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Das Konzept des Quantenzustands eines Teilchens in einem System gilt in Fällen, in denen die Wechselwirkung stattfindet. zwischen Teilchen kann durch ein bestimmtes effektives Feld ersetzt werden, und jedes Teilchen kann durch einen individuellen Satz von Quantenzahlen charakterisiert werden; wenn man das System der Interaktion streng betrachtet. Teilchen gibt es nur Quantenzustände des gesamten Systems als Ganzes. Die Einzelteilchennäherung ist die Grundlage der Selbstkonsistenzmethode. Felder (Hartree-Fock-Methode; siehe Molekülorbitalmethoden), weit verbreitet in der Atom- und Moltheorie. Spektren, Quantentheorie chem. Zusammenhänge, bei der Beschreibung von Schalenmodellen von Atom und Kern usw.

Das Pauli-Prinzip im Rahmen der Einteilchennäherung ermöglicht die Begründung der Periodizität. chemisches System Elemente von D.I. Mendeleev, weil Das Vorhandensein nur eines Elektrons in einem Zustand erklärt die Reihenfolge der Füllung der Elektronenhüllen und die mit dieser Reihenfolge verbundene Periodizität der Elemente. Max. Die Anzahl der Elektronen in einer Schale mit der Hauptquantenzahl n wird nach dem Pauli-Prinzip durch die Zerlegungszahl bestimmt. Mengen der Quantenzahlen l, ml und ms, d. h. gleich 2(2l + 1) = 2n2. Daraus erhalten wir die Füllzahlen der Elektronenschalen in der Reihenfolge steigender Schalenzahl: 2, 8, 18, 32... Für äquivalente Elektronen eines Atoms, also Elektronen mit gleichem n und l, gilt aufgrund des Pauli-Prinzips nicht alle möglichen Zustände werden realisiert, aber nur diejenigen, die sich von ml oder ms unterscheiden. Insbesondere z elektronische Konfiguration(pr)2 Die Regel für die Vektoraddition der Momente des Bewegungsbetrags ergibt sechs Terme: 1,3S, 1,3P 1,3D, von denen nur drei erlaubt sind: 1S, 3P und 1D, da für die anderen drei Terme die Mengen gelten Quantenzahlen für zwei Elektronen sind gleich. Die Berücksichtigung des Pauli-Prinzips ist auch bei der Ermittlung der zulässigen elektronischen Zustände von Molekülen und Molekülen erforderlich. Komplexe. Grundlegend ist das Pauli-Prinzip. Rolle in der Quantentheorie von Festkörpern, der Theorie von Kernreaktionen und Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen.

16 Die Bedeutung des periodischen Gesetzes. Das Periodensystem der Elemente ist zu einer der wertvollsten Verallgemeinerungen in der Chemie geworden. Es ist wie eine Zusammenfassung der Chemie aller Elemente, ein Diagramm, aus dem Sie die Eigenschaften der Elemente und ihrer Verbindungen ablesen können. Das System ermöglichte die Klärung der Position, Atommassen und Wertigkeitswerte einiger Elemente. Anhand der Tabelle war es möglich, die Existenz und Eigenschaften noch nicht entdeckter Elemente vorherzusagen. Mendeleev sagte die Eigenschaften von damals noch nicht entdeckten Elementen voraus und beschrieb sie, die er Ekaboron (Scandium), Ekaaluminum (Gallium) und Ekasilicon (Germanium) nannte. Mendelejew formulierte das Periodengesetz und schlug seine grafische Darstellung vor, doch damals war es unmöglich, die Natur der Periodizität zu bestimmen. Der Grund für die Periodizität der Veränderungen der Eigenschaften und ihrer Verbindungen wurde nicht geklärt. Die Bedeutung des periodischen Gesetzes wurde später im Zusammenhang mit Entdeckungen über die Struktur des Atoms enthüllt.

Theorie der Atomstruktur

Ein Atom ist ein elektrisch neutrales Teilchen, das aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen besteht.

Struktur Atomkerne

Die Atomkerne bestehen aus zwei Arten von Elementarteilchen: Protonen (p) und Neutronen (n). Die Summe der Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms wird als Nukleonenzahl bezeichnet: Dabei ist A die Nukleonenzahl, N die Zahl der Neutronen und Z die Zahl der Protonen.

Protonen haben eine positive Ladung (1), Neutronen haben keine Ladung (0), Elektronen haben eine negative Ladung (-1). Die Massen von Proton und Neutron sind ungefähr gleich, es wird angenommen, dass sie gleich 1 sind. Die Masse des Elektrons ist viel kleiner als die Masse des Protons, daher wird sie in der Chemie vernachlässigt, wenn man bedenkt, dass die gesamte Masse des Das Atom ist in seinem Kern konzentriert. Die Anzahl der positiv geladenen Protonen im Kern ist gleich der Anzahl der negativ geladenen Elektronen, d. h. das Atom als Ganzes ist elektrisch neutral. Atome mit gleicher Kernladung bilden ein chemisches Element. Atome verschiedener Elemente werden Nuklide genannt.

17. Eine chemische Bindung ist die Wechselwirkung zweier Atome durch den Austausch von Elektronen. Wenn eine chemische Bindung gebildet wird, neigen Atome dazu, eine stabile Außenhülle mit acht (oder zwei) Elektronen anzunehmen, die der Struktur des Atoms des nächstgelegenen Inertgases entspricht. Folgende Arten chemischer Bindungen werden unterschieden: kovalente (polare und unpolare; Austausch- und Donor-Akzeptor-), ionische, Wasserstoff- und metallische.

