Kimia supramolekul
Perkembangan bidang ilmu yang disebut kimia supramolekul dianalisa. Definisi dan konsep utama dari disiplin ini diberikan. Dalam konteks sejarah, studi yang meletakkan dasar-dasar kimia supramolekul dipertimbangkan. Contoh dari beberapa benda khasnya, klatrat dan siklodekstrin, diberikan. Perlu dicatat bahwa pencapaian terbaru dalam kimia supramolekul dan area penggunaannya yang paling menjanjikan dikaitkan dengan proses perakitan sendiri dan pengaturan mandiri, yang, khususnya, dapat diimplementasikan dalam sintesis supramolekul dan pembuatan molekul dan supramolekul. perangkat.
Kimia supramolekul. Latar Belakang
Kimia supramolekul adalah salah satu bidang kimia yang paling muda dan sekaligus berkembang pesat. Selama 25 - 30 tahun keberadaannya, ia telah berhasil melewati sejumlah tahapan penting, tetapi pada saat yang sama, gagasan dan konsep utama disiplin ini belum dikenal dan diterima secara umum. Dalam tinjauan ini, kami telah berusaha untuk melacak perkembangan bidang ilmu yang disebut kimia supramolekul, untuk mengidentifikasi definisi yang paling berhasil dari tugas-tugas utamanya dan konsep-konsep yang paling penting, dan juga untuk menguraikan keadaan dan prospek saat ini.
Istilah "kimia supramolekul" dan konsep dasar disiplin ini diperkenalkan oleh ilmuwan Prancis J.-M. Lenom pada tahun 1978 sebagai bagian dari pengembangan dan generalisasi karya-karya sebelumnya (khususnya, pada tahun 1973 istilah "supermolekul" muncul dalam karya-karyanya). Kimia supramolekul didefinisikan dengan kata-kata: "Sama seperti ada bidang kimia molekul berdasarkan ikatan kovalen, ada juga bidang kimia supramolekul, kimia ansambel molekul dan ikatan antarmolekul." Selanjutnya, definisi pertama ini dirumuskan ulang berkali-kali. Contoh definisi lain yang diberikan oleh Len: “kimia supramolekul adalah “kimia di luar molekul” yang mempelajari struktur dan fungsi asosiasi dua atau lebih spesies kimia yang disatukan oleh gaya antarmolekul” .
Dalam banyak kasus, komponen yang membentuk sistem supramolekul dapat disebut (dengan analogi dengan sistem yang dipertimbangkan dalam biologi molekuler) reseptor dan substrat molekuler, yang terakhir adalah komponen yang lebih kecil yang perlu diikat.
Untuk menggambarkan objek kimia secara memadai, perlu untuk menunjukkan unsur-unsurnya dan jenis ikatan di antara mereka, serta karakteristik spasial (geometris, topologi). Objek kimia supramolekul, supermolekul, memiliki kepastian yang sama dengan molekul individu yang menyusunnya. Dapat dikatakan bahwa "supermolekul dalam kaitannya dengan molekul apa molekul dalam kaitannya dengan atom, dan peran ikatan kovalen dalam supermolekul dimainkan oleh interaksi antarmolekul".
Menurut Lehn, kimia supramolekul dapat dipecah menjadi dua bidang yang luas dan tumpang tindih:
– kimia supermolekul – partikel oligomolekul yang terdefinisi dengan jelas yang dihasilkan dari asosiasi antarmolekul dari beberapa komponen – reseptor dan substratnya (substrat) dan dibangun berdasarkan prinsip pengenalan molekul;
- kimia ansambel molekul - sistem polimolekul yang terbentuk sebagai hasil dari asosiasi spontan sejumlah komponen yang tidak terbatas dengan transisi ke fase tertentu yang memiliki organisasi mikroskopis yang kurang lebih jelas dan karakteristiknya tergantung pada sifatnya (misalnya, klatrat, membran, vesikel, misel).
Formasi supramolekul dapat dicirikan oleh pengaturan spasial komponen, arsitekturnya, "suprastruktur", serta jenis interaksi antarmolekul yang menyatukan komponen. Ansambel supramolekul memiliki sifat struktural, konformasi, termodinamika, kinetik dan dinamis yang terdefinisi dengan baik; berbagai jenis interaksi dapat dibedakan di dalamnya, berbeda dalam kekuatan, arah, ketergantungan pada jarak dan sudut: interaksi koordinasi dengan ion logam, gaya elektrostatik, hidrogen ikatan, interaksi van der Waals, interaksi donor-akseptor, dll. Kekuatan interaksi dapat bervariasi dalam rentang yang luas, dari lemah atau sedang, seperti dalam pembentukan ikatan hidrogen, hingga kuat dan sangat kuat, seperti dalam pembentukan koordinasi ikatan dengan logam. Namun, secara umum, interaksi antarmolekul lebih lemah daripada ikatan kovalen, sehingga asosiasi supramolekul kurang stabil secara termodinamika, lebih labil secara kinetik, dan lebih fleksibel secara dinamis daripada molekul.
Dengan demikian, kimia supramolekul mencakup dan memungkinkan untuk mempertimbangkan dari sudut pandang terpadu semua jenis asosiasi molekuler, dari kemungkinan terkecil (dimer) hingga terbesar (fase terorganisir). Sekali lagi perlu ditegaskan bahwa benda-benda kimia supramolekul pasti mengandung bagian-bagian (subsistem) yang tidak terikat secara kovalen.
Lehn mengusulkan untuk mengilustrasikan transisi dari kimia molekuler ke supramolekul dengan skema yang ditunjukkan pada Gambar. satu .
Gambar 1. Skema transisi dari kimia molekuler ke supramolekul
Fungsi utama supermolekul: pengenalan molekul, transformasi (katalisis) dan transfer. Supermolekul fungsional bersama dengan rakitan dan fase polimolekul terorganisir dapat digunakan untuk membuat perangkat molekuler dan supramolekul.
Selain Lehn, kita juga harus menyebutkan C. J. Pedersen dan D. J. Crum, yang karya dan penelitiannya memainkan peran penting dalam pengembangan kimia supramolekul. Pada tahun 1987, ketiga ilmuwan ini dianugerahi Hadiah Nobel dalam Kimia (atas kontribusi mereka yang menentukan dalam pengembangan kimia senyawa makroheterosiklik yang mampu secara selektif membentuk kompleks molekul tuan rumah-tamu).
Penelitian yang meletakkan dasar-dasar kimia supramolekul
Asal usul konsep dasar kimia supramolekul dapat ditemukan dalam karya-karya yang dilakukan di masa lalu dan di awal abad ini. Jadi, P. Ehrlich pada tahun 1906 sebenarnya memperkenalkan konsep reseptor dan substrat, menekankan bahwa molekul tidak bereaksi satu sama lain jika mereka tidak terlebih dahulu masuk ke dalam ikatan tertentu. Namun, pengikatannya tidak boleh sembarang, melainkan selektif. Hal ini ditekankan oleh E. Fischer pada tahun 1894, ketika ia merumuskan prinsip "kunci-kunci", sebuah prinsip yang menunjukkan bahwa korespondensi sterik, komplementaritas geometris dari reseptor dan substrat, adalah dasar pengenalan molekuler. Akhirnya, pengikatan selektif membutuhkan interaksi, afinitas antara mitra, dan akar dari ide ini dapat dicari dalam karya A. Werner, yang membuat kimia supramolekul dalam hal ini generalisasi dan pengembangan kimia koordinasi.
Menurut J.-M. Len, ketiga konsep ini - fiksasi (pengikatan), pengenalan dan koordinasi - meletakkan dasar bagi kimia supramolekul.
Beberapa konsep lain dari kimia supramolekul juga telah dikenal sejak lama. Bahkan istilahnya « bbermolekul”, mis. super, atau supermolekul, sudah diperkenalkan pada pertengahan 30-an. abad kita untuk menggambarkan tingkat organisasi yang lebih tinggi yang timbul dari asosiasi molekul jenuh koordinatif (misalnya, selama pembentukan dimer asam asetat). Peran penting organisasi supramolekul dalam biologi telah diketahui dengan baik.
Namun, kemunculan dan perkembangan kimia supramolekul sebagai bidang independen dalam sistem ilmu kimia terjadi jauh kemudian. Inilah yang J.-M. Len dalam bukunya: “... untuk kemunculan dan perkembangan pesat suatu disiplin ilmu baru, diperlukan kombinasi tiga kondisi. Pertama, perlu untuk mengenali paradigma baru yang menunjukkan pentingnya pengamatan, data, hasil yang berbeda dan tampaknya tidak terkait dan menggabungkannya menjadi satu kesatuan yang koheren. Kedua, alat diperlukan untuk mempelajari objek di area ini, dan di sini perkembangan metode fisik modern untuk mempelajari struktur dan sifat (IR, UV, dan terutama spektroskopi NMR, spektrometri massa, difraksi sinar-X, dll.) telah memainkan peran penting. peran yang menentukan dalam kimia supramolekul. , yang memungkinkan untuk mempelajari bahkan ansambel supramolekul yang relatif labil yang dicirikan oleh interaksi non-kovalen energi rendah. Ketiga, kesediaan komunitas ilmiah untuk menerima paradigma baru diperlukan agar disiplin baru dapat menemukan respons tidak hanya di antara spesialis yang terlibat langsung di dalamnya, tetapi juga di bidang sains yang dekat (dan tidak terlalu dekat). Ini telah terjadi dengan kimia supramolekul, sejauh yang dapat dinilai dari laju perkembangan dan penetrasinya yang cepat ke dalam disiplin ilmu lain selama 25 tahun terakhir.
