Cтраница 1

Химия молекул, таких, как С2Н2, N2H2 и Н202, определяется орбиталями, образующимися при комбинации рх - и ру - А. В линейном ацетилене эти орбитали порождают заполненные тсв - и свободные icg - орбитали (гл. Молекула, естественно, имеет аксиальную симметрию.  

Химия молекулы окиси углерода частично может быть хорошо объяснена этой формой, эквивалент которой с точки зрения теории молекулярных орбит здесь не рассматривается. В этой структуре углерод имеет изолированную пару электронов и одну незаполненную орбиту, так как ядро углерода окружено лишь секстетом электронов вместо обычного октета. Исходя из этих соображений, можно ожидать, что окись углерода способна взаимодействовать также с нуклео-фильными группами, например основаниями, которые могут явиться источником электронов для заполнения октета. Действительно, подобные реакции окиси углерода известны; некоторые их них также будут рассмотрены ниже.  

Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия. Однако для неорганических соединений молекулярная форма существования вещества характерна лишь для газо - и парообразного состояния.  

Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия, а большинство неорганических веществ не имеют молекулярной структуры. В последнем случае макротела состоят либо из атомов одного и того же химического элемента, либо из атомов разных элементов. Признание немолекулярной формы существования твердого вещества приводит к необходимости пересмотра некоторых положений химической атомистики, модернизации основных законов и понятий, справедливых для пневматической (газовой) химии.  

В химии молекул различают два осн.  

Как и в химии молекул, в ядерной химии возможно протекание экзотермических и эндотермических реакций. Определение величины и знака теплового эффекта реакций может быть проведено при помощи закона эквивалентности массы и энергии.  

Теория групп применяется здесь гораздо шире, чем в химии молекул. В то же время возможность вывести закономерности спектра масс частиц из фундаментальных принципов, скажем из геометродинамики, здесь значительно более проблематична, чем возможность рассчитать энергию связи молекулы с помощью уравнения Шредин-гера.  

Такое стремление распространить идеи и теории, выросшие в недрах органической химии (химии молекул), на область неорганической химии оказалось, как это нам теперь ясно, неправомерным главным образом потому, что неорганические соединения - это, как правило, немолекулярные системы. В таких же системах преобладают не ковалентные, а ионные связи. Отличительная же особенность комплексных соединений состоит в том, что они представляют собою соединения молекул, а не атомов.  

Сначала речь шла только о козфициентах, которые, впрочем, часто находили на основании анализа кристаллических структурных объединений и переносили в молекулярную химию, несмотря на отсутствие материала по отношению между химией молекул и кристаллохимией. Для соединении определенных классов эти соотношения настолько просты, что позволяют заранее приписывать частицам некоторые валентности, из которых можно вывести фактические коэфициенты. Нельзя упускать из вида, что эта закономерность (которая вследствие многочисленных затруднений не может считаться чем-то само собой подразумевающимся для химических соединений вообще) так быстро получила признание лишь по геохимической причине. Кислород является важнейшим элементом внешней литосферы, и именно на основании отношений между числами атомов кислорода и других элементов в кислородных соединениях было выведено правило, что у электронейтральных объединений невозможны любые стехиометрические соотношения.  

Сначала речь шла только о коэфициентах, которые, впрочем, часто находили на основании анализа кристаллических структурных объединений и переносили в молекулярную химию, несмотря на отсутствие материала по отношению между химией молекул и кристаллохимией. В настоящее время мы можем считать, что в электронейтральных атомных объединениях известные виды атомов в нормальных условиях стоят в простых стехиометрических отношениях к другим. Для соединений определенных классов эти соотношения настолько просты, что позволяют заранее приписывать частицам некоторые валентности, из которых можно вывести фактические коэфициенты. Нельзя упускать из вида, что эта закономерность (которая вследствие многочисленных затруднений не может считаться чем-то само собой подразумевающимся для химических соединений вообще) так быстро получила признание лишь по геохимической причине. Кислород является важнейшим элементом внешней литосферы, и именно на основании отношений между числами атомов кислорода и других элементов в кислородных соединениях было выведено правило, что у электронейтральных объединений невозможны любые стехиометрические соотношения.  

Проявления электронно-колебательных (или, короче, виброн-ных) взаимодействий в многоатомных системах, в литературе объединяемые под общим названием эффекта Яна - Теллера, образуют в настоящее время новое быстро развивающееся направление в физике и химии молекул и кристаллов.  

Легко - видеть, что между реакциями I и II существуют принципиальные различия. Реакция I представляют собой химию молекул; в активации их реагентов участвуют только энергетические факторы. Реакции II предсталвяют собой всю химию, изменение молекул в которой осуществляется преимущественно при участии бертоллидных систем. Направление и скорость реакций I определяются всецело химическим строением реагирующих молекул. Направление же и скорость реакций II обусловливаются как химическим строением реагирующих молекул, так и химической организацией катализирующей системы.  

Поскольку для образования кольца, замкнутого водородными связями, необходимо возбужденное состояние, по-видимому, нет смысла детально исследовать влияние различных групп заместителей на процесс циклизации, используя данные по обычным реакциям органической химии. Можно сказать, что фотохимия занимается химией молекул в возбужденном, а не в основном состоянии.  

Я хотел кратко остановиться на вопросе о реакционной способности молекул в триплетном состоянии. Вопрос этот, вообще говоря, очень большой, поскольку химия молекул в триплетном состоянии представляет собой самостоятельную область. Я остановлюсь только на качественной характеристике энергии активации реакции, в которой участвуют молекулы, находящиеся в триплетном состоянии. Чем отличается такая молекула от радикала. Простейшим примером является молекула О2, для которой триплетное состояние основное. В данном случае, очевидно, энергии активации нет.  

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ

Супрамолекулярная химия(СХ) – относительно новый раздел химии, рассматривающий соединения, молекулярные ансамбли, ассоциаты стехиометрического и нестехиометрического составов, компоненты которых связанны между собой межмолекулярными (невалентными) взаимодействиями. Иными словами СХ – это химия невалентных взаимодействий. К настоящему моменту это наиболее распространенное, хотя и не всеми принятое определение предмета супрамолекулярной химии, что указывает на молодость рассматриваемой научной дисциплины и размытость границ ее действия, но об этом несколько ниже.

Термин «супрамолекулярная химия» был введен в 1973 году Лауреатом Нобелевской премии по химии за 1987 год Ж.-М. Леном. По Лену предмет супрамолекулярной химии можно разбить на две широкие, частично перекрывающиеся области, связанные с: а) - химией супрамолекул, возникающих в результате молекулярного распознавания и последующей межмолекулярной ассоциации двух или нескольких компонентов - рецептора и его субстрата, и которые строят молекулярный каркас из одного сорта молекул (хозяин), в полости которого внедряется другой сорт молекул (гость), и б) - химией молекулярных ансамблей, возникающих в результате спонтанной ассоциации неопределенного числа компонентов и имеющих более или менее четко обозначенную микроскопическую организацию (клатраты, везикулы, мицеллы, мембраны; например, одна из разновидностей рибосомы состоит из 55 белковых молекул и трех молекул рибонуклеиновой кислоты, образующих глобулу с размером порядка 200 Å). Сила взаимодействия в этих конструкциях может колебаться от слабых, наблюдаемых, например, в газовых гидратах и образованных за счет водородных связей, до сильных, образованных д.-а. связями, наблюдаемых, например, в краун-соединениях. При этом следует иметь ввиду, что образование подобных соединений зачастую приводит к стабилизации как хозяйских молекул, строящих каркас и находящихся, например, в энергетически менее выгодной конформации по сравнению с свободной молекулой, например, конформации типа «ванна», так и молекул гостей, иногда даже не существующих в индивидуальном состоянии (например, радикалы). Это явление получило свое особое название «контактная стабилизация молекул». Отсюда следует, что понятие супрамолекулярная химия объединяет самые различные классы веществ, начиная от веществ, рассматриваемых в курсе неорганической химии, и кончая веществами, являющихся предметом химии живого. Из вышесказанного также следует, что многие исследователи изучали вещества, связанные невалентными взаимодействиями, еще задолго до первой формулировки термина супрамолекулярная химия . Более того, большинство терминов, вошедших в это понятие, было предложено в конце XIX и начале XX веков.

