सात या आठ से बने होते हैं (एन=6, 7, 8) -1,4-ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड से जुड़ी डी-ग्लूकोपाइरानोज इकाइयाँ (चित्र। 6)। साइक्लोडेक्सट्रिन अणुओं में एक काटे गए शंकु (बाल्टी) का आकार होता है, जो अंदर से खोखला होता है, जिसमें 6–8 प्राथमिक OH समूह निचले आधार की परिधि के साथ स्थित होते हैं, और 12–16 माध्यमिक OH समूह ऊपरी आधार की परिधि के साथ स्थित होते हैं। . साइक्लोडेक्सट्रिन की खोज 1891 में ए. विलियर्स ने की थी, और उनके अलगाव का पहला विस्तृत विवरण 1903 में एफ. शार्डिंगर द्वारा प्रकाशित किया गया था। 1938 में, के। फ्रायडेनबर्ग ने साइक्लोडेक्सट्रिन की संरचना निर्धारित की। तब से, इन प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले (प्राकृतिक) रिसेप्टर्स का उपयोग विभिन्न उद्देश्यों के लिए किया जाता रहा है। इसलिए, 1954 में एफ। क्रेमर ने पहली बार दिखाया कि साइक्लोडेक्सट्रिन सब्सट्रेट की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ समावेशन परिसर बना सकते हैं। उत्प्रेरक के रूप में उनकी भूमिका का अध्ययन 1982 में I. Tabushi और Breslow द्वारा किया गया था।

साइक्लोडेक्सट्रिन और "अतिथि" के बीच बातचीत की प्रकृति स्पष्ट रूप से स्थापित नहीं हुई है और व्यापक रूप से चर्चा की गई है। अपेक्षाकृत कमजोर अंतःक्रियाएं (वैन डेर वाल्स, हाइड्रोफोबिक, आदि) सबसे अधिक संभावित प्रतीत होती हैं, जिससे इन परिसरों को सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की वस्तुओं के रूप में वर्गीकृत करना संभव हो जाता है। इस तरह के परिसरों के रासायनिक परिवर्तन से जटिल आणविक संरचनाओं का निर्माण होता है, जैसे कि कैटेनेन्स, रोटैक्सेन, पॉलीरोटैक्सेन और ट्यूब, जो अन्य तरीकों से आसानी से प्राप्त नहीं होते हैं। विभिन्न प्रकार के "मेहमानों" की एक बड़ी संख्या के साथ जलीय समाधानों में मजबूत परिसरों को बनाने के लिए साइक्लोडेक्सट्रिन की क्षमता ने उनके स्वयं-संयोजन द्वारा गठित नैनोस्ट्रक्चर के लिए बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में उपयोग किया है और नैनो डिवाइसेस में शामिल किया है।

वर्तमान स्थिति और सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के विकास में रुझान

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में हालिया प्रगति और इसके आवेदन के सबसे आशाजनक क्षेत्र आणविक मान्यता की प्रक्रियाओं से जुड़े हैं।

चित्र 7. स्व-संयोजन जिसमें इंटरमॉलिक्युलर हाइड्रोजन बांड शामिल हैं

तथाकथित "स्व-प्रक्रियाओं" के कारण नई संरचनाओं के नाम और संरचनाएं। सेल्फ-असेंबली और सेल्फ-ऑर्गनाइजेशन की अवधारणाओं को जे.एम. द्वारा सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में पेश किया गया था। लेन अकार्बनिक परिसरों (डबल हेलिकेट्स) के सहज गठन के अध्ययन के दौरान, जो एक स्व-संयोजन प्रक्रिया के रूप में आगे बढ़ता है। वास्तव में, ये अवधारणाएं जैव रसायन से सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान में आईं, जहां उन्होंने पहले भी एक महत्वपूर्ण स्थान पर कब्जा कर लिया था, क्योंकि जैवसंश्लेषण केवल "स्व-प्रक्रियाओं" के माध्यम से किया जा सकता है। वन्यजीवों में स्व-संयोजन की सबसे महत्वपूर्ण अभिव्यक्ति न्यूक्लिक एसिड अणुओं की स्व-संयोजन है, प्रोटीन का मैट्रिक्स संश्लेषण; स्व-संयोजन की निर्णायक भूमिका एंजाइमों और रिसेप्टर्स की कड़ाई से परिभाषित स्थानिक संरचना द्वारा इंगित की जाती है।

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में, स्व-संगठन का अर्थ है, अलग-अलग घटकों से एक अच्छी तरह से परिभाषित सुपरमॉलेक्यूलर संरचना की सहज पीढ़ी, दी गई शर्तों के तहत। लेहन के अनुसार, स्व-संगठन और स्व-संगठन घटना के दो अलग-अलग लेकिन अतिव्यापी वर्गों का वर्णन करते हैं, स्व-संगठन स्व-संगठन की तुलना में एक व्यापक शब्द है। सुपरमॉलेक्यूलर सेल्फ-असेंबली में कम से कम दो या दो से अधिक घटकों का सहज जुड़ाव होता है, जिससे या तो असतत सुपरमॉलिक्यूलर या विस्तारित पॉलीमॉलेक्यूलर असेंबली (आणविक परतें, फिल्में, आदि) का निर्माण होता है। इस मामले में, गैर-सहसंयोजक बातचीत के कारण एसोसिएशन प्रक्रिया होती है।

अंजीर 8. माध्यम के पीएच को बदलकर आणविक शटल स्विच किया गया

लेन स्व-संगठन को एक क्रमबद्ध स्व-संघ के रूप में परिभाषित करता है कि:

1) में ऐसी प्रणालियाँ शामिल हैं जिनमें अंतरिक्ष और/या समय में क्रम की एक सहज उपस्थिति संभव है, 2) स्थानिक (संरचनात्मक) और लौकिक (गतिशील) क्रम को कवर करता है, 3) केवल सुपरमॉलेक्यूलर (गैर-सहसंयोजक) स्तर को प्रभावित करता है, 4) बहुघटक है। इस प्रकार, स्व-संगठन में अंतःक्रिया और एकीकरण शामिल हैं, जो सामूहिक व्यवहार को निर्धारित करते हैं।

