Структурная химия

Содержание

 

1. Введение
2. Что такое структура
3. Понятие «структурная химия»
4. Развитие и эксперимент в современной структурной химии
5. Круг объектов современной структурной химии
6. Достижения и исследования в области структурной химии
7. Вывод
8. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. На рубеже тысячелетий в каждой из главных областей естествознания – биологии, физике, химии – произошли и происходят одинаково важные, капитальные, но притом весьма различные метаморфозы. Облик биологии преобразили молекулярная генетика, исследования биологических процессов на молекулярном уровне. Физика достигла колоссальных успехов в технологическом обеспечении электроники, поражает воображение расширение диапазона исследуемых частот и энергий (благодаря синхротрону и лазерной технике). Это пока не привело к пересмотру физических основ и общей картины мироздания, но можно ожидать, что радикальные сдвиги в теоретической физике произойдут в ближайшие годы.

 

Существенно иной представляется ситуация, сложившаяся в химии. Здесь также несомненно бурно развиваются новые представления (например, их несут в себе супрамолекулярная химия, нанотехнологии, фемтохимия). Фантастическими следует назвать достижения биохимии. Все шире внедряются представления о химическом веществе как о микрогетерогенной среде, и это играет огромную роль в химии материалов. Несомненно огромное значение имеют успехи квантовой химии, однако и классическая механика широко используется при описании и интерпретации химических процессов. И по-прежнему незыблемой основой очень многих разделов химии остаются структурные формулы и стереохимические представления, сложившиеся в конце 19-го века.

 

Основная метаморфоза, которую  претерпела химия в 20-м столетии, заключается в том, что из "экспериментальной  науки о веществах и их превращениях" она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем. При этом основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования атомно-молекулярных систем стала структура. Не будет большим преувеличением назвать всю современную химию структурной.

 

2. Структура – это всегда модель, это всегда некое приближение. Стоит отметить, что если в английском языке для понятия "приближение" есть два термина: approach и approximation, то в русском для этого существует лишь одно слово – "приближение", но от этого оно не теряет своих двух смыслов: все равно оно остается, с одной стороны, приближением в смысле approach и с другой – приближением в смысле approximation. Структура есть приближение в обоих значениях этого слова.

 

Чаще всего и подробнее всего  рассматривается структура молекул  и кристаллов, но чрезвычайно важна  для химии и структура других конденсированных фаз, а также прочих образований, которые не являются молекулами (например, ассоциатов и кластеров).

 

3.  Структурная химия — раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергается следующее — длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность.

 

4.  Еще в 19-м веке корифеи химии указывали на сложное соотношение между понятиями "эксперимента" и "факта", а также на относительно малую значимость "фактов" как таковых "факт сам по себе ничего не значит. Важна интерпретация." Д.И.Менделеев. К этому следует еще добавить, что любой "факт" можно зафиксировать (сформулировать), только опираясь на определенные теоретические (модельные) представления. Следовательно, если меняются теоретические воззрения, меняются и "факты", которые, таким образом, оказываются вписанными в постулируемую систему научных взглядов ).

 

Однако, в середине 20-го века учебники химии (неорганической, органической, аналитической) чаще всего представляли собой увесистые тома или даже многотомные издания, содержащие огромное множество "экспериментальных фактов", которые следовало запомнить или хотя бы иметь в виду. Большая часть этих сведений была получена простыми очевидными способами и казалась весьма надежной. Но впоследствии очень многое оказалось неверным или неточным или неправильно истолкованным.

 

Тем временем мало-помалу стала меняться, причем во многих отношениях, та масса зафиксированного в научной литературе материала, который принято называть "опытными данными", "результатами экспериментальных исследований" и т.п. Этот процесс был обусловлен рядом факторов, из которых первым стало многократное увеличение числа научных работников. Стало возможным накопление огромных массивов однообразной информации для широкого круга химических соединений (диэлектрические постоянные, магнитная восприимчивость, дипольные моменты, термохимические данные и многое другое). Наряду с толстыми учебниками появились очень толстые справочники.