Клатраты (термин в его современном понимании предложен в 1947 г Пауэллом) или соединения включения (термин преложен Шленком в 1949 г), видимо впервые были замечены Пьером, Бертло и Кронстедтом в 40-50 г.г. XVIII века, но детально описаны Пристли в 1778 г («аномальный» лед – гидрат сернистого газа). Пелетье и Карстен в 1785 г описали образование «окиси мурия», которая в действительности оказалась гидратом элементарного хлора, что доказал Дэви в 1811 г. При этом состав этой «окиси» (Cl 2 ×10H 2 O) был определен в 1823 г. Фарадеем, а структура только в 1952 г. Штакельбергом и Мюллером.

Сейчас под клатратами понимают надмолекулярные соединения включения , образованные только за счет вандерваальсовых взаимодействий молекул-гостей с молекулами другого сорта, называемых хозяйскими , из которых построен каркас с полостями для приема гостя. Термодинамическая устойчивость таких соединений обеспечивается подходящей геометрией расположения молекул гостей в полости хозяина (пространственное соответствие, комплементарность ), благодаря чему образование слабых, но многочисленных межмолекулярных связей приводит к некоторому выигрышу энергии по сравнению с энергией составляющих клатрат компонентов. При этом каких-либо макроизменений, обычно проявляющихся при образовании более прочных связей, в компонентах соединений включения не обнаруживается. Соотношение компонентов в клатрате, т.е. его стехиометрия, может быть переменным, как в соединениях гидрохинона с инертными газами, так и строго определенным, как в соединениях мочевины с парафинами, в большинстве газовых гидратов или того же гидрохинона, но образующего соединения с сероводородом или фуллеренами.

В значительной степени стехиометрия определяется устойчивостью каркаса хозяина. Если каркас в отсутствие гостя неустойчив или вообще не существует, то образуется клатратное соединение постоянного состава. Если каркас хозяина термодинамически устойчив и в отсутствие гостя, то в этом случае образуются твердые растворы на основе исходной a-модификации, т.е. взаимодействие не сопровождается образованием новой фазы, хотя некая стабилизация общей структуры и происходит. Иными словами, клатратный каркас в последнем случае метастабилен по отношению к исходной a-модификации, но при некоторой степени заполнения пустот молекулами или атомами гостя становится устойчивей ее и образует клатрат переменного состава.

Следует подчеркнуть, что в подавляющем большинстве случаев хозяин не существует в той форме, в которой он существует в виде клатрата. Нужная для образования клатрата модификация хозяина и конформация гостя достигаются при их прямом или каскадном взаимодействии. В последнем случае имеет место ряд последовательных стадий клатратообразования. Например, глобин (белковая молекула гема) включает сперва без валентного взаимодействия железопорфириновый комплекс, который при этом приобретает конформацию чаши и который затем включает в себя молекулу кислорода или окись углерода. Это положение расходится с более простым, но в силу ряда других причин более распространенным предположением Фишера о том, что высокая специфичность ферментативных реакций обусловлена комплементарностью (принцип ключ-замок) субстрата и фермента. Вообще роль белкового окружения фермента, содержащего металлический центр, как в глобине, или металлический кластер, как в нитрогеназе или ферродоксинах, отнюдь не вторична. Это система, в которой ни один компонент не работает без другого. Наиболее яркий пример этому - безуспешные попытки в 70-80 г.г. смоделировать работу нитрогеназы, используя только Fe-Mo-S кластер кофактора нитрогеназы.

По форме полости в клатрате соединения включения классифицируются на крипто-клатраты (клетки), тубулато-клатраты (трубки) и интеркалато-клатраты (слоистые соединения включения). По характеру взаимодействия «гость-хозяин» они подразделяются на простые клатраты , например канальные соединения мочевины с парафинами, образующиеся только за счет вандерваальсовых сил (межмолекулярных невалентных взаимодействий), координато-клатраты , например клеточный гидрат триметиламина, образованный за счет водородных связей (при специфических взаимодействиях) (цельное название – криптато-координато-клатрат), и клатрато-комплексы – более прочные образования с донорно-акцепторными связями.

Существует также классификация по характеру связей в хозяйском каркасе. Это решетчатые клатраты , в который хозяйский каркас построен из молекул, связанных относительно слабыми связями, например, водородными. Типичными представителями клатратов этого типа являются гидрохинон и фенолы, имеющие ОН-группы. Через эти группы строится каркас, состоящий из шести хозяйских молекул (рис. 16). Термическая стойкость такого клатрата может быть на несколько десятков градусов выше температуры плавления каждого из компонентов.

Рис. 16. Полость хозяина, составленная из шести молекул гидрохинона.

В макромолекулярных клатратах каркас построен из ковалентносвязанных фрагментов. В качестве примера можно привести интенсивно исследующиеся в последние годы каркасные координационные соединения или MOF-структуры (metal-organic framework’s) (рис. 17), которые мы рассмотрим ниже при обсуждении проблем аккумулирования газов (метана, водорода, ацетилена, двуокиси углерода) или клатросил с формульной единицей SiO 2 . В полостях последнего могут располагаться те же гости, что и

Рис. 17. MOF’s на основе карбоксилатов цинка с линкерами различной структуры. Желтый шар – объем полости в полимере

в гидратах, поскольку их размеры близки, но термическая устойчивость их существенно выше и для клатрата с триметиламином может достигать 3 часов экспозиции при 950 С о против 200 С о в гидрате.

В мономолекулярных клатратах хозяин состоит из крупных молекул, каждая из которых имеет одну или несколько полостей. Эти соединения могут существовать и в растворах. Примером подобных клатратов является окрашенное в синий цвет соединение иода с амилозой крахмала.

Наиболее типичными и интересными среди этих веществ являются клатратные гидраты, которые могут содержать как газовые компоненты, о них мы поговорим ниже, так и более сложные молекулы, в том числе и ионные комплексы, например соли тетраалкиламмонийных оснований. В последнем случае водный каркас строится вокруг аниона, а катион, внедряясь в большие полости каркаса, стабилизирует клатрат в целом. Аналогичный эффект наблюдается и в ряде клатратов на основе координационных соединений, в каркас которых внедряются молекулы растворителя и стабилизируют их (эффект контактной стабилизации). Так, пиридил-роданидные комплексы меди или цинка сами по себе неустойчивы, но их клатраты с бензолом вполне стабильны. Зачастую, однако, молекулы гостя не влияют на свойства хозяина и поэтому образующиеся с их участием соединения иногда называют «упаковочными комплексами». Этот очень распространенный тип соединений внедрения не только в координационной, но и металлорганической химии, видимо, впервые наблюдался Гоффманом в 1897 г на примере комплекса никеля состава Ni(CN) 2 NH 3 ×C 6 H 6 .

Весьма распространенными являются клатраты на основе мочевины (рис. 18). В клатратном каркасе ее b-модификации все Н-связи распрямлены и плотность резко снижена по сравнению с исходной a-модификацией. В силу этого она сама по себе не может существовать и стабилизируется, включая в свои трубчатые полости молекулы гостя -. в данном случае парафина.

Слоистые соединения, соединения внедрения, интеркалированные соединения – все это один класс клатратных соединений, в которых атомы или молекулы гостя располагаются в межслоевом пространстве или геометрических пустотах кристаллической решетки. Наиболее известные среди них - соединения внедрения в графит и фуллериды, классифицированные выше как ион-радикальные комплексы с переносом заряда или интеркалато-клатраты.

