Chimie supramoleculară
Se analizează dezvoltarea domeniului științei numit chimie supramoleculară. Sunt date principalele definiții și concepte ale acestei discipline. În context istoric, sunt luate în considerare studiile care au pus bazele chimiei supramoleculare. Sunt date exemple ale unora dintre obiectele sale tipice, clatrații și ciclodextrinele. Se remarcă faptul că cele mai recente realizări în chimia supramoleculară și cele mai promițătoare domenii ale utilizării acesteia sunt asociate cu procesele de auto-asamblare și auto-organizare, care, în special, pot fi implementate în sinteza supramoleculară și crearea de elemente moleculare și supramoleculare. dispozitive.
Chimie supramoleculară. fundal
Chimia supramoleculară este una dintre cele mai tinere și, în același timp, în curs de dezvoltare rapidă domenii ale chimiei. De 25 - 30 de ani de existență, a reușit deja să treacă printr-o serie de etape importante, dar, în același timp, ideile și conceptele principale ale acestei discipline nu sunt încă binecunoscute și general acceptate. În această revizuire, am căutat să urmărim dezvoltarea domeniului științei numit chimie supramoleculară, să identificăm cele mai reușite definiții ale sarcinilor sale principale și ale celor mai importante concepte și, de asemenea, să conturăm starea actuală și perspectivele.
Termenul de „chimie supramoleculară” și conceptele de bază ale acestei discipline au fost introduse de omul de știință francez J.-M. Lenom în 1978, ca parte a dezvoltării și generalizării lucrărilor anterioare (în special, în 1973, termenul „supermoleculă” a apărut în lucrările sale). Chimia supramoleculară a fost definită prin cuvintele: „Așa cum există un domeniu al chimiei moleculare bazat pe legături covalente, există și un domeniu al chimiei supramoleculare, chimia ansamblurilor moleculare și a legăturilor intermoleculare”. Ulterior, această primă definiție a fost reformulată de mai multe ori. Un exemplu de altă definiție dată de Len: „chimia supramoleculară este „o chimie dincolo de moleculă” care studiază structura și funcția asociațiilor a două sau mai multe specii chimice ținute împreună de forțe intermoleculare”.
În multe cazuri, componentele care formează sisteme supramoleculare pot fi numite (prin analogie cu sistemele considerate în biologia moleculară) receptor molecular și substrat, acesta din urmă fiind componenta mai mică care trebuie legată.
Pentru a descrie în mod adecvat un obiect chimic, este necesar să se indice elementele acestuia și tipurile de legături dintre acestea, precum și caracteristicile spațiale (geometrice, topologice). Obiectele chimiei supramoleculare, supermoleculele, au aceeași certitudine ca și moleculele individuale care le compun. Se poate spune că „supermoleculele sunt în relație cu molecule ceea ce moleculele sunt în raport cu atomii, iar rolul legăturilor covalente în supermolecule este jucat de interacțiunile intermoleculare”.
Potrivit lui Lehn, chimia supramoleculară poate fi împărțită în două zone largi, suprapuse:
– chimia supermoleculelor – particule oligomoleculare clar definite rezultate din asocierea intermoleculară a mai multor componente – receptorul și substratul (substraturile) acestuia și construite pe principiul recunoașterii moleculare;
- chimia ansamblurilor moleculare - sisteme polimoleculare care se formează ca urmare a asocierii spontane a unui număr nedefinit de componente cu trecerea la o fază specifică care are o organizare microscopică mai mult sau mai puțin clar definită și caracteristici dependente de natura sa (de exemplu, clatrați, membrane, vezicule, micele).
Formațiunile supramoleculare pot fi caracterizate prin aranjarea spațială a componentelor, arhitectura lor, „suprastructură”, precum și tipurile de interacțiuni intermoleculare care țin componentele împreună. Ansamblurile supramoleculare au proprietăți structurale, conformaționale, termodinamice, cinetice și dinamice bine definite; în ele se pot distinge diferite tipuri de interacțiuni, care diferă prin puterea, direcționalitatea, dependența de distanțe și unghiuri: interacțiuni de coordonare cu ionii metalici, forțe electrostatice, hidrogen. legături, interacțiuni van der Waals, interacțiuni donor-acceptor etc. Puterea interacțiunilor poate varia într-o gamă largă, de la slabă sau moderată, ca în formarea legăturilor de hidrogen, până la puternice și foarte puternice, ca în formarea coordonării. se leagă cu un metal. Cu toate acestea, în general, interacțiunile intermoleculare sunt mai slabe decât legăturile covalente, astfel încât asociații supramoleculari sunt mai puțin stabili termodinamic, cinetic mai labili și dinamic mai flexibili decât moleculele.
Astfel, chimia supramoleculară cuprinde și face posibilă luarea în considerare dintr-un punct de vedere unitar a tuturor tipurilor de asociați moleculari, de la cel mai mic posibil (dimer) până la cel mai mare (faze organizate). În același timp, este necesar să subliniem încă o dată că obiectele chimiei supramoleculare conțin în mod necesar părți (subsisteme) care nu sunt legate covalent.
Lehn a propus să ilustreze tranziția de la chimia moleculară la chimia supramoleculară cu schema prezentată în Fig. unu .
Fig 1. Schema trecerii de la chimia moleculară la supramoleculară
Principalele funcții ale supermoleculelor: recunoașterea moleculară, transformarea (cataliza) și transferul. Supermoleculele funcționale împreună cu ansamblurile și fazele polimoleculare organizate pot fi utilizate pentru a crea dispozitive moleculare și supramoleculare.
Pe lângă Lehn, trebuie amintiți și C. J. Pedersen și D. J. Crum, ale căror lucrări și cercetări au jucat un rol important în dezvoltarea chimiei supramoleculare. În 1987, acești trei oameni de știință au primit Premiul Nobel pentru Chimie (pentru contribuția lor decisivă la dezvoltarea chimiei compușilor macroheterociclici capabili să formeze selectiv complexe moleculare gazdă-oaspete).
Cercetări care au pus bazele chimiei supramoleculare
Originile conceptelor de bază ale chimiei supramoleculare se regăsesc în lucrările efectuate în trecut și chiar la începutul acestui secol. Deci, P. Ehrlich în 1906 a introdus de fapt conceptele de receptor și substrat, subliniind că moleculele nu reacţionează între ele dacă nu intră mai întâi într-o anumită legătură. Cu toate acestea, legarea nu ar trebui să fie oricare, ci selectivă. Acest lucru a fost subliniat de E. Fischer încă din 1894, când și-a formulat principiul „key-lock”, un principiu care sugerează că corespondența sterică, complementaritatea geometrică a receptorului și a substratului, este baza recunoașterii moleculare. În cele din urmă, legarea selectivă necesită interacțiune, afinitate între parteneri, iar rădăcinile acestei idei pot fi căutate în lucrările lui A. Werner, ceea ce face din chimia supramoleculară în acest sens o generalizare și o dezvoltare a chimiei de coordonare.
Potrivit lui J.-M. Len, aceste trei concepte - fixare (legare), recunoaștere și coordonare - au pus bazele chimiei supramoleculare.
Unele alte concepte de chimie supramoleculară sunt, de asemenea, cunoscute de mult timp. Chiar și termenul « bbermolecule”, adică super-, sau supermolecula, a fost introdus deja la mijlocul anilor '30. al secolului nostru pentru a descrie un nivel superior de organizare care decurge din asocierea moleculelor saturate coordonator (de exemplu, în timpul formării unui dimer de acid acetic). Rolul critic al organizării supramoleculare în biologie era binecunoscut.