Menurut Lehn, "... kimia supramolekul seperti yang kita kenal sekarang dimulai dengan studi tentang pengikatan selektif kation logam alkali oleh ligan makrosiklik dan makropolisiklik alami dan sintetis, eter mahkota dan kriptan" .
Di antara jenis senyawa alami ini, pertama-tama, antibiotik valinomisin harus ditunjukkan. Penguraian strukturnya pada tahun 1963, di mana para ilmuwan Soviet yang dipimpin oleh Yu. A. Ovchinnikov memberikan kontribusi besar, jauh melampaui penemuan biasa. Depsipeptida siklik ini (dibangun dari residu asam amino dan hidroksi yang dihubungkan oleh ikatan amida dan ester) ternyata menjadi yang pertama di antara komplekson aktif-membran, atau ionofor. Nama-nama tersebut mencerminkan kemampuan zat ini untuk memberikan senyawa kompleks dengan kation basa dalam larutan dan untuk mentransfer kation terikat melalui membran biologis. Dengan ditemukannya ionofor, kemungkinan pengaturan tujuan fluks ion dalam sistem kehidupan menjadi kemungkinan nyata. Untuk pekerjaan di bidang kompleks membran-aktif, Ovchinnikov dan rekan-rekannya dianugerahi Hadiah Lenin pada tahun 1978.
Tahap penting berikutnya dalam pengembangan kimia supramolekul dikaitkan dengan penemuan eter mahkota oleh C. Pedersen pada tahun 1962. Dalam upaya untuk mensintesis inhibitor untuk menstabilkan minyak bumi dari autoksidasi, Pedersen memperoleh produk sampingan yang sekarang disebut dibenzo-18-crown-6. Selanjutnya, Pedersen mensintesis dan mempelajari sekitar 60 poliester makrosiklik dengan jumlah atom oksigen dari 4 hingga 20 dan ukuran cincin dari 12 hingga 60. Ia menemukan bahwa eter mahkota membentuk kompleks kuat dengan kation logam alkali dan alkali tanah yang dapat diisolasi dalam bentuk kristal.
Pada tahun 1966 J.-M. Len menjadi tertarik pada proses yang terjadi di sistem saraf dan bertanya-tanya: dapatkah kimia berkontribusi pada studi fungsi biologis yang lebih tinggi ini? Proses kelistrikan dalam sel saraf didasarkan pada perubahan distribusi ion kalium dan natrium dalam membran sel. Makalah ilmiah yang diterbitkan pada saat itu menunjukkan bahwa valinomycin dapat memediasi transfer ion kalium ke dalam mitokondria. Hal ini membawa Len pada gagasan bahwa siklopeptida yang dibuat secara artifisial atau analognya yang sesuai dapat menjadi sarana untuk mempelajari distribusi kation dalam membran dan pengangkutannya melalui membran. Sifat tersebut juga ditunjukkan oleh antibiotik netral lain dari kelompok enniatin dan aktin, yang dijelaskan oleh pembentukan selektif kompleks dengan kation. logam alkali. Namun, menjadi perlu untuk mensintesis molekul yang secara kimiawi kurang aktif daripada peptida siklik. Peran penting untuk implementasi sintesis semacam itu dimainkan oleh penemuan Ch. Pedersen. Eter mahkota mulai dianggap sebagai zat yang menggabungkan kemampuan kompleks antibiotik makrosiklik dan fungsi stabil eter.
Gambar 2. Cryptands yang disintesis oleh J.-M. Lenom (m=0, n=1; m=1, n=0; m=n=1)
Pada saat yang sama, menjadi jelas bahwa senyawa yang memiliki rongga bola tiga dimensi, yang sepenuhnya menutupi ion terikat, harus membentuk kompleks yang lebih kuat daripada makrosiklus planar. Pekerjaan pada masalah ini dimulai pada Oktober 1967, dan pada musim gugur 1968 ester amino tiga dimensi pertama diperoleh, yang disebut Len sebagai cryptand (Gbr. 2, m=n=1). Kemampuannya untuk mengikat ion kalium dengan kuat segera dicatat, dan struktur kriptat (seluler) ditugaskan ke kompleks yang dihasilkan. Kriptat lain juga telah disintesis. Struktur mereka dikonfirmasi dengan menentukan struktur kristal dari sejumlah kompleks (Gbr. 3).
D. Cram menarik perhatian pada kelemahan signifikan dari eter mahkota dan kriptan, yang terdiri dari fakta bahwa keduanya tidak terorganisir dengan baik untuk menerima ion tamu: strukturnya, seolah-olah, berkerut, tetapi terisolasi dalam bentuk kristal. tidak diluruskan (Gbr. 4, a, b). Oleh karena itu, ketika kation memasuki rongga, diperlukan biaya energi untuk penyelarasannya (optimasi), dan ini mempengaruhi stabilitas kompleks. D. Cram memutuskan untuk merancang apa yang disebut "molekul-untuk"
Gambar 3. Struktur kripta rubidium
Wadah" dengan struktur yang telah diatur sebelumnya. Sebagai hasil dari sintesis multi-tahap yang kompleks pada awal 1980-an. spherands dan cavitands diperoleh (Gbr. 4 c, d) - semacam mangkuk molekuler, yang dindingnya dilapisi dengan inti aromatik, dan lekukan di mana partikel tamu jatuh dilapisi dengan atom oksigen. Mangkuk ini bahkan memiliki kaki - gugus metil yang terkait dengan radikal fenil. Dalam perjalanan studi, ternyata senyawa yang diperoleh membentuk kompleks yang jauh lebih stabil dengan kation logam alkali daripada eter mahkota dan kriptan. Molekul netral kecil, seperti CH 2 Cl 2 , CH 3 CN, SO 2, juga dapat masuk ke dalam mangkuk kavitas dan tertahan di sana.
Perlu dicatat bahwa senyawa yang lebih kompleks juga memiliki proses pengenalan molekul yang lebih kompleks. Jika kompleks kriptat sederhana dicirikan oleh pengenalan - "bola" - yang paling sederhana, di mana hanya ukuran bola, yang mendekati substrat, yang berperan, maka untuk senyawa kompleks, pengenalan molekul dapat berupa pengenalan "tetrahedral" atau "linier". , dilakukan oleh reseptor dari berbagai jenis. Pada tahun-tahun berikutnya, semua jenis proses pengenalan molekuler yang banyak ini dipelajari, dan reseptor yang terlibat dalam proses tersebut termasuk dalam kelas senyawa yang sangat berbeda (eter mahkota, cryptands, spherands, cavitands, kaliksarena, siklofan, siklodekstrin, kriptofan, dll.) . Seperti yang ditulis Lehn, "... bidang penelitian telah berkembang, yang mengarah pada realisasi pengenalan molekuler sebagai bidang baru penelitian kimia, yang, dengan memusatkan perhatian pada interaksi dan proses antarmolekul secara umum, menyebar ke seluruh rentang bidang terkait, telah berkembang menjadi kimia supramolekul".
Gambar 4. Struktur nyata (tidak teratur) dari eter mahkota (a), cryptand (b) dan struktur cavitand (c) dan bola (d) yang telah diatur sebelumnya
Sejarah studi beberapa objek khas kimia supramolekul
Dalam konteks sejarah, objek kimia supramolekul yang dipelajari pertama kali adalah senyawa inklusi, yang kemudian disebut klatrat. Klatrat adalah senyawa yang dibentuk oleh penggabungan molekul, yang disebut tamu, ke dalam rongga perancah yang terdiri dari molekul dari jenis yang berbeda, yang disebut inang, atau ke dalam rongga satu molekul inang besar. Seringkali tidak ada interaksi lain antara tamu dan tuan rumah selain interaksi van der Waals. Stabilitas termodinamika senyawa tersebut dipastikan oleh geometri yang menguntungkan dari susunan molekul tamu di rongga kerangka inang, sebagai akibatnya interaksi antarmolekul yang lemah menyebabkan perolehan energi dibandingkan dengan energi komponen komponen awal. dalam keadaan bebas. Dalam hal ini, seperti untuk senyawa kimia konvensional, rasio komponen penyusunnya dapat bervariasi, seperti dalam kasus hidrokuinon klatrat dengan gas mulia, atau didefinisikan secara ketat, seperti dalam senyawa urea dengan parafin dan di sebagian besar hidrat klatrat.