Замечательными по своему разнообразию являются клатраты гидрохинона (рис. 19), существующего в трех устойчивых модификациях и дополнительно дающего термодинамически нестабильный d-каркас, возникающий только в результате реакции клатратообразования с инертными газами, сернистым ангидридом, двуокисью углерода,

Рис. 18. Молекулы n-парафина в канальных полостях клатратного каркаса из молекул мочевины.

галоидными алкилами, метаном, и даже огромными по размеру молекулами фуллерена (рис. 20) и т. д.

Среди всех известных клатратов с практической точки зрения наибольший интерес представляют газовые, прежде всего метановые гидраты. Особый интерес к ним возник после открытия метановых гидратов в недрах Земли и океана, запасы топлива в которых превышают все другие запасы топлива вместе взятые. Предполагается, что многие глобальные катастрофы на Земле, в том числе в период триаса 230 млн. лет назад и в

Рис. 19. Полость в структуре β-гидрохинона с включенной молекулой ксенона

Рис. 20. Фрагмент δ-структуры соединения С 60 ∙3Q

эпоху палеоцена 55 млн. лет назад, вызвано катастрофическими выбросами в атмосферу миллиардов тонн метана, находившегося в «стационарных» условиях в глубинах океана в виде газовых гидратов под давлением и при низких температурах. Или катастрофа, произошедшая 8000 лет тому назад на берегах Норвегии, когда газ, выделившийся с шельфа площадью несколько тысяч кв.км., поднял цунами высотой несколько сотен метров. Уже в наше время (1986 г) спонтанное и неожиданное разложение газовых гидратов кратерного озера Ниос (Камерун), содержащих сероводород, сернистый газ, метан, двуокись углерода привело к гибели 1700 человек. Одна из гипотез, объясняющая тайны Бермудского треугольника, также основана на предположении выделения из глубин Океана огромных газовых пузырей метана. Еще более впечатляет гипотеза, объясняющая причины современного глобального потепления климата Земли. Она также связана с метаном: явное увеличение средних температур атмосферы и Океана привязывается к увеличению его количества в верхних слоях атмосферы, что приводит к увеличению поглощения теплового излучения. На него также пало частичное подозрение как на реагент, разрушающий озоновый слой. Однако все это относится к области научных предположений, хотя в настоящее время имеется достаточно много научно-обоснованных гипотез нестабильности газовых гидратов и причин их вызывающих (последнее – каналы внутри твердого слоя газового гидрата, начинающиеся от придонных трещин земной коры и обеспечивающие приток тепла в этот слой), а иногда и фантазий. Реальность же в том, что в одном кубометре «метанового льда», единичный фрагмент которого построен из 32 молекул воды и 8 молекул метана, содержится 164 кубометра природного газа, что всего лишь в 2-2.5 раза меньше, чем в жидком метане! И в таком виде его хранится 10000-15000 гигатонн! К сожалению, а может быть и к счастью, в настоящее время нет промышленных технологий использования этого богатства, но работы в этом направлении ведутся и, учитывая печальный «опыт» Норвегии и Камеруна, вряд ли однозначно положительно можно будет оценить успешное окончание этих работ.

Структура газовых гидратов определяется каркасом, построенным из молекул воды, связанных водородными связями. В настоящее время известно более 15 таких каркасов, имеющих большие (основные) и малые (дополнительные или стабилизирующие) полости. Полиэдры, описывающие полости, также самые различные. Из них наиболее типичны 12, 14, 15, 16 и 20- гранники, обычно обозначаемые, соответственно, первыми буквами греческого алфавита – D, T, P, H и Е (рис. 21) (существуют и несколько отличные от этого обозначения полостей газовых гидратов).

Их многообразие определяется тетраэдрической координацией молекул воды и заметной гибкостью Н-связи по длине и валентному углу, что дает возможность строить различные каркасы, мало отличающиеся по энергиям. Длины связей и валентные углы изменяются в пределах «основного» положения типичного для обычного льда –2.76 Å и

Рис. 21. Полости-многогранники в водных клатратных каркасах (в вершинах многогранников расположены атомы кислорода, ребро обозначает водородную связь)

109.5 о. Образующиеся при этом решетки и, соответственно, составы соединений газовых гидратов также достаточно разнообразны и помимо всего зависят от давления, при котором они находятся. Для газовых гидратов наиболее характерны кубические КС-I и КС-III решетки и гексагональная ГС-III (в англоязычной литературе – structure H) решетки с формулами элементарной ячейки 6Т·2D·46H 2 O, 8H 16D·136H 2 O и E·2D’·3D·34H 2 O, в которых помимо количества каркасообразующих молекул воды указывается количество молекул или атомов гостя и буквами тип пустот, которые они занимают. Известны также тетрагональные решетки, которые обычно образуются при высоких давлениях. В качестве каркасов рассматриваются и рыхлые формы льда лед Ih, лед Ic и лед II, существующие при высоких давлениях. На рис. 22 приведена структура одного из таких газовых (метановых) гидратов в общепринятом обозначении полостей.

Стабильность газовых гидратов зависит от структуры каркаса (степени и качества заполнения больших и малых полостей), температуры, давления и некоторых специально вводимых добавок. Так, решетка ГС-III, имеющая самую большую полость Е, не стабильна, если не будут заполнены малые полости D. В то же время минимальные Р,Т- условия, при которых становится устойчивым метановый гидрат, - 0 о С и давление 25-30 атм. С увеличением давления его устойчивость возрастает и при 2-2.5 Кбар он существует уже при 40-50 о С. Введение в систему третьего компонента – тетрагидрофурана или метилциклогексана в еще большей степени стабилизирует систему и снижает Р,Т параметры устойчивости метанового гидрата. При этом органические добавки также включаются в полости газового гидрата, образуя смешанные соединения (рис. 23).

Рис. 22. Структурный фрагмент КС-1 с молекулами метана в D и Т полостях

Рис. 23. Структура метановых гидратов с добавками тетрагидрофурана (а) и метилциклогексана (б)

При давлениях до 15 Кбар и обычных или пониженных температурах становятся устойчивыми клатратогидраты неона, аргона и даже водорода составов Н 2 /Н 2 О=1 и Н 2 /2Н 2 О=1. Последние построены на основе каркасов из льда II или льда Iс и содержат 11.2 и 5.3 масс. % Н 2 , соответственно. Цифры в других случаях труднодостижимые, например, в металлических гидридах или специально синтезированных сорбентах на основе углерода, цеолитов или низкоплотных комплексных соединений весовое количество водорода существенно ниже. Подобные вещества могут быть стабильны при низких температурах даже при обычном давлении, а при высоких давлениях (>300 атм) или в присутствии небольшого количества третьего компонента, например, тетрагидрофурана или алкиламмонийной соли (рис. 24) могут быть вполне устойчивыми и при комнатной температуре и сравнительно невысоком избыточном давлении (<100 атм).

Комбинация двух газообразных гостей - водорода и метана и одного жидкого - тетрагидрофурана на сегодняшний день является уникальной по содержанию горючего

Рис. 24. Структура клатрата, образующегося в системе Н 2 -Н 2 О-NR 4 Br, и зависимость его устойчивости от давления и температуры.

компонента – водорода. Рассчитанное количество водорода в соединении состава (Н 2) 4 ·СН 4 33.4 масс. % и существует оно при 2 Кбар и температуре 77 К, в то время как при 300 К требуется давление 50 Кбар. Но это пока неподтвержденные данные, которые могут быть далеки от реальности.

В последние годы заметно взросли исследования клатратов на основе циклодекстрина – циклического олигосахарида, построенного из 6, 7 или 8 d-гликопиранозных звеньев (рис. 25.