स्व-संगठन समाधान में हो सकता है, लिक्विड-क्रिस्टल चरण में, या ठोस अवस्था में, हाइड्रोजन बॉन्ड, इलेक्ट्रोस्टैटिक और डोनर-स्वीकर्ता इंटरैक्शन के साथ-साथ मध्यम प्रभाव (सॉल्वोफोबिक इंटरैक्शन) का उपयोग घटकों के बीच मुख्य इंटरैक्शन के रूप में किया जा रहा है। . अंजीर पर। चित्र 7 में 2,4,6-ट्रायमिनो-5-अल्काइलपाइरीमिडीन द्वारा मध्यस्थता वाले दो पोर्फिरीन अणुओं को शामिल करते हुए हाइड्रोजन बांडों को शामिल करते हुए एक स्व-संयोजन दिखाया गया है। परिणामी संरचना में एक कोशिका का आकार होता है।

जे.-एम. लेन ने नोट किया कि "रासायनिक संश्लेषण में सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के योगदान को दो मुख्य पहलुओं में माना जा सकता है: गैर-सहसंयोजक सुपरमॉलेक्यूलर कणों का उत्पादन, जो सीधे स्व-संयोजन प्रक्रियाओं में व्यक्त किया जाता है, और संश्लेषण को बढ़ावा देने के लिए सुपरमॉलेक्यूलर सुविधाओं का उपयोग सहसंयोजक आणविक संरचनाओं का"। वास्तव में सुपरमॉलेक्यूलर संश्लेषण में निर्देशित अंतर-आणविक बलों के माध्यम से सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं का निर्माण होता है। इस मामले में, यह भी आवश्यक है कि संश्लेषण के दौरान, संश्लेषण के दौरान ही सुपरमॉलेक्यूलर कणों का निर्माण होता है। हम कह सकते हैं कि सुपरमॉलेक्यूलर संश्लेषण संभव है यदि अंतर-आणविक स्तर पर एक प्रकार की योजना और नियंत्रण हो। जटिल सहसंयोजक कणों के संश्लेषण में, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान का उपयोग घटकों को वांछित स्थिति में लाने के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए स्व-संयोजन द्वारा। यह जटिल प्रणालियों के संश्लेषण के क्षेत्र में नई संभावनाओं को खोलता है, और हाल के वर्षों में यह दिशा अग्रणी में से एक बन गई है।

सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के विकास के लिए एक और आशाजनक क्षेत्र आणविक और सुपरमॉलेक्यूलर उपकरणों का निर्माण है। आणविक उपकरण संरचनात्मक रूप से व्यवस्थित और कार्यात्मक रूप से एकीकृत रासायनिक प्रणालियां हैं। वे विशिष्ट घटकों के एक निश्चित स्थानिक संगठन पर आधारित होते हैं और उन्हें सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं में एम्बेड किया जा सकता है। फोटोनिक, इलेक्ट्रॉनिक, या आयनिक उपकरणों को अलग किया जा सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि घटक क्रमशः फोटोएक्टिव, इलेक्ट्रोएक्टिव या आयनिक हैं, अर्थात। फोटॉन के अवशोषण या उत्सर्जन में भाग लेते हैं, इलेक्ट्रॉनों के दाता या स्वीकर्ता हैं, या आयन एक्सचेंज में भाग लेते हैं।

ऐसे उपकरणों में दो मुख्य प्रकार के घटक शामिल होते हैं: सक्रिय घटक जो किसी दिए गए ऑपरेशन को करते हैं (फोटॉन, इलेक्ट्रॉनों, आयनों, आदि को स्वीकार, देना या संचारित करना), और संरचनात्मक घटक जो एक सुपरमॉलेक्यूलर आर्किटेक्चर के निर्माण में भाग लेते हैं, सेट करते हैं सक्रिय घटकों की आवश्यक स्थानिक व्यवस्था, विशेष रूप से, मान्यता प्रक्रियाओं के कारण। इसके अलावा, सहायक घटकों को डिवाइस की संरचना में पेश किया जा सकता है, जिसका उद्देश्य सक्रिय और संरचनात्मक घटकों के गुणों को संशोधित करना है। मुख्य बात यह है कि पारंपरिक सामग्रियों के विपरीत, उनके घटकों और उपकरणों को आणविक और सुपरमॉलेक्यूलर स्तरों पर अपना कार्य करना चाहिए। सुपरमॉलेक्यूलर सिस्टम में आणविक उपकरणों को शामिल करने से कार्यात्मक सुपरमोलेक्यूल या एसेम्बल (परतें, फिल्म, झिल्ली, आदि) प्राप्त करना संभव हो जाता है।

आणविक और सुपरमॉलेक्यूलर उपकरण, परिभाषा के अनुसार, क्रमशः सहसंयोजक और गैर-सहसंयोजक बंधों से जुड़े घटकों से बनते हैं। सुपरमॉलेक्यूलर उपकरणों में ऐसे उपकरण भी शामिल हो सकते हैं जिनके घटक सहसंयोजक बंधों से जुड़े होते हैं, लेकिन कम से कम आंशिक रूप से अपने व्यक्तित्व को बनाए रखते हैं।