Cu toate acestea, apariția și dezvoltarea chimiei supramoleculare ca domeniu independent în sistemul științelor chimice a avut loc mult mai târziu. Iată ce spune J.-M. Len în cartea sa: „... pentru apariția și dezvoltarea rapidă a unei noi discipline științifice este necesară o combinație de trei condiții. În primul rând, este necesar să recunoaștem o nouă paradigmă care arată semnificația observațiilor, datelor, rezultatelor disparate și aparent fără legătură și le combină într-un singur întreg coerent. În al doilea rând, sunt necesare instrumente pentru studierea obiectelor din acest domeniu, iar aici dezvoltarea metodelor fizice moderne de studiere a structurii și proprietăților (spectroscopie IR, UV și în special RMN, spectrometrie de masă, difracție de raze X etc.) a jucat un rol important. rol decisiv în chimia supramoleculară, care fac posibilă studiul chiar și a ansamblurilor supramoleculare relativ labile, caracterizate prin interacțiuni necovalente cu energie scăzută. În al treilea rând, este necesară dorința comunității științifice de a accepta noua paradigmă pentru ca noua disciplină să găsească un răspuns nu numai în rândul specialiștilor implicați direct în ea, ci și în domenii apropiate (și nu foarte apropiate) ale științei. Acest lucru s-a întâmplat cu chimia supramoleculară, din câte se poate judeca din ritmul rapid al dezvoltării și pătrunderii sale în alte discipline în ultimii 25 de ani.
Potrivit lui Lehn, „... chimia supramoleculară așa cum o cunoaștem astăzi a început cu studiul legării selective a cationilor metalelor alcaline de către liganzi macrociclici și macropoliciclici naturali și sintetici, eteri coroană și criptanți”.
Dintre acest tip de compuși naturali, trebuie subliniat, în primul rând, antibioticul valinomicină. Descifrarea structurii sale în 1963, la care au adus o mare contribuție oamenii de știință sovietici conduși de Yu. A. Ovchinnikov, a depășit cu mult descoperirea obișnuită. Această depsipeptidă ciclică (este construită din reziduuri de amino și hidroxiacizi interconectate prin legături amidice și esterice) s-a dovedit a fi prima dintre complexurile active pe membrană sau ionofori. Astfel de denumiri reflectă capacitatea acestor substanțe de a da compuși complecși cu cationi alcalini în soluții și de a transfera cationul legat prin membranele biologice. Odată cu descoperirea ionoforilor, posibilitatea de reglare intenționată a fluxurilor de ioni în sistemele vii a devenit o posibilitate reală. Pentru munca în domeniul complexurilor active pe membrană, Ovchinnikov și colegii săi au primit Premiul Lenin în 1978.
Următoarea etapă importantă în dezvoltarea chimiei supramoleculare este asociată cu descoperirea de către C. Pedersen în 1962 a eterilor coroanei. În încercarea de a sintetiza inhibitori pentru a stabiliza uleiurile de petrol din autooxidare, Pedersen a obținut un produs secundar numit acum dibenzo-18-crown-6. Ulterior, Pedersen a sintetizat și studiat aproximativ 60 de poliesteri macrociclici cu un număr de atomi de oxigen de la 4 la 20 și dimensiunea inelului de la 12 la 60 de membri. El a descoperit că eteri coroană formează complecși puternici cu cationi de metale alcaline și alcalino-pământoase care pot fi izolați sub formă cristalină.
În 1966 J.-M. Len a devenit interesat de procesele care au loc în sistemul nervos și s-a întrebat: ar putea chimia să contribuie la studiul acestor funcții biologice superioare? Procesele electrice din celulele nervoase se bazează pe modificări în distribuția ionilor de potasiu și sodiu în membranele celulare. Lucrările științifice publicate la acea vreme au arătat că valinomicina ar putea media transferul ionului de potasiu în mitocondrii. Acest lucru l-a condus pe Len la ideea că ciclopeptidele adecvate create artificial sau analogii lor ar putea fi un mijloc de a studia distribuția cationilor în membrană și transportul lor prin membrană. Astfel de proprietăți au fost demonstrate și de alte antibiotice neutre ale grupelor enniatine și actine, ceea ce s-a explicat prin formarea selectivă a complexelor cu cationi. Metale alcaline. Cu toate acestea, a devenit necesar să se sintetizeze molecule care sunt mai puțin active din punct de vedere chimic decât peptidele ciclice. Un rol important pentru realizarea unei asemenea sinteze l-a jucat descoperirea lui Ch. Pedersen. Eteri coroană au început să fie considerați ca substanțe care combină capacitatea de complexare a antibioticelor macrociclice și funcțiile stabile ale eterului.
Figura 2. Criptanzi sintetizați de J.-M. Lenom (m=0, n=1; m=1, n=0; m=n=1)
În același timp, a devenit clar că compușii care au o cavitate sferoidă tridimensională, care înglobează complet ionul legat, ar trebui să formeze complexe mai puternice decât macrociclurile plane. Lucrările la această problemă au început în octombrie 1967, iar în toamna anului 1968 a fost obținut primul amino ester tridimensional, pe care Len l-a numit criptand (Fig. 2, m=n=1). Capacitatea sa de a lega puternic ionii de potasiu a fost imediat observată, iar complexului rezultat i-a fost atribuită o structură criptată (celulară). Au fost sintetizate și alte criptate. Structura lor a fost confirmată prin determinarea structurii cristaline a unui număr de complexe (Fig. 3).
D. Cram a atras atenția asupra unui dezavantaj semnificativ al eterilor și criptandilor de coroană, care constă în faptul că ambii nu sunt bine organizați pentru a primi ioni oaspeți: structura lor este, parcă, încrețită, dar izolată sub formă cristalină. neîndreptat (Fig. 4, a, b). Prin urmare, atunci când un cation intră în cavitate, sunt necesare costuri energetice pentru alinierea (optimizarea lui), iar acest lucru afectează stabilitatea complexului. D. Cram a decis să proiecteze așa-numitele „molecule-to
Fig 3. Structura criptatului de Rubidiu
Containere” cu structură pre-organizată. Ca rezultat al sintezelor complexe în mai multe etape de la începutul anilor 1980. s-au obținut sferandele și cavitanzile (Fig. 4 c, d) - un fel de boluri moleculare, ai căror pereți sunt căptușiți cu nuclee aromatice, iar depresiunile în care cade particula oaspete sunt căptușite cu atomi de oxigen. Aceste boluri au chiar picioare - grupări metil asociate cu radicalii fenil. În cursul studiilor, s-a dovedit că compușii obținuți formează complexe mult mai stabile cu cationii metalelor alcaline decât eterii coroană și criptandii. Moleculele neutre mici, cum ar fi CH 2 Cl 2 , CH 3 CN, SO 2, pot intra, de asemenea, în vasul de cavit și pot fi ținute ferm acolo.
Trebuie remarcat faptul că compușii mai complecși au și un proces mai complex de recunoaștere moleculară. Dacă complexele criptate simple sunt caracterizate de cea mai simplă recunoaștere - „sferică” - în care doar dimensiunea sferei, aproximând substratul, joacă un rol, atunci pentru compușii complecși, recunoașterea moleculară poate fi recunoaștere „tetraedrică” sau „liniară”. , realizat de receptori de diferite tipuri. În anii următori au fost studiate toate aceste numeroase varietăți de procese de recunoaștere moleculară, iar receptorii implicați în procese aparțineau unor clase foarte diferite de compuși (eteri coroană, criptand, sferands, cavitans, calixarene, ciclofani, ciclodextrine, criptofani etc.) . După cum scrie Lehn, „... domeniul cercetării s-a extins, ceea ce a condus la realizarea recunoașterii moleculare ca un nou domeniu de cercetare chimică, care, punând accent pe interacțiunile și procesele intermoleculare în general, extinzându-se într-o gamă întreagă. din domenii conexe, a crescut în chimia supramoleculară”.
Fig. 4. Structuri reale (dezorganizate) ale eterului coroană (a), criptand (b) și structuri preorganizate ale cavitandului (c) și sferandului (d)
Istoria studiului unor obiecte tipice chimiei supramoleculare
Într-un context istoric, primele obiecte studiate ale chimiei supramoleculare au fost compușii de incluziune, numiți mai târziu clatrați. Clatrații sunt compuși formați prin încorporarea de molecule, numite oaspeți, în cavitatea unei schele constând din molecule de alt fel, numite gazde, sau în cavitatea unei molecule gazdă mari. Adesea nu există alte interacțiuni între oaspeți și gazde decât cele van der Waals. Stabilitatea termodinamică a unor astfel de compuși este asigurată de geometria favorabilă a dispunerii moleculelor invitate în cavitățile cadrului gazdă, drept urmare interacțiunile intermoleculare slabe conduc la un câștig de energie în comparație cu energia componentelor componentelor inițiale. în starea liberă. În acest caz, ca și pentru compușii chimici convenționali, raporturile componentelor constitutive pot fi variabile, ca în cazul clatraților de hidrochinonă cu gaze nobile, sau strict definite, ca în compușii ureei cu parafine și în majoritatea hidraților de clatrați.