Zat-zat yang saat ini dianggap sebagai senyawa inklusi ternyata yang pertama kali diamati oleh A. Cronstedt, yang menemukan zeolit stilbita pada tahun 1756, dan J. Priestley, yang pada tahun 1778 menemukan “anomali es”, yang ternyata adalah SO 2 hidrat. . 10H2O. Tahun 1785 – 1786. B. Peletier dan W. Karsten, dan pada tahun 1811 G. Davy mengamati pembentukan kristal selama pendinginan gas klorin, kemudian (pada tahun 1823) M. Faraday menetapkan bahwa itu adalah Cl 2 . 10H 2 O, bagaimanapun, struktur hidrat ini dibuat hanya pada tahun 1952 oleh M. Stackelberg dan G. Müller.
Gambar 5. Struktur kompleks klatrat tiourea dengan adamantane 3:1
Konsep amo dan istilah “clathrate” dalam interpretasi modernnya diperkenalkan pada tahun 1947 oleh G. Powell. pada gambar. Gambar 5 menunjukkan struktur kompleks klatrat tiourea-adamantane 3:1 sebagai contoh. Kompleks klatrat juga termasuk senyawa inklusi siklodekstrin.
Gambar 6. Struktur siklodekstrin: a - struktur kimia, b - bentuk
Iclodextrins adalah oligosakarida siklik yang molekulnya dibangun dari enam, tujuh atau delapan (n=6, 7, 8) unit d-glukopiranosa dihubungkan oleh ikatan -1,4-glikosidik (Gbr. 6). Molekul siklodekstrin memiliki bentuk kerucut terpotong (ember), berongga di dalamnya, di mana 6–8 gugus OH primer terletak di sepanjang keliling basa bawah, dan 12–16 gugus OH sekunder terletak di sepanjang keliling basa atas. . Siklodekstrin ditemukan pada tahun 1891 oleh A. Villiers, dan deskripsi rinci pertama dari isolasi mereka diterbitkan pada tahun 1903 oleh F. Shardinger. Pada tahun 1938, K. Freudenberg menentukan struktur siklodekstrin. Sejak itu, reseptor alami (alami) ini telah digunakan untuk berbagai tujuan. Jadi, F. Kramer pada tahun 1954 untuk pertama kalinya menunjukkan bahwa siklodekstrin dapat membentuk kompleks inklusi dengan berbagai substrat. Peran mereka sebagai katalis dipelajari oleh I. Tabushi dan Breslow pada tahun 1982.
Sifat interaksi antara siklodekstrin dan "tamu" belum ditetapkan dengan jelas dan dibahas secara luas. Interaksi yang relatif lemah (van der Waals, hidrofobik, dll.) tampaknya paling mungkin, yang memungkinkan untuk mengklasifikasikan kompleks ini sebagai objek kimia supramolekul. Transformasi kimia kompleks tersebut mengarah pada pembentukan struktur molekul kompleks, seperti catenanes, rotaxane, polyrotaxane dan tabung, yang tidak mudah diperoleh dengan metode lain. Kemampuan siklodekstrin untuk membentuk kompleks yang kuat dalam larutan berair dengan sejumlah besar "tamu" dari berbagai jenis telah menyebabkan penggunaannya sebagai blok bangunan untuk struktur nano yang dibentuk oleh perakitan sendiri dan termasuk dalam perangkat nano.
Keadaan Saat Ini dan Tren Perkembangan Kimia Supramolekul
Kemajuan terbaru dalam kimia supramolekul dan bidang penerapannya yang paling menjanjikan dikaitkan dengan proses pengenalan molekul.
Gambar 7. Perakitan sendiri yang melibatkan ikatan hidrogen antarmolekul
Nama dan formasi struktur baru karena apa yang disebut "proses mandiri". Konsep self-assembly dan self-organization diperkenalkan ke dalam kimia supramolekul oleh J.-M. Lenom dalam proses mempelajari pembentukan spontan kompleks anorganik (heliks ganda), yang berlangsung sebagai proses perakitan sendiri. Faktanya, konsep-konsep ini datang ke kimia supramolekul dari biokimia, di mana mereka menempati tempat penting lebih awal, karena biosintesis hanya dapat dilakukan melalui "proses mandiri". Manifestasi paling mencolok dari self-assembly pada satwa liar adalah self-assembly molekul asam nukleat, sintesis matriks protein; peran yang menentukan dari perakitan sendiri ditunjukkan oleh struktur spasial enzim dan reseptor yang ditentukan secara ketat.
Dalam kimia supramolekul, self-organisasi berarti generasi spontan, dalam kondisi tertentu, struktur supramolekul yang terdefinisi dengan baik dari konstituen individu. Menurut Lehn, self-assembly dan self-organization menggambarkan dua kelas fenomena yang berbeda tetapi tumpang tindih, self-assembly menjadi istilah yang lebih luas daripada self-organization. Perakitan mandiri supramolekul terdiri dari asosiasi spontan setidaknya dua atau lebih komponen, yang mengarah pada pembentukan supermolekul terpisah atau rakitan polimolekul yang diperluas (lapisan molekul, film, dll.). Dalam hal ini, proses asosiasi terjadi karena interaksi non-kovalen.
Gambar 8. Pesawat ulang-alik molekul diaktifkan dengan mengubah pH medium
Len mendefinisikan pengorganisasian diri sebagai asosiasi diri yang teratur yang:
1) mencakup sistem di mana kemunculan spontan keteraturan dalam ruang dan/atau waktu dimungkinkan, 2) mencakup tatanan spasial (struktural) dan temporal (dinamis), 3) hanya mempengaruhi tingkat supramolekul (non-kovalen), 4) adalah multikomponen. Dengan demikian, pengorganisasian diri mencakup interaksi dan integrasi, yang menentukan perilaku kolektif.
Pengorganisasian diri dapat terjadi dalam larutan, dalam fase kristal cair, atau dalam keadaan padat, dengan ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik dan donor-akseptor, serta efek medium (interaksi solvofobik) yang digunakan sebagai interaksi utama antar komponen. . pada gambar. Gambar 7 menunjukkan perakitan sendiri yang melibatkan ikatan hidrogen yang melibatkan dua molekul porfirin yang dimediasi oleh 2,4,6-triamino-5-alkilpirimidin. Struktur yang dihasilkan memiliki bentuk sel.
J.-M. Len mencatat bahwa "kontribusi kimia supramolekul untuk sintesis kimia dapat dipertimbangkan dalam dua aspek utama: produksi partikel supramolekul non-kovalen itu sendiri, yang secara langsung diekspresikan dalam proses perakitan sendiri, dan penggunaan fitur supramolekul untuk mempromosikan sintesis. struktur molekul kovalen". Sebenarnya sintesis supramolekul terdiri dari pembentukan struktur supramolekul melalui gaya antarmolekul terarah. Dalam hal ini, juga perlu bahwa selama sintesis, pembentukan partikel supramolekul terjadi selama sintesis itu sendiri. Dapat dikatakan bahwa sintesis supramolekul dimungkinkan jika ada semacam perencanaan dan pengendalian pada tingkat antarmolekul. Dalam sintesis partikel kovalen kompleks, kimia supramolekul dapat digunakan untuk memposisikan komponen sesuai keinginan, misalnya dengan perakitan sendiri. Ini membuka kemungkinan baru di bidang sintesis sistem yang kompleks, dan dalam beberapa tahun terakhir arah ini telah menjadi salah satu yang terkemuka.
Bidang lain yang menjanjikan untuk pengembangan kimia supramolekul adalah penciptaan perangkat molekuler dan supramolekul. Perangkat molekuler adalah sistem kimia yang terorganisir secara struktural dan terintegrasi secara fungsional. Mereka didasarkan pada organisasi spasial tertentu dari komponen tertentu dan dapat tertanam dalam struktur supramolekul. Perangkat fotonik, elektronik, atau ionik dapat dibedakan, tergantung pada apakah komponennya masing-masing fotoaktif, elektroaktif, atau ionik, mis. berpartisipasi dalam penyerapan atau emisi foton, adalah donor atau akseptor elektron, atau berpartisipasi dalam pertukaran ion.
Ada dua jenis komponen utama yang termasuk dalam perangkat tersebut: komponen aktif yang melakukan operasi tertentu (menerima, memberikan atau mengirimkan foton, elektron, ion, dll.), dan komponen struktural yang berpartisipasi dalam penciptaan arsitektur supramolekul, pengaturan penataan ruang yang diperlukan dari komponen aktif, khususnya, karena proses pengenalan. Selain itu, komponen tambahan dapat dimasukkan ke dalam komposisi perangkat, yang tujuannya adalah untuk mengubah sifat komponen aktif dan struktural. Hal utama adalah bahwa, tidak seperti bahan konvensional, komponen dan perangkat yang terdiri darinya harus menjalankan fungsinya pada tingkat molekuler dan supramolekul. Penggabungan perangkat molekuler ke dalam sistem supramolekul memungkinkan untuk memperoleh supermolekul atau ansambel fungsional (lapisan, film, membran, dll.).