18.Kovalente Bindung- am meisten generelle Form chemische Bindung, die durch die gemeinsame Nutzung eines Elektronenpaars durch einen Austauschmechanismus entsteht, wenn jedes der interagierenden Atome ein Elektron liefert, oder durch einen Donor-Akzeptor-Mechanismus, wenn ein Elektronenpaar zur gemeinsamen Nutzung durch ein Atom (Donor) übertragen wird. zu einem anderen Atom (Akzeptor)

Ein klassisches Beispiel für eine unpolare kovalente Bindung (die Elektronegativitätsdifferenz ist Null) wird in homonuklearen Molekülen beobachtet: H–H, F–F. Die Energie einer Zwei-Elektronen-Zweizentrenbindung liegt im Bereich von 200–2000 kJ∙mol–1.

Wenn eine heteroatomare kovalente Bindung gebildet wird, wird ein Elektronenpaar zu einem elektronegativeren Atom verschoben, wodurch die Bindung polar wird. Die Ionizität einer polaren Bindung in Prozent wird durch die empirische Beziehung 16(χA – χB) + 3,5(χA – χB)2 berechnet, wobei χA und χB die Elektronegativität der Atome A und B des AB-Moleküls sind. Neben der Polarisierbarkeit besitzt eine kovalente Bindung die Eigenschaft der Sättigung – die Fähigkeit eines Atoms, so viele kovalente Bindungen zu bilden, wie es energetisch zugängliche Atomorbitale hat.Die charakteristischen Eigenschaften einer kovalenten Bindung – Direktionalität, Sättigung, Polarität, Polarisierbarkeit – bestimmen die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Verbindungen.

Die Richtung der Verbindung wird durch die molekulare Struktur des Stoffes und die geometrische Form seines Moleküls bestimmt. Die Winkel zwischen zwei Bindungen werden Bindungswinkel genannt.

Sättigbarkeit ist die Fähigkeit von Atomen, eine begrenzte Anzahl kovalenter Bindungen zu bilden. Die Anzahl der von einem Atom gebildeten Bindungen wird durch die Anzahl seiner äußeren Atomorbitale begrenzt.

Die Polarität der Bindung ist auf die ungleichmäßige Verteilung der Elektronendichte zurückzuführen, die auf Unterschiede in der Elektronegativität der Atome zurückzuführen ist. Auf dieser Grundlage werden kovalente Bindungen in unpolare und polare Bindungen unterteilt.

Die Polarisierbarkeit einer Bindung drückt sich in der Verschiebung der Bindungselektronen unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes aus, auch des eines anderen reagierenden Teilchens. Die Polarisierbarkeit wird durch die Elektronenmobilität bestimmt. Die Polarität und Polarisierbarkeit kovalenter Bindungen bestimmt die Reaktivität von Molekülen gegenüber polaren Reagenzien.

19.Ionische Bindung– ein Sonderfall von kovalent, wenn das resultierende Elektronenpaar vollständig zu einem elektronegativeren Atom gehört, das zu einem Anion wird. Die Grundlage für die Identifizierung dieser Bindung als eigenständiger Typ ist die Tatsache, dass Verbindungen mit einer solchen Bindung in einer elektrostatischen Näherung beschrieben werden können, wobei davon ausgegangen wird, dass die Ionenbindung auf der Anziehung positiver und negativer Ionen beruht. Die Wechselwirkung von Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen ist richtungsunabhängig und Coulomb-Kräfte haben nicht die Eigenschaft der Sättigung. Daher zieht jedes Ion in einer ionischen Verbindung so viele Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen an, dass ein Kristallgitter ionischen Typs entsteht. In einem Ionenkristall gibt es keine Moleküle. Jedes Ion ist von einer bestimmten Anzahl von Ionen mit unterschiedlichem Vorzeichen (der Koordinationszahl des Ions) umgeben. Ionenpaare können im gasförmigen Zustand als polare Moleküle vorliegen. Im gasförmigen Zustand hat NaCl ein Dipolmoment von ~3∙10–29 C∙m, was einer Verschiebung von 0,8 Elektronenladungen pro Bindungslänge von 0,236 nm von Na zu Cl entspricht, d. h. Na0,8+Cl0,8– .Elektronegativität (χ) ist eine grundlegende chemische Eigenschaft eines Atoms, ein quantitatives Merkmal der Fähigkeit eines Atoms in einem Molekül, gemeinsame Elektronenpaare in seine Richtung zu verschieben.

Das moderne Konzept der Elektronegativität von Atomen wurde vom amerikanischen Chemiker L. Pauling eingeführt. L. Pauling verwendete das Konzept der Elektronegativität, um die Tatsache zu erklären, dass die Energie einer heteroatomaren Bindung A-B (A, B sind Symbole für beliebige chemische Elemente) im Allgemeinen größer ist als der geometrische Mittelwert der homoatomaren Bindungen A-A und B-B.

Zur Bestimmung der Elektronegativitäten von Atomen gibt es derzeit viele verschiedene Methoden, deren Ergebnisse bis auf relativ kleine Unterschiede gut miteinander übereinstimmen und in jedem Fall in sich konsistent sind.

Metallverbindung entsteht durch teilweise Delokalisierung von Valenzelektronen, die sich im Metallgitter recht frei bewegen und elektrostatisch mit positiv geladenen Ionen interagieren. Die Bindungskräfte sind nicht lokalisiert oder gerichtet und delokalisierte Elektronen verursachen eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit.