Substanțele care sunt considerate în prezent compuși de incluziune au fost aparent primele observate de A. Cronstedt, care a descoperit stilbitul zeolitic în 1756, și J. Priestley, care în 1778 a descoperit „gheața anormală”, care s-a dovedit a fi hidrat de SO 2 . 10H 2 O. În 1785 - 1786. B. Peletier și W. Karsten, iar în 1811 G. Davy a observat formarea de cristale în timpul răcirii clorului gazos, mai târziu (în 1823) M. Faraday a stabilit că este vorba de Cl 2 . 10H 2 O însă, structura acestui hidrat a fost stabilită abia în 1952 de către M. Stackelberg și G. Müller.
Figura 5. Structura complexului de clatrat de tiouree cu adamantan 3:1
Conceptul Amo și termenul „clatrat” în interpretarea sa modernă au fost introduse în 1947 de G. Powell. Pe fig. Figura 5 prezintă ca exemplu structura unui complex de tiouree-adamantan 3:1 clatrat. Complecșii de clatrat includ, de asemenea, compuși de incluziune ai ciclodextrinelor.
Fig. 6. Structura ciclodextrinelor: a - structura chimică, b - forma
Iclodextrinele sunt oligozaharide ciclice ale căror molecule sunt construite din șase, șapte sau opt (n=6, 7, 8) unități de d-glucopiranoză legate prin legătură -1,4-glicozidică (Fig. 6). Moleculele de ciclodextrină au forma unui trunchi de con (găleată), goală în interior, în care 6-8 grupuri OH primare sunt situate de-a lungul circumferinței bazei inferioare și 12-16 grupuri OH secundare sunt situate de-a lungul circumferinței bazei superioare. . Ciclodextrinele au fost descoperite în 1891 de A. Villiers, iar prima descriere detaliată a izolării lor a fost publicată în 1903 de F. Shardinger. În 1938, K. Freudenberg a determinat structura ciclodextrinelor. De atunci, acești receptori naturali (naturali) au fost folosiți în diverse scopuri. Deci, F. Kramer în 1954 a arătat pentru prima dată că ciclodextrinele pot forma complecși de incluziune cu o gamă largă de substraturi. Rolul lor ca catalizatori a fost studiat de I. Tabushi și Breslow în 1982.
Natura interacțiunilor dintre ciclodextrină și „oaspete” nu a fost clar stabilită și este discutată pe larg. Interacțiunile relativ slabe (van der Waals, hidrofobe etc.) par a fi cele mai probabile, ceea ce face posibilă clasificarea acestor complexe drept obiecte ale chimiei supramoleculare. Transformarea chimică a unor astfel de complexe duce la formarea unor structuri moleculare complexe, cum ar fi catenani, rotaxani, polirotaxani și tuburi, care nu sunt ușor de obținut prin alte metode. Capacitatea ciclodextrinelor de a forma complexe puternice în soluții apoase cu un număr mare de „oaspeți” de diferite tipuri a condus la utilizarea lor ca blocuri de construcție pentru nanostructurile formate prin auto-asamblarea lor și incluse în nanodispozitive.
Starea actuală și tendințele în dezvoltarea chimiei supramoleculare
Progresele recente în chimia supramoleculară și cele mai promițătoare domenii de aplicare a acesteia sunt asociate cu procesele de recunoaștere moleculară.
Figura 7. Auto-asamblare care implică legături de hidrogen intermoleculare
Denumiri și formațiuni de noi structuri datorită așa-numitelor „autoprocese”. Conceptele de autoasamblare și autoorganizare au fost introduse în chimia supramoleculară de către J.-M. Len în cursul studierii formării spontane a complexelor anorganice (helicate duble), care se desfășoară ca un proces de auto-asamblare. De fapt, aceste concepte au ajuns la chimia supramoleculară din biochimie, unde au ocupat un loc important și mai devreme, deoarece biosinteza poate fi realizată doar prin „autoprocese”. Cea mai frapantă manifestare a autoasamblarii la fauna sălbatică este autoasamblarea moleculelor de acid nucleic, sinteza matriceală a proteinelor; rolul decisiv al autoasamblarii este indicat de structura spatiala strict definita a enzimelor si receptorilor.
În chimia supramoleculară, autoorganizarea înseamnă generarea spontană, în condiții date, a unei structuri supramoleculare bine definite din constituenți individuali. Potrivit lui Lehn, auto-asamblarea și auto-organizarea descriu două clase distincte, dar care se suprapun, de fenomene, auto-asamblarea fiind un termen mai larg decât auto-organizarea. Autoasamblarea supramoleculară constă în asocierea spontană a cel puțin două sau mai multe componente, ducând la formarea fie de supermolecule discrete, fie de ansambluri polimoleculare extinse (straturi moleculare, filme etc.). În acest caz, procesul de asociere are loc datorită interacțiunilor necovalente.
Fig 8. Navetă moleculară comutată prin modificarea pH-ului mediului
Len definește auto-organizarea ca fiind o auto-asociere ordonată care:
1) include sisteme în care este posibilă o apariție spontană a ordinii în spațiu și/sau timp, 2) acoperă ordinea spațială (structurală) și temporală (dinamică), 3) afectează doar nivelul supramolecular (necovalent), 4) este multicomponent. Astfel, auto-organizarea include interacțiunea și integrarea, care determină comportamentul colectiv.
Autoorganizarea poate apărea în soluție, în fază de cristal lichid, sau în stare solidă, cu legături de hidrogen, interacțiuni electrostatice și donor-acceptor, precum și efecte medii (interacțiuni solvofobe) fiind utilizate ca principale interacțiuni între componente. . Pe fig. Figura 7 prezintă o auto-asamblare care implică legături de hidrogen care implică două molecule de porfirină mediate de 2,4,6-triamino-5-alchilpirimidine. Structura rezultată are forma unei celule.
J.-M. Len notează că „contribuția chimiei supramoleculare la sinteza chimică poate fi luată în considerare în două aspecte principale: producția de particule supramoleculare necovalente în sine, care se exprimă direct în procesele de auto-asamblare și utilizarea caracteristicilor supramoleculare pentru a promova sinteza. a structurilor moleculare covalente” . De fapt, sinteza supramoleculară constă în formarea structurilor supramoleculare prin intermediul forțelor intermoleculare dirijate. În acest caz, este, de asemenea, necesar ca în timpul sintezei, generarea de particule supramoleculare să aibă loc în timpul sintezei în sine. Putem spune că sinteza supramoleculară este posibilă dacă există un fel de planificare și control la nivel intermolecular. În sinteza particulelor covalente complexe, chimia supramoleculară poate fi utilizată pentru a poziționa componentele după cum se dorește, de exemplu prin auto-asamblare. Acest lucru deschide noi posibilități în domeniul sintezei sistemelor complexe, iar în ultimii ani această direcție a devenit una dintre cele mai importante.
Un alt domeniu promițător pentru dezvoltarea chimiei supramoleculare este crearea de dispozitive moleculare și supramoleculare. Dispozitivele moleculare sunt sisteme chimice organizate structural și integrate funcțional. Ele se bazează pe o anumită organizare spațială a componentelor specifice și pot fi încorporate în structuri supramoleculare. Dispozitivele fotonice, electronice sau ionice pot fi distinse, în funcție de faptul că componentele sunt fotoactive, electroactive sau, respectiv, ionice, i.e. participă la absorbția sau emisia de fotoni, sunt donatori sau acceptori de electroni sau participă la schimbul de ioni.
Există două tipuri principale de componente incluse în astfel de dispozitive: componente active care efectuează o anumită operație (acceptă, dau sau transmit fotoni, electroni, ioni etc.) și componente structurale care participă la crearea unei arhitecturi supramoleculare, stabilind aranjarea spațială necesară a componentelor active, în special, datorită proceselor de recunoaștere. În plus, în compoziția dispozitivului pot fi introduse componente auxiliare, al căror scop este modificarea proprietăților componentelor active și structurale. Principalul lucru este că, spre deosebire de materialele convenționale, componentele și dispozitivele formate din acestea trebuie să își îndeplinească funcțiile la nivel molecular și supramolecular. Încorporarea dispozitivelor moleculare în sisteme supramoleculare face posibilă obținerea de supermolecule sau ansambluri funcționale (straturi, filme, membrane etc.).