हाल ही में, स्विचिंग आणविक पहनावा बनाना संभव हो गया है जो माध्यम के पीएच या इसकी विद्युत रासायनिक क्षमता जैसे बाहरी कारकों की कार्रवाई के आधार पर अपनी स्थानिक संरचना को बदलते हैं। एक उदाहरण रोटाक्सेन है, जिसे अंजीर में दिखाया गया है। 8. इसमें एक लंबी पॉलिएस्टर श्रृंखला होती है, जो साइक्लोफेन पुलों से जुड़े दो डिपाइरिडिल अवशेषों से बने चक्र के माध्यम से "थ्रेडेड" होती है। चक्र को श्रृंखला से कूदने से रोकने के लिए, इसके सिरों पर भारी समूह होते हैं - ट्राईसोप्रोपाइलसिलिल प्रतिस्थापन। पॉलिएस्टर श्रृंखला में शामिल 4,4"-डायमिनोडिफेनिल और 4,4"-डायहाइड्रॉक्सीडिफेनिल के अवशेषों में इलेक्ट्रॉन-दान करने वाले गुण हैं; इसलिए, इलेक्ट्रॉन-निकासी टेट्राकेशनिक चक्र उन पर इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से तय होता है। इस मामले में, दो अनुरूपताएं महसूस की जाती हैं जो मोबाइल संतुलन की स्थिति में हैं। चूँकि एरोमैटिक एमाइन फिनोल की तुलना में अधिक मजबूत इलेक्ट्रॉन दाता होते हैं, जिस रूप में वलय अमीन के टुकड़े के साथ संपर्क करता है, वह प्रबल होता है। हालांकि, माध्यम की अम्लता को बदलकर संतुलन की स्थिति को बदला जा सकता है। अत्यधिक अम्लीय माध्यम में, अमीन नाइट्रोजन परमाणु प्रोटॉनित होते हैं; स्वयं इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता बन जाते हैं, और bis-dipyridinium वलय पूरी तरह से फेनोलिक खंड में कूद जाता है। यही बात तब होती है जब बाहरी विद्युत रासायनिक क्षमता बदल जाती है। जाहिर है, इस उपकरण के आधार पर एक आणविक स्विच बनाया जा सकता है। ऐसा माना जाता है कि इस तरह के आणविक उपकरण नैनो प्रौद्योगिकी के भविष्य के विकास को सक्षम करेंगे, जो वर्तमान में प्रमुख अर्धचालक प्रौद्योगिकी को काफी हद तक बदल देगा।

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की विशेषताओं के बारे में बोलते हुए, इस तथ्य पर ध्यान देना चाहिए कि विस्तृत और पूर्ण संरचनात्मक डेटा इस विज्ञान में एक विशेष, अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। स्थानिक विन्यास और सुपरमॉलेक्यूलर सिस्टम के घटकों की सापेक्ष स्थानिक व्यवस्था के विशिष्ट विश्लेषण के बिना इस क्षेत्र में प्रगति असंभव होगी। पूर्वगामी संरचनात्मक रसायन विज्ञान के एक प्राकृतिक भाग के रूप में सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान पर विचार करने के लिए आधार देता है।

जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के कई विचार और खंड वास्तव में इसके औपचारिक जन्म से बहुत पहले उत्पन्न हुए थे। इसमें हम जोड़ सकते हैं कि इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन की प्रकृति (हाइड्रोजन बॉन्ड और अन्य विशिष्ट इंटरैक्शन सहित), उनकी ऊर्जा और विभिन्न प्रक्रियाओं में भूमिका का लंबे समय से सावधानीपूर्वक अध्ययन किया गया है, जिसमें सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की संरचनात्मक पहलू विशेषता भी शामिल है। इस प्रकार, पूरे स्कूलों ने रूस में काम किया, व्यापक रूप से इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन का अध्ययन किया।

आणविक क्रिस्टल की संरचना, विशेष रूप से "मिश्रित", जैसे क्लैथ्रेट्स, का अध्ययन ए.आई. कितायगोरोडस्की एट अल द्वारा किया गया था। , सोखना और क्रोमैटोग्राफी में अंतर-आणविक अंतःक्रियाएं ए वी केसेलेव एट अल द्वारा शोध का विषय बन गईं। , अणुओं के अनुरूपता पर गैर-वैलेंस इंटरैक्शन का प्रभाव वीजी दाशेव्स्की के कार्यों का विषय बन गया। और फिर भी सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री के रचनाकारों को उचित रूप से जे.-एम माना जाता है। लेन, सी जे पेडर्सन, और डी जे क्रुम।

इन उत्कृष्ट वैज्ञानिकों की मुख्य योग्यता इस तथ्य में निहित है कि उन्होंने पारंपरिक रसायन विज्ञान के शस्त्रागार, अंतर-आणविक बलों के भौतिक और रासायनिक अध्ययन में उपलब्धियों और मौलिक रूप से नई रासायनिक वस्तुओं के निर्माण के लिए आधुनिक भौतिक अनुसंधान विधियों की सभी शक्तियों को निर्देशित किया। जिसका सैद्धांतिक और व्यावहारिक महत्व असाधारण रूप से महान है और, जाहिरा तौर पर, अभी तक पूरी तरह से समझा नहीं गया है।

साहित्य

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रसायन विज्ञान, जिन मूल अवधारणाओं पर हम विचार करेंगे, 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 बात करते हैं वृहद मायने में, यह पदार्थ का एक रूप है जिसमें एक विश्राम द्रव्यमान होता है। कोई भी पदार्थ है प्राथमिक कण, 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 बुनियादी शब्दों और अवधारणाओं का वर्णन करें। उसके बाद, हम उन्हें समझाएंगे, और कुछ की रूपरेखा भी देंगे महत्वपूर्ण कानूनइस विज्ञान की।

