Член-кореспондент Угорської академії наук, професор, Інститут хімії, Університет Етвеша Лоранда, Департамент хімічного моделювання

Замість плодовитого


Актуальність


Хімія - це наука про молекули


Згідно з Великим лексиконом Угорщини, хімія, ймовірно, походить від єгипетської хімічної речовини (чорнозем) або, можливо, від грецького терміна khüma (рідини або рідини). Найбільш зрозумілий штам полягає в тому, що хімія вивчає речовину на її атомно-молекулярному рівні, і цей підхід добре підсумовується англійським терміном молекулярна наука. Остання сигнальна структура достовірно відображає намір, що хімік повинен мати можливість знаходити відповіді та пояснення на запитання та наукові спостереження на рівні атомів, іонів або молекул.

У той час як атомна фізика в першу чергу досліджує субатомний рівень речовини (ядерна модель Ернеста Резерфорда, відредагована цього року), біологія, біохімія - секрети мікросвіту. Питання, однак, полягає в тому, що якщо матеріал, який утворює і наше середовище, і нас самих, є ієрархічним ансамблем безлічі молекул, чому так складно скласти карту, поглинути та зрозуміти цей молекулярний рівень? Якщо молекули, що складають вужчий предмет хімії, всюдисущі - що є незаперечним фактом - то чому молекулярний підхід так падає від більшості людей? Чому важко знайти його молекулярний рівень у конденсованому матеріалі?

Самостійне розуміння складності молекул є досить складним завданням, тому варто спочатку вивчити сфери, де ми взаємодіємо з окремими молекулами. Покладаючись на наші органи чуття, наприклад, ми намагаємося викликати хрусткий аромат свіжоспеченої взуття або букета весняних фіалок, покладаючись на наш ніс і молекулярні «спогади». 3 Цих “пам’ятників ароматів” досить багато, але результат нашої попередньої зустрічі з характерною молекулою; замінено кількома циклічними амінами, насиченими та ненасиченими простими альдегідами або монотерпенами, і викликало характерний та специфічний подразник за допомогою молекул рецепторів, розташованих у задній частині нашого носа. (Запах і сприйняття є прикладами взаємодії типово одномолекулярного типу рецептора епітопу.)

На додаток до ароматів, ми можемо легко визначити окремі молекули, відповідальні за колір або колір. Наприклад, добре відомий червоний перець із Сегеду надає рубіново-червоний колір, молекула, що складається з сорока атомів вуглецю, капсантину та капсарубіну, а перець відповідає за “чоловічу” силу перцю і повністю відповідає за перший . Для фізіологів може здатися несподіваним поворотом сказати, що «гострий» капсаїцин - це сам. Він діє, зв'язуючись з ванілоїдним рецептором типу I. Назва рецептора ванілоїдів - ванілін, головний компонент всім відомої ванілі, який відповідає за приємне і м’яке. Дозвіл очевидного протиріччя дається порівнянням структурних формул двох молекул (капсаїцину та ваніліну), оскільки заміщена метокси фенолом частина молекули капсаїцину подібна до молекули ваніліну. Якщо ми можемо визначити та описати структурну формулу молекули, тоді порівняльне дослідження також включає можливість “ступенів спорідненості”. Тому дуже варто коротко подумати над поняттям хімічного інструменту - якісної та кількісної молекулярної формули, яка широко використовується для ідентифікації та опису молекул.

Хімічна формула подібна до варіантів архаїчних уявлень, в яких ми будуємо системи більш складних понять із комбінацією основних символів. Заміни або групові функції, які широко поширені в хімії, показують логіку звичного розвитку в хімії: складніші молекули можуть бути перетворені в хімічно зрозумілі основні одиниці (молекулярна вода тощо). Найпростіші атомні символи у формулах можна легко отримати з таблиці Менделєєва, представленої Дмитром Івановичем Менделєєвим у 1869 році. 4

Формула Льюїса може бути використана для опису електронної будови не тільки простих, але і більш складних органічних молекул. Вперше один із компонентів перцю, вітамін С, був виділений Альбертом Сент-Дьєрджі і названий «ігнозом». Хімічний синтез цього був розв’язаний Альбертом Хавортом, завдяки чому виробництво вітаміну стало дешевшим. Відкриття вітаміну С у 1937 році було відзначено медичним та синтетичним синтезом того ж року Нобелівською премією з хімії. 6 Хімічна формула може бути використана не лише для характеристики та оцінки властивостей молекул, а й для поетапного опису їх синтезу. Також можна зробити посилання на перебіг і механізм реакцій за допомогою препаратів Льюїса, придатних для інтерпретації взаємодії реагентів і реагентів. Ніщо не доводить використання та успіх цього майже загального формалізму краще, ніж той факт, що хіміки і сьогодні успішно використовують його.