Dispozitivele moleculare și supramoleculare, prin definiție, sunt formate din componente legate prin legături covalente și, respectiv, necovalente. Dispozitivele supramoleculare pot include și dispozitive ale căror componente sunt legate prin legături covalente, dar își păstrează cel puțin parțial individualitatea.
Recent, a fost posibil să se creeze ansambluri moleculare comutatoare care își schimbă structura spațială în funcție de acțiunea unor factori externi precum pH-ul mediului sau potențialul său electrochimic. Un exemplu este rotaxanul, prezentat în Fig. 8. Constă dintr-un lanț lung de poliester, care este „înfilat” printr-un ciclu construit din două resturi de dipiridil legate prin punți de ciclofan. Pentru a împiedica ciclul să sară de pe lanț, are grupări voluminoase la capete - substituenți triizopropilsilil. Resturile de 4,4"-diaminodifenil și 4,4"-dihidroxidifenil incluse în lanțul de poliester au proprietăți pronunțate de donare de electroni; prin urmare, ciclul tetracationic atrăgător de electroni este fixat electrostatic pe ele. În acest caz, se realizează două conformații care se află într-o stare de echilibru mobil. Deoarece aminele aromatice sunt donatori de electroni mai puternici decât fenolii, predomină forma în care inelul interacționează cu fragmentul de amină. Totuși, poziția de echilibru poate fi modificată prin variarea acidității mediului. Într-un mediu puternic acid, atomii de azot al aminei sunt protonați; ei înșiși devin acceptori de electroni, iar inelul bis-dipiridiniu sare complet la fragmentul fenolic. Același lucru se întâmplă atunci când potențialul electrochimic extern se modifică. Aparent, un comutator molecular poate fi creat pe baza acestui dispozitiv. Se crede că astfel de dispozitive moleculare vor permite dezvoltarea viitoare a nanotehnologiei, care va înlocui în mare măsură tehnologia semiconductoare dominantă în prezent.
Vorbind despre caracteristicile chimiei supramoleculare, ar trebui să acordăm atenție faptului că datele structurale detaliate și complete joacă un rol deosebit, extrem de important în această știință. Progresul în acest domeniu ar fi imposibil fără o analiză specifică a configurației spațiale și a aranjamentului spațial relativ al componentelor sistemelor supramoleculare. Cele de mai sus oferă motive pentru a considera chimia supramoleculară ca o parte naturală a chimiei structurale.
După cum am menționat deja, multe idei și secțiuni ale chimiei supramoleculare au apărut de fapt cu mult înainte de nașterea sa oficială. La aceasta putem adăuga că natura interacțiunilor intermoleculare (inclusiv legăturile de hidrogen și alte interacțiuni specifice), energia și rolul lor în diferite procese au fost mult timp studiate cu atenție, inclusiv în aspectul structural caracteristic chimiei supramoleculare. Astfel, școli întregi au lucrat în Rusia, studiind cuprinzător interacțiunile intermoleculare.
Structura cristalelor moleculare, în special „mixte”, cum ar fi clatrații, a fost studiată de A. I. Kitaygorodsky și colab. , interacțiunile intermoleculare în adsorbție și cromatografie au devenit subiectul cercetării lui A. V. Kiselev și colab. , influența interacțiunilor non-valente asupra conformațiilor moleculelor a devenit subiectul lucrărilor lui VG Dashevsky. Și totuși, creatorii chimiei supramoleculare sunt considerați pe bună dreptate J.-M. Len, C. J. Pedersen și D. J. Crum.
Principalul merit al acestor oameni de știință remarcabili constă în faptul că au îndreptat arsenalul chimiei tradiționale, realizările în studiul fizic și chimic al forțelor intermoleculare și toată puterea metodelor moderne de cercetare fizică către crearea de obiecte chimice fundamental noi, a căror semnificație teoretică și practică este excepțional de mare și, aparent, nu este încă pe deplin înțeleasă.
Literatură
|
1. Volkov V.A., Vonsky E.V., Kuznetsova G.I. // Chimiști remarcabili ai lumii. M. 1991. 2. Lehn J.-M. // Pur și măr. Chim. 1978. 50. P. 871. 3. Lehn J.-M. // Struct. lipirea. 1973. 16. P. 1. 4. Len J.-M.. // Chimie în străinătate., M. 1989. C. 13. 5. Lehn J.-M. // Știință. 1985. 227. P. 849. 6. Lehn J.-M. Chimie supramoleculară, concepte și perspective. Weinheim, 1995. Traducere rusă: Len J.-M. chimie supramoleculară. Concepte și perspective. Novosibirsk, 1998. 7. Len J.-M. // Russian Chemical Journal. 1995. 39. S. 94. 8. Ehrlich P. // Studii asupra imunității. Wiley. N.Y., 1906. Citat din . 9. Fischer E. // Ber. Deutsch. Chim. Ges. 1894. 27. 2985. Citat din . 10. Werner A. // Zeitschr. Anorg. Chim. 1893. 3. 267. Citat din . 11. Wolf K.L., Frahm F., Harms H. // Z. Phys. Chim. cca. 1937. B 36. P. 17. Citat din . 12. Lehn J.-M. // Pur și măr. Chim. 1979. 51. P. 979. 13. Ovchinnikov Yu.A., Ivanov V.T., Shkrob A.M. Complexuri membrana-active. M. 1974. 14. Davydova S.L. Macrocicluri uimitoare. L., 1989. 15. Pedersen C.J. Chimie peste hotare. M., 1989. 16. Pozharsky A.F. // Jurnal educațional Soros. 1997. Nr 9. S. 32. 17. Cram D.J. // Știință. 1983. 219. P. 1177. 18. Dyadin Yu.A., Udachin K.A., Bondaryuk I.V. Conexiuni de includere. Novosibirsk. 1988. 19. Muller A., Reuter H., Dillinger S. // Angew. Chim. Int. Ed. Engleză 1995. 34. P. 2328. 20. Powell H.M. // J. Chim. soc. 1948. 1. P. 61. 21. Gopal R., Robertson B.E., Rutherford J.S. // Acta Cryst. C. 1989. 45. P. 257. 22. Philp D., Stoddart J.F. // Angew. Chim. Int. Ed. Engleză 1996. 35. P. 1155. 23. Wenz G. // Angew. Chim. Int. Ed. Engleză 1994. 33. P. 803. 24. Viliers A., Hebd C.R. // Sesiuni Acad. sci. 1891. 112. P. 536. Citat. pe . 25. Schardinger F. // Z. Unters Nahr. Genussm. Gebrauchsgegenstaende. 1903. 6. 865, Op. pe . 26. Cramer F. Einschlussverbindungen. Berlin, Springer-Werlag, 1954, op. pe . 27. Tabushi I. // Acc. Chim. Res. 1982. 15. P. 66. Citat. pe . 28. Lehn J.-M., Rigault A., Siegel J., Harrowfield J., Chevrier B., Moras D., Proc. Natl. Acad. sci. STATELE UNITE ALE AMERICII. 1987. 84. P. 2565. 29. . Pozharsky A.F. // Jurnal educațional Soros. 1997. Nr. 9. P. 40. 30. Lawrence D.S., Jiang T., Levett M., Chem. Rev. 1995. 95. P. 2229. 31. Kitaygorodsky A.I. cristale moleculare. M., 1971. 32. Kitaygorodsky A.I. cristale amestecate. M., 1983. 33. Avgul N.N., Kiselev A.V., Poshkus V.D. adsorbție pe suprafețe omogene. M., 1975. 34. Dashevsky V.G. Conformațiile moleculelor organice. M., 1974. 35. Dashevsky V.G. Analiza conformațională a macromoleculelor. M., 1987. |
Chimia, ale căror concepte de bază le vom lua în considerare, este o știință care studiază substanțele și transformările lor care au loc odată cu modificarea structurii și compoziției și, prin urmare, a proprietăților. În primul rând, este necesar să se definească ce înseamnă un astfel de termen ca „substanță”. Dacă vorbim despre asta în în sens larg, este o formă de materie care are o masă de repaus. Orice substanță este particulă elementară, de exemplu, un neutron. În chimie, acest concept este folosit într-un sens mai restrâns.