Perangkat molekuler dan supramolekul, menurut definisi, masing-masing dibentuk dari komponen yang dihubungkan oleh ikatan kovalen dan non-kovalen. Perangkat supramolekul juga dapat mencakup perangkat yang komponennya dihubungkan oleh ikatan kovalen, tetapi setidaknya sebagian mempertahankan individualitasnya.
Baru-baru ini, dimungkinkan untuk membuat ansambel molekul pengalih yang mengubah struktur spasialnya tergantung pada aksi faktor eksternal seperti pH medium atau potensi elektrokimianya. Contohnya adalah rotaxane, ditunjukkan pada Gambar. 8. Ini terdiri dari rantai poliester panjang, yang "dijalin" melalui siklus yang dibangun dari dua residu dipiridil yang dihubungkan oleh jembatan siklofan. Untuk mencegah siklus melompat dari rantai, ia memiliki kelompok besar di ujungnya - substituen triisopropilsilil. Residu 4,4"-diaminodifenil dan 4,4"-dihidroksidifenil yang termasuk dalam rantai poliester memiliki sifat pendonor elektron yang nyata; oleh karena itu, siklus tetrakationik penarik elektron secara elektrostatik tetap pada mereka. Dalam hal ini, dua konformasi direalisasikan yang berada dalam keadaan kesetimbangan bergerak. Karena amina aromatik adalah donor elektron yang lebih kuat daripada fenol, bentuk di mana cincin berinteraksi dengan fragmen amina mendominasi. Namun, posisi kesetimbangan dapat diubah dengan memvariasikan keasaman medium. Dalam media yang sangat asam, atom nitrogen amina terprotonasi; sendiri menjadi akseptor elektron, dan cincin bis-dipiridinium benar-benar melompat ke fragmen fenolik. Hal yang sama terjadi ketika potensial elektrokimia eksternal berubah. Rupanya, sakelar molekuler dapat dibuat berdasarkan perangkat ini. Diyakini bahwa perangkat molekuler seperti itu akan memungkinkan pengembangan nanoteknologi di masa depan, yang sebagian besar akan menggantikan teknologi semikonduktor yang dominan saat ini.
Berbicara tentang fitur kimia supramolekul, orang harus memperhatikan fakta bahwa data struktural yang terperinci dan lengkap memainkan peran khusus yang sangat penting dalam ilmu ini. Kemajuan di bidang ini tidak akan mungkin tanpa analisis khusus dari konfigurasi spasial dan pengaturan spasial relatif dari komponen sistem supramolekul. Hal tersebut di atas memberikan alasan untuk mempertimbangkan kimia supramolekul sebagai bagian alami dari kimia struktural.
Seperti yang telah disebutkan, banyak ide dan bagian dari kimia supramolekul sebenarnya muncul jauh sebelum kelahiran formalnya. Untuk ini kita dapat menambahkan bahwa sifat interaksi antarmolekul (termasuk ikatan hidrogen dan interaksi spesifik lainnya), energi dan perannya dalam berbagai proses telah lama dipelajari dengan cermat, termasuk dalam karakteristik aspek struktural kimia supramolekul. Dengan demikian, seluruh sekolah bekerja di Rusia, mempelajari interaksi antarmolekul secara komprehensif.
Struktur kristal molekul, khususnya "campuran", seperti klatrat, dipelajari oleh A. I. Kitaygorodsky et al. , interaksi antarmolekul dalam adsorpsi dan kromatografi menjadi subjek penelitian oleh A. V. Kiselev et al. , pengaruh interaksi non-valensi pada konformasi molekul menjadi subjek karya VG Dashevsky. Namun pencipta kimia supramolekul secara adil dianggap J.-M. Len, C.J. Pedersen, dan D.J. Crum.
Kelebihan utama dari para ilmuwan luar biasa ini terletak pada kenyataan bahwa mereka mengarahkan gudang senjata kimia tradisional, pencapaian dalam studi fisika dan kimia gaya antarmolekul, dan semua kekuatan metode penelitian fisik modern untuk menciptakan objek kimia baru yang fundamental, signifikansi teoretis dan praktis yang sangat besar dan, tampaknya, , belum sepenuhnya dipahami.
literatur
|
1. Volkov V.A., Vonsky E.V., Kuznetsova G.I. // Ahli kimia terkemuka di dunia. M. 1991. 2. Lehn J.-M. // Murni dan Apel. Kimia 1978. 50. P. 871. 3. Lehn J.-M. // Struktur. ikatan. 1973. 16. Hal 1. 4. Len J.-M.. // Kimia luar negeri., M. 1989. C. 13. 5. Lehn J.-M. // Sains. 1985. 227. Hal. 849. 6. Lehn J.-M. Kimia supramolekul, Konsep dan Perspektif. Weinheim, 1995. Terjemahan Rusia: Len J.-M. kimia supramolekul. Konsep dan perspektif. Novosibirsk, 1998. 7. Len J.-M. // Jurnal Kimia Rusia. 1995. 39. S.94. 8. Ehrlich P. // Studi tentang Imunitas. Wiley. N.Y., 1906. Dikutip dari . 9. Fischer E. // Ber. Jerman Kimia Ges. 1894. 27. 2985. Dikutip dari . 10. Werner A. // Zeitschr. Anorg. Kimia 1893. 3. 267. Dikutip dari . 11. Wolf K.L., Frahm F., Harms H. // Z. Phys. Kimia Abt. 1937. B 36. P. 17. Dikutip dari . 12. Lehn J.-M. // Murni dan Apel. Kimia 1979. 51. Hal. 979. 13. Ovchinnikov Yu.A., Ivanov V.T., Shkrob A.M. Komplekson aktif-membran. M. 1974. 14. Davydova S.L. Macrocycles yang luar biasa. L., 1989. 15. Pedersen C.J. Kimia di luar negeri. M., 1989. 16. Pozharsky A.F. // Jurnal pendidikan Soros. 1997. Nomor 9. S.32. 17. Cram D.J. // Sains. 1983. 219. Hal. 1177. 18. Dyadin Yu.A., Udachin K.A., Bondaryuk I.V. Koneksi inklusi. Novosibirsk. 1988. 19. Muller A., Reuter H., Dillinger S. // Angew. Kimia Int. Ed. Bahasa inggris 1995. 34. Hal. 2328. 20. Powell H.M. // J. Kimia. pergaulan 1948. 1. Hal. 61. 21. Gopal R., Robertson B.E., Rutherford J.S. // Akta Kristal. C. 1989. 45. P. 257. 22. Philp D., Stoddart J.F. // Angew. Kimia Int. Ed. Bahasa inggris 1996. 35. Hal. 1155. 23. Wenz G. // Angew. Kimia Int. Ed. Bahasa inggris 1994. 33. P.803. 24. Viliers A., Hebd C.R. // Sesi Acad. sci. 1891. 112. P. 536. Dikutip. pada . 25. Schardinger F. // Z. Unters Nahr. Genusisme. Gebrauchsgegenstaende. 1903. 6. 865, Op. pada . 26. Cramer F. Einschlussverbindungen. Berlin, Springer-Werlag, 1954, op. pada . 27. Tabushi I. // Acc. Kimia Res. 1982. 15. P. 66. Dikutip. pada . 28. Lehn J.-M., Rigault A., Siegel J., Harrowfield J., Chevrier B., Moras D., Proc. Natal akad. sci. AMERIKA SERIKAT. 1987. 84. Hal. 2565. 29. . Pozharsky A.F. // Jurnal pendidikan Soros. 1997. No. 9. Hal. 40. 30. Lawrence D.S., Jiang T., Levett M., Chem. Putaran. 1995. 95. Hal. 2229. 31. Kitaygorodsky A.I. kristal molekul. M., 1971. 32. Kitaygorodsky A.I. kristal campuran. M., 1983. 33. Avgul N.N., Kiselev A.V., Poshkus V.D. adsorpsi pada permukaan yang homogen. M., 1975. 34. Dashevsky V.G. Konformasi molekul organik. M., 1974. 35. Dashevsky V.G. Analisis konformasi makromolekul. M., 1987. |
Kimia, konsep dasar yang akan kita bahas, adalah ilmu yang mempelajari zat dan transformasinya yang terjadi dengan perubahan struktur dan komposisi, dan karenanya sifat. Pertama-tama, perlu untuk mendefinisikan apa arti istilah "substansi". Jika kita membicarakannya di pengertian luas, itu adalah bentuk materi yang memiliki massa diam. Zat apa pun adalah partikel dasar, misalnya neutron. Dalam kimia, konsep ini digunakan dalam arti yang lebih sempit.