Wasserstoffverbindung. Seine Entstehung beruht auf der Tatsache, dass durch eine starke Verschiebung eines Elektronenpaares in Richtung eines elektronegativen Atoms ein Wasserstoffatom, das eine effektive positive Ladung aufweist, mit einem anderen elektronegativen Atom (F, O, N, weniger) interagieren kann oft Cl, Br, S). Die Energie einer solchen elektrostatischen Wechselwirkung beträgt 20–100 kJ∙mol–1. Wasserstoffbrückenbindungen können intra- und intermolekular sein. Eine intramolekulare Wasserstoffbrücke entsteht beispielsweise in Acetylaceton und geht mit einem Ringschluss einher.

20. Das Konzept der „Hybridisierung“ in der Chemie wurde vom amerikanischen Chemiker Linus Pauling vorgeschlagen, um die Struktur von Molekülen wie Methan zu erklären.

Ursprünglich wurde es nur für einfache Moleküle verwendet, später wurde es jedoch auf komplexere Moleküle ausgeweitet. Anders als die Theorie der Molekülorbitale ist sie nicht streng quantitativ; sie ist beispielsweise nicht in der Lage, die Photoelektronenspektren selbst so einfacher Moleküle wie Wasser vorherzusagen. Daher wird es derzeit hauptsächlich für pädagogische Zwecke und in der synthetischen organischen Chemie verwendet.

Es gibt drei Arten der Hybridisierung:

Sp-Hybridisierung

Tritt auf, wenn sich ein s- und ein p-Orbital vermischen. Es bilden sich zwei äquivalente sp-Atomorbitale, die linear in einem Winkel von 180 Grad angeordnet und vom Kern des Kohlenstoffatoms in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind. Die beiden verbleibenden nichthybriden p-Orbitale befinden sich in zueinander senkrechten Ebenen und sind an der Bildung von `0;-Bindungen beteiligt oder werden durch freie Elektronenpaare mit einer Länge von 0,120 nm besetzt.

Sp²-Hybridisierung

Tritt auf, wenn sich ein s- und zwei p-Orbitale vermischen. Es werden drei Hybridorbitale gebildet, deren Achsen in derselben Ebene liegen und in einem Winkel von 120 Grad auf die Eckpunkte des Dreiecks gerichtet sind. Das nicht-hybride p-Atomorbital steht senkrecht zur Ebene und ist in der Regel an der Bildung von `0;-Bindungen, Länge 0,134 nm, beteiligt.

Sp³-Hybridisierung

Tritt auf, wenn ein s- und drei p-Orbitale gemischt sind. Es erscheinen vier identische Orbitale, die relativ zueinander in einem Tetraederwinkel von 109° 28' (109,47°) angeordnet sind und eine Länge von 0,154 nm haben.Molekülorbitalmethode geht davon aus, dass jedes Molekülorbital als algebraische Summe (Linearkombination) von Atomorbitalen dargestellt wird. Beispielsweise können in einem Wasserstoffmolekül nur die 1s-Atomorbitale zweier Wasserstoffatome an der Bildung von MOs beteiligt sein, die zwei MOs ergeben, die die Summe und Differenz der Atomorbitale 1s1 und 1s2 darstellen – MO± = C11s1 ±C21s2.

21. Eine Metallbindung ist eine Bindung zwischen positiven Ionen in Metallkristallen, die durch die Anziehung von Elektronen entsteht, die sich frei durch den Kristall bewegen. Entsprechend ihrer Stellung im Periodensystem haben Metallatome keine große Nummer Valenzelektronen. Diese Elektronen sind eher schwach an ihre Kerne gebunden und können sich leicht von ihnen lösen. Dadurch entstehen im Kristallgitter des Metalls positiv geladene Ionen und freie Elektronen. Daher besteht im Kristallgitter von Metallen eine große Bewegungsfreiheit der Elektronen: Einige der Atome verlieren ihre Elektronen, und die resultierenden Ionen können diese Elektronen aus dem „Elektronengas“ aufnehmen. Infolgedessen stellt das Metall eine Reihe positiver Ionen dar, die an bestimmten Positionen des Kristallgitters lokalisiert sind, und eine große Anzahl von Elektronen, die sich im Feld der positiven Zentren relativ frei bewegen. Dies ist ein wichtiger Unterschied zwischen metallischen Bindungen und kovalenten Bindungen, die eine strenge Orientierung im Raum haben.

Eine Metallbindung unterscheidet sich auch in der Stärke von einer kovalenten Bindung: Ihre Energie ist 3-4 mal geringer als die Energie einer kovalenten Bindung.

Bindungsenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um eine chemische Bindung in allen Molekülen aufzubrechen, aus denen ein Mol einer Substanz besteht. Die Energien kovalenter und ionischer Bindungen sind üblicherweise hoch und betragen Werte in der Größenordnung von 100–800 kJ/mol.

22. WASSERSTOFFBINDUNG (H-Brücke) ist eine besondere Art der Wechselwirkung zwischen reaktiven Gruppen, wobei eine der Gruppen, die ein Wasserstoffatom enthält, zu einer solchen Wechselwirkung neigt. Wasserstoffbrückenbindungen sind ein globales Phänomen, das die gesamte Chemie umfasst. Im Gegensatz zu gewöhnlichen chemischen Bindungen entsteht die H-Bindung nicht als Ergebnis einer gezielten Synthese, sondern entsteht unter geeigneten Bedingungen selbst und manifestiert sich in Form intermolekularer oder intramolekularer Wechselwirkungen.Merkmale der Wasserstoffbrückenbindung. Besonderheit Eine Wasserstoffbindung hat eine relativ geringe Stärke, ihre Energie ist fünf- bis zehnmal niedriger als die Energie einer chemischen Bindung. Energietechnisch nimmt es eine Zwischenstellung zwischen chemischen Bindungen und Van-der-Waals-Wechselwirkungen ein, also solchen, die Moleküle in der festen oder flüssigen Phase halten.Bei der Bildung einer H-Bindung spielt die Elektronegativität der an der Bindung beteiligten Atome eine entscheidende Rolle – die Fähigkeit, Elektronen einer chemischen Bindung vom an dieser Bindung beteiligten Partneratom anzuziehen. Dadurch entsteht am Atom A eine teilweise negative Ladung d- mit erhöhter Elektronegativität, am Partneratom eine positive Ladung d+ und die chemische Bindung ist polarisiert: Ad-–Hd+.