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

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। इसलिए, परमाणुओं में सामान्य स्थितिअकेले मौजूद नहीं हैं ("महान गैसों" के अपवाद के साथ)। 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। पर निरंतर आंदोलनकण तापमान के समानुपाती होते हैं (हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अलग-अलग कणों की ऊर्जा अलग-अलग होती है)। एकिन = केटी/2, जहां के - बोल्ट्जमान नियतांक. 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 और ठोस दोनों में देखा जाता है, और में गैसीय पदार्थ. 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 उनकी संख्या तथाकथित . में होती है मैक्रोमोलेक्यूलर यौगिक 105 तक पहुंच सकता 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 टुकड़ों की तरह अधिक हैं। ठोस बॉडी. 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। वे भी हैं संक्रमण क्षेत्रआकार, जिसमें 105 से 107 की मात्रा में परमाणुओं से युक्त संघ शामिल हैं। ये कण हैं या बहुत बड़े अणु, या पाउडर के छोटे दाने 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। नकारात्मक और सकारात्मक आरोपअंतरिक्ष में हमेशा वैकल्पिक। और पदार्थ समग्र रूप से विद्युत रूप से तटस्थ रहता है। ध्यान दें कि आवेश, जो इलेक्ट्रोस्टैटिक्स में बड़े माने जाते हैं, 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, संरचना में मौजूद परमाणुओं से नए पदार्थ प्रकट होते हैं आरंभिक सामग्री. 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, लेकिन आणविक भौतिकी. 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 के बीच की सीमा भौतिक घटनाएंधुंधला सब के बाद, में विभाजन व्यक्तिगत विज्ञानसशर्त, 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। इसके बारे मेंअवोगाद्रो के बहु अनुपात के बारे में, रचना की स्थिरता के नियम (नीचे हम रसायन विज्ञान की इन बुनियादी अवधारणाओं पर विचार करेंगे)। 20वीं शताब्दी में परमाणु की खोज जारी रही, जब कई प्रत्यक्ष प्रायोगिक साक्ष्य. 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 इलेक्ट्रॉन गति करते हैं ऋणात्मक आवेश. कोर का आकार लगभग 10-15 मीटर है। यह पता चला है कि इलेक्ट्रॉन कवचपरमाणु का आकार निर्धारित करता है, लेकिन 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।

अक्सर के रूप में पाया जाता है सबसे छोटा कणपदार्थ जो रासायनिक रूप से अविभाज्य हैं। 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।

रसायनिक बंध

यह वही है जो परमाणुओं को एक साथ रखता है। वह उन्हें प्रभाव में बिखरने नहीं देती तापीय गति. हम बांड की मुख्य विशेषताओं पर ध्यान देते हैं - यह आंतरिक 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, निष्पक्ष रूप से यह निर्धारित करना असंभव है कि यह किस संबंध में है अलग कनेक्शनएक जटिल अणु में। हालांकि, सभी मौजूदा बंधनों को तोड़ने के लिए आवश्यक किसी 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

बुनियादी अवधारणाओं विश्लेषणात्मक रसायनशास्त्रइन दो शब्दों को शामिल करता है। वे किस लिए खड़े हैं? आइए इसका पता लगाते हैं।

समन्वय संख्या किसी दिए गए के निकटतम पड़ोसियों की संख्या है विशिष्ट परमाणु. दूसरे शब्दों में, यह उन लोगों की संख्या है जिनके साथ वह रासायनिक रूप से जुड़ा हुआ है। समन्वय है आपसी व्यवस्था, प्रकार और पड़ोसियों की संख्या। दूसरे शब्दों में, यह अवधारणा अधिक सार्थक है। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन की समन्वय संख्या, अमोनिया के अणुओं की विशेषता और नाइट्रिक एसिड, वही - 3. हालांकि, उनका समन्वय अलग है - गैर-प्लानर और फ्लैट। 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। पाठ्यपुस्तकों में अणु को सबसे छोटे के रूप में परिभाषित करना आम बात है तटस्थ कणएक पदार्थ जिसमें इसके रासायनिक गुण होते हैं, और स्वतंत्र रूप से मौजूद होने में भी सक्षम होते हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह परिभाषा है इस पलपहले से ही पुराना। 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 दोनों भौतिक पदार्थकेवल अणुओं के एक बड़े समूह से निर्धारित 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

कैसे निर्धारित करें आणविक वजनअनुभव पर? एक तरीका अवोगाद्रो के नियम पर आधारित है, जिसके अनुसार आपेक्षिक घनत्वजोड़ा। 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, में गैर-आणविक पदार्थबहुत सारे परमाणु एक साथ जुड़े हुए 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। यह मान 0, 1, 2 और 3 ले सकता है। 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। यह आमतौर पर निम्नानुसार तैयार किया जाता है: कोई भी व्यक्तिगत पदार्थ (अर्थात, शुद्ध), चाहे वह कैसे भी प्राप्त किया गया हो, उसकी मात्रात्मक और समान होती है गुणात्मक रचना. 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 मूल रासायनिक अवधारणाएंऔर रसायन विज्ञान के नियमों से हम परिचित हैं, इसे वर्णनात्मक रूप से परिभाषित 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। कमोबेश ऐसे ही, वर्णनात्मक विधिबुनियादी रासायनिक अवधारणाओं और रसायन विज्ञान के नियमों का निर्धारण किया गया।

के लिए वैज्ञानिकसमय, यह स्पष्ट नहीं था कि जो तरल छोड़ा गया था विभिन्न तरीके(हाइड्रोजन दहन, विट्रियल निर्जलीकरण, आसवन) समुद्र का पानी) एक ही रचना 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। इसलिए, शुद्ध आणविक पदार्थवह है जो केवल एक प्रकार के अणुओं से बना होता है।

हालांकि, इस मामले में इलेक्ट्रोलाइट्स के बारे में क्या? आखिरकार, उनमें केवल अणु ही नहीं, आयन होते हैं। और चाहिए सख्त परिभाषा. एक शुद्ध आणविक पदार्थ वह होता है जो एक ही प्रकार के अणुओं से बना होता है, और संभवतः, उनके प्रतिवर्ती तीव्र परिवर्तन (आइसोमराइजेशन, 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: में प्रवेश करने वाले पदार्थों का द्रव्यमान रासायनिक प्रतिक्रिया, इसके परिणामस्वरूप होने वाले पदार्थों के द्रव्यमान के बराबर 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 कहता है कि समान शर्तें(दबाव और तापमान) समान आयतन वाली गैसों में अणुओं की संख्या समान होती है।