Untuk memulainya, mari kita jelaskan secara singkat istilah dan konsep dasar kimia, ilmu atom dan molekuler. Setelah itu, kami akan menjelaskannya, dan juga menguraikan beberapa hukum penting dari ilmu ini.
Konsep dasar kimia (zat, atom, molekul) sudah tidak asing lagi bagi kita masing-masing dari sekolah. Di bawah ini diberikan deskripsi singkat tentang mereka, serta istilah dan fenomena lain yang tidak begitu jelas.
atom
Pertama-tama, semua zat yang dipelajari dalam kimia terdiri dari partikel kecil yang disebut atom. Neutron bukanlah objek kajian ilmu ini. Juga harus dikatakan bahwa atom dapat bergabung satu sama lain, menghasilkan pembentukan ikatan kimia. Untuk memutuskan ikatan ini, diperlukan pengeluaran energi. Oleh karena itu, atom-atom di kondisi normal saja tidak ada (dengan pengecualian "gas mulia"). Mereka terhubung satu sama lain setidaknya berpasangan.
Gerakan termal terus menerus
Gerak termal berkelanjutan mencirikan semua partikel yang dipelajari oleh kimia. Konsep dasar ilmu ini tidak dapat dinyatakan tanpa membicarakannya. Pada gerakan terus menerus partikel sebanding dengan suhu (namun, perlu dicatat bahwa energi masing-masing partikel berbeda). Ekin = kT / 2, dimana k - Konstanta Boltzmann. Rumus ini berlaku untuk semua jenis gerakan. Karena Ekin = mV 2 / 2, gerakan partikel masif lebih lambat. Misalnya, jika suhunya sama, molekul oksigen bergerak rata-rata 4 kali lebih lambat daripada molekul karbon. Ini karena massa mereka 16 kali lebih besar. Gerakannya berosilasi, translasi dan rotasi. Getaran diamati dalam cairan dan padatan, dan dalam zat gas. Tapi translasi dan rotasi paling mudah dilakukan dalam gas. Dalam cairan lebih sulit, dan dalam padatan bahkan lebih sulit.
molekul
Kami terus menjelaskan konsep dasar dan definisi kimia. Jika atom bergabung satu sama lain, membentuk kelompok kecil (mereka disebut molekul), kelompok tersebut mengambil bagian dalam gerakan termal, bertindak sebagai satu kesatuan. Hingga 100 atom hadir dalam molekul tipikal, dan jumlahnya disebut senyawa makromolekul bisa mencapai 105.
Zat non-molekul
Namun, atom sering bersatu dalam kumpulan besar dari 107 hingga 1027. Dalam bentuk ini, mereka praktis tidak mengambil bagian dalam gerakan termal. Asosiasi ini memiliki sedikit kemiripan dengan molekul. Mereka lebih seperti potongan. tubuh yang kokoh. Zat-zat ini biasanya disebut non-molekul. Dalam hal ini, gerakan termal dilakukan di dalam potongan, dan itu tidak terbang seperti molekul. Ada juga daerah transisi ukuran, yang mencakup asosiasi yang terdiri dari atom dalam jumlah dari 105 hingga 107. Partikel ini adalah atau sangat molekul besar, atau butiran kecil bubuk.
ion
Perlu dicatat bahwa atom dan kelompoknya dapat memiliki muatan listrik. Dalam hal ini, mereka disebut ion dalam ilmu seperti kimia, konsep dasar yang kita pelajari. Karena muatan dengan nama yang sama selalu saling tolak menolak, suatu zat di mana terdapat kelebihan muatan tertentu yang signifikan tidak dapat stabil. negatif dan muatan positif selalu bergantian dalam ruang. Dan zat secara keseluruhan tetap netral secara elektrik. Perhatikan bahwa muatan, yang dianggap besar dalam elektrostatika, dapat diabaikan dari sudut pandang kimia (untuk 105-1015 atom - 1e).
Objek studi dalam kimia
Harus diklarifikasi bahwa objek studi dalam kimia adalah fenomena di mana atom tidak muncul dan tidak dihancurkan, tetapi hanya berkumpul kembali, yaitu, mereka bergabung dengan cara baru. Beberapa tautan rusak, menghasilkan pembentukan yang lain. Dengan kata lain, zat baru muncul dari atom-atom yang ada dalam komposisi bahan awal. Namun, jika kedua atom dan ikatan yang ada di antara mereka dipertahankan (misalnya, selama penguapan zat molekuler), maka proses ini termasuk dalam bidang studi tidak lagi kimia, tetapi fisika molekuler. Dalam kasus ketika atom dibentuk atau dihancurkan, kita berbicara tentang subjek studi fisika nuklir atau atom. Namun, batas antara kimia dan fenomena fisik kabur. Bagaimanapun, pembagian menjadi ilmu individu kondisional, sedangkan alam tidak dapat dibagi. Oleh karena itu, pengetahuan fisika sangat berguna bagi ahli kimia.
Kami secara singkat menguraikan konsep dasar kimia. Sekarang kami mengundang Anda untuk mempertimbangkannya secara lebih rinci.
Lebih lanjut tentang atom
Atom dan molekul adalah apa yang banyak diasosiasikan dengan kimia. Konsep dasar ini harus didefinisikan dengan jelas. Fakta bahwa atom ada telah diduga dengan cemerlang dua ribu tahun yang lalu. Kemudian, sudah di abad ke-19, para ilmuwan memiliki data eksperimental (masih tidak langsung). Ini tentang tentang kelipatan rasio Avogadro, hukum kekekalan komposisi (di bawah ini kita akan membahas konsep dasar kimia ini). Atom terus dieksplorasi pada abad ke-20, ketika banyak yang mengarahkan bukti eksperimental. Mereka didasarkan pada data spektroskopi, pada hamburan sinar-X, partikel alfa, neutron, elektron, dll. Ukuran partikel ini sekitar 1 E = 1o -10 m. Massanya sekitar 10 -27 - 10 -25 kg Di pusat partikel ini terdapat nukleus bermuatan positif, di mana elektron bergerak dengan muatan negatif. Ukuran inti sekitar 10 -15 m. Ternyata kulit elektron menentukan ukuran atom, tetapi massanya hampir sepenuhnya terkonsentrasi di inti. Satu lagi definisi harus diperkenalkan, mengingat konsep dasar kimia. Jenis atom yang memiliki muatan inti yang sama.
Sering ditemukan sebagai partikel terkecil zat yang tidak dapat dibagi secara kimia. Seperti yang telah kita catat, pembagian fenomena menjadi fisik dan kimia adalah kondisional. Tetapi keberadaan atom tidak bersyarat. Oleh karena itu, lebih baik untuk mendefinisikan kimia melalui mereka, dan bukan sebaliknya, atom melalui kimia.
ikatan kimia
Inilah yang membuat atom tetap bersama. Dia tidak membiarkan mereka menyebar di bawah pengaruh gerakan termal. Kami mencatat karakteristik utama ikatan - ini adalah jarak dan energi internuklear. Ini juga merupakan konsep dasar kimia. Panjang ikatan ditentukan secara eksperimental dengan akurasi yang cukup tinggi. Energi - juga, tetapi tidak selalu. Misalnya, tidak mungkin untuk menentukan secara objektif apa hubungannya dengan koneksi terpisah dalam molekul yang kompleks. Namun, energi atomisasi suatu zat, yang diperlukan untuk memutuskan semua ikatan yang ada, selalu ditentukan. Dengan mengetahui panjang ikatan, Anda dapat menentukan atom mana yang terikat (berjarak pendek) dan mana yang tidak (berjarak jauh).
Nomor koordinasi dan koordinasi
Konsep dasar kimia Analisis mencakup kedua istilah tersebut. Apa yang mereka perjuangkan? Mari kita cari tahu.
Bilangan koordinasi adalah jumlah tetangga terdekat dari suatu bilangan atom tertentu. Dengan kata lain, ini adalah jumlah orang yang secara kimiawi berhubungan dengannya. Koordinasi adalah pengaturan bersama, jenis dan jumlah tetangga. Dengan kata lain, konsep ini lebih bermakna. Misalnya, bilangan koordinasi nitrogen, karakteristik molekul amonia dan asam sendawa, sama - 3. Namun, koordinasi mereka berbeda - non-planar dan datar. Itu ditentukan terlepas dari gagasan tentang sifat ikatan, sedangkan tingkat oksidasi dan valensi adalah konsep bersyarat yang dibuat untuk memprediksi koordinasi dan komposisi terlebih dahulu.