Kurzbeschreibung

Herstellung von mineralischen Makro- und Mikrodüngern sowie Futterphosphaten. Zugabe von Kalk, Gips und anderen Stoffen zur Verbesserung der Bodenstruktur. Anwendung Chemikalien Pflanzenschutz: Herbizide, Zoozide und Insektizide usw. Verwendung von Pflanzenwachstums- und Fruchtstimulanzien im Pflanzenbau. Entwicklung von Methoden zum Anbau umweltfreundlicher landwirtschaftlicher Produkte. Steigerung der Tierproduktivität durch Wachstumsstimulanzien und spezielle Futterzusätze. Produktion und Anwendung Polymermaterialien Für Landwirtschaft. Herstellung von Materialien für Kleinmechanisierungsgeräte für die Landwirtschaft. Das Hauptziel der Chemisierung in der Landwirtschaft besteht darin, das Produktionswachstum sicherzustellen, die Qualität und Haltbarkeit landwirtschaftlicher Produkte zu verbessern und die Effizienz der Landwirtschaft und Viehzucht zu steigern. Zur Bekämpfung von Schädlingen, Unkräutern und Krankheiten werden in unserem Land jährlich mehr als 500.000 Tonnen Pestizide produziert. Ihr Einsatz ermöglicht die Einsparung von bis zu Hunderttausenden Tonnen Ernte pro Jahr.

Die Entwicklung des Wissenschaftsgebiets namens Supramolekulare Chemie wird analysiert. Es werden die grundlegenden Definitionen und Konzepte dieser Disziplin gegeben. Die Studien, die den Grundstein für die supramolekulare Chemie legten, werden in einem historischen Kontext betrachtet. Beispiele einiger seiner typischen Objekte – Clathrate und Cyclodextrine – werden aufgeführt. Es wird darauf hingewiesen, dass die neuesten Errungenschaften der supramolekularen Chemie und die vielversprechendsten Anwendungsbereiche mit den Prozessen der Selbstorganisation und Selbstorganisation verbunden sind, die insbesondere in der supramolekularen Synthese und der Schaffung molekularer und supramolekularer Systeme umgesetzt werden können Geräte.

Supra Molekulare Chemie. Hintergrund

Die supramolekulare Chemie ist eines der jüngsten und sich gleichzeitig schnell entwickelnden Gebiete der Chemie. In den 25 bis 30 Jahren seines Bestehens hat es bereits eine Reihe von Herausforderungen durchgemacht wichtige Etappen, aber gleichzeitig sind die Grundideen und Konzepte dieser Disziplin noch nicht allgemein bekannt und allgemein akzeptiert. In diesem Aufsatz haben wir versucht, die Entwicklung des Wissenschaftsgebiets namens Supramolekulare Chemie zu verfolgen, die erfolgreichsten Definitionen seiner Hauptaufgaben und wichtigsten Konzepte zu identifizieren und auch zu skizzieren aktuellen Zustand und Perspektiven.

Der Begriff „supramolekulare Chemie“ und die Grundkonzepte dieser Disziplin wurden vom französischen Wissenschaftler J.-M. eingeführt. Len im Jahr 1978 im Rahmen der Weiterentwicklung und Verallgemeinerung früherer Arbeiten (insbesondere tauchte 1973 der Begriff „Supermolekül“ in seinen Werken auf). Die supramolekulare Chemie wurde mit den Worten definiert: „So wie es ein Gebiet der molekularen Chemie gibt, das auf kovalenten Bindungen basiert, gibt es auch ein Gebiet der supramolekularen Chemie, der Chemie molekularer Anordnungen und intermolekularer Bindungen.“ Anschließend wurde diese erste Definition mehrfach umformuliert. Ein Beispiel für eine andere Definition von Len: „Supramolekulare Chemie ist ‚Chemie jenseits des Moleküls‘ und untersucht die Struktur und Funktion von Assoziationen zweier oder mehrerer chemischer Teilchen, die durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden.“

In vielen Fällen können die Komponenten, die supramolekulare Systeme bilden, (in Analogie zu Systemen, die in der Molekularbiologie betrachtet werden) als molekularer Rezeptor und Substrat bezeichnet werden, wobei letzteres die kleinere Komponente ist, deren Bindung erreicht werden muss.