Геометрию молекулы циклодекстрина можно представить в виде корзины без дна, на верхней части которой располагаются 12-16 вторичных ОН-групп, а на нижней 6-8 первичных или их функциональные заместители («хвосты с кисточкой»). Эти вещества, которые могут, в зависимости от числа гликозидных звеньев, изменять диаметр верхней части «корзины без дна» от 5.7 до 9.5 Å (и, соответственно, нижней, но в меньших пределах), видимо, исключительно за счет вандерваальсовых взаимодействий включают в свою полость самые разнообразные субстраты. В ряде случаев это позволяет произвести не

Рис. 25. Строение молекулы циклодекстрина

только их селективный отбор, но и провести в полости циклодекстрина селективную каталитическую реакцию и обычные синтетические реакции (т.е. работать как «нанореактор»), но приводящие к необычным и труднодоступным продуктам, таким, например, как катенаны, ротоксаны, полиротоксаны и трубки, т.е. компонентам или заготовкам, используемым в качестве строительных блоков при получении наноразмерных структур или более сложных объектов супрамолекулярной химии.

Помимо решения чисто химических задач циклодекстрин начал успешно использоваться в биохимии, например для определения in vitro противовирусной или противогрибковой активности производных ферроцена. Модель структуры комплекса, использующегося для этой цели, показана на рис. 26.

Рис. 26. Модель структуры комплекса циклодекстрина с замещенным ферроценом.

Несмотря на очень широкое распространение в природе, большое внимание исследователей к клатратным соединениям и их длительную историю, все же началом формирования понятия супрамолекулярная химия и выделение ее в самостоятельную область знания следует считать открытие Педерсеном краун-эфиров (на рис. 27 приведены модели структур наиболее известных краун-эфиров) и обнаружение их уникальной способности к захвату в свою полость катионов щелочных (рис. 28-30) металлов. Прочность и геометрия образующихся комплексов или краун-соединений обусловлены многими причинами, но, прежде всего, геометрическим соответствием размера полости размеру гостя (принцип геометрического соответствия ): большая по размеру молекула или ион не образует внутриполостных соединений, хотя и могут координироваться снаружи лиганда, а меньшие по размеру дают менее прочные внутриполостные

Рис. 27. Графическое изображение некоторых краун-эфиров

соединения, поскольку требуют более глубокой перестройки структуры макроцикла. Однако в любом случае комплексообразование сопровождается перестройкой структуры краун-эфира иногда в симметричную коронообразную молекулу, венчающую, как голову монарха, ион металла. Последовавший за этим открытием синтез криптандов, аза- и сера-краун-эфиров и их гетероаналогов существенно расширил ассортимент и возможности полициклических молекул в плане их применения в аналитической химии, межфазном катализе, экстракции и т.д. Однако все эти соединения недостаточно хорошо организованы для приема гостя. Их выравнивание требует дополнительной энергии, что сказывается на общей устойчивости комплекса.

На следующем этапе развития химии макроциклических молекул были синтезированы сферанды, кавитанды, карцеранды, геми- и криптосферанды, каликсарены, катапинады и лариаты (рис. 31-36). Большая часть этих веществ имеет жесткую хорошо организованную структуру, которая идеально подходит для приема гостя. Например, в сферандах и кавитандах это чаша, в карцерандах это емкая полость (пещера).

Здесь возникает вопрос, а правомерно ли выделение соединений макроциклов с ионами металлов в самостоятельный от классических координационных соединений, например, сольватов, образованных n-донорами, или гидратов. Однозначного ответа у меня нет. По своей сути – это координационные соединения. Прежде всего, в большей части ионных краун-соединениях связь между компонентами обеспечивается за счет обычной д.-а. связи и в комплексах даже может иметь место валентный контакт между ионом и донорными атомами кислорода, азота или серы, причем образование этих веществ настолько термодинамически выгодно, что их можно получить прямым

Рис. 28. Модель структуры комплекса дибензо-18-краун-6 с ионом калия состава 1:1

Рис. 30. Модель структуры комплекса дибензо-18-краун-6 с ионами натрия состава 2:1

Рис. 29. Модель структуры комплекса 12-краун-4 с ионом калия состава 2:1

взаимодействием макроцикла с металлом в подходящем растворителе. При этом образуются такие удивительные ионные соединения, как алкалиды состава М + ×МЦ×М’ - (M=M’ – Li, Na, K, Rb, Cs; M’- Au), еще более необычные состава Na 2 2- ∙МЦ∙Са 2+ , Na - ∙МЦ - ∙Ва 2+ (рис.) или электриды М + ×МЦ×е _ (МЦ- макроциклический лиганд). Ионное строение

Рис. Структура азакриптанада Ba +2 (H 5 Aza 222) - Na - ∙2MeNH 2 . Черные шары - катионы бария, серые - анионы натрия

этих веществ является безусловным доказательством валентных взаимодействий в молекуле и по этому признаку алкалиды и электриды нельзя отнести к предмету СХ. Но в то же время их нельзя отнести и к веществам, рассматриваемым в рамках координационной химии, прежде всего по механизму образования, составу, строению и свойствам, которые ближе к растворам щелочных металлов в жидком аммиаке. Но и без этого, в целом, особенности свойств краун-соединений, их состав и строение резко отличаются от классического варианта д.-а. комплексов. В реакциях с КЭ «сольватации» подвергаются такие ионы, как аммоний и алкиламмониевые основания, ионы тяжелых щелочных и щелочно-земельных металлов, которые не сольватируются другими «классическими» лигандами, хотя могут образовывать достаточно прочные комплексы с хелатирующими лигандами, например диглимом, но их не относят к предмету СХ. При этом структура и прочность образующихся соединений, например комплексов 18-К-6 с ионами калия и аммония,

Рис. 31. Модель структуры одного из криптандов (аминоэфиров)

Рис. 32. Модель структуры криптанда с ионом металла в полости

Рис. 33. Модель структуры одного из простейших каликсаренов

Рис. 34. Модель структуры криптосферанда

Рис. 35. Молекула сферанда

Рис. 36. Модель структуры кавитанда

имеющих приблизительно одинаковый размер, также примерно одинакова, хотя энтальпии этих реакций почти всегда близки к нулю, а двигателем термодинамической

предпочтительности является изменение энтропийного фактора. Вследствие этого термин «сольватация» ограниченно применим к краун-соединениям, поскольку в химии д.-а. комплексов имеет несколько другой смысл.

Уже из факта существования алкалидов и электридов следует, что могут быть получены макроциклические соединения специфические только по отношению к анионам. Действительно, такие соединения на основе макроциклических перфторарилмеркуратов были получены и успешно применены как ловушки анионов.

Соединения нейтральных молекул с макроциклическими молекулами уже, безусловно, можно отнести к предмету СХ. Таких соединений в настоящее время известно тысячи. Как минимум, их образование сопровождается процессами распознавания (для простых структур, типа КЭ или криптандов, это в основном геометрическое или, как говорят, «сферическое» соответствие, для более сложных это уже может быть и «тетраэдрическое». «линейное» или даже электронное распознавание), самоорганизации (подстройки структуры хозяина под структуру гостя, спонтанное возникновение порядка в пространстве и /или во времени) или даже спонтанной самосборки – процесса более высокого порядка, который приводит к образованию сложных супраструктур, состоящих из нескольких компонентов. Как видно, все эти термины пришли в СХ из биохимии, в которой также рассматриваются вопросы самосборки (репликации) молекул нуклеиновых кислот в ходе матричного синтеза белков, образование металлоферментов и пр. В этом смысле все эти биохимические объекты также являются объектами супрамолекулярной химии.

Метод матричного синтеза с успехом применяет не только природа, но и химики в лабораториях, правда под другим названием – темплатный или темплейтный синтез. В частности его использование привело к разработке эффективного способа получения катенанов – органических молекул типа «кольцо в кольце» («классические» варианты темплатного синтеза фталоцианинов и порфириновых оснований с участием ионов переходных металлов мы рассмотрим в разделе координационная химия). Использование контейнерных соединений типа карцеранов как объемной матрицы, ограничивающий реакционный объем и защищающий создаваемые молекулы от внешнего воздействия, т.е. в качестве нанореактора, позволило не только осуществить в их полости синтез неуловимого циклобутадиена – важного для подтверждения теории химической связи (проблема ароматичности и антиароматичности) вещества, но и сохранить его при обычных условиях в течение нескольких десятков минут. В стандартном органическом синтезе это вещество не могли получить более ста лет, а в условиях криохимического способа синтеза оно хотя и было получено, но даже небольшой нагрев приводил к его гибели.