Definisi molekul
Kami telah menyentuh konsep ini, dengan mempertimbangkan konsep dasar dan hukum kimia secara singkat. Sekarang mari kita bahas lebih detail. Adalah umum dalam buku teks untuk mendefinisikan molekul sebagai yang terkecil partikel netral zat yang memiliki sifat kimia, dan juga mampu eksis secara mandiri. Perlu dicatat bahwa definisi ini adalah saat ini sudah ketinggalan jaman. Pertama, apa yang oleh semua fisikawan dan kimiawan disebut molekul tidak melestarikan sifat-sifat materi. Air terdisosiasi, tetapi ini membutuhkan minimal 2 molekul. Derajat disosiasi air adalah 10 -7 . Dengan kata lain, hanya satu molekul dari 10 juta yang dapat menjalani proses ini.Jika Anda memiliki satu molekul, atau bahkan seratus, Anda tidak akan bisa mendapatkan gambaran tentang disosiasinya. Faktanya adalah bahwa efek termal dari reaksi dalam kimia biasanya mencakup energi interaksi antar molekul. Oleh karena itu, mereka tidak dapat ditemukan oleh salah satu dari mereka. Baik kimia maupun zat fisik hanya dapat ditentukan dari sekelompok besar molekul. Selain itu, ada zat-zat di mana partikel "terkecil" yang mampu hidup secara mandiri berukuran besar dan sangat berbeda dari molekul biasa. Molekul sebenarnya adalah sekelompok atom yang tidak bermuatan listrik. Dalam kasus tertentu, ini mungkin satu atom, misalnya, Ne. Kelompok ini harus dapat berpartisipasi dalam difusi, serta dalam jenis gerakan termal lainnya, yang bertindak secara keseluruhan.
Seperti yang Anda lihat, konsep dasar kimia tidak begitu sederhana. Molekul adalah sesuatu yang perlu dipelajari dengan cermat. Ini memiliki sifat sendiri serta berat molekul. Kami akan berbicara tentang yang terakhir sekarang.
Massa molekul
Bagaimana menentukan berat molekul pada pengalaman? Salah satu cara didasarkan pada hukum Avogadro, menurut kepadatan relatif pasangan. Metode yang paling akurat adalah spektrometri massa. Sebuah elektron terlempar dari sebuah molekul. Ion yang dihasilkan pertama-tama dipercepat dalam medan listrik, kemudian dibelokkan secara magnetis. Rasio muatan terhadap massa ditentukan secara tepat oleh besarnya deviasi. Ada juga metode berdasarkan properti yang dimiliki solusi. Namun, molekul dalam semua kasus ini tentu harus bergerak - dalam larutan, dalam ruang hampa, dalam gas. Jika mereka tidak bergerak, tidak mungkin untuk menghitung massa mereka secara objektif. Dan keberadaan mereka dalam kasus ini sulit untuk dideteksi.
Fitur zat non-molekul
Berbicara tentang mereka, mereka mencatat bahwa mereka terdiri dari atom, bukan molekul. Namun, hal yang sama berlaku untuk gas mulia. Atom-atom ini bergerak bebas, oleh karena itu, lebih baik menganggapnya sebagai molekul monoatomik. Namun, ini bukan hal utama. Lebih penting lagi, dalam zat non-molekul ada banyak atom yang saling berhubungan. Perlu dicatat bahwa pembagian semua zat menjadi non-molekul dan molekuler tidak mencukupi. Pembagian berdasarkan konektivitas lebih bermakna. Perhatikan, misalnya, perbedaan sifat grafit dan berlian. Keduanya adalah karbon, tetapi yang pertama lunak dan yang kedua keras. Bagaimana mereka berbeda satu sama lain? Perbedaannya justru terletak pada konektivitasnya. Jika kita mempertimbangkan struktur grafit, kita akan melihat bahwa ikatan kuat hanya ada dalam dua dimensi. Tetapi yang ketiga, jarak antar atom sangat signifikan, oleh karena itu, tidak ada ikatan yang kuat. Grafit dengan mudah meluncur dan membelah lapisan ini.
Konektivitas Struktur
Jika tidak, itu disebut dimensi spasial. Ini mewakili jumlah dimensi ruang, dicirikan oleh fakta bahwa mereka memiliki sistem inti yang berkesinambungan (hampir tak terbatas) (koneksi kuat). Nilai yang dapat diambil adalah 0, 1, 2 dan 3. Oleh karena itu, perlu dibedakan antara struktur tiga dimensi yang terhubung, berlapis, rantai dan pulau (molekul).
Hukum kekekalan komposisi
Kita telah mempelajari konsep dasar kimia. Substansinya ditinjau secara singkat oleh kami. Sekarang mari kita bicara tentang hukum yang berlaku untuknya. Biasanya dirumuskan sebagai berikut: setiap zat individu (yaitu, murni), terlepas dari bagaimana diperoleh, memiliki kuantitas dan komposisi kualitatif. Tapi apa maksud dari konsep tersebut, mari kita lihat.
Dua ribu tahun yang lalu, ketika struktur zat belum dapat dipelajari dengan metode langsung, ketika dasar konsep kimia dan hukum kimia yang akrab bagi kita, itu didefinisikan secara deskriptif. Misalnya, air adalah cairan yang membentuk dasar laut dan sungai. Tidak memiliki bau, warna, rasa. Ada ini dan itu suhu beku dan leleh, berubah menjadi biru, air laut asin karena tidak bersih. Namun, garam dapat dipisahkan dengan distilasi. Kurang lebih seperti ini, metode deskriptif, konsep kimia dasar dan hukum kimia ditentukan.
Untuk ilmuwan waktu, tidak jelas bahwa cairan yang dilepaskan cara yang berbeda(pembakaran hidrogen, dehidrasi vitriol, distilasi air laut) memiliki komposisi yang sama. Sebuah penemuan besar dalam ilmu pengetahuan adalah bukti dari fakta ini. Menjadi jelas bahwa rasio oksigen dan hidrogen tidak dapat berubah dengan mulus. Ini berarti bahwa unsur-unsur terdiri dari atom - bagian yang tidak dapat dibagi. Jadi rumus zat diperoleh, dan gagasan para ilmuwan tentang molekul dibenarkan.
Saat ini, zat apa pun secara eksplisit atau implisit didefinisikan terutama oleh formula, dan bukan oleh titik leleh, rasa atau warna. Air adalah H 2 O. Jika ada molekul lain, itu tidak lagi murni. Oleh karena itu, murni zat molekul adalah salah satu yang terdiri dari molekul hanya satu jenis.
Namun, bagaimana dengan elektrolit dalam kasus ini? Bagaimanapun, mereka mengandung ion, bukan hanya molekul. Butuh lebih banyak definisi ketat. Zat molekul murni adalah zat yang terdiri dari molekul-molekul dari jenis yang sama, dan juga, mungkin, produk dari transformasi cepat reversibel mereka (isomerisasi, asosiasi, disosiasi). Kata "cepat" dalam konteks ini berarti bahwa kita tidak dapat membuang produk ini, mereka segera muncul lagi. Kata "reversibel" menunjukkan bahwa transformasi belum selesai. Jika dibawa, maka lebih baik dikatakan tidak stabil. Dalam hal ini, itu bukan zat murni.
Hukum kekekalan massa materi
Hukum ini telah dikenal dalam bentuk metafora sejak zaman kuno. Dia mengatakan bahwa materi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dihancurkan. Kemudian muncul formulasi kuantitatifnya. Menurutnya, berat (dan dari akhir abad ke-17 - massa) adalah ukuran jumlah suatu zat.
Hukum ini dalam bentuknya yang biasa ditemukan pada tahun 1748 oleh Lomonosov. Pada tahun 1789, dilengkapi oleh A. Lavoisier, seorang ilmuwan Prancis. Formulasi modernnya terdengar seperti ini: massa zat yang masuk ke dalam reaksi kimia, sama dengan massa zat yang dihasilkannya.
Hukum Avogadro, hukum perbandingan volumetrik gas
Yang terakhir ini dirumuskan pada tahun 1808 oleh J. L. Gay-Lussac, seorang ilmuwan Prancis. Hukum ini sekarang dikenal sebagai hukum Gay-Lussac. Menurutnya, volume gas yang bereaksi terkait satu sama lain, serta volume produk gas yang dihasilkan, sebagai bilangan bulat kecil.
Pola yang ditemukan Gay-Lussac menjelaskan hukum yang ditemukan beberapa saat kemudian, pada tahun 1811, oleh Amedeo Avogadro, seorang ilmuwan Italia. Dikatakan bahwa pada kondisi yang sama(tekanan dan suhu) dalam gas yang volumenya sama, jumlah molekulnya sama.
Dua konsekuensi penting mengikuti dari hukum Avogadro. Yang pertama adalah ketika kondisi yang sama satu mol gas apa pun menempati volume yang sama. Volume salah satu dari mereka kondisi normal(yang merupakan suhu 0 ° C, serta tekanan 101,325 kPa) adalah 22,4 liter. Konsekuensi kedua dari hukum ini adalah sebagai berikut: dalam kondisi yang sama, rasio massa gas yang memiliki volume yang sama sama dengan rasio massa molarnya.