 

Далее, информация такого рода разрослась настолько, что перестала умещаться  уже и в справочники; к тому же пользоваться такими изданиями стало дорого и неудобно. В последние три-четыре десятилетия 20-го века однообразная информация стала оседать в компьютерных базах данных (их называют также и банками).

 

Потоки фактической  информации, используемой для наполнения компьютерных банков, практически полностью поступают от экспериментаторов, освоивших дорогое и весьма совершенное фирменное оборудование (бурный расцвет так называемых "физических методов исследования"!). Если говорить о структурных данных, то здесь основными источниками информации стали инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния, спектры ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса, дифракционные методы (рентгеноструктурный анализ и нейтронография). Объем сведений, полученных с помощью названных методов в последние три-четыре десятилетия 20-го века, в тысячи раз превысил объем опытных данных, накопленных за предыдущие три века существования научной химии. При этом разрабатываемые в настоящее время новые экспериментальные методики (например, использование синхротронного излучения в рентгеноструктурном анализе) открывают фантастические возможности не только ускоренного накопления информации, но и ее полной перепроверки и уточнения, осуществляемого за очень короткие сроки ).

 

Разумеется, развитие мощных физических методов, реализуемых с помощью фирменной аппаратуры, и существование компьютерных банков данных открывает новые великолепные возможности перед современной химией. Надо, однако, сказать и о негативных последствиях этих достижений. Создание ультрасовершенных приборов и комплексов программ для стандартизированной обработки экспериментальных данных заметно снизило творческий потенциал работающих на этих приборах исследователей ), точнее, ту часть этого потенциала, которая могла бы и должна была бы направляться на осмысление получаемых результатов, нешаблонную оценку их значимости и соотнесение новых данных с актуальными проблемами химии. Стандартизация способов обработки и представления данных, принятая в компьютерных банках, поддерживаемая научными журналами, устанавливаемая научными сообществами как общепринятая норма, нередко приводит к тому, что исследователи осуществляют не тот эксперимент, который задуман (ими или их руководителями) и определяется поставленной научной задачей, а тот, который нужно выполнить, чтобы хорошо смотреться на конференции, без проблем опубликовать результаты и заложить их в банк.

 

При более общем взгляде на этот вопрос можно подразделить используемые физические методы на широко распространенные (общепринятые) (например, ИК- и ЯМР-спектроскопия), редкие, но также достаточно широко известные (например, газовая электронография), методы, представляющие собой нестандартное использование стандартного оборудования (например, прецизионный рентгеноструктурный анализ, о котором сказано ниже) и уникальные методы ). В настоящее время работы, в которых используются уникальные методы, встречаются крайне редко. Почти не находится желающих идти непроторенными путями при наличии удобных хорошо оборудованных магистралей к тому же с риском не добиться успеха. Немаловажно и то, что в этом случае могут возникнуть проблемы с финансированием. Вместе с тем, если уникальный замысел оправдывает себя, при современном развитии коммуникаций метод быстро перемещается в разряд более или менее распространенных, если же нет, – забывается, и говорить о нем нет смысла. Поэтому затруднительно даже привести подходящий пример уникального метода. (Фемтосекундная спектроскопия уже приобрела определенное распространение и в ближайшее время станет, если не общепринятой, то достаточно часто используемой.)

 

Аналогично приведенной  классификации физических методов  исследования (по степени их распространенности) можно классифицировать экспериментальные  химические исследования, в том числе  исследования, проведенные с применением  физических методов. Здесь также  можно говорить о работах стандартных, более редких, неординарных исследованиях и об уникальных экспериментах, причем уникальность вовсе не обязательно обусловлена использованием уникального физического метода. В химии 18-го и 19-го веков почти все успешные эксперименты (или, по крайней мере, большая часть таких экспериментов) были уникальными. В 20-м веке сформировался и достиг колоссального размаха стандартный химический эксперимент – производство однообразной информации. Мы уже говорили о высокой ценности опытных данных такого рода. И вместе с тем, особую, часто выдающуюся и решающую роль играли уникальные эксперименты. Выходя за рамки структурной химии в качестве примеров можно указать радиохимические исследования М. Склодовской-Кюри, определение химической структуры хлорофилла (Р.М.Вильштеттер) и его синтез (Р.Б.Вудворд), изучение биоэнергетики клетки (П.Митчел). В 21-м веке, надо думать, сохранится особая значимость, особое место нетривиального, нестандартного опыта, который М. Борн назвал "главным источником знания". Примечательно, что эти слова принадлежат не экспериментатору, а теоретику.