Разделение изотопов (хотя реализация этой технологии все еще остается под большим вопросом и с моей точки зрения вряд ли осуществима) и изомеров, в том числе и стерео-, фотодиагностика и фототерапия рака, селективный перенос ионов через клеточные мембраны, связывание и вывод вредных веществ из организма, мембраны для ионселективных электродов и оптодов, и, наконец, материаловедческий аспект, связанный с конструированием молекулярных устройств типа молекулярных переключателей, реагирующих, например, на изменение рН среды – вот далеко не полный перечень применения и возможного применения макроциклических соединений.

Более фантастические планы использования подобных соединений связаны с построением на их основе молекулярного компьютера. Для этого необходимо объединение нескольких типов молекул и созданием молекулярного ансамбля, каждый элемент которого выполняет функцию, присущую микропроцессору. Безусловно, это сложнейшая задача, которая требует не только изучения механизмов самосборки молекулярных агрегатов и определения условий их адаптации к информационным технологиям, но и, в принципе, фактически создания новой идеологии и новой технологии с приставкой нано . На пути решения этой сложнейшей задачи уже разработаны подходы к созданию молекулярных переключателей, например за счет фотохимически индуцированных реакций изомеризации молекул спиропиранов и спирооксазинов. Возможность варьирования структуры и состава этих соединений в очень широких пределах принципиально позволяет подогнать их свойства (квантовые выходы, времена жизни фотоизомеров, спектральные характеристики и т.д.) к требованиям того или иного молекулярного устройства. Помимо фотохромных систем рассматриваются и соединения с особыми магнитными свойствами, например, некоторые комплексы железа способные к переходу из низкоспинового в высокоспиновое состояние, происходящим с некоторым температурным гистерезисом.

В качестве возможного молекулярного носителя памяти рассматриваются трехмерные (3-D или многослойные устройства) системы, состоящие из слоев или элементов, построенных, например, из тех же молекулярных переключателей, одна из форм которых способна к флюоресценции, что и позволяет считывать информацию.

В качестве проводников между молекулярными переключателями и молекулярными элементами памяти на настоящий момент наиболее перспективными считаются электропроводящие полимеры, типа полиацетилена, полианилина, молекулярные комплексы карбина типа известного LL”Re(C) 20 ReLL’ или простых цепочек карбина типа обнаруженных недавно при изучении графеновых слоев (рис. 37). Единственный вопрос,

Рис. 37. Схема образования полииновой цепочки из атомов углерода (карбина), возникающей при разломе графенового листа, и расстояния между ними.

который возникает при обсуждении проблемы, каким образом собрать все эти элементы в одно устройство или супрамолекулярный комплекс: используя принцип комплементарности (молекулярного распознавания), который в супрамолекулярной химии, видимо, не имеет такого «мистического» значения как в химии живого, поскольку уже имеется достаточно много примеров, где он в явном виде никак не просматривается, например в т.н. mixed structure, хотя в этом случае комплементарность может действовать на атомном уровне или уровне групп, или какой-либо другой принцип, пока остается открытым. Однако интенсивные работы в этом направлении ведутся многими научными коллективами, поскольку цена вопроса очень велика. В этом отношении уже достигнуты очень серьезные успехи, особенно в сборке двумерных структур на основе мономолекулярных пленок Ленгмюра-Блоджет, наслаиваемых, например через 15-20 атомные металлокластеры, и создание с использованием этого сэндвича транизистора.

Размеры молекулярных структур допускают размещение на 1 см 2 поверхности примерно 10 13 логических элементов, что в сотни тысяч раз больше плотности сборки, достигаемой в современных микрочипах. Время отклик в таких устройствах можно довести до фемтосекунд, тогда как самые быстрые современные устройства оперируют в наносекундном диапазоне. В итоге можно ожидать 10 11 -разового увеличения эффективности молекулярного компьютера по сравнению с наиболее мощными современными средствами обработки информации.

В заключение следует все же отметить, что предмет супрамолекулярной химии находится в стадии становления, его границы размыты, мода приводит к тому, что под звучное название, как под знамя, втискиваются объекты, которым было бы уютнее находиться в рамках традиционных и устоявшихся дисциплин. Но существуют и обстоятельства, требующие более детального разбора причин и следствий. Такие случаи часты, например, в современных типах молекулярных устройств, позволяющих конструировать фотокаталитические системы для конверсии солнечной энергии в химическую так, как это показано на рис. 38. В этой «конструкции» порфириновый комплекс является донором электронов, которые через проводящий спейсер с системой сопряженных связей, например состоящей из одномерной углеродной цепочки (карбина), поступают в «депо электронов» - молекулу фуллерена способную акцептировать до 12 электронов.

Рис. 38. Схема молекулярного устройства для преобразования солнечной энергии.

На рис. 39 показана уже реально разрабатываемая фотоактивная система – донорно-акцепторный гибрид, в котором молекулой продуцирующей электроны является одностенная углеродная нанотрубка, связанная через фрагмент краун-эфира с молекулой фуллерена.

Несколько иная ситуация рассматривалась выше при описании попыток создания молекулярного компьютера, часть которого, как полагают, также будет функционировать с участием фотохимически индуцированных реакций. Но возникает общий вопрос, каким образом будут связаны все компоненты этого компьютера или преобразователя солнечной энергии в фототок валентными или невалентными взаимодействиями? Если невалентными, то патетика вопроса исчезает, если же валентными, тогда возникает другой вопрос, а собственно чем этот сложный молекулярный ансамбль, составленный, как минимум, из трех компонент, отличается от других сложных многоатомных органических или

Рис. 39. Фотоактивная супрамолекулярная система на основе двух различных по природе углеродных молекул.

металлорганических молекул? Только интересным функциональным свойством? Но и в последних оно может присутствовать. Именно поэтому относить к предмету супрамолекулярной химии сложные молекулы, в которых функций-определяющие компоненты ковалентно связаны друг с другом напрямую или через спейсеры и это объединение только усиливает это свойство, мне представляется нецелесообразным (например, моле

Проанализировано развитие области науки, называемой супрамолекулярной химией. Даны основные определения и понятия этой дисциплины. В историческом контексте рассмотрены исследования, заложившие основы супрамолекулярной химии. Приведены примеры некоторых ее типичных объектов – клатратов и циклодекстринов. Отмечается, что последние достижения в супрамолекулярной химии и наиболее перспективные области ее использования связаны с процессами самосборки и самоорганизации, которые, в частности, могут быть реализованы в супрамолекулярном синтезе и создании молекулярных и супрамолекулярных устройств .

Cупрамолекулярная химия. Предыстория

Супрамолекулярная химия – одна из самых молодых и в то же время бурно развивающихся областей химии. За 25 – 30 лет своего существования она уже успела пройти ряд важных этапов, но в то же время основные идеи и понятия этой дисциплины еще не являются общеизвестными и общепринятыми. В предлагаемом обзоре мы стремились проследить развитие области науки, называемой супрамолекулярной химией, выявить наиболее удачные определения ее основных задач и важнейших понятий, а также обрисовать современное состояние и перспективы.

Термин «супрамолекулярная химия» и основные понятия этой дисциплины были введены французским ученым Ж.-М. Леном в 1978 г. в рамках развития и обобщения более ранних работ (в частности, в 1973 г. в его трудах появился термин «супермолекула»). Супрамолекулярная химия определялась словами: «Подобно тому как существует область молекулярной химии, основанной на ковалентных связях, существует и область супрамолекулярной химии, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей». Впоследствии это первое определение много раз переформулировалось. Пример другого определения, данного Леном: «супрамолекулярная химия – это «химия за пределами молекулы», изучающая структуру и функции ассоциаций двух или более химических частиц, удерживаемых вместе межмолекулярнымисилами» .