Ada hukum lain, yang tentu harus disebutkan. Mari kita bahas secara singkat.
Hukum periodik dan tabel
D. I. Mendeleev, berdasarkan sifat kimia unsur dan ilmu atom dan molekul menemukan hukum ini. Peristiwa ini terjadi pada tanggal 1 Maret 1869. Hukum periodik adalah salah satu yang paling penting di alam. Hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut: sifat-sifat unsur dan kompleks dan zat sederhana memiliki ketergantungan periodik pada muatan inti atomnya.
Tabel periodik yang dibuat oleh Mendeleev terdiri dari tujuh periode dan delapan golongan. Grup adalah kolom vertikalnya. Unsur-unsur di dalamnya masing-masing memiliki fisik dan Sifat kimia. Kelompok, pada gilirannya, dibagi menjadi subkelompok (utama dan sekunder).
Baris horizontal tabel ini disebut periode. Unsur-unsur yang ada di dalamnya berbeda satu sama lain, tetapi mereka juga memiliki kesamaan - bahwa elektron terakhir mereka terletak pada yang sama tingkat energi. Hanya ada dua elemen pada periode pertama. Ini adalah hidrogen H dan helium He. Ada delapan elemen pada periode kedua. Sudah ada 18 di antaranya di babak keempat, Mendeleev menetapkan periode ini sebagai periode besar pertama. Yang kelima juga memiliki 18 elemen, strukturnya mirip dengan yang keempat. Yang keenam berisi 32 elemen. Yang ketujuh belum selesai. Periode ini dimulai dengan fransium (Fr). Kita dapat berasumsi bahwa itu akan berisi 32 elemen, seperti yang keenam. Namun, sejauh ini baru 24 yang ditemukan.
Aturan putar balik
Menurut aturan rollback, semua unsur cenderung mendapatkan atau kehilangan elektron agar memiliki konfigurasi gas mulia 8 elektron yang paling dekat dengan mereka. Energi ionisasi adalah jumlah energi yang diperlukan untuk memisahkan elektron dari atom. Aturan rollback menyatakan bahwa ketika bergerak dari kiri ke kanan pada tabel periodik diperlukan lebih banyak energi untuk melepaskan sebuah elektron. Oleh karena itu, unsur-unsur di sisi kiri cenderung kehilangan elektron. Sebaliknya, mereka yang berlokasi dengan sisi kanan ingin membelinya.
Kami secara singkat menguraikan hukum dan konsep dasar kimia. Tentu saja, ini hanya informasi Umum. Dalam kerangka satu artikel tidak mungkin untuk berbicara secara rinci tentang ilmu yang begitu serius. Konsep dasar dan hukum kimia, yang dirangkum dalam artikel kami, hanya titik awal untuk studi lebih lanjut. Memang, dalam ilmu ini ada banyak bagian. Ada, misalnya, kimia organik dan anorganik. Konsep dasar dari masing-masing bagian dari ilmu ini dapat dipelajari untuk waktu yang sangat lama. Tetapi yang disajikan di atas mengacu pada masalah umum. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa ini adalah konsep dasarnya kimia organik maupun anorganik.
Kimia supramolekul (supramolekul) (kimia supramolekul, Kimia Supermolekul) adalah bidang ilmu interdisipliner, termasuk kimia, fisika dan aspek biologis pertimbangan yang lebih kompleks daripada molekul, sistem kimia terhubung menjadi satu kesatuan melalui interaksi antarmolekul (non-kovalen). Objek kimia supramolekul - ansambel supramolekul, dibangun secara spontan dari pelengkap, yaitu, memiliki korespondensi geometris dan kimia dari fragmen, seperti perakitan spontan yang paling kompleks struktur ruang dalam sel hidup. Satu dari masalah mendasar kimia modern adalah desain terarah dari sistem semacam itu, penciptaan senyawa supramolekul yang sangat teratur dari "blok pembangun" molekul dengan struktur dan sifat tertentu. Formasi supramolekul dicirikan oleh pengaturan spasial komponennya, arsitekturnya, "suprastruktur", serta jenis interaksi antarmolekul yang menyatukan komponen. Secara umum, interaksi antarmolekul lebih lemah daripada ikatan kovalen, sehingga asosiasi supramolekul kurang stabil secara termodinamika, lebih labil secara kinetik, dan secara dinamis lebih fleksibel daripada molekul.
Menurut terminologi kimia supramolekul, komponen asosiasi supramolekul disebut reseptor(ρ) dan substrat(σ), dimana substrat adalah komponen yang lebih kecil yang masuk ke dalam ikatan. Ketentuan aktifkan koneksi, klatrat dan koneksi (kompleks) dari tipe tamu-host mengkarakterisasi senyawa yang ada dalam keadaan padat dan termasuk dalam ansambel supramolekul padat.
Pengikatan selektif substrat tertentu dan reseptornya dengan formasi supermolekul terjadi sebagai hasil dari proses pengenalan molekul. Jika, selain situs pengikatan, reseptor mengandung gugus fungsi reaktif, itu dapat mempengaruhi bahan kimia transformasi pada substrat yang terkait, bertindak sebagai katalis supramolekul. Reseptor lipofilik yang larut dalam membran dapat bertindak sebagai pembawa, melaksanakan mengangkut, transfer substrat terkait. Dengan demikian, pengenalan molekul, transformasi, transfer adalah fungsi utama objek supramolekul.
supra kimia molekul dapat dibagi menjadi dua area yang luas, sebagian tumpang tindih, yang dianggap masing-masing: 1) supermolekul- terdefinisi dengan baik, diskrit oligo formasi molekuler yang timbul karena asosiasi antarmolekul dari beberapa komponen (reseptor dan substrat) sesuai dengan "program" tertentu yang beroperasi berdasarkan prinsip pengenalan molekul; 2) ansambel supramolekul- asosiasi polimolekuler yang timbul dari asosiasi spontan sejumlah besar komponen yang tidak terbatas ke dalam fase tertentu, dicirikan oleh organisasi yang kurang lebih pasti pada tingkat mikroskopis dan sifat makroskopik tergantung pada sifat fase (film, lapisan, membran, vesikel , fase mesomorfik, kristal, dll.). d.).
Sebuah formalisme khusus digunakan untuk menggambarkan lokasi substrat (s) relatif terhadap reseptor. Kompleks aduk eksternal dapat ditunjuk sebagai , atau . Untuk menyatakan kompleks inklusi dalam dan perpotongan parsial dan , kita menggunakan simbol matematika inklusi dan persimpangan - dan , masing-masing. Di zaman modern literatur kimia selain simbol , simbol alternatif @ juga sering digunakan.
kimia supramolekul(Bahasa inggris) - bidang kimia yang mempelajari struktur supramolekul (ansambel yang terdiri dari dua atau lebih molekul yang disatukan dengan cara); "kimia ansambel molekul dan ikatan antarmolekul" (definisi oleh J.-M. Lena).
Keterangan
Kimia tradisional didasarkan pada ikatan kovalen antar atom. Pada saat yang sama, untuk sintesis sistem nano kompleks dan perangkat molekuler yang digunakan dalam kimia kovalen tidak cukup, karena sistem seperti itu dapat berisi beberapa ribu atom. Interaksi antarmolekul datang untuk menyelamatkan - mereka membantu menyatukan molekul individu menjadi ansambel kompleks yang disebut struktur supramolekul.
Contoh paling sederhana dari struktur supramolekul adalah kompleks tuan rumah-tamu. Tuan rumah (reseptor) biasanya berukuran besar molekul organik dengan rongga di tengahnya, dan tamunya adalah molekul atau ion yang lebih sederhana. Misalnya, poliester siklik dengan berbagai ukuran (eter mahkota) mengikat ion logam alkali agak kuat (Gbr. 1).
Struktur supramolekul dicirikan oleh sifat-sifat berikut.
1. Kehadiran bukan hanya satu, tetapi beberapa pusat pengikatan di host. Dalam eter mahkota, peran ini dimainkan oleh atom oksigen dengan elektron tunggal pasangan elektron.
2. Komplementer: struktur geometris dan properti elektronik tuan rumah dan tamu saling melengkapi. Dalam eter mahkota, ini memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa diameter rongga harus sesuai dengan jari-jari ion. Komplementaritas memungkinkan tuan rumah untuk melakukan pengikatan selektif tamu dari struktur yang ditentukan secara ketat. Dalam kimia supramolekul, fenomena ini disebut "" (Bahasa Inggris - pengenalan molekuler) (Gbr. 2).
3. Kompleks dengan jumlah yang besar ikatan antara tuan rumah dan tamu komplementer memiliki hubungan yang tinggi organisasi struktural.