Um ein chemisches Objekt angemessen zu beschreiben, ist es notwendig, seine Elemente und Arten der Verbindungen zwischen ihnen sowie räumliche (geometrische, topologische) Eigenschaften anzugeben. Objekte der supramolekularen Chemie, Supermoleküle, besitzen die gleiche Gewissheit wie die einzelnen Moleküle, aus denen sie bestehen. Wir können sagen: „Supermoleküle sind im Verhältnis zu Molekülen das, was Moleküle im Verhältnis zu Atomen sind, und die Rolle kovalenter Bindungen in Supermolekülen wird durch intermolekulare Wechselwirkungen gespielt.“

Laut Lehn lässt sich die supramolekulare Chemie in zwei große, sich teilweise überschneidende Bereiche unterteilen:

– Chemie der Supermoleküle – klar definierte oligomolekulare Partikel, die durch die intermolekulare Verbindung mehrerer Komponenten – des Rezeptors und seines Substrats (Substrate) – entstehen und nach dem Prinzip der molekularen Erkennung aufgebaut sind;

– Chemie molekularer Anordnungen – polymolekulare Systeme, die durch die spontane Assoziation einer unbestimmten Anzahl von Komponenten mit dem Übergang in eine bestimmte Phase entstehen, die eine mehr oder weniger klar definierte mikroskopische Organisation und von ihrer Natur abhängige Eigenschaften aufweist (z. B , Clathrate, Membranen, Vesikel, Mizellen).

Supramolekulare Formationen können durch die räumliche Anordnung der Komponenten, ihre Architektur, „Suprastruktur“ sowie die Arten intermolekularer Wechselwirkungen, die die Komponenten zusammenhalten, charakterisiert werden. Supramolekulare Anordnungen haben wohldefinierte strukturelle, konformative, thermodynamische, kinetische und dynamische Eigenschaften, die unterschieden werden können Verschiedene Arten Wechselwirkungen, die sich in ihrer Stärke, Richtung, Abstands- und Winkelabhängigkeit unterscheiden: Koordinationswechselwirkungen mit Metallionen, elektrostatische Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen usw. Die Stärke von Wechselwirkungen kann in einem weiten Bereich variieren, von schwach oder mäßig, wie bei der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen, bis zu stark und sehr stark, wie bei der Bildung von Koordinationsbindungen mit einem Metall. Allerdings sind intermolekulare Wechselwirkungen im Allgemeinen schwächer als kovalente Bindungen, sodass supramolekulare Assoziate thermodynamisch weniger stabil, kinetisch labiler und dynamisch flexibler sind als Moleküle.

Somit deckt die supramolekulare Chemie alle Arten molekularer Assoziate ab und ermöglicht uns, sie aus einer einheitlichen Perspektive zu betrachten, von den kleinstmöglichen (Dimeren) bis zu den größten (organisierten Phasen). Gleichzeitig muss noch einmal betont werden, dass Objekte der supramolekularen Chemie notwendigerweise Teile (Subsysteme) enthalten, die nicht kovalent gebunden sind.

Len schlug vor, den Übergang von der molekularen zur supramolekularen Chemie mit dem in Abb. dargestellten Diagramm zu veranschaulichen. 1 .

Die Hauptfunktionen von Supermolekülen sind: molekulare Erkennung, Transformation (Katalyse) und Transfer. Funktionelle Supermoleküle können zusammen mit organisierten polymolekularen Anordnungen und Phasen zur Herstellung molekularer und supramolekularer Geräte verwendet werden.

Neben Len sind auch C. J. Pedersen und D. J. Cram zu erwähnen, deren Arbeit und Forschung eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der supramolekularen Chemie spielten. 1987 wurden diese drei Wissenschaftler ausgezeichnet Nobelpreis in der Chemie (für einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung der Chemie makroheterozyklischer Verbindungen, die selektiv Molekülkomplexe vom Typ „Wirt-Gast“ bilden können).

Forschung, die den Grundstein für die supramolekulare Chemie legte

Die Ursprünge der Grundkonzepte der supramolekularen Chemie liegen in Arbeiten der Vergangenheit und des Beginns dieses Jahrhunderts. So führte P. Ehrlich 1906 tatsächlich die Konzepte von Rezeptor und Substrat ein und betonte, dass Moleküle erst dann miteinander reagieren, wenn sie zuvor eine bestimmte Bindung eingehen. Allerdings sollte die Bindung nicht beliebig, sondern selektiv sein. Dies wurde bereits 1894 von E. Fischer betont, als er sein „Schlüssel-Schloss“-Prinzip formulierte – ein Prinzip, das darauf hindeutet, dass die molekulare Erkennung auf sterischer Korrespondenz und geometrischer Komplementarität des Rezeptors und des Substrats basiert. Schließlich erfordert die selektive Bindung Interaktion und Affinität zwischen Partnern, und die Wurzeln dieser Idee liegen in den Arbeiten von A. Werner, der die supramolekulare Chemie in dieser Hinsicht zu einer Verallgemeinerung und Weiterentwicklung der Koordinationschemie macht.

Laut J.-M. Len legten diese drei Konzepte – Fixierung (Bindung), Erkennung und Koordination – den Grundstein für die supramolekulare Chemie.

Auch einige andere Konzepte der supramolekularen Chemie sind seit langem bekannt. Sogar der Begriff « Übermolekül“, d.h. Super- oder Supermolekül wurde bereits Mitte der 30er Jahre eingeführt. unser Jahrhundert, um mehr zu beschreiben hohes Level Organisation, die durch die Assoziation koordiniert gesättigter Moleküle entsteht (z. B. bei der Bildung eines Dimers der Essigsäure). Die entscheidende Rolle der supramolekularen Organisation in der Biologie war allgemein bekannt.