Во многих случаях компоненты, образующие супрамолекулярные системы, можно называть (по аналогии с системами, рассматриваемыми в молекулярной биологии) молекулярными рецептором и субстратом, причем последний является меньшим по размеру компонентом, связывания которого и необходимо добиться .

Для того чтобы адекватно описать химический объект, необходимо указать его элементы и типы связей между ними, а также пространственные (геометрические, топологические) характеристики. Объекты супрамолекулярной химии, супермолекулы, обладают такой же определенностью, как и составляющие их отдельные молекулы. Можно сказать, что «супермолекулы представляют собой по отношению к молекулам то же, что молекулы – по отношению к атомам, причем роль ковалентных связей в супермолекулах играют межмолекулярные взаимодействия» .

Согласно Лену, супрамолекулярную химию можно разбить на две широкие, частично налагающиеся друг на друга области :

– химию супермолекул – четко обозначенных олигомолекулярных частиц, возникающих в результате межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов – рецептора и его субстрата (субстратов) и строящихся по принципу молекулярного распознавания;

– химию молекулярных ансамблей – полимолекулярных систем, которые образуются в результате спонтанной ассоциации неопределенного числа компонентов с переходом в специфическую фазу, имеющую более или менее четко обозначенную микроскопическую организацию и зависимые от ее природы характеристики (например, клатраты, мембраны, везикулы, мицеллы).

Супрамолекулярные образования могут быть охарактеризованы пространственным расположением компонентов, их архитектурой, «супраструктурой», а также типами межмолекулярных взаимодействий, удерживающих компоненты вместе. Супрамолекулярные ансамбли обладают вполне определенными структурными, конформационными, термодинамическими, кинетическими и динамическими свойствами, в них могут быть выделены различные типы взаимодействий, различающиеся своей силой, направленностью, зависимостью от расстояний и углов: координационные взаимодействия с ионами металлов, электростатические силы, водородные связи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, донорно-акцепторные взаимодействия и т. д. Сила взаимодействий может варьировать в широком диапазоне, от слабых или умеренных, как при образовании водородных связей, до сильных и очень сильных, как при образовании координационных связей с металлом. Однако в целом межмолекулярные взаимодействия слабее, чем ковалентные связи, так что супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы .

Таким образом, супрамолекулярная химия охватывает и позволяет рассмотреть с единых позиций все виды молекулярных ассоциатов, от наименьшего возможного (димер) до наиболее крупных (организованных фаз) . При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что объекты супрамолекулярной химии обязательно содержат части (подсистемы), не связанные ковалентно.

Переход от молекулярной к супрамолекулярной химии Лен предложил иллюстрировать схемой, представленной на рис. 1 .

Основные функции супермолекул: молекулярное распознавание, превращение (катализ) и перенос . Функциональные супермолекулы наряду с организованными полимолекулярными ансамблями и фазами могут быть использованы для создания молекулярных и супрамолекулярных устройств .

Кроме Лена следует также назвать Ч. Дж. Педерсена и Д. Дж. Крама, работы и исследования которых сыграли важную роль в становлении супрамолекулярной химии. В 1987 г. эти трое ученых были удостоены Нобелевской премии по химии (за определяющий вклад в развитие химии макрогетероциклических соединений, способных избирательно образовывать молекулярные комплексы типа «хозяин-гость») .

Исследования, заложившие основы супрамолекулярной химии

Истоки основных понятий супрамолекулярной химии можно найти в работах, выполненных еще в прошлом и самом начале нынешнего века. Так, П. Эрлих в 1906 г. фактически ввел понятия рецептора и субстрата, подчеркивая, что молекулы не реагируют друг с другом, если предварительно не вступают в определенную связь. Однако связывание должно быть не любым, а селективным. Это подчеркивал Э. Фишер еще в 1894 г. , сформулировав свой принцип «ключ – замок» – принцип, предполагающий, что в основе молекулярного распознавания лежит стерическое соответствие, геометрическая комплементарность рецептора и субстрата. Наконец, селективное связывание требует взаимодействия, сродства между партнерами, и корни этой идеи можно искать в трудах А. Вернера , что делает супрамолекулярную химию в этом отношении обобщением и развитием координационной химии.

Как считает Ж.-М. Лен, эти три понятия – фиксация (связывание), распознавание и координация – заложили фундамент супрамолекулярной химии .

Некоторые другие понятия супрамолекулярной химии также давно известны. Даже термин « Übermolecule», т.е. супер-, или сверхмолекула, был введен уже в середине 30-х гг. нашего столетия для описания более высокого уровня организации, возникающего из-за ассоциации координационно насыщенных молекул (например, при образовании димера уксусной кислоты). Была хорошо известна важнейшая роль супрамолекулярной организации в биологии .

Однако возникновение и развитие супрамолекулярной химии как самостоятельной области в системе химических наук произошло значительно позднее. Вот что пишет по этому поводу Ж.-М. Лен в своей книге : «…для возникновения и бурного развития новой научной дисциплины требуется сочетание трех условий. Во-первых, необходимо признание новой парадигмы, показывающей значение разрозненных и на первый взгляд не связанных наблюдений, данных, результатов и объединяющей их в единое когерентное целое. Во-вторых, нужны инструменты для изучения объектов данной области, и здесь для супрамолекулярной химии решающую роль сыграло развитие современных физических методов исследования структуры и свойств (ИК-, УФ- и особенно ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия, рентгеновская дифракция и др.), позволяющих изучать даже сравнительно лабильные супрамолекулярные ансамбли, характеризуемые низкоэнергетическими нековалентными взаимодействиями. В-третьих, необходима готовность научного сообщества воспринять новую парадигму так, чтобы новая дисциплина могла найти отклик не только среди занимающихся непосредственно ею специалистов, но и в близких (и не очень близких) областях науки. Так произошло и с супрамолекулярной химией, насколько можно судить по стремительным темпам ее развития и проникновения в другие дисциплины за последние 25 лет».

По мнению Лена, «…супрамолекулярная химия в том виде, в каком мы знаем ее сегодня, началась с изучения селективного связывания катионов щелочных металлов природными и синтетическими макроциклическими и макрополициклическими лигандами, краун-эфирами и криптандами» .

Среди подобного рода природных соединений прежде всего следует указать на антибиотик валиномицин. Расшифровка его структуры в 1963 г., в которую большой вклад внесли советские ученые во главе с Ю. А. Овчинниковым , вышла далеко за рамки обычного открытия. Этот циклический депсипептид (он построен из остатков амино- и оксикислот, соединенных между собой амидными и сложноэфирными связями) оказался первым среди мембрано-активных комплексонов, или ионофоров. Такие названия отражают способность этих веществ давать комплексные соединения со щелочными катионами в растворах и переносить связанный катион через биологические мембраны. С открытием ионофоров стала реальной возможность целенаправленного регулирования ионных потоков в живых системах. За работы в области мембрано-активных комплексонов Овчинникову с сотрудниками в 1978 г. была присуждена Ленинская премия .

Химия, основные понятия которой мы рассмотрим, - это наука, которая изучает вещества и их превращения, происходящие с изменением строения и состава, а значит, и свойств. Прежде всего необходимо определить, что же означает такой термин, как "вещество". Если говорить о нем в широком смысле, оно представляет собой форму материи, которая имеет массу покоя. Веществом является любая элементарная частица, к примеру, нейтрон. В химии же это понятие используется в более узком значении.

Для начала кратко опишем основные термины и понятия химии, атомно-молекулярного учения. После этого мы поясним их, а также изложим некоторые важные законы данной науки.

Основные понятия химии (вещество, атом, молекула) знакомы каждому из нас еще со школы. Ниже дана краткая характеристика их, а также других, не столь очевидных терминов и явлений.