Це неможливо побачити в мікросвіті, але ми можемо відчувати молекули на основі їх електронної густини, магнітних або інших фізичних властивостей. Центральною концептуальною основою кількісної молекулярної структури та формули, гармонізованої з квантовою механікою, є електронна щільність, яка може бути отримана з характеристики довжини хвилі молекули і може бути розрахована з достатньою точністю. Оскільки завдання проекту Льюїса полягає в тому, щоб надати правильну електронну структуру для певного місця розташування та зв'язку.

У середовищі групи ядерних ядер нам доводиться мати справу з дуже подібним завданням у серії квантово-механічних розрахунків. Після вирішення незалежного від часу рівняння Шредінгера загальна електронна щільність, розрахована для молекулярної структури молекули, представлена ​​в контурній моделі, тобто точках, в яких електронна густина ідентична в просторі. Поверхні покриття, що поєднують різні значення електронної щільності навколо вітаміну С, можна розглядати як різні моделі молекули. (Малюнок 2).

Закони класичної механіки дозволяють визначати рух макроскопічних тіл, знаючи сили, що діють на них. Рух і розподіл електронів також можна визначити за допомогою квантової механіки. Квантово-механічний метод, який заздалегідь враховує деякі основні властивості молекул, називається квантовою хімією. Завдяки розв’язанню рухів електронів і ядер, важчих більш ніж у дві тисячі разів (підхід Борна - Оппенгеймера), вирішення рівняння Шредінгера значно спрощується. Розв’язуючи рівняння для даної конфігурації ядра, ми можемо визначити загальну внутрішню енергію молекули, яка є функцією конфігурації ядра. Ми можемо визначити поверхню потенційної енергії, за якою можна порівняно точно визначити численні властивості та поведінку молекули. Поверхня потенціальної енергії є центральним поняттям сучасної хімії, яке можна розглядати як узагальнення класичної структурної формули.

Вивчення поверхні потенційної енергії є важливим інструментом для інтерпретації хімічних властивостей (ізомеризація, тавтомеризація, розгортання та розмотування гнучких молекул, конформаційний аналіз). Однак пропан (СН3 - СН2 - СН3) може бути побудований лише з трьох вуглецевих бомб і восьми ядер водню, пов’язаних з ними, але в принципі він може мати кілька можливих тривимірних структур (ядерна конфігурація). Якщо ми повернемо частину молекули вздовж осі вздовж першого (С1 - С2) і другого (С2 - С3) вуглець-вуглецевих ковалентних зв’язків, то ми можемо визначити значення сумарної внутрішньої енергії відповідно. Побудувавши їх за двома змінними, ми можемо визначити просторову структуру пропану у всіх кімнатах, причому найчастіше реалізується та, що має найменшу енергію. Подібним чином ми можемо визначити найбільш вірогідну структуру більших молекул, будь то білки чи нуклеїнові кислоти.

Поверхня потенціальної енергії, яку можна отримати за кількісними результатами розвитку, також дозволяє спільно вивчати дві або більше молекули, що призводить до квантово-хімічного вивчення реакцій. Сьогодні тепер можна кількісно обговорювати простіші елементарні та навіть складніші реакції. Ми можемо визначити кінетичні та термодинамічні параметри перетворень, які в порівнянні з експериментальними даними ведуть хімію від віку інтерпретації якісного механізму до періоду кількісного проектування реакції. Хорошим прикладом цього є спільна конверсія іону гідроксиду (OH-) та хлористого метилу (CH3-Cl), так зване нуклеофільне заміщення (SN2) або, загалом кажучи, реакція "заміщення" метиловим спиртом та хлорид-іон. Більш проста структура двох молекул, що беруть участь, через їх менший розмір допомагає досліднику зрозуміти правильний механізм реакції. Однак навіть сьогодні низку хімічних перетворень та більш складних біохімічних реакцій неможливо простежити з достатньою точністю, а з розвитком комп'ютерів та методів теорія хімічних реакцій стрімко розвивається.