Pentru început, să descriem pe scurt termenii și conceptele de bază ale chimiei, științei atomice și moleculare. După aceea, le vom explica și, de asemenea, le vom schița câteva legi importante a acestei stiinte.
Conceptele de bază ale chimiei (substanță, atom, moleculă) sunt familiare fiecăruia dintre noi de la școală. Mai jos este dat o scurtă descriere a ei, precum și alți termeni și fenomene nu atât de evidente.
atomi
În primul rând, toate substanțele care sunt studiate în chimie sunt formate din particule mici numite atomi. Neutronii nu sunt obiectul de studiu al acestei științe. De asemenea, trebuie spus că atomii se pot combina între ei, rezultând formarea de legături chimice. Pentru a rupe această legătură, este necesară o cheltuială de energie. Prin urmare, atomii din conditii normale singure nu există (cu excepția „gazelor nobile”). Se conectează unul cu celălalt cel puțin în perechi.
Mișcare termică continuă
Mișcarea termică continuă caracterizează toate particulele care sunt studiate prin chimie. Conceptele de bază ale acestei științe nu pot fi enunțate fără a vorbi despre ea. La mișcare continuă particulele este proporțională cu temperatura (cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că energiile particulelor individuale sunt diferite). Ekin = kT / 2, unde k - constanta lui Boltzmann. Această formulă este valabilă pentru orice fel de mișcare. Deoarece Ekin = mV 2 / 2, mișcarea particulelor masive este mai lentă. De exemplu, dacă temperatura este aceeași, moleculele de oxigen se mișcă în medie de 4 ori mai încet decât moleculele de carbon. Acest lucru se datorează faptului că masa lor este de 16 ori mai mare. Mișcarea este oscilativă, translațională și rotațională. Vibrația este observată atât în lichid, cât și în solid și în substante gazoase. Dar translația și rotația se realizează cel mai ușor în gaze. În lichide este mai dificil, iar în solide este și mai dificil.
molecule
Continuăm să descriem conceptele și definițiile de bază ale chimiei. Dacă atomii se combină între ei, formând grupuri mici (se numesc molecule), astfel de grupuri iau parte la mișcarea termică, acționând ca un întreg. Până la 100 de atomi sunt prezenți în moleculele tipice, iar numărul lor în așa-numitele compuși macromoleculari poate ajunge la 105.
Substanțe nemoleculare
Cu toate acestea, atomii sunt adesea uniți în colective uriașe de la 107 la 1027. În această formă, practic nu iau parte la mișcarea termică. Aceste asociații seamănă puțin cu moleculele. Sunt mai degrabă piese. corp solid. Aceste substanțe sunt de obicei numite nemoleculare. În acest caz, mișcarea termică se realizează în interiorul piesei și nu zboară, ca o moleculă. Există, de asemenea regiune de tranziție dimensiuni, care include asociații constând din atomi într-o cantitate de la 105 la 107. Aceste particule sunt sau foarte molecule mari, sau sunt boabe mici de pulbere.
ionii
Trebuie remarcat faptul că atomii și grupurile lor pot avea o sarcină electrică. În acest caz, ei sunt numiți ioni într-o știință precum chimia, ale cărei concepte de bază le studiem. Deoarece încărcăturile cu același nume se resping întotdeauna una pe cealaltă, o substanță în care există un exces semnificativ de anumite sarcini nu poate fi stabilă. Negativ și sarcini pozitive alternează întotdeauna în spațiu. Și substanța în ansamblu rămâne neutră din punct de vedere electric. Rețineți că sarcinile, care sunt considerate mari în electrostatică, sunt neglijabile din punct de vedere al chimiei (pentru 105-1015 atomi - 1e).
Obiecte de studiu în chimie
Trebuie precizat că obiectele de studiu în chimie sunt acele fenomene în care atomii nu apar și nu sunt distruși, ci doar se regrupează, adică se combină într-un mod nou. Unele legături sunt rupte, ducând la formarea altora. Cu alte cuvinte, din atomii care erau în compoziție apar substanțe noi materii prime. Dacă, totuși, atât atomii, cât și legăturile existente între ei sunt păstrate (de exemplu, în timpul evaporării substanțelor moleculare), atunci aceste procese țin de domeniul de studiu nu mai al chimiei, ci fizica moleculara. În cazul în care atomii sunt formați sau distruși, vorbim despre subiectele de studiu ale fizicii nucleare sau atomice. Cu toate acestea, granița dintre chimicale și fenomene fizice neclară. La urma urmei, împărțirea în stiinte individuale condiționată, în timp ce natura este indivizibilă. Prin urmare, cunoștințele de fizică sunt foarte utile pentru chimiști.
Am subliniat pe scurt conceptele de bază ale chimiei. Acum vă invităm să le luați în considerare mai detaliat.
Mai multe despre atomi
Atomii și moleculele sunt ceea ce mulți asociază chimia. Aceste concepte de bază trebuie să fie clar definite. Faptul că atomii există a fost ghicit cu brio acum două mii de ani. Apoi, deja în secolul al XIX-lea, oamenii de știință aveau date experimentale (încă indirecte). Este despre despre rapoartele multiple ale lui Avogadro, legile constanței compoziției (mai jos vom lua în considerare aceste concepte de bază ale chimiei). Atomul a continuat să fie explorat în secolul al XX-lea, când mulți direcționează dovezi experimentale. Acestea s-au bazat pe date de spectroscopie, pe împrăștierea razelor X, a particulelor alfa, a neutronilor, a electronilor etc. Dimensiunea acestor particule este de aproximativ 1 E = 1o -10 m. Masa lor este de aproximativ 10 -27 - 10 -25 kg. În centrul acestor particule se află un nucleu încărcat pozitiv, în jurul căruia se mișcă electronii sarcina negativa. Dimensiunea miezului este de aproximativ 10 -15 m. Se dovedește că învelișul de electroni determină dimensiunea unui atom, dar masa acestuia este aproape complet concentrată în nucleu. Ar trebui introdusă încă o definiție, luând în considerare conceptele de bază ale chimiei. Un tip de atom care are aceeași sarcină nucleară.
Adesea găsit ca cea mai mică particulă substanțe care sunt indivizibile din punct de vedere chimic. După cum am observat deja, împărțirea fenomenelor în fizice și chimice este condiționată. Dar existența atomilor este necondiționată. Prin urmare, este mai bine să definiți chimia prin ele, și nu invers, atomii prin chimie.
legătură chimică
Acesta este ceea ce menține atomii împreună. Ea nu îi lasă să se împrăștie sub influență mișcarea termică. Remarcăm principalele caracteristici ale legăturilor - aceasta este distanța internucleară și energia. Acestea sunt, de asemenea, conceptele de bază ale chimiei. Lungimea legăturii este determinată experimental cu o precizie suficient de mare. Energia - de asemenea, dar nu întotdeauna. De exemplu, este imposibil să se determine în mod obiectiv cu ce este vorba conexiune separatăîntr-o moleculă complexă. Totuși, energia de atomizare a unei substanțe, necesară rupei tuturor legăturilor existente, este întotdeauna determinată. Cunoscând lungimea legăturii, puteți determina ce atomi sunt legați (au distanță scurtă) și care nu (au distanță lungă).
Numărul de coordonare și coordonare
Noțiuni de bază Chimie analitică include acești doi termeni. Ce reprezintă ele? Să ne dăm seama.
Numărul de coordonare este numărul de vecini cei mai apropiați ai unui anumit atom specific. Cu alte cuvinte, acesta este numărul celor cu care este asociat chimic. Coordonarea este aranjament reciproc, tipul și numărul de vecini. Cu alte cuvinte, acest concept este mai semnificativ. De exemplu, numărul de coordonare al azotului, caracteristic moleculelor de amoniac și acid azotic, la fel - 3. Cu toate acestea, coordonarea lor este diferită - neplană și plată. Este determinată indiferent de ideile despre natura legăturii, în timp ce gradul de oxidare și valența sunt concepte condiționate care sunt create pentru a prezice coordonarea și compoziția în avans.