Атомы

Прежде всего все вещества, которые изучаются в химии, сложены из маленьких частиц, называемых атомами. Нейтроны же не являются объектом изучения этой науки. Также следует сказать, что атомы могут соединяться друг с другом, в результате чего формируются химические связи. Для того чтобы разорвать эту связь, необходима затрата энергии. Следовательно, атомы в обычных условиях по одиночке не существуют (за исключением "благородных газов"). Они соединяются друг с другом хотя бы попарно.

Непрерывное тепловое движение

Непрерывным тепловым движением характеризуются все частицы, которые изучает химия. Основные понятия этой науки нельзя изложить, не рассказав о нем. При непрерывном движении частиц пропорциональна температуре (однако следует заметить, что энергии у отдельных частиц разные). Екин = kT / 2, где k - постоянная Больцмана. Эта формула справедлива для любого вида движения. Так как Екин = mV 2 / 2, движение массивных частиц более медленное. К примеру, если температура одинакова, молекулы кислорода в среднем перемещаются в 4 раза медленнее, чем молекулы углерода. Это происходит потому, что их масса больше в 16 раз. Движение бывает колебательным, поступательным и вращательным. Колебательное наблюдается и в жидких, и в твердых, и в газообразных веществах. А вот поступательное и вращательное легче всего осуществляется в газах. В жидкостях оно труднее, а в твердых веществах - еще более трудно.

Молекулы

Продолжим описывать основные понятия и определения химии. Если атомы объединяются между собой, образуя небольшие группы (их называют молекулами), такие группы принимают участие в тепловом движении, выступая как единое целое. До 100 атомов присутствует в типичных молекулах, а их число у так называемых высокомолекулярных соединений может достигать 105.

Немолекулярные вещества

Однако атомы часто объединяются в огромные коллективы количеством от 107 до 1027. В этом виде они уже практически не принимают участие в тепловом движении. Данные объединения уже мало напоминают молекулы. Они больше похожи на куски твердого тела. Вещества эти принято называть немолекулярными. В этом случае тепловое движение осуществляется внутри куска, а сам он не летает, подобно молекуле. Есть и переходная область размеров, в которую включаются объединения, состоящие из атомов в количестве от 105 до 107. Данные частицы являются или очень большими молекулами, или же представляют собой маленькие крупицы порошка.

Ионы

Необходимо отметить, что атомы и их группы могут обладать электрическим зарядом. В этом случае они называются ионами в такой науке, как химия, основные понятия которой мы изучаем. Так как одноименные заряды всегда отталкиваются друг от друга, вещество, где присутствует значительный избыток тех или иных зарядов, не может быть устойчиво. Отрицательные и положительные заряды в пространстве всегда чередуются. А вещество в целом остается электронейтральным. Заметим, что заряды, считающиеся в электростатике большими, с точки зрения химии ничтожны (на 105-1015 атомов - 1е).

Объекты изучения в химии

Нужно уточнить, что объектами изучения в химии выступают те явления, в которых не возникают и не разрушаются атомы, а только лишь перегруппировываются, то есть по-новому соединяются. Одни связи разрываются, в результате чего формируются другие. Иными словами, новые вещества появляются из атомов, бывших в составе исходных веществ. Если же и атомы, и существующие между ними связи сохраняются (к примеру, при испарении молекулярных веществ), то эти процессы относятся к области изучения уже не химии, а молекулярной физики. В случае когда атомы образуются или разрушаются, речь идет о предметах изучения ядерной или атомной физики. Однако граница между химическими и физическими явлениями размыта. Ведь деление на отдельные науки условно, тогда как природа неделима. Поэтому химикам очень полезно знание физики.

Основные понятия химии кратко были нами изложены. Теперь предлагаем вам подробнее их рассмотреть.

Подробнее об атомах

Атомы и молекулы - это то, с чем у многих ассоциируется химия. Основные понятия эти необходимо четко определить. То, что атомы существуют, две тысячи лет назад было гениально угадано. Затем, уже в 19 веке, у ученых появились экспериментальные данные (пока еще косвенные). Речь идет о кратных отношениях Авогадро, законах постоянства состава (ниже мы рассмотрим эти основные понятия химии). Атом продолжили исследовать в 20 веке, когда возникло множество уже прямых экспериментальных подтверждений. Они были основаны на данных спектроскопии, на рассеянии рентгеновских лучей, альфа-частиц, нейтронов, электронов и др. Размер данных частиц составляет примерно 1 Е = 1о -10 м. Масса их - около 10 -27 - 10 -25 кг. В центре этих частиц находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны с отрицательным зарядом. Размер ядра составляет около 10 -15 м. Получается, что электронная оболочка определяет размеры атома, однако при этом его масса практически полностью сосредоточена в ядре. Еще одно определение следует ввести, рассматривая основные понятия химии. - это вид атомов, заряд ядра которых одинаков.

Часто встречается как мельчайшей частицы вещества, химически неделимой. Как мы уже отмечали, деление явлений на физические и химические условно. А вот существование атомов безусловно. Поэтому химию лучше определять через них, а не наоборот, атомы через химию.

Химическая связь

Это то, благодаря чему атомы удерживаются вместе. Она не позволяет им разлететься под влиянием теплового движения. Отметим основные характеристики связей - это межъядерное расстояние и энергия. Это также основные понятия химии. Длина связи определяется экспериментально с достаточно высокой точностью. Энергия - тоже, однако не всегда. К примеру, невозможно объективно определить, какова она по отношению к отдельной связи в сложной молекуле. Однако энергия атомизации вещества, необходимая для разрыва всех имеющихся связей, определяется всегда. Зная длину связи, можно определить, какие атомы являются связанными (у них короткое расстояние), а какие - нет (длинное расстояние).

Координационное число и координация

Основные понятия аналитической химии включают в себя два этих термина. Что же они обозначают? Давайте разберемся.

Координационное число представляет собой количество ближайших соседей данного конкретного атома. Другими словами, это число тех, с кем он связан химически. Координация представляет собой взаимное расположение, вид и число соседей. Другими словами, это понятие более содержательно. К примеру, координационное число азота, свойственное молекулам аммиака и азотной кислоты, одинаково - 3. Однако координация у них разная - неплоская и плоская. Она определяется независимо от представлений о природе связи, тогда как степень окисления и валентность - понятия условные, которые созданы для того, чтобы заранее предсказывать координацию и состав.

Определение молекулы

Мы уже касались этого понятия, рассматривая основные понятия и законы химии кратко. Теперь остановимся на нем более подробно. В учебниках часто встречается определение молекулы как наименьшей нейтральной частицы вещества, которая обладает его химическими свойствами, а также способна существовать самостоятельно. Необходимо отметить, что это определение в настоящий момент уже устарело. Во-первых, то, что все физики и химики именуют молекулой, свойств вещества не сохраняет. Вода диссоциирует, однако для этого необходимы минимум 2 молекулы. Степень диссоциации воды - это 10 -7 . Другими словами, этому процессу может подвергаться лишь одна молекула из 10 млн. Если у вас имеется одна молекула, или есть даже сто, вы не сможете получить представления о ее диссоциации. Дело в том, что тепловые эффекты реакций в химии обычно включают энергию взаимодействия между молекулами. Поэтому их нельзя найти по одной из них. И химические, и физические вещества можно определить лишь по большому коллективу молекул. Кроме того, существуют вещества, у которых способная существовать самостоятельно "наименьшая" частица неопределенно велика и очень отличается от привычных молекул. Молекула фактически представляет собой группу атомов, электрически не заряженную. В частном случае это может быть один атом, к примеру, Ne. Эта группа должна быть способна участвовать в диффузии, а также в других типах теплового движения, выступая как единое целое.

Как вы видите, не так просты основные понятия химии. Молекула - это то, что необходимо тщательно изучить. Она обладает своими собственными свойствами, а также молекулярной массой. О последней мы сейчас и поговорим.