अवोगाद्रो के नियम से दो महत्वपूर्ण परिणाम मिलते हैं। पहला यह है कि जब समान शर्तेंकिसी भी गैस का एक मोल बराबर आयतन लेता है। उनमें से किसी की मात्रा सामान्य स्थिति(जो 0 डिग्री सेल्सियस का तापमान है, साथ ही 101.325 केपीए का दबाव) 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, तत्वों के रासायनिक गुणों के आधार पर और परमाणु और आणविक विज्ञानइस कानून की खोज की। यह घटना 1 मार्च, 1869 को हुई थी। आवधिक कानूनप्रकृति में सबसे महत्वपूर्ण में से एक है। इसे निम्नानुसार तैयार किया जा सकता है: तत्वों के गुण और जटिल और सरल पदार्थउनके परमाणुओं के नाभिक के आवेशों पर आवधिक निर्भरता होती है।

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

इस तालिका की क्षैतिज पंक्तियों को आवर्त कहा जाता है। उनमें जो तत्व होते हैं वे एक दूसरे से भिन्न होते हैं, लेकिन उनमें यह भी समानता होती है कि उनके अंतिम इलेक्ट्रॉन उसी पर स्थित होते हैं ऊर्जा स्तर. 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। रोलबैक नियम बताता है कि बाएं से दाएं जाने पर आवर्त सारणीज़रूरी ज्यादा उर्जाएक इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए। इसलिए, बाईं ओर के तत्व एक इलेक्ट्रॉन खो देते हैं। इसके विपरीत, जिनके पास स्थित है दाईं ओरइसे खरीदना चाहते हैं।

हमने संक्षेप में रसायन शास्त्र के नियमों और बुनियादी अवधारणाओं की रूपरेखा तैयार की। निश्चित रूप से, यह केवल है सामान्य जानकारी. 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 केवल हैं एक प्रारंभिक बिंदुआगे के अध्ययन के लिए। 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 लोग संदर्भित करते हैं सामान्य मुद्दे. इसलिए, हम कह सकते हैं कि ये मूल अवधारणाएँ हैं कार्बनिक रसायन शास्त्रसाथ ही अकार्बनिक।

सुपरमॉलेक्यूलर (सुपरमॉलेक्यूलर) केमिस्ट्री (सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री, सुपरमॉलिक्युलर केमिस्ट्री) विज्ञान का एक अंतःविषय क्षेत्र है, जिसमें रासायनिक, भौतिक और जैविक पहलूअणुओं की तुलना में अधिक जटिल विचार, रासायनिक प्रणालीइंटरमॉलिक्युलर (गैर-सहसंयोजक) इंटरैक्शन के माध्यम से एक पूरे में जुड़ा हुआ है। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की वस्तुएँ - सुपरमॉलेक्यूलर पहनावा, पूरक से अनायास निर्मित, अर्थात्, सबसे जटिल के एक सहज संयोजन की तरह, टुकड़ों का एक ज्यामितीय और रासायनिक पत्राचार होना स्थानिक संरचनाएंएक जीवित कोशिका में। में से एक मूलभूत समस्याएं आधुनिक रसायन शास्त्रऐसी प्रणालियों का निर्देशित डिज़ाइन है, किसी दिए गए संरचना और गुणों के साथ आणविक "बिल्डिंग ब्लॉक्स" से अत्यधिक ऑर्डर किए गए सुपरमॉलेक्यूलर यौगिकों का निर्माण। सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं को उनके घटकों की स्थानिक व्यवस्था, उनकी वास्तुकला, "सुपरस्ट्रक्चर", साथ ही साथ घटकों को एक साथ रखने वाले इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन के प्रकार की विशेषता है। सामान्य तौर पर, इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन सहसंयोजक बंधों की तुलना में कमजोर होते हैं, जिससे कि सुपरमॉलेक्यूलर सहयोगी कम थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर, गतिज रूप से अधिक प्रयोगशाला और गतिशील रूप से अणुओं की तुलना में अधिक लचीले होते हैं।

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री की शब्दावली के अनुसार, सुपरमॉलेक्यूलर एसोसिएट्स के घटकों को कहा जाता है रिसेप्टर(ρ) और सब्सट्रेट(σ), जहां सब्सट्रेट छोटा घटक है जो बंधन में प्रवेश करता है। शर्तें कनेक्शन सक्षम करें, क्लैथ्रेटऔर अतिथि-मेजबान प्रकार का कनेक्शन (जटिल)ठोस अवस्था में मौजूद यौगिकों को चिह्नित करें और ठोस सुपरमॉलेक्यूलर पहनावा से संबंधित हों।

एक निश्चित सब्सट्रेट का चयनात्मक बंधन और उसके रिसेप्टर ρ गठन के साथ सुपरमॉलिक्युलसप्रक्रिया के परिणामस्वरूप होता है आणविक मान्यता. यदि, बाध्यकारी साइटों के अलावा, रिसेप्टर में प्रतिक्रियाशील कार्यात्मक समूह होते हैं, तो यह रसायन को प्रभावित कर सकता है परिवर्तनइसके संबद्ध सब्सट्रेट पर, एक सुपरमॉलेक्यूलर उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है। लिपोफिलिक, झिल्ली-घुलनशील रिसेप्टर के रूप में कार्य कर सकता है वाहक, बाहर ले जाना यातायात, स्थानांतरण करनासंबद्ध सब्सट्रेट। इस प्रकार, आणविक मान्यता, परिवर्तन, स्थानांतरण सुपरमॉलेक्यूलर वस्तुओं के मुख्य कार्य हैं।