Definiția moleculei
Am atins deja acest concept, luând în considerare pe scurt conceptele de bază și legile chimiei. Acum să ne oprim asupra ei mai detaliat. Este obișnuit în manuale să se definească o moleculă ca fiind cea mai mică particulă neutră o substanță care are proprietățile sale chimice și este, de asemenea, capabilă să existe independent. Trebuie menționat că această definiție este acest moment deja învechit. În primul rând, ceea ce toți fizicienii și chimiștii numesc o moleculă nu păstrează proprietățile materiei. Apa se disociază, dar pentru asta necesită minim 2 molecule. Gradul de disociere al apei este 10 -7 . Cu alte cuvinte, doar o moleculă din 10 milioane poate suferi acest proces.Dacă aveți o moleculă, sau chiar o sută, nu vă veți putea face o idee despre disocierea ei. Faptul este că efectele termice ale reacțiilor din chimie includ de obicei energia interacțiunii dintre molecule. Prin urmare, nu pot fi găsite de unul dintre ei. Atât chimice cât și substanțe fizice poate fi determinat doar dintr-un grup mare de molecule. În plus, există substanțe în care „cea mai mică” particulă capabilă să existe independent este nelimitat mare și foarte diferită de moleculele obișnuite. O moleculă este de fapt un grup de atomi care nu este încărcat electric. Într-un caz particular, acesta poate fi un atom, de exemplu, Ne. Acest grup trebuie să poată participa la difuzie, precum și la alte tipuri de mișcare termică, acționând ca un întreg.
După cum puteți vedea, conceptele de bază ale chimiei nu sunt atât de simple. O moleculă este ceva care trebuie studiat cu atenție. Are proprietăți proprii, precum și greutate moleculară. Despre acesta din urmă vom vorbi acum.
Masa moleculara
Cum să determinați greutate moleculară pe experienta? O modalitate se bazează pe legea lui Avogadro, potrivit densitate relativa pereche. Cea mai precisă metodă este spectrometria de masă. Un electron este scos dintr-o moleculă. Ionul rezultat este mai întâi accelerat într-un câmp electric, apoi deviat magnetic. Raportul dintre sarcină și masă este determinat exact de mărimea abaterii. Există și metode bazate pe proprietățile pe care le au soluțiile. Cu toate acestea, moleculele în toate aceste cazuri trebuie să fie cu siguranță în mișcare - în soluție, în vid, în gaz. Dacă nu se mișcă, este imposibil să le calculăm obiectiv masa. Și însăși existența lor în acest caz este greu de detectat.
Caracteristicile substanțelor nemoleculare
Vorbind despre ei, ei notează că sunt formați din atomi, nu din molecule. Totuși, același lucru este valabil și pentru gazele nobile. Acești atomi se mișcă liber, prin urmare, este mai bine să ne gândim la ei ca molecule monoatomice. Cu toate acestea, acesta nu este principalul lucru. Mai important, în substanțe nemoleculare există o mulțime de atomi care sunt legați între ei. Trebuie remarcat faptul că împărțirea tuturor substanțelor în nemoleculare și moleculare este insuficientă. Împărțirea după conectivitate este mai semnificativă. Luați în considerare, de exemplu, diferența dintre proprietățile grafitului și diamantului. Ambele sunt carbon, dar prima este moale, iar cea din urmă dur. Cum se deosebesc unul de altul? Diferența constă tocmai în conectivitatea lor. Dacă luăm în considerare structura grafitului, vom vedea că legăturile puternice există doar în două dimensiuni. Dar în a treia, distanțele interatomice sunt foarte semnificative, prin urmare, nu există o legătură puternică. Grafitul alunecă și se desparte cu ușurință peste aceste straturi.
Conectivitate de structură
În caz contrar, se numește dimensiune spațială. Reprezintă numărul de dimensiuni ale spațiului, caracterizat prin faptul că au un sistem continuu (aproape infinit) de nuclee (legături puternice). Valorile pe care le poate lua sunt 0, 1, 2 și 3. Prin urmare, este necesar să se facă distincția între structurile tridimensionale conectate, stratificate, în lanț și insulă (moleculare).
Legea constanței compoziției
Am învățat deja conceptele de bază ale chimiei. Substanța a fost revizuită pe scurt de noi. Acum să vorbim despre legea care i se aplică. De obicei, este formulată după cum urmează: orice substanță individuală (adică pură), indiferent de modul în care a fost obținută, are același cantitativ și compoziţia calitativă. Dar ce înseamnă conceptul? Să vedem.
În urmă cu două mii de ani, când structura substanțelor nu putea fi încă studiată prin metode directe, când baza concepte chimice iar legile chimiei ne sunt familiare, a fost definită descriptiv. De exemplu, apa este lichidul care formează baza mărilor și râurilor. Nu are miros, culoare, gust. Are asa si asa temperaturi de inghet si topire, devine albastru.Apa sarata de mare este pentru ca nu este curata. Cu toate acestea, sărurile pot fi separate prin distilare. Mai mult sau mai puțin așa, metoda descriptivă, au fost determinate conceptele chimice de bază și legile chimiei.
Pentru oameni de știință timp, nu era evident că lichidul care a fost eliberat căi diferite(combustie cu hidrogen, deshidratare vitriol, distilare apa de mare) are aceeași compoziție. O mare descoperire în știință a fost dovada acestui fapt. A devenit clar că raportul dintre oxigen și hidrogen nu se poate schimba fără probleme. Aceasta înseamnă că elementele sunt formate din atomi - porțiuni indivizibile. S-au obținut astfel formulele substanțelor, iar ideea oamenilor de știință despre molecule a fost justificată.
În zilele noastre, orice substanță este definită în mod explicit sau implicit în primul rând prin formulă, și nu prin punctul de topire, gust sau culoare. Apa este H 2 O. Dacă sunt prezente alte molecule, aceasta nu va mai fi pură. Prin urmare, pur substanță moleculară este unul care este compus din molecule de un singur tip.
Cu toate acestea, cum rămâne cu electroliții în acest caz? La urma urmei, ele conțin ioni, nu doar molecule. Nevoie de mai mult definiție strictă. O substanță moleculară pură este aceea care este compusă din molecule de același tip și, de asemenea, eventual, din produsele transformării lor rapide reversibile (izomerizare, asociere, disociere). Cuvântul „rapid” în acest context înseamnă că nu putem scăpa de aceste produse, ele apar din nou imediat. Cuvântul „reversibil” indică faptul că transformarea nu este finalizată. Dacă este adus, atunci este mai bine să spunem că este instabil. În acest caz, nu este o substanță pură.
Legea conservării masei materiei
Această lege a fost cunoscută sub formă metaforică încă din cele mai vechi timpuri. El a spus că materia este de necreat și indestructibil. Apoi a venit formularea sa cantitativă. Potrivit acesteia, greutatea (și de la sfârșitul secolului al XVII-lea - masa) este o măsură a cantității de substanță.
Această lege în forma ei obișnuită a fost descoperită în 1748 de Lomonosov. În 1789, a fost completat de A. Lavoisier, un om de știință francez. Formula sa modernă sună astfel: masa de substanțe care intră în reactie chimica, este egală cu masa substanțelor care rezultă din aceasta.
Legea lui Avogadro, legea raporturilor volumetrice ale gazelor
Ultimul dintre acestea a fost formulat în 1808 de J. L. Gay-Lussac, un om de știință francez. Această lege este acum cunoscută drept legea lui Gay-Lussac. Potrivit acestuia, volumele gazelor care reacţionează sunt legate între ele, precum şi volumele produselor gazoase rezultate, ca numere întregi mici.
Modelul descoperit de Gay-Lussac explică legea care a fost descoperită puțin mai târziu, în 1811, de Amedeo Avogadro, un om de știință italian. Se spune că la condiții egale(presiune și temperatură) în gazele având același volum, există același număr de molecule.
Din legea lui Avogadro decurg două consecințe importante. Primul este că atunci când aceleasi conditii un mol din orice gaz ocupă un volum egal. Volumul oricăreia dintre ele conditii normale(care sunt o temperatură de 0 ° C, precum și o presiune de 101,325 kPa) este de 22,4 litri. A doua consecință a acestei legi este următoarea: în condiții egale, raportul dintre masele de gaze cu același volum este egal cu raportul dintre masele lor molare.
Există o altă lege, care trebuie menționată cu siguranță. Să vorbim pe scurt despre asta.