Die Entstehung und Entwicklung der supramolekularen Chemie als eigenständiges Fachgebiet im System der chemischen Wissenschaften erfolgte jedoch erst viel später. Das schreibt J.-M. Len in seinem Buch: „...für die Entstehung und schnelle Entwicklung einer neuen wissenschaftlichen Disziplin ist eine Kombination von drei Bedingungen erforderlich. Erstens ist es notwendig, ein neues Paradigma zu erkennen, das die Bedeutung unterschiedlicher und scheinbar unzusammenhängender Beobachtungen, Daten und Ergebnisse zeigt und sie zu einem einzigen kohärenten Ganzen vereint. Zweitens werden Werkzeuge benötigt, um Objekte in diesem Bereich zu untersuchen, und hier spielte die Entwicklung moderner physikalischer Methoden zur Untersuchung von Struktur und Eigenschaften (IR-, UV- und insbesondere NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie, Röntgenbeugung usw.) eine entscheidende Rolle supramolekulare Chemie, die es ermöglicht, auch relativ labile supramolekulare Anordnungen zu untersuchen, die durch nichtkovalente Wechselwirkungen mit niedriger Energie gekennzeichnet sind. Drittens muss die wissenschaftliche Gemeinschaft bereit sein, das neue Paradigma zu akzeptieren, damit die neue Disziplin nicht nur bei den direkt daran beteiligten Spezialisten, sondern auch in verwandten (und nicht so verwandten) Bereichen der Wissenschaft Anklang finden kann. Dies geschah mit der supramolekularen Chemie, soweit man das rasante Tempo ihrer Entwicklung und Durchdringung anderer Disziplinen in den letzten 25 Jahren beurteilen kann.“

Laut Len „begann die supramolekulare Chemie, wie wir sie heute kennen, mit der Untersuchung der selektiven Bindung von Alkalimetallkationen durch natürliche und synthetische makrozyklische und makropolyzyklische Liganden, Kronenether und Kryptanden.“

Unter diesen Naturstoffen ist zunächst das Antibiotikum Valinomycin zu erwähnen. Die Entschlüsselung seiner Struktur im Jahr 1963, zu der sowjetische Wissenschaftler unter der Leitung von Yu. A. Ovchinnikov maßgeblich beitrugen, ging weit über den Rahmen einer gewöhnlichen Entdeckung hinaus. Dieses zyklische Depsipeptid (es besteht aus Amino- und Hydroxysäureresten, die durch Amid- und Esterbindungen verbunden sind) war das erste unter den membranaktiven Komplexonen oder Ionophoren. Solche Namen spiegeln die Fähigkeit dieser Substanzen wider, in Lösungen mit Alkalikationen komplexe Verbindungen zu bilden und das gebundene Kation durch biologische Membranen zu übertragen. Mit der Entdeckung der Ionophore wurde es echte Möglichkeit gezielte Regulierung von Ionenströmen in lebenden Systemen. Für Arbeiten auf dem Gebiet der membranaktiven Komplexone wurden Ovchinnikov und seine Kollegen 1978 mit dem Lenin-Preis ausgezeichnet.

Was ist Molekularchemie?

Zweig der Chemie, der Moleküle untersucht

Molekül (novolat. molecula, Verkleinerungsform des lateinischen moles – Masse, das kleinste Teilchen einer Substanz, das ihr chemische Eigenschaften verleiht. Ein Molekül besteht aus Atomen, genauer gesagt aus Atomkernen, umgebenden inneren Elektronen und äußeren Valenzelektronen, die chemische Bindungen eingehen (siehe Valenz . Die inneren Elektronen von Atomen sind normalerweise nicht an der Bildung chemischer Bindungen beteiligt. Die Zusammensetzung und Struktur der Moleküle einer bestimmten Substanz hängen nicht von der Methode ihrer Herstellung ab. Bei einatomigen Molekülen (z. B , Inertgase, die Konzepte von Molekül und Atom sind die gleichen.
Der Begriff der Moleküle wurde erstmals in der Chemie im Zusammenhang mit der Notwendigkeit eingeführt, ein Molekül als die kleinste Menge einer Substanz, die chemische Reaktionen eingeht, von einem Atom als die kleinste Menge eines bestimmten Elements, das Teil eines Moleküls ist, zu unterscheiden (Internationaler Kongress in Karlsruhe, 1860). Als Ergebnis der Forschung wurden die Grundprinzipien der Struktur von Molekülen ermittelt chemische Reaktionen, Analyse und Synthese chemischer Verbindungen sowie durch den Einsatz einer Reihe physikalischer Methoden.
Atome werden in den meisten Fällen durch chemische Bindungen zu Molekülen verbunden. Typischerweise wird eine solche Bindung durch ein, zwei oder drei gemeinsame Elektronenpaare zwischen zwei Atomen hergestellt. Ein Molekül kann positiv und negativ geladene Atome, also Ionen, enthalten; in diesem Fall werden elektrostatische Wechselwirkungen realisiert. Zusätzlich zu den angegebenen gibt es auch schwächere Wechselwirkungen zwischen Atomen in Molekülen. Zwischen valenzfreien Atomen wirken abstoßende Kräfte.
Die Zusammensetzung von Molekülen wird durch chemische Formeln ausgedrückt. Die empirische Formel (z. B. C2H6O für Ethylalkohol) wird auf der Grundlage des Atomverhältnisses der in der Substanz enthaltenen Elemente ermittelt, das durch chemische Analyse bestimmt wird, und Molekulargewicht.
Die Entwicklung der Erforschung der Struktur von Molekülen ist untrennbar mit den Erfolgen vor allem der organischen Chemie verbunden. Strukturtheorie organische Verbindungen, entstanden in den 60er Jahren. 19. Jahrhundert Die Arbeiten von A. M. Butlerov, F. A. Kekule, A. S. Cooper und anderen ermöglichten es, die Struktur von Molekülen durch Strukturformeln oder Strukturformeln darzustellen, die die Abfolge chemischer Valenzbindungen in Molekülen ausdrücken. Mit der gleichen empirischen Formel können Moleküle existieren unterschiedliche Strukturen, haben verschiedene Eigenschaften(das Phänomen der Isomerie. Dies sind beispielsweise Ethylalkohol C5H5OH und Dimethylether (CH3)2O. Die Strukturformeln dieser Verbindungen unterscheiden sich:
In manchen Fällen wandeln sich isomere Moleküle schnell ineinander um und es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen ihnen ein (siehe Tautomerie). Anschließend gelangten J. H. van't Hoff und unabhängig davon der französische Chemiker A. J. Le Bel zu einem Verständnis der räumlichen Anordnung der Atome im Molekül und erweiterte auf A. Werner (1893) die Erklärung des Phänomens der Stereoisomerie. allgemeine Ideen Strukturtheorien an anorganischen Komplexverbindungen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Chemie hatte detaillierte Theorie Struktur von Molekülen, basierend auf der Untersuchung nur ihrer chemische Eigenschaften. Es ist bemerkenswert, dass später entwickelte direkte physikalische Forschungsmethoden in den allermeisten Fällen die Strukturformeln der Chemie, die durch die Untersuchung makroskopischer Mengen einer Substanz und nicht einzelner Moleküle ermittelt wurden, vollständig bestätigten.
In der Physik erwies sich der Begriff der Moleküle als notwendig, um die Eigenschaften von Gasen, Flüssigkeiten usw. zu erklären Feststoffe. Direkte experimentelle Beweise für die Existenz von Molekülen wurden erstmals durch die Untersuchung der Brownschen Bewegung erhalten