Молекулярная масса

Как определить молекулярную массу на опыте? Один способ - основываясь на законе Авогадро, по относительной плотности пара. Самым точным методом является масс-спектрометрический. Электрон выбивают из молекулы. Полученный в результате этого ион сначала разгоняют в электрическом поле, затем отклоняют его магнитным путем. Отношение заряда к массе определяется именно величиной отклонения. Существуют также методы, основанные на свойствах, которыми обладают растворы. Однако молекулы во всех этих случаях непременно должны быть в движении - в растворе, в вакууме, в газе. Если они не движутся, невозможно объективно рассчитать их массу. Да и само их существование в этом случае трудно обнаружить.

Особенности немолекулярных веществ

Говоря о них, отмечают, что они состоят из атомов, а не из молекул. Однако это же справедливо и по отношению к благородным газам. Данные атомы движутся свободно, следовательно, лучше считать их одноатомными молекулами. Однако не это главное. Важнее, что в немолекулярных веществах имеется очень много атомов, которые связаны воедино. Нужно заметить, что деление всех веществ на немолекулярные и молекулярные является недостаточным. Деление по связности более содержательно. Рассмотрим, к примеру, различие в свойствах графита и алмаза. Оба они являются углеродом, однако первое - мягкое, а второе - твердое. Чем же они отличаются друг от друга? Разница заключается как раз в их связности. Если рассмотреть структуру графита, мы увидим, что прочные связи имеются лишь в двух измерениях. А вот в третьем очень значительны межатомные расстояния, следовательно, нет прочной связи. Графит легко скользит и раскалывается по этим слоям.

Связность структуры

Иначе ее называют пространственной размерностью. Она представляет собой количество измерений пространства, характеризующихся тем, что в них непрерывна (почти бесконечна) система остов (прочных связей). Значения, которые она может принимать, - 0, 1, 2 и 3. Следовательно, необходимо различать трехмерно-связные, слоистые, цепочечные и островные (молекулярные) структуры.

Закон постоянства состава

Мы уже изучили основные понятия химии. Вещество было вкратце рассмотрено нами. Теперь расскажем о законе, который относится к нему. Обычно его формулируют следующим образом: любое индивидуальное вещество (то есть чистое), независимо от того, каким способом оно было получено, имеет одинаковый количественный и качественный состав. Но что же значит понятие Давайте разберемся.

Две тысячи лет назад, когда строение веществ нельзя было еще изучить прямыми методами, когда еще даже не существовали основные химические понятия и законы химии, привычные нам, его определяли описательно. К примеру, вода - это жидкость, которая составляет основу морей и рек. У нее нет запаха, цвета, вкуса. Она имеет такие-то температуры замерзания и плавления, от нее синеет Соленой морская вода является потому, что она не чистая. Однако соли можно отделить с помощью перегонки. Примерно так, описательным методом, определялись основные химические понятия и законы химии.

Для ученых того времени было неочевидно, что жидкость, которая выделена разными способами (сжиганием водорода, обезвоживанием купороса, перегонкой морской воды), обладает одинаковым составом. Большим открытием в науке стало доказательство этого факта. Стало понятно, что соотношение кислорода и водорода не может плавно меняться. Это значит, что элементы состоят из атомов - неделимых порций. Так были получены формулы веществ, а также обосновано представление ученых о молекулах.

В наше время любое вещество явно или неявно определяют прежде всего формулой, а не температурой плавления, вкусом или цветом. Вода - Н 2 О. Если присутствуют другие молекулы, она уже не будет являться чистой. Следовательно, чистое молекулярное вещество представляет собой то, которое сложено из молекул только одного вида.

Однако как в этом случае быть с электролитами? Ведь в их составе присутствуют ионы, а не только молекулы. Необходимо более строгое определение. Чистое молекулярное вещество представляет собой то, которое сложено из молекул одного вида, а также, возможно, продуктов их обратимого быстрого превращения (изомеризации, ассоциации, диссоциации). Слово "быстрого" в этом контексте означает, что от этих продуктов мы не можем избавиться, они сразу же появляются вновь. Слово "обратимого" указывает на то, что превращение не доводится до конца. Если доводится, тогда лучше говорить, что оно неустойчиво. В этом случае оно не является чистым веществом.

Закон сохранения массы вещества

Этот закон еще с древнейших времен был известен в метафорической форме. Он гласил, что вещество несотворимо и неуничтожимо. Затем появилась его количественная формулировка. Согласно ей, вес (а с конца 17 столетия - масса) является мерой количества вещества.

Данный закон в привычном для нас виде был открыт в 1748 году Ломоносовым. В 1789 году его дополнил А. Лавуазье, французский ученый. Современная его формулировка звучит так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равняется массе веществ, которые получаются в результате нее.

Закон Авогадро, закон объемных отношений газов

Последний из них был сформулирован в 1808 году Ж. Л. Гей-Люссаком, французским ученым. В настоящее время этот закон именуется законом Гей-Люссака. Согласно ему, объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объемам полученных газообразных продуктов как целые небольшие числа.

Закономерность, которую обнаружил Гей-Люссак, объясняет закон, который был открыт немного позже, в 1811 году, Амедео Авогадро, итальянским ученым. Он гласит, что при равных условиях (давления и температуры) в газах, имеющих одинаковые объемы, присутствует одинаковое количество молекул.

Два важных следствия вытекают из закона Авогадро. Первое заключается в том, что при одинаковых условиях один моль любого газа занимает равный объем. Объем любого из них при нормальных условиях (которыми являются температура 0 °С, а также давление 101,325 кПа) составляет 22,4 л. Второе следствие данного закона следующее: при равных условиях отношение масс газов, имеющих одинаковый объем, равняется отношению их молярных масс.

Существует и еще один закон, о котором непременно нужно упомянуть. Расскажем о нем вкратце.

Периодический закон и таблица

Д. И. Менделеев, основываясь на химических свойствах элементов и атомно-молекулярном учении, открыл этот закон. Это событие произошло 1 марта 1869 г. Периодический закон является одним из важнейших в природе. Его можно сформулировать следующим образом: свойства элементов и образуемых ими сложных и простых веществ имеют периодическую зависимость от зарядов ядер их атомов.

Периодическая таблица, которую создал Менделеев, состоит из семи периодов и восьми групп. Группами называются ее вертикальные столбцы. Элементы внутри каждой из них имеют схожие физические и химические свойства. Группа, в свою очередь, делится на подгруппы (главные и побочные).

Горизонтальные ряды этой таблицы именуют периодами. Элементы, которые находятся в них, отличаются между собой, однако у них есть и общее - то, что их последние электроны расположены на одном энергетическом уровне. В первом периоде находятся только два элемента. Это водород Н и гелий Не. Восемь элементов имеются во втором периоде. В четвертом их уже 18. Менделеев обозначил этот период как первый большой. В пятом также 18 элементов, его структура схожа с четвертым. В составе шестого - 32 элемента. Седьмой не закончен. Этот период начинается с франция (Fr). Мы можем предположить, что он будет содержать 32 элемента, как и шестой. Однако пока найдено лишь 24.

Правило откета

Согласно правилу откета, все элементы стремятся к тому, чтобы приобрести электрон или потерять его для того, чтобы иметь 8-электронную конфигурацию благородного газа, ближайшего к ним. Энергия ионизации - это то количество энергии, которое необходимо для отделения электрона от атома. Правило откета гласит, что при движении слева направо по периодической таблице необходимо больше энергии для отрыва электрона. Поэтому элементы, находящиеся с левой стороны, стремятся к тому, чтобы потерять электрон. Напротив, те, которые расположены с правой стороны, жаждут его приобрести.

Законы и основные понятия химии кратко мы изложили. Безусловно, это лишь общая информация. В рамках одной статьи невозможно подробно рассказать о столь серьезной науке. Основные понятия и законы химии, кратко изложенные в нашей статье, - это лишь отправная точка для дальнейшего изучения. Ведь в этой науке есть множество разделов. Существует, к примеру, органическая и неорганическая химия. Основные понятия каждого из разделов этой науки можно изучать очень долго. Но те, которые представлены выше, относятся к общим вопросам. Поэтому можно сказать, что это основные понятия органической химии, как и неорганической.