Сьогодні ми можемо інтерпретувати електронні структурні властивості іонів і молекул як на якісному, так і на кількісному рівнях і навіть описувати їх із певною точністю. Як і найцікавіші частини нашого звичайного світу, частини мікросвіту не є ні жорсткими, ні нерухомими, але, як гнучкі об'єкти макросвіту, характерні пластичність та внутрішній динамізм, необхідний молекулам. Картина справді чудова, це те, що внутрішні рухи часто відбуваються в різний час. У той час як період коливань вітаміну С потрапляє в діапазон фемтосекунд (10 -15 с), та сама молекула також обертається вздовж певних кутів спотворень, але повільніше, в діапазоні наносекунд-пікосекунд (10 -9 - 10 -12 с). Е kйt eltйrх idхskбlбj' molekulбris бgyazуdik mozgбs ugyan'gy egymбsba ніж pйldбul mбsodperc idхskбlбj' (tehбt більше frekvenciбj') szнvdobogбsunk бgyazуdik kцthetх йletciklusunk часи дня (сніданок pйldбul йbredйs, ebйdelйs, lefekvйs) вище (5 і 10) idхskбlбj' tevйkenysйgeibe. Молекули характеризуються наростаючими та більш складними внутрішніми рухами та їх комбінаціями так само, як геометричні параметри або структурна формула.


Сучасні можливості структурного визначення


Запис просторового вигляду об’єктів може бути вирішений на основі відносно простого фотографічного зображення за допомогою голографії, виявленої Денесом Габором, який був нагороджений Нобелівською премією з фізики в 1971 році. У разі визначення структури молекул найважливішим завданням є збільшення роздільної здатності зображення. Людське око непридатне для дослідження будови молекул, його роздільна здатність недостатньо хороша (

0,1 мм). За допомогою світлового мікроскопа a

Іншим інструментом пожовтіння для визначення структури атомного рівня є спектроскопія ядерно-магнітного резонансу (ЯМР), основний фізичний феномен якої сформулювали Фелікс Блох та Едвард Персел (Фізична Нобелівська премія, 1952). ЯМР передусім відзначився у Річарда Ернста (1991), потім Курта Ветріха (2002), останнім часом у галузі магнітно-резонансної томографії (МРТ) Пола Лаутербура та сера Пітера Менсфілда (2003) у хімії та медицині. Ellentйtben МРТ, ЯМР НЕ kйpalkotу eljбrбs, БM, оскільки це дає високу pontossбg' informбciуt aktнv mбgnesesen сердечники tйrbeli elhelyezkedйsйrхl йs belsх mozgбsбrуl в mйrt kнsйrleti дані alapjбn angstrцm felbontбs' kйpet форми є органічними і'jabban biomolekulбk sokasбgбrуl, akбr szilбrd бllapotban, akбr oldatfбzisban.


Виклики в сучасній хімії


А XXI. На рубежі століть хімік більше схожий на "молекулярного інженера", ніж на алхіміка, який намацує в темряві. Він не тільки має правильну теорію, яку він може сформулювати як в якісному, так і в кількісному відношенні, але тепер він має у своєму розпорядженні відповідні інструменти. За допомогою них він здатний вивчати, характеризувати і розвивати як ізольовані від природи молекули, так і сконструйовані нею, які потім штучно виробляються. Він може сформувати картину складових мікросвіту, будь то їх газоподібні, рідкі або твердотільні системи, і навіть може визначити ряд властивостей молекул ab initio, прогнозуючи таким чином результат кожної реакції. В ході цих розробок хімічна наука стала дорослим віком, переходячи від сучасної ери до все більш точної оцінки експериментальних результатів.