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Zunächst ging es nur um Cofaktoren, die jedoch häufig auf der Grundlage der Analyse kristalliner Struktureinheiten gefunden und auf die Molekularchemie übertragen wurden, obwohl es an Material zum Zusammenhang zwischen Molekülchemie und Kristallchemie mangelte. Für Verbindungen bestimmter Klassen sind diese Beziehungen so einfach, dass sie es ermöglichen, den Teilchen im Voraus bestimmte Valenzen zuzuordnen, aus denen sich die tatsächlichen Koeffizienten ableiten lassen. Es darf nicht übersehen werden, dass diese Regelmäßigkeit (die aufgrund zahlreicher Schwierigkeiten für chemische Verbindungen im Allgemeinen nicht als selbstverständlich angesehen werden kann) nur aus geochemischen Gründen so schnell erkannt wurde. Sauerstoff ist das wichtigste Elementäußere Lithosphäre, und auf der Grundlage der Beziehungen zwischen der Anzahl der Sauerstoffatome und anderen Elementen in Sauerstoffverbindungen wurde die Regel abgeleitet, dass für elektrisch neutrale Verbindungen keine stöchiometrischen Beziehungen möglich sind.  

Zunächst ging es nur um Koeffizienten, die jedoch häufig auf der Grundlage der Analyse kristalliner Struktureinheiten gefunden und auf die Molekularchemie übertragen wurden, obwohl es an Material zum Zusammenhang zwischen Molekülchemie und Kristallchemie mangelte. Derzeit kann man davon ausgehen, dass in elektrisch neutralen Atomverbänden bekannte Atomarten unter Normalbedingungen in einfachen stöchiometrischen Verhältnissen zu anderen stehen. Für Verbindungen bestimmter Klassen sind diese Beziehungen so einfach, dass sie es ermöglichen, den Teilchen im Voraus bestimmte Wertigkeiten zuzuordnen, aus denen sich die tatsächlichen Koeffizienten ableiten lassen. Es darf nicht übersehen werden, dass diese Regelmäßigkeit (die aufgrund zahlreicher Schwierigkeiten für chemische Verbindungen im Allgemeinen nicht als selbstverständlich angesehen werden kann) nur aus geochemischen Gründen so schnell erkannt wurde. Sauerstoff ist das wichtigste Element der äußeren Lithosphäre, und auf der Grundlage der Beziehungen zwischen der Anzahl der Sauerstoffatome und anderen Elementen in Sauerstoffverbindungen wurde die Regel abgeleitet, dass in elektrisch neutralen Verbindungen keine stöchiometrischen Beziehungen möglich sind.  

Manifestationen elektronisch-vibronischer (oder kurz vibronischer) Wechselwirkungen in mehratomigen Systemen, die in der Literatur unter dem allgemeinen Namen Jahn-Teller-Effekt zusammengefasst werden, bilden derzeit eine neue, sich schnell entwickelnde Richtung in der Physik und Chemie von Molekülen und Kristallen.  

Es ist leicht zu erkennen, dass es grundlegende Unterschiede zwischen den Reaktionen I und II gibt. Reaktion I repräsentiert die molekulare Chemie; An der Aktivierung ihrer Reagenzien sind ausschließlich Energiefaktoren beteiligt. Reaktionen II stellen die gesamte Chemie dar, bei der Veränderungen in Molekülen hauptsächlich unter Beteiligung von Berthollid-Systemen durchgeführt werden. Die Richtung und Geschwindigkeit der Reaktionen wird vollständig von mir bestimmt chemische Struktur reagierende Moleküle. Richtung und Geschwindigkeit der Reaktionen II werden sowohl durch die chemische Struktur der reagierenden Moleküle als auch durch die chemische Organisation des katalytischen Systems bestimmt.  