पूर्व आणविक रसायनदो व्यापक, आंशिक रूप से अतिव्यापी क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है, जिन्हें क्रमशः माना जाता है: 1) सुपरमॉलिक्युलस- अच्छी तरह से परिभाषित, असतत ओलिगोआणविक मान्यता के सिद्धांतों के आधार पर संचालित एक निश्चित "कार्यक्रम" के अनुसार कई घटकों (रिसेप्टर और सब्सट्रेट (एस)) के इंटरमॉलिक्युलर एसोसिएशन के कारण उत्पन्न होने वाली आणविक संरचनाएं; 2) सुपरमॉलेक्यूलर पहनावा- एक विशिष्ट चरण में अनिश्चित काल तक बड़ी संख्या में घटकों के सहज संघ से उत्पन्न होने वाले बहु-आणविक सहयोगी, सूक्ष्म स्तर पर अधिक या कम निश्चित संगठन और चरण की प्रकृति (फिल्म, परत, झिल्ली, पुटिका) के आधार पर मैक्रोस्कोपिक गुणों की विशेषता होती है। , मेसोमोर्फिक चरण, क्रिस्टल, आदि)। डी।)।

रिसेप्टर के सापेक्ष सब्सट्रेट के स्थान का वर्णन करने के लिए एक विशेष औपचारिकता का उपयोग किया जाता है। बाहरी जोड़ परिसरों को , या के रूप में नामित किया जा सकता है। को में शामिल करने और σ और के आंशिक प्रतिच्छेदन के परिसरों को निरूपित करने के लिए, हम उपयोग करते हैं गणितीय प्रतीकसमावेशन और चौराहों - और , क्रमशः। मॉडर्न में रासायनिक साहित्यप्रतीक के साथ, वैकल्पिक प्रतीक @ का भी अक्सर उपयोग किया जाता है।

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री(अंग्रेज़ी) - रसायन विज्ञान का एक क्षेत्र जो सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं का अध्ययन करता है (दो या दो से अधिक अणुओं से मिलकर बने समूह); "आणविक पहनावा और अंतर-आणविक बांड की रसायन शास्त्र" (जेएम लीना द्वारा परिभाषा)।

विवरण

पारंपरिक रसायन शास्त्र पर आधारित है सहसंयोजी आबंधपरमाणुओं के बीच। उसी समय, जटिल नैनोसिस्टम्स और आणविक उपकरणों के संश्लेषण के लिए उपयोग किया जाता है सहसंयोजक रसायनपर्याप्त नहीं है, क्योंकि ऐसी प्रणालियों में कई हजार परमाणु हो सकते हैं। इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन बचाव के लिए आते हैं - वे अलग-अलग अणुओं को जटिल पहनावा में एकजुट करने में मदद करते हैं जिन्हें सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाएं कहा जाता है।

सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं का सबसे सरल उदाहरण मेजबान-अतिथि परिसर है। मेजबान (रिसेप्टर) आमतौर पर एक बड़ा होता है कार्बनिक अणुकेंद्र में एक गुहा के साथ, और अतिथि एक सरल अणु या आयन है। उदाहरण के लिए, विभिन्न आकारों (क्राउन ईथर) के चक्रीय पॉलीएस्टर क्षार धातु आयनों को मजबूती से बांधते हैं (चित्र 1)।

सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं को निम्नलिखित गुणों की विशेषता है।

1. मेजबान में एक नहीं, बल्कि कई बाध्यकारी केंद्रों की उपस्थिति। क्राउन ईथर में, यह भूमिका ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा अकेले के साथ निभाई जाती है इलेक्ट्रॉन जोड़े.

2. पूरकता: ज्यामितीय संरचनाएं और इलेक्ट्रॉनिक गुणमेजबान और अतिथि एक दूसरे के पूरक हैं। क्राउन ईथर में, यह इस तथ्य में प्रकट होता है कि गुहा का व्यास आयन त्रिज्या के अनुरूप होना चाहिए। पूरकता मेजबान को एक कड़ाई से परिभाषित संरचना के मेहमानों के चयनात्मक बंधन करने की अनुमति देती है। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में, इस घटना को "" (अंग्रेजी - आणविक मान्यता) (चित्र 2) कहा जाता है।

3. परिसरों के साथ एक लंबी संख्यापूरक मेजबान और अतिथि के बीच बंधन उच्च है संरचनात्मक संगठन.

सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाएं प्रकृति में बहुत व्यापक हैं। जीवित जीवों में सभी प्रतिक्रियाएं प्रोटीन उत्प्रेरक की भागीदारी के साथ आगे बढ़ती हैं। एंजाइम आदर्श मेजबान अणु हैं। प्रत्येक एंजाइम के सक्रिय केंद्र को इस तरह से व्यवस्थित किया जाता है कि केवल वही पदार्थ (सब्सट्रेट) जो आकार और ऊर्जा के अनुरूप होता है, उसमें प्रवेश कर सकता है; एंजाइम अन्य सबस्ट्रेट्स के साथ प्रतिक्रिया नहीं करेगा। सुपरमॉलेक्यूलर जैव रासायनिक संरचनाओं का एक अन्य उदाहरण अणु हैं जिनमें दो पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाएं कई हाइड्रोजन बांडों के माध्यम से एक दूसरे से पूरक रूप से जुड़ी हुई हैं। प्रत्येक श्रृंखला दूसरी श्रृंखला के लिए अतिथि और मेजबान दोनों है।

मुख्य प्रकार के गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाएं जो सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाएं बनाती हैं, आयनिक हैं, और। सभी गैर-सहसंयोजक इंटरैक्शन सहसंयोजक की तुलना में कमजोर होते हैं - उनकी ऊर्जा शायद ही कभी 100 kJ / mol तक पहुंचती है, हालांकि बड़ी संख्यामेजबान और अतिथि के बीच के बंधन सुपरमॉलेक्यूलर असेंबलियों की उच्च स्थिरता सुनिश्चित करते हैं। गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाएं व्यक्तिगत रूप से कमजोर होती हैं लेकिन सामूहिक रूप से मजबूत होती हैं।