Що може бути XXI. Найважливіший виклик хімії 20 століття? Перш за все, варто згадати, що однією із захоплюючих особливостей хімії є її здатність виробляти та вивчати нові матеріали, навіть ті, яких раніше не було. У той час як фізика, біологія та геологія традиційно досліджували існуючі речі, спеціальні знання хімії дали нові речовини, які, наприклад, угорська мова апострофізувала як пластичні. Ні кількість, ні кількість синтетичних матеріалів не визначають наше повсякденне життя, ми забезпечуємо наш комфорт; думайте лише про загальну діяльність текстильної, фармацевтичної та пластмасової промисловості.

Виробництво нових матеріалів можна запланувати певним чином і здійснити з майже науковою точністю в розмірах у багато тисяч тонн. Також можна було виробляти такі макромолекули, як бактеріальний геном. Крейг Вентер (творець клітини, керований штучним геномом), відоме, небезпечно претензійне висловлювання "Я створив життя" 2010 року не є абсолютно безпідставним. На зорі синтетичної біології, мабуть, ми повинні ще більше здивуватися цінності та можливості вивчення законів природи та того, що ми можемо з цим зробити. Вражає, наскільки точно Імре Мадч відчував і формулював усе це за свої сотні років. Трагедія людини-у:

“Це робиться, якщо ти коли-небудь проти,

Нарешті, але не менш важливим є те, що «Хімія наук про життя» все частіше може інтерпретувати та пояснювати класичні або нові спостереження в біології та медицині. Поглиблене розуміння цих областей навряд чи можливо без більш точного відображення молекулярного рівня явищ, застосовуючи на практиці вислів Альберта Сент-Дьєрджі: «Збереження здоров'я - це не що інше, як електрон. Фактично, приблизно 75-кілограмове тіло людини містить приблизно цю кількість електронів. І оскільки атомні ядра утворюють молекули за посередництвом електронів, і вони з’єднуються, утворюючи клітини, а потім тканини, збереження справедливо припускає, що необхідною передумовою для молекулярної медицини є точна електронна структура молекул.


Замість епілогу


Я сподіваюся, що у зв’язку з Роком хімії з’явиться хімія - скарбниця, яка незмінно збагатить усіх нас. Хімік знаходить свою справжню цінність у спостереженні, аналізі, синтезі та формуванні думок, і це його двигун та сила посадки. Навіть якщо ви благодать життя і, можливо, успішні, але навіть якщо вас ігнорують. Наше розуміння - це глибше розуміння молекулярного рівня світу, яким ми із задоволенням ділимося з іншими та намагаємось перетворити його на благо більшості. Але все це залишається нашою цінністю, навіть якщо наші зусилля час від часу завершуються спільністю або байдужістю.

Зрештою, це тут і там

Мені відкрита маленька квіточка:

У мене було все серце.

(Arany Jбnos: Епілог)


Ключові слова: Міжнародна хімія, молекулярна та електронна структура, життєва хімія, матеріалознавство, синтез

LBBNOTES

1 Відредагована версія лекції, прочитаної на 181-му щорічному загальному зборі Угорської академії наук у травні 2011 року. Автор висловлює подяку Президії Угорської академії наук та VII. Департамент має честь провести пленарне виступ.

2 Нагороджений премією «Болай-ден» 2011 року.

3 Хліб головним чином відповідає за 2-ацетилпірролін, 3-метилбутан та 2-транс-не-2-он, тоді як фіалка відповідає за α- та β-іонони.

4 На момент свого створення Періодична система, яка все ще містила лише близько 70 елементів, звертала увагу на існування низки елементів, які все ще були відсутні та підлягають виявленню, а на додаток до 112 елементів (112Cn), визначених у 2010 рік.

5 Температура кипіння за нормальних умов –24,9 та +78,5 ° C.

6 Ця життєво важлива органічна молекула, яку можна виділити з ряду рослин, необхідна для синтезу колагену в кістковому та м’язовому білках. Дефіцит призводить до цинги, що вже Гіппократ в е. ARC. у 19 столітті як серйозний розлад харчової поведінки.

2011

1. ббра • Через етанолові мости на водні (пунктирні лінії)

має тенденцію утворювати асоціати, тим самим підвищуючи температуру кипіння рідин,

до цього часу диметиловий ефір непридатний для утворення тих самих мереж.

Малюнок 2 • Модель молекули вітаміну С з однаковими значеннями електронної щільності

(зліва: 0,004, посередині: 0,04, праворуч: 0,2) на основі комбінованої поверхні мощення.