Da für die Bildung eines durch Wasserstoffbrückenbindungen geschlossenen Rings ein angeregter Zustand erforderlich ist, scheint es keinen Sinn zu machen, den Einfluss verschiedener Substituentengruppen auf den Cyclisierungsprozess anhand von Daten zu gewöhnlichen Reaktionen der organischen Chemie im Detail zu untersuchen. Man kann sagen, dass es bei der Photochemie um die Chemie von Molekülen in einem angeregten und nicht im Grundzustand geht.  

Ich wollte kurz auf die Frage der Reaktivität von Molekülen im Triplettzustand eingehen. Diese Frage ist im Allgemeinen sehr groß, da die Chemie der Moleküle im Triplettzustand ein eigenständiges Fachgebiet ist. Ich werde nur bei bleiben qualitative Eigenschaften Aktivierungsenergie einer Reaktion, an der Moleküle im Triplettzustand beteiligt sind. Wie unterscheidet sich ein solches Molekül von einem Radikal? Das einfachste Beispiel ist das O2-Molekül, bei dem der Triplettzustand im Grunde liegt. IN in diesem Fall Offensichtlich gibt es keine Aktivierungsenergie.  

Supramolekulare Chemie(Englisch) - das Gebiet der Chemie, das supramolekulare Strukturen untersucht (Anordnungen, die aus zwei oder mehr Molekülen bestehen, die durch Mittel zusammengehalten werden); „Chemie molekularer Anordnungen und intermolekularer Bindungen“ (Definition von J.-M. Lena).

Beschreibung

Die traditionelle Chemie basiert auf kovalenten Bindungen zwischen Atomen. Gleichzeitig reichen die Fähigkeiten der kovalenten Chemie allein für die Synthese komplexer Nanosysteme und molekularer Geräte, die in der Chemie eingesetzt werden, nicht aus, da solche Systeme mehrere tausend Atome enthalten können. Abhilfe schaffen intermolekulare Wechselwirkungen – sie helfen dabei, einzelne Moleküle zu komplexen Ensembles, sogenannten supramolekularen Strukturen, zu vereinen.

Das einfachste Beispiel Supramolekulare Strukturen sind „Wirt-Gast“-Komplexe. Der Wirt (Rezeptor) ist normalerweise ein großes organisches Molekül mit einem Hohlraum in der Mitte, und der Gast ist ein einfacheres Molekül oder Ion. Beispielsweise binden zyklische Polyether unterschiedlicher Größe (Kronenether) Alkalimetallionen recht stark (Abb. 1).

Die folgenden Eigenschaften sind charakteristisch für supramolekulare Strukturen.

1. Das Vorhandensein nicht eines, sondern mehrerer Bindungszentren im Wirt. In Kronenethern übernehmen Sauerstoffatome diese Rolle, die über freie Elektronenpaare verfügen.

2. Komplementarität: Die geometrischen Strukturen und elektronischen Eigenschaften von Wirt und Gast ergänzen sich. Bei Kronenethern äußert sich dies darin, dass der Durchmesser des Hohlraums dem Radius des Ions entsprechen muss. Komplementarität ermöglicht es dem Gastgeber, Gäste gezielt an eine streng definierte Struktur zu binden. In der supramolekularen Chemie wird dieses Phänomen „“ (englisch: molekulare Erkennung) genannt (Abb. 2).

3. Komplexe mit eine große Anzahl Die Verbindungen zwischen komplementärem Gastgeber und Gast sind hoch strukturelle Organisation.

Supramolekulare Strukturen sind in der belebten Natur weit verbreitet. Alle Reaktionen in lebenden Organismen laufen unter Beteiligung von Proteinkatalysatoren ab. Enzyme sind ideale Wirtsmoleküle. Aktives Zentrum Jedes Enzym ist so konzipiert, dass nur die Substanz (Substrat) in es eindringen kann, die ihm in Größe und Energie entspricht. Das Enzym reagiert nicht mit anderen Substraten. Ein weiteres Beispiel für supramolekulare biochemische Strukturen sind Moleküle, in denen zwei Polynukleotidketten durch mehrere Wasserstoffbrücken komplementär miteinander verbunden sind. Jede Kette ist sowohl Gast als auch Gastgeber für eine andere Kette.

Die wichtigsten Arten nichtkovalenter Wechselwirkungen, die supramolekulare Strukturen bilden: ionisch und. Alle nichtkovalenten Wechselwirkungen sind schwächer als kovalente – ihre Energie erreicht selten 100 kJ/mol, allerdings gewährleistet eine große Anzahl von Bindungen zwischen Wirt und Gast eine hohe Stabilität supramolekularer Anordnungen. Nichtkovalente Wechselwirkungen sind einzeln schwach, kollektiv jedoch stark.

Die Bildung supramolekularer Anordnungen kann spontan erfolgen – dieses Phänomen nennt man. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem sich kleine molekulare Komponenten spontan zu viel größeren und komplexeren supramolekularen Komponenten verbinden. Während der Selbstorganisation nimmt die Entropie des Systems ab, Δ S

Δ G = Δ H – TΔ S

es ist notwendig, dass Δ H H| > | TΔ S|. Dies bedeutet, dass mit der Freigabe eine Selbstassemblierung erfolgt große Menge Wärme. Die Hauptantriebskraft der Selbstorganisation ist der Wunsch chemischer Systeme, die Gibbs-Energie durch die Bildung neuer chemischer Bindungen zu senken; der Enthalpieeffekt überwiegt hier den Entropieeffekt.

Die Hauptklassen supramolekularer Verbindungen sind Cavitanden, Kryptanden, Calixarene, Wirt-Gast-Komplexe, Catenane usw. Zu supramolekularen Strukturen können auch gehören.

Methoden der supramolekularen Chemie finden Breite Anwendung V chemische Analyse, Medizin,