Legea periodică și tabelul
D. I. Mendeleev, pe baza proprietăților chimice ale elementelor și stiinta atomica si moleculara a descoperit această lege. Acest eveniment a avut loc la 1 martie 1869. Legea periodică este una dintre cele mai importante din natură. Se poate formula astfel: proprietăţile elementelor şi complexului şi substanțe simple au o dependență periodică de sarcinile nucleelor atomilor lor.
Tabelul periodic creat de Mendeleev este format din șapte perioade și opt grupe. Grupurile sunt coloanele sale verticale. Elementele din cadrul fiecăreia dintre ele au fizic și Proprietăți chimice. Grupul, la rândul său, este împărțit în subgrupe (principale și secundare).
Rândurile orizontale ale acestui tabel se numesc perioade. Elementele care se află în ele diferă unele de altele, dar au și în comun - că ultimii lor electroni se află pe același nivel de energie. Sunt doar două elemente în prima perioadă. Acestea sunt hidrogen H și heliu He. Sunt opt elemente în a doua perioadă. Sunt deja 18 dintre ei în a patra. Mendeleev a desemnat această perioadă drept prima mare. Al cincilea are și 18 elemente, structura sa este similară cu cea de-a patra. Al șaselea conține 32 de elemente. Al șaptelea nu este finalizat. Această perioadă începe cu francium (Fr). Putem presupune că va conține 32 de elemente, ca și al șaselea. Cu toate acestea, doar 24 au fost găsite până acum.
Regula de retragere
Conform regulii de rollback, toate elementele tind să câștige sau să piardă un electron pentru a avea cea mai apropiată configurație de gaz nobil cu 8 electroni. Energia de ionizare este cantitatea de energie necesară pentru a separa un electron de un atom. Regula rollback prevede că atunci când vă deplasați de la stânga la dreapta tabelul periodic necesar mai multă energie pentru a elimina un electron. Prin urmare, elementele din partea stângă tind să piardă un electron. Dimpotrivă, cele situate cu partea dreapta vrei sa-l cumperi.
Am subliniat pe scurt legile și conceptele de bază ale chimiei. Cu siguranță, asta este doar informatii generale. În cadrul unui articol, este imposibil să vorbim în detaliu despre o știință atât de serioasă. Conceptele și legile de bază ale chimiei, rezumate în articolul nostru, sunt doar un punct de plecare pentru studii suplimentare. Într-adevăr, în această știință există multe secțiuni. Există, de exemplu, chimie organică și anorganică. Conceptele de bază ale fiecăreia dintre secțiunile acestei științe pot fi studiate foarte mult timp. Dar cele prezentate mai sus se referă la probleme generale. Prin urmare, putem spune că acestea sunt conceptele de bază Chimie organica cât şi anorganice.
Chimie supramoleculară (supramoleculară). (chimie supramoleculară, Chimie supermoleculară) este un domeniu interdisciplinar al științei, inclusiv chimic, fizic și aspectele biologice considerații mai complexe decât moleculele, sisteme chimice conectate într-un singur întreg prin interacțiuni intermoleculare (non-covalente). Obiecte ale chimiei supramoleculare - ansambluri supramoleculare, construit spontan din complementare, adică având o corespondență geometrică și chimică a fragmentelor, ca un ansamblu spontan al celor mai complexe structuri spațialeîntr-o celulă vie. Unul dintre probleme fundamentale chimia modernă este proiectarea direcționată a unor astfel de sisteme, crearea de compuși supramoleculari foarte ordonați din „blocuri” moleculare cu o structură și proprietăți date. Formațiunile supramoleculare se caracterizează prin aranjarea spațială a componentelor lor, arhitectura lor, „suprastructura”, precum și tipurile de interacțiuni intermoleculare care țin componentele împreună. În general, interacțiunile intermoleculare sunt mai slabe decât legăturile covalente, astfel încât asociații supramoleculari sunt mai puțin stabili termodinamic, cinetic mai labili și dinamic mai flexibili decât moleculele.
Conform terminologiei chimiei supramoleculare, componentele asociaților supramoleculari se numesc receptor(ρ) și substrat(σ), unde substratul este componenta mai mică care intră în legătură. Termeni activați conexiunea, clatratși conexiune (complex) de tip invitat-gazdă caracterizează compuși care există în stare solidă și aparțin ansamblurilor supramoleculare solide.
Legarea selectivă a unui anumit substrat σ și a receptorului său ρ cu formarea supermoleculeσρ apare ca urmare a procesului recunoaștere moleculară. Dacă, pe lângă situsurile de legare, receptorul conține grupe funcționale reactive, acesta poate afecta substanța chimică transformare pe substratul său asociat, acționând ca un catalizator supramolecular. Receptorul lipofil, solubil în membrană poate acționa ca purtător, efectuând transport, transfer substrat asociat. Astfel, recunoașterea moleculară, transformarea, transferul sunt principalele funcții ale obiectelor supramoleculare.
Supra chimie moleculară pot fi împărțite în două zone largi, parțial suprapuse, care sunt luate în considerare, respectiv: 1) supermolecule- bine definit, discret oligo formațiuni moleculare care apar ca urmare a asocierii intermoleculare a mai multor componente (receptor și substrat(i)) în conformitate cu un anumit „program” care funcționează pe baza principiilor recunoașterii moleculare; 2) ansambluri supramoleculare- asociații polimoleculari care decurg din asocierea spontană a unui număr nedefinit de componente într-o fază specifică, caracterizată printr-o organizare mai mult sau mai puțin definită la nivel microscopic și proprietăți macroscopice în funcție de natura fazei (film, strat, membrană, veziculă). , fază mezomorfă, cristal etc.) d.).
Un formalism special este folosit pentru a descrie locația substratului (substraților) în raport cu receptorul. Complexele de aduct extern pot fi desemnate ca , sau . Pentru a desemna complexe de incluziune σ în ρ și intersecția parțială a lui σ și ρ, folosim simboluri matematice incluziunile ⊂ și, respectiv, intersecțiile ∩ - și . În modern literatura chimicăîmpreună cu simbolul ∩, este adesea folosit și simbolul alternativ @.
chimie supramoleculară(Engleză) - un domeniu al chimiei care studiază structurile supramoleculare (ansambluri formate din două sau mai multe molecule ținute împreună prin mijloace); „chimia ansamblurilor moleculare și a legăturilor intermoleculare” (definiție de J.-M. Lena).
Descriere
Chimia tradițională se bazează pe legaturi covalenteîntre atomi. În același timp, pentru sinteza nanosistemelor complexe și a dispozitivelor moleculare utilizate în chimie covalentă nu suficient, deoarece astfel de sisteme pot conține câteva mii de atomi. Interacțiunile intermoleculare vin în ajutor - ele ajută la unirea moleculelor individuale în ansambluri complexe numite structuri supramoleculare.
Cel mai simplu exemplu de structuri supramoleculare sunt complexele gazdă-oaspete. Gazda (receptorul) este de obicei un mare moleculă organică cu o cavitate în centru, iar invitatul este o moleculă sau un ion mai simplu. De exemplu, poliesterii ciclici de diferite dimensiuni (eteri de coroană) leagă destul de puternic ionii metalelor alcaline (Fig. 1).
Structurile supramoleculare se caracterizează prin următoarele proprietăți.
1. Prezența nu a unuia, ci a mai multor centre de legare în gazdă. În eterii de coroană, acest rol este jucat de atomii de oxigen cu singuri perechi de electroni.
2. Complementaritate: structuri geometrice şi proprietăți electronice gazda și oaspetele se completează reciproc. În eterii de coroană, acest lucru se manifestă prin faptul că diametrul cavității ar trebui să corespundă razei ionilor. Complementaritatea permite gazdei să efectueze legarea selectivă a oaspeților cu o structură strict definită. În chimia supramoleculară, acest fenomen se numește „” (engleză - recunoaștere moleculară) (Fig. 2).
3. Complexe cu un numar mare legăturile dintre gazda complementară și oaspete au un nivel ridicat organizarea structurală.
Structurile supramoleculare sunt foarte răspândite în natură. Toate reacțiile la organismele vii au loc cu participarea catalizatorilor proteici. Enzimele sunt molecule gazdă ideale. Centrul activ al fiecărei enzime este aranjat în așa fel încât să poată pătrunde în el doar acea substanță (substrat) care îi corespunde ca mărime și energie; enzima nu va reacționa cu alte substraturi. Un alt exemplu de structuri biochimice supramoleculare sunt moleculele în care două lanțuri de polinucleotide sunt legate între ele în mod complementar prin multe legături de hidrogen. Fiecare lanț este atât un oaspete, cât și o gazdă pentru celălalt lanț.