 

5.  Весьма существенное (и, к сожалению, пока недостаточно осознанное химическим сообществом) обстоятельство заключается в том, что современная химия имеет дело отнюдь не только с химическими веществами и другими гомогенными фазами, например, растворами, но и с обширным кругом принципиально иных атомно-молекулярных систем (АМС). Именно это обстоятельство побуждает пересмотреть традиционное определение химии, о чем было сказано в начале настоящей статьи.

 

На первый план выдвинулось  изучение таких объектов, как ДНК, РНК, белки, которые функционируют  не в качестве вещества, а виде отдельных  молекул.) К химическим процессам, реализующимся  в биологических системах , неприменимы принципы классической термодинамики. Быстро растет интерес к супрамолекулярным системам . Отдельный и очень важный круг АМС представляют собой системы, возникающие на поверхности, на границах раздела фаз. Примером таких систем являются модифицированные поверхности графита, силикагеля и других носителей, несущие на себе "привитые" (химически связанные) молекулы модификатора . Самостоятельная область химических знаний, имеющая дело со специфическими АМС, – коллоидная химия.

 

Следует отметить, что  структура все в большей мере становится не только средством интерпретации поведения самых различных АМС, но и средством их идентификации, главным признаком, используемым при инвентаризации многообразия АМС.

 

Добавим к этому еще  одно немаловажное обстоятельство, существенно влияющее на дефиницию химии и формулировку ее задач: многие химические вещества, которые априори считались (и чаще всего до сих пор считаются) гомогенными, в действительности представляют собой микрогетерогенные фазы. Это проявляется, например, в том, что в молекулярных жидкостях молекулы часто объединены в агломераты – ансамбли, в пределах которых молекулы взаимодействуют сильнее, т.е. связаны прочнее, чем молекулы, относящиеся к разным агломератам. В частном случае молекулы в агломератах соединены водородными связями – тогда агломераты называются H-ассоциатами. Агломераты (конечные и бесконечные), как правило, наблюдаются и в органических кристаллах. Однако в кристаллическом веществе агломераты расположены закономерно, упорядочено, и их существование не порождает микрогетерогенности. В расплаве или растворе органического соединения микрогетерогенность обусловлена существованием более или менее стабильных или нестабильных, хаотически дрейфующих относительно друг друга агломератов. Эти агломераты представляют собой фрагменты молекулярных цепей, лент, стержней, слоев, имеющих вполне определенное строение, по-видимому, чаще всего воспроизводящих те или иные элементы структуры кристалла, но различных по размерам, т.е. по числу содержащихся в них молекул. Такая структура жидкого вещества несомненно влияет на его свойства, например, на фармакокинетические параметры, предопределяющие лечебное действие лекарств, растворенных в физиологических жидкостях.

 

Таким образом, структура  раствора (или расплава), вообще говоря, зависит от структуры кристалла, из которого этот раствор (или расплав) образовался. Известны примеры существенных различий растворов, полученных из разных полиморфов или из кристаллов родственных химических веществ. Это явление можно назвать структурной памятью жидкой фазы. Естественно, можно говорить и о структурной памяти кристалла, полученного из определенного раствора (или расплава).

 

 

Микрогетерогенность и  особенности строения реальных конденсированных фаз – актуальная проблема, относящаяся  отнюдь не только к жидкостям, но и к реальным кристаллам. разнообразие и специфичность дефектов, обнаруживаемых в реальных кристаллах  в точном соответствии с их морфогенезом, дает возможность обсуждать правомерность такого понятия как полиморфизм реального кристаллического вещества.

 

6. Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых — безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.