सुपरमॉलेक्यूलर पहनावा का निर्माण अनायास हो सकता है - इस घटना को कहा जाता है। यह एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें छोटे आणविक घटक अनायास एक साथ जुड़कर बहुत बड़े और अधिक जटिल सुपरमॉलेक्यूलर बनाते हैं। स्व-संयोजन के दौरान, सिस्टम की एन्ट्रापी कम हो जाती है, एस

Δ जी = Δ एच – टीΔ एस

यह आवश्यक है कि एचएच| > | टीΔ एस|. इसका मतलब है कि आवंटन के साथ स्व-विधानसभा होती है एक लंबी संख्यागरमाहट। घर प्रेरक शक्तिस्व-संयोजन नए के गठन के माध्यम से गिब्स ऊर्जा को कम करने के लिए रासायनिक प्रणालियों की इच्छा है रासायनिक बन्ध, यहाँ एन्ट्रापी प्रभाव एन्ट्रापी पर प्रबल होता है।

सुपरमॉलेक्यूलर यौगिकों के मुख्य वर्ग कैविटैंड्स, क्रिप्टैंड्स, कैलीक्सैरेन्स, गेस्ट-होस्ट कॉम्प्लेक्स, कैटेनेन्स, हैं। सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं को भी जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।

सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री के तरीके ढूंढते हैं विस्तृत आवेदनमें रासायनिक विश्लेषण, दवा,

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C2H2, N2H2 और H202 जैसे अणुओं का रसायन विज्ञान px - और py - A के संयोजन से बनने वाले ऑर्बिटल्स द्वारा निर्धारित किया जाता है। रैखिक एसिटिलीन में, ये ऑर्बिटल्स भरे हुए tsv - और फ्री icg - ऑर्बिटल्स (ch। अणु) को जन्म देते हैं। , ज़ाहिर है, अक्षीय समरूपता है।

कार्बन मोनोऑक्साइड अणु के रसायन विज्ञान को इस रूप से अच्छी तरह से समझाया जा सकता है, जिसके समकक्ष आणविक कक्षीय सिद्धांत के संदर्भ में यहां विचार नहीं किया गया है। इस संरचना में, कार्बन में इलेक्ट्रॉनों की एक अलग जोड़ी और एक खाली कक्षा होती है, क्योंकि कार्बन नाभिक सामान्य ऑक्टेट के बजाय केवल इलेक्ट्रॉनों के एक सेक्सेट से घिरा होता है। इन विचारों के आधार पर, यह उम्मीद की जा सकती है कि कार्बन मोनोऑक्साइड न्यूक्लियोफिलिक समूहों के साथ बातचीत करने में भी सक्षम है, जैसे कि बेस, जो एक ऑक्टेट को भरने के लिए इलेक्ट्रॉनों का स्रोत हो सकता है। दरअसल, समान कार्बन मोनोऑक्साइड प्रतिक्रियाएं ज्ञात हैं; उनमें से कुछ पर नीचे भी चर्चा की जाएगी।

अणुओं का रसायन आधुनिक कार्बनिक रसायन बना हुआ है। हालांकि, अकार्बनिक यौगिकों के लिए, किसी पदार्थ के अस्तित्व का आणविक रूप केवल गैस और वाष्प अवस्था के लिए विशेषता है।

अणुओं का रसायन आधुनिक कार्बनिक रसायन बना हुआ है, और अधिकांश अकार्बनिक पदार्थनहीं है आणविक संरचना. पर अंतिम मामलामैक्रोबॉडी या तो उसी के परमाणुओं से बने होते हैं रासायनिक तत्व, या परमाणुओं से विभिन्न तत्व. अस्तित्व के एक गैर-आणविक रूप की मान्यता ठोसवायवीय (गैस) रसायन विज्ञान के लिए मान्य बुनियादी कानूनों और अवधारणाओं को आधुनिक बनाने के लिए रासायनिक परमाणु विज्ञान के कुछ प्रावधानों को संशोधित करने की आवश्यकता की ओर जाता है।

आणविक रसायन विज्ञान में, दो बुनियादी सिद्धांत हैं।

आणविक रसायन विज्ञान के रूप में, एक्ज़ोथिर्मिक और ऊष्माशोषी अभिक्रियाएँ. परिमाण और चिन्ह की परिभाषा थर्मल प्रभावद्रव्यमान और ऊर्जा के तुल्यता के नियम का उपयोग करके प्रतिक्रियाएं की जा सकती हैं।

आणविक रसायन विज्ञान की तुलना में समूह सिद्धांत यहां अधिक व्यापक रूप से लागू होता है। उसी समय, कण द्रव्यमान स्पेक्ट्रम की नियमितताओं को मूलभूत सिद्धांतों से प्राप्त करने की क्षमता, जैसे कि, जियोमेट्रोडायनामिक्स से, श्रोडिंगर समीकरण का उपयोग करके एक अणु की बाध्यकारी ऊर्जा की गणना करने की क्षमता से कहीं अधिक समस्याग्रस्त है।

कार्बनिक रसायन विज्ञान (अणुओं की रसायन शास्त्र) की गहराई में विकसित हुए विचारों और सिद्धांतों को क्षेत्र में विस्तारित करने की ऐसी इच्छा अकार्बनिक रसायन शास्त्रयह निकला, जैसा कि अब हमारे लिए स्पष्ट है, गैरकानूनी, मुख्यतः क्योंकि अकार्बनिक यौगिकएक नियम के रूप में, गैर-आणविक प्रणाली हैं। समान प्रणालियों में, सहसंयोजक नहीं, लेकिन आयोनिक बांड. विशिष्ट विशेषता जटिल यौगिकयह है कि वे अणुओं के यौगिक हैं, परमाणु नहीं।