Principalele tipuri de interacțiuni necovalente care formează structuri supramoleculare sunt ionice și . Toate interacțiunile non-covalente sunt mai slabe decât cele covalente - energia lor ajunge rareori la 100 kJ/mol, totuși număr mare legăturile dintre gazdă și oaspete asigură stabilitatea ridicată a ansamblurilor supramoleculare. Interacțiunile non-covalente sunt slabe individual, dar puternice la nivel colectiv.
Formarea ansamblurilor supramoleculare se poate produce spontan - acest fenomen se numește. Acesta este un proces în care componentele moleculare mici se unesc spontan pentru a forma unele supramoleculare mult mai mari și mai complexe. În timpul auto-asamblarii, entropia sistemului scade, Δ S
Δ G = Δ H – TΔ S
este necesar ca Δ H h| > | TΔ S|. Aceasta înseamnă că auto-asamblarea are loc cu alocare un numar mare căldură. Acasă forta motrice auto-asamblarea este dorința sistemelor chimice de a reduce energia Gibbs prin formarea de noi legături chimice, efectul de entalpie aici prevalează asupra celui de entropie.
Principalele clase de compuși supramoleculari sunt cavitanzii, criptanzii, calixarenele, complexele oaspete-gazdă, catenanele, . De asemenea, pot fi atribuite structuri supramoleculare.
Metodele de chimie supramoleculară găsesc aplicare largăîn analiza chimica, medicament,
Pagina 1
Chimia moleculelor precum C2H2, N2H2 și H202 este determinată de orbitalii formați prin combinația dintre px - și py - A. În acetilena liniară, acești orbitali dau naștere la orbitali tsv - și liberi icg - plini (cap. Molecula , desigur, are simetrie axială.
Chimia moleculei de monoxid de carbon poate fi parțial bine explicată prin această formă, al cărei echivalent din punct de vedere al teoriei orbitalelor moleculare nu este luat în considerare aici. În această structură, carbonul are o pereche izolată de electroni și o orbită goală, deoarece nucleul de carbon este înconjurat doar de un sextet de electroni în loc de octetul obișnuit. Pe baza acestor considerații, se poate aștepta ca monoxidul de carbon să fie capabil să interacționeze cu grupările nucleofile, cum ar fi bazele, care pot fi o sursă de electroni pentru a umple un octet. Într-adevăr, sunt cunoscute reacții similare cu monoxid de carbon; unele dintre ele vor fi, de asemenea, discutate mai jos.
Chimia moleculelor continuă să fie chimia organică modernă. Cu toate acestea, pentru compușii anorganici, forma moleculară a existenței unei substanțe este caracteristică doar pentru starea de gaz și vapori.
Chimia moleculelor continuă să fie chimia organică modernă și majoritatea substante anorganice Nu Aveți structura moleculara. LA ultimul caz macrocorpii sunt formați fie din atomi ai acelorași element chimic, sau din atomi elemente diferite. Recunoașterea unei forme non-moleculare de existență solid conduce la necesitatea revizuirii unor prevederi ale atomisticii chimice, a modernizării legilor și conceptelor de bază care sunt valabile pentru chimia pneumatică (gazelor).
În chimia moleculară, există două elemente fundamentale.
Ca și în chimia moleculară, exotermă și reactii endoterme. Definiția mărimii și semnului efect termic reacțiile pot fi efectuate folosind legea echivalenței masei și energiei.
Teoria grupurilor este aplicată aici mult mai pe scară largă decât în chimia moleculară. În același timp, capacitatea de a deriva regularitățile spectrului de masă al particulelor din principii fundamentale, de exemplu, din geometrodinamică, este mult mai problematică aici decât capacitatea de a calcula energia de legare a unei molecule folosind ecuația Schrödinger.
O astfel de dorință de a extinde în domeniu ideile și teoriile care au crescut în profunzimile chimiei organice (chimia moleculelor). Chimie anorganică s-a dovedit, așa cum ne este acum clar, ilegal, în principal pentru că compuși anorganici sunt, de regulă, sisteme nemoleculare. În aceleași sisteme, nu covalent, dar legături ionice. Trăsătura distinctivă compuși complecși este că sunt compuși ai moleculelor, nu atomilor.
La început, a fost vorba doar de cofactori, care, totuși, au fost adesea găsiți pe baza analizei asociațiilor structurale cristaline și transferați la chimia moleculară, în ciuda lipsei de material privind relația dintre chimia moleculară și chimia cristalină. Pentru compușii din anumite clase, aceste relații sunt atât de simple încât permit ca anumite valențe să fie prealocate particulelor, din care pot fi derivați coeficienții reali. Nu trebuie trecut cu vederea faptul că această regularitate (care, din cauza numeroaselor dificultăți, nu poate fi considerată de la sine înțeles). compuși chimiciîn general) a câștigat atât de repede recunoașterea doar dintr-un motiv geochimic. Oxigenul este element esential litosfera exterioară și tocmai pe baza relației dintre numărul de atomi de oxigen și alte elemente din compușii oxigenului s-a dedus o regulă că orice raport stoichiometric este imposibil pentru asociații neutre din punct de vedere electric.
La început, a fost vorba doar de coeficienți, care, totuși, au fost adesea găsiți pe baza unei analize a asociațiilor structurale cristaline și transferați la chimia moleculară, în ciuda lipsei de material privind relația dintre chimia moleculară și chimia cristalină. În prezent, putem presupune că în asociații atomice neutre din punct de vedere electric specii cunoscute atomii în condiții normale stau în raporturi stoichiometrice simple față de ceilalți. Pentru compușii din anumite clase, aceste relații sunt atât de simple încât permit ca anumite valențe să fie prealocate particulelor, din care pot fi derivați coeficienții reali. Nu trebuie trecut cu vederea faptul că această regularitate (care, din cauza numeroaselor dificultăți, nu poate fi considerată de la sine înțeles pentru compușii chimici în general) a fost recunoscută atât de repede doar dintr-un motiv geochimic. Oxigenul este cel mai important element al litosferei exterioare și tocmai pe baza raporturilor dintre numărul de atomi de oxigen și alte elemente din compușii de oxigen a fost derivată regula conform căreia orice raport stoichiometric este imposibil pentru asociații neutre din punct de vedere electric.
Manifestări ale interacțiunilor electronic-vibraționale (sau, pe scurt, vibraționale) în sistemele poliatomice, care sunt combinate în literatura de specialitate sub denumirea comună efectul Jahn-Teller, formează în prezent o nouă direcție în curs de dezvoltare rapidă în fizica și chimia moleculelor și cristalelor.
Este ușor de observat că între reacțiile I și II există diferențe fundamentale. Reacția I reprezintă chimia moleculelor; numai factorii energetici participă la activarea reactivilor lor. Reacțiile II reprezintă întreaga chimie, schimbarea moleculelor în care se efectuează în principal cu participarea sistemelor berthollide. Direcția și viteza reacțiilor I sunt determinate în întregime structura chimica molecule care reacţionează. Direcţia şi viteza reacţiilor II sunt determinate atât de structura chimică a moleculelor care reacţionează cât şi organizarea chimică sistem catalitic.
Deoarece pentru formarea unui inel, închis legături de hidrogen, necesar stare de excitat, aparent, nu are sens să studiem în detaliu influența diverse grupuri substituenți în procesul de ciclizare folosind date din reacțiile de chimie organică convențională. Se poate spune că fotochimia se preocupă mai degrabă de chimia moleculelor în stare excitată decât în starea fundamentală.
Am vrut să abordez pe scurt problema reactivitate molecule triplete. Această întrebare, în general, este foarte mare, deoarece chimia moleculelor în starea triplet este un câmp independent. Mă voi opri doar asupra caracteristicii calitative a energiei de activare a unei reacții care implică molecule în stare de triplet. Care este diferența dintre o astfel de moleculă și un radical. Cel mai simplu exemplu este molecula de O2, pentru care starea triplet este starea fundamentală. LA acest caz Evident, nu există energie de activare.