Struktur supramolekul sangat tersebar luas di alam. Semua reaksi dalam organisme hidup berlangsung dengan partisipasi katalis protein. Enzim adalah molekul inang yang ideal. Pusat aktif setiap enzim diatur sedemikian rupa sehingga hanya zat (substrat) yang sesuai dengan ukuran dan energi yang dapat masuk ke dalamnya; enzim tidak akan bereaksi dengan substrat lain. Contoh lain dari struktur biokimia supramolekul adalah molekul di mana dua rantai polinukleotida saling melengkapi satu sama lain melalui banyak ikatan hidrogen. Setiap rantai adalah tamu dan tuan rumah untuk rantai lainnya.
Jenis utama interaksi non-kovalen yang membentuk struktur supramolekul adalah ionik, dan . Semua interaksi non-kovalen lebih lemah daripada interaksi kovalen - energinya jarang mencapai 100 kJ / mol, namun jumlah besar ikatan antara tuan rumah dan tamu memastikan stabilitas tinggi rakitan supramolekul. Interaksi non-kovalen lemah secara individu tetapi kuat secara kolektif.
Pembentukan ansambel supramolekul dapat terjadi secara spontan - fenomena ini disebut. Ini adalah proses di mana komponen molekul kecil secara spontan bergabung bersama untuk membentuk supramolekul yang jauh lebih besar dan lebih kompleks. Selama perakitan sendiri, entropi sistem berkurang, S
Δ G = Δ H – TΔ S
itu perlu H h| > | TΔ S|. Ini berarti bahwa perakitan mandiri terjadi dengan alokasi jumlah yang besar kehangatan. Rumah penggerak self-assembly adalah keinginan sistem kimia untuk menurunkan energi Gibbs melalui pembentukan baru ikatan kimia, efek entalpi di sini berlaku di atas entropi.
Kelas utama senyawa supramolekul adalah kavitands, cryptands, calixarenes, kompleks tamu-tamu, catenanes, . Struktur supramolekul juga dapat dikaitkan,.
Metode kimia supramolekul menemukan aplikasi luas di analisis kimia, obat,
Halaman 1
Kimia molekul seperti C2H2, N2H2 dan H202 ditentukan oleh orbital yang dibentuk oleh kombinasi px - dan py - A. Dalam asetilen linier, orbital ini menghasilkan orbital tsv - dan icg - bebas yang terisi (ch. Molekul , tentu saja, memiliki simetri aksial.
Kimia molekul karbon monoksida sebagian dapat dijelaskan dengan baik oleh bentuk ini, yang ekivalennya dalam hal teori orbital molekul tidak dipertimbangkan di sini. Dalam struktur ini, karbon memiliki sepasang elektron yang terisolasi dan satu orbit kosong, karena inti karbon hanya dikelilingi oleh sextet elektron, bukan oktet biasa. Berdasarkan pertimbangan tersebut, diharapkan karbon monoksida juga mampu berinteraksi dengan gugus nukleofilik, seperti basa, yang dapat menjadi sumber elektron untuk mengisi suatu oktet. Memang, reaksi karbon monoksida serupa diketahui; beberapa di antaranya juga akan dibahas di bawah ini.
Kimia molekul terus menjadi kimia organik modern. Namun, untuk senyawa anorganik, bentuk molekul dari keberadaan suatu zat adalah karakteristik hanya untuk keadaan gas dan uap.
Kimia molekul terus menjadi kimia organik modern, dan sebagian besar zat anorganik tidak punya struktur molekul. PADA kasus terakhir makrobodi terdiri dari atom-atom yang sama unsur kimia, atau dari atom elemen yang berbeda. Pengakuan bentuk non-molekul dari keberadaan padat mengarah pada kebutuhan untuk merevisi beberapa ketentuan atomistik kimia, untuk memodernisasi hukum dan konsep dasar yang berlaku untuk kimia pneumatik (gas).
Dalam kimia molekuler, ada dua dasar.
Seperti dalam kimia molekuler, eksotermik dan reaksi endoterm. Definisi besaran dan tanda efek termal reaksi dapat dilakukan dengan menggunakan hukum ekivalensi massa dan energi.
Teori grup diterapkan di sini jauh lebih luas daripada dalam kimia molekuler. Pada saat yang sama, kemampuan untuk menurunkan keteraturan spektrum massa partikel dari prinsip-prinsip dasar, katakanlah, dari geometrodinamika, jauh lebih bermasalah di sini daripada kemampuan untuk menghitung energi ikat molekul menggunakan persamaan Schrödinger.
Keinginan seperti itu untuk memperluas ide dan teori yang telah berkembang di kedalaman kimia organik (kimia molekul) ke lapangan kimia anorganik ternyata, seperti yang sekarang jelas bagi kita, melanggar hukum, terutama karena senyawa anorganik adalah, sebagai aturan, sistem non-molekul. Dalam sistem yang sama, tidak kovalen, tetapi ikatan ion. Ciri khasnya senyawa kompleks adalah bahwa mereka adalah senyawa molekul, bukan atom.
Pada awalnya, itu hanya tentang kofaktor, yang, bagaimanapun, sering ditemukan berdasarkan analisis asosiasi struktural kristal dan ditransfer ke kimia molekuler, meskipun kurangnya materi tentang hubungan antara kimia molekul dan kimia kristal. Untuk senyawa dari kelas tertentu, hubungan ini sangat sederhana sehingga memungkinkan valensi tertentu ditetapkan sebelumnya ke partikel, dari mana koefisien sebenarnya dapat diturunkan. Tidak boleh diabaikan bahwa keteraturan ini (yang, karena banyak kesulitan, tidak dapat diterima begitu saja) senyawa kimia secara umum) begitu cepat mendapat pengakuan hanya karena alasan geokimia. oksigen adalah elemen penting litosfer luar, dan tepatnya berdasarkan hubungan antara jumlah atom oksigen dan elemen lain di senyawa oksigen aturan disimpulkan bahwa setiap rasio stoikiometri tidak mungkin untuk asosiasi elektrik netral.
Pada awalnya, itu hanya tentang koefisien, yang, bagaimanapun, sering ditemukan berdasarkan analisis asosiasi struktural kristal dan ditransfer ke kimia molekuler, meskipun kurangnya materi tentang hubungan antara kimia molekul dan kimia kristal. Saat ini, kita dapat mengasumsikan bahwa dalam asosiasi atom yang netral secara elektrik spesies yang dikenal atom dalam kondisi normal berdiri dalam rasio stoikiometri sederhana untuk orang lain. Untuk senyawa dari kelas tertentu, hubungan ini sangat sederhana sehingga memungkinkan valensi tertentu ditetapkan sebelumnya ke partikel, dari mana koefisien sebenarnya dapat diturunkan. Tidak boleh diabaikan bahwa keteraturan ini (yang, karena banyak kesulitan, tidak dapat diterima begitu saja untuk senyawa kimia secara umum) dikenali begitu cepat hanya karena alasan geokimia. Oksigen adalah elemen paling penting dari litosfer luar, dan justru berdasarkan rasio antara jumlah atom oksigen dan elemen lain dalam senyawa oksigen, aturan diturunkan bahwa rasio stoikiometri mana pun tidak mungkin untuk asosiasi netral secara elektrik.
Manifestasi interaksi elektronik-getaran (atau, singkatnya, vibronik) dalam sistem poliatomik, yang digabungkan dalam literatur di bawah nama yang umum efek Jahn-Teller, saat ini membentuk arah baru yang berkembang pesat dalam fisika dan kimia molekul dan kristal.
Sangat mudah untuk melihat bahwa antara reaksi I dan II ada perbedaan mendasar. Reaksi I mewakili kimia molekul; hanya faktor energi yang berpartisipasi dalam aktivasi reagennya. Reaksi II mewakili seluruh kimia, perubahan molekul yang dilakukan terutama dengan partisipasi sistem berthollide. Arah dan laju reaksi I ditentukan seluruhnya struktur kimia molekul yang bereaksi. Arah dan laju reaksi II ditentukan baik oleh struktur kimia molekul yang bereaksi maupun oleh organisasi kimia sistem katalitik.
Karena untuk pembentukan cincin, tutup ikatan hidrogen, diperlukan keadaan tereksitasi, tampaknya, tidak masuk akal untuk mempelajari secara detail pengaruhnya berbagai kelompok substituen pada proses siklisasi menggunakan data dari reaksi kimia organik konvensional. Dapat dikatakan bahwa fotokimia berkaitan dengan kimia molekul dalam keadaan tereksitasi daripada dalam keadaan dasar.
Saya ingin membahas secara singkat masalah reaktivitas molekul triplet. Pertanyaan ini, secara umum, sangat besar, karena kimia molekul dalam keadaan triplet adalah bidang independen. Saya hanya akan membahas karakteristik kualitatif energi aktivasi dari reaksi yang melibatkan molekul dalam keadaan triplet. Apa perbedaan antara molekul seperti itu dan radikal. Contoh paling sederhana adalah molekul O2, di mana keadaan triplet adalah keadaan dasar. PADA kasus ini Jelas, tidak ada energi aktivasi.