सबसे पहले, यह केवल कॉफ़ैक्टर्स के बारे में था, हालांकि, अक्सर क्रिस्टलीय संरचनात्मक संघों के विश्लेषण के आधार पर पाए जाते थे और आणविक रसायन विज्ञान में स्थानांतरित हो जाते थे, आणविक रसायन विज्ञान और क्रिस्टल रसायन विज्ञान के बीच संबंधों पर सामग्री की कमी के बावजूद। कुछ वर्गों के यौगिकों के लिए, ये संबंध इतने सरल हैं कि वे कुछ निश्चित संयोजकता को कणों को पूर्वनिर्धारित करने की अनुमति देते हैं, जिससे वास्तविक गुणांक प्राप्त किए जा सकते हैं। इस बात को नज़रअंदाज़ नहीं किया जाना चाहिए कि यह नियमितता (जिसे अनेक कठिनाइयों के कारण हल्के में नहीं लिया जा सकता है) रासायनिक यौगिकसामान्य तौर पर) इतनी जल्दी केवल एक भू-रासायनिक कारण के लिए मान्यता प्राप्त की। ऑक्सीजन है आवश्यक तत्वबाहरी स्थलमंडल, और ठीक ऑक्सीजन परमाणुओं और अन्य तत्वों की संख्या के बीच संबंध के आधार पर ऑक्सीजन यौगिकएक नियम काटा गया था कि विद्युत तटस्थ संघों के लिए कोई भी स्टोइकोमेट्रिक अनुपात असंभव है।

सबसे पहले, यह केवल गुणांक के बारे में था, हालांकि, अक्सर क्रिस्टलीय संरचनात्मक संघों के विश्लेषण के आधार पर पाए जाते थे और आणविक रसायन विज्ञान और क्रिस्टल रसायन विज्ञान के बीच संबंधों पर सामग्री की कमी के बावजूद आणविक रसायन शास्त्र में स्थानांतरित हो जाते थे। वर्तमान में, हम मान सकते हैं कि विद्युत रूप से तटस्थ परमाणु संघों में प्रसिद्ध प्रजातिसामान्य परिस्थितियों में परमाणु दूसरों के लिए सरल स्टोइकोमेट्रिक अनुपात में खड़े होते हैं। कुछ वर्गों के यौगिकों के लिए, ये संबंध इतने सरल हैं कि वे कुछ निश्चित संयोजकता को कणों को पूर्वनिर्धारित करने की अनुमति देते हैं, जिससे वास्तविक गुणांक प्राप्त किए जा सकते हैं। इस बात को नज़रअंदाज नहीं किया जाना चाहिए कि यह नियमितता (जो कई कठिनाइयों के कारण, सामान्य रूप से रासायनिक यौगिकों के लिए नहीं दी जा सकती है) को केवल एक भू-रासायनिक कारण के लिए इतनी जल्दी पहचान लिया गया था। ऑक्सीजन बाहरी स्थलमंडल का सबसे महत्वपूर्ण तत्व है, और यह ऑक्सीजन यौगिकों में ऑक्सीजन परमाणुओं और अन्य तत्वों की संख्या के बीच अनुपात के आधार पर था कि नियम प्राप्त किया गया था कि विद्युत तटस्थ संघों के लिए कोई भी स्टोइकोमेट्रिक अनुपात असंभव है।

पॉलीएटोमिक सिस्टम में इलेक्ट्रॉनिक-कंपन (या, संक्षेप में, वाइब्रोनिक) इंटरैक्शन की अभिव्यक्तियां, जो साहित्य में संयुक्त हैं साधारण नामजाह्न-टेलर प्रभाव, वर्तमान में अणुओं और क्रिस्टल के भौतिकी और रसायन विज्ञान में एक नई तेजी से विकासशील दिशा बनाता है।

यह देखना आसान है कि प्रतिक्रियाओं I और II के बीच हैं मूलभूत अंतर. प्रतिक्रिया मैं अणुओं के रसायन विज्ञान का प्रतिनिधित्व करता हूं; उनके अभिकर्मकों की सक्रियता में केवल ऊर्जा कारक भाग लेते हैं। प्रतिक्रियाएं II संपूर्ण रसायन विज्ञान का प्रतिनिधित्व करती हैं, अणुओं का परिवर्तन जिसमें मुख्य रूप से बर्थोलाइड सिस्टम की भागीदारी के साथ किया जाता है। प्रतिक्रियाओं की दिशा और दर I पूरी तरह से निर्धारित हैं रासायनिक संरचनाप्रतिक्रिया करने वाले अणु। प्रतिक्रिया II की दिशा और दर प्रतिक्रिया करने वाले अणुओं की रासायनिक संरचना और दोनों द्वारा निर्धारित की जाती है रासायनिक संगठनउत्प्रेरक प्रणाली।

चूँकि वलय के निर्माण के लिए बंद है हाइड्रोजन बांड, ज़रूरी उत्साहित राज्य, जाहिरा तौर पर, प्रभाव का विस्तार से अध्ययन करने का कोई मतलब नहीं है विभिन्न समूहपारंपरिक कार्बनिक रसायन विज्ञान प्रतिक्रियाओं से डेटा का उपयोग कर चक्रीकरण प्रक्रिया पर प्रतिस्थापन। यह कहा जा सकता है कि फोटोकैमिस्ट्री का संबंध जमीनी अवस्था के बजाय उत्तेजित अवस्था में अणुओं के रसायन विज्ञान से है।

मैं के मुद्दे को संक्षेप में संबोधित करना चाहता था जेटट्रिपल अणु। यह प्रश्न, सामान्यतया, बहुत बड़ा है, क्योंकि त्रिक अवस्था में अणुओं का रसायन एक स्वतंत्र क्षेत्र है। मैं केवल त्रिक अवस्था में अणुओं को शामिल करने वाली प्रतिक्रिया की सक्रियण ऊर्जा की गुणात्मक विशेषता पर ध्यान दूंगा। ऐसे अणु और मूलक में क्या अंतर है। सबसे सरल उदाहरण O2 अणु है, जिसके लिए त्रिक अवस्था जमीनी अवस्था है। पर इस मामले मेंजाहिर है, कोई सक्रियण ऊर्जा नहीं है।