Magyar Tudomá • 2011 9 • András Perczel

Membru corespondent al Academiei Maghiare de Științe, profesor, Institutul de Chimie, Universitatea Eötvös Loránd, Departamentul de Cercetare Modelare Chimică

În loc de un prolific

Actualitate

Chimia este știința moleculelor

Potrivit Marelui Lexicon din Ungaria, chimia este probabil derivată din substanța chimică egipteană (pământ negru) sau posibil din termenul grecesc khüma (lichide sau lichide). Cea mai interpretabilă tulpină este că chimia studiază o substanță la nivelul său atomico-molecular, iar această abordare este bine rezumată de termenul englez știință moleculară. Această din urmă structură de semnalizare reflectă în mod autentic intenția ca chimistul să poată găsi răspunsuri și explicații pentru întrebări și observații științifice la nivelul atomilor, ionilor sau moleculelor.

În timp ce fizica atomică cercetează în primul rând nivelul subatomic al materiei (modelul nuclear editat de Ernest Rutherford de câțiva ani), biologia și biochimia sunt secretele microcosmosului. Totuși, întrebarea este că, dacă materialul care alcătuiește atât mediul nostru, cât și pe noi înșine este un ansamblu ierarhic al unei multitudini de molecule, de ce este atât de dificil să cartografiem, să absorbim și să înțelegem acest nivel molecular? Dacă moleculele care alcătuiesc subiectul îngust al chimiei sunt omniprezente - ceea ce este un fapt incontestabil - atunci de ce abordarea moleculară cade atât de departe de majoritatea oamenilor? De ce este dificil să-i găsim nivelul molecular în materialul condensat?

Înțelegerea complexității moleculelor pe cont propriu este o sarcină destul de complexă, deci merită să examinăm mai întâi zonele în care interacționăm cu moleculele individuale. Mizându-ne pe simțurile noastre, de exemplu, pe nasul și „amintirile” noastre moleculare, încercăm să evocăm parfumul crocant al unui pantof proaspăt coapt sau al unui buchet de violete de primăvară. 3 Aceste „monumente ale parfumurilor” sunt destul de puține, dar rezultatul întâlnirii noastre anterioare cu o moleculă caracteristică; înlocuită de câteva amine ciclice, aldehide simple sau monoterpene saturate și nesaturate, și a declanșat stimulul caracteristic și specific cu ajutorul moleculelor receptorilor situate în partea din spate a nasului nostru. (Mirosul și percepția sunt exemple de interacțiune a tipului de receptor epitop tipic unimolecular.)

Pe lângă mirosuri, putem identifica cu ușurință molecule individuale responsabile de culoare sau culoare. De exemplu, ardeii cunoscuți din Szeged dau o culoare roșu-rubiniu, o moleculă formată din patruzeci de atomi de carbon, capsantină și caparubină, iar ardeii sunt responsabili de puterea „masculină” a ardeiului și sunt pe deplin responsabili de primii . Poate părea o întorsătură neașteptată pentru fiziologi să spună că capsaicina „ascuțită” este sine. Acționează prin legarea la un receptor de tip vaniloid I. Denumirea receptorului vaniloid este vanilina, componenta principală a cunoscutei vanilie, care este responsabilă de plăcere și blândețe. Rezoluția contradicției aparente este dată de compararea formulelor structurale ale celor două molecule (capsaicină și vanilină), deoarece partea fenolului substituit cu metoxi al moleculei de capsaicină este similară cu molecula de vanilină. Dacă putem determina și descrie formula structurală a unei molecule, atunci studiul comparativ include și posibilitatea „gradelor de rudenie”. Prin urmare, este foarte util să ne gândim pe scurt la conceptul de instrument chimic, o formulă moleculară calitativă și cantitativă, care este utilizată pe scară largă pentru identificarea și descrierea moleculelor.

Formula chimică este similară cu variantele reprezentărilor arhaice, în care construim sisteme de concepte mai complexe cu o combinație de simboluri de bază. Substituțiile sau funcțiile de grup, care sunt răspândite în chimie, arată logica dezvoltării obișnuite în chimie: moleculele mai complexe pot fi interpretate chimic în unități de bază (apă moleculară etc.). Cele mai simple simboluri atomice din formule pot fi extrase cu ușurință din tabelul periodic introdus de Dmitri Ivanovici Mendeleev în 1869. 4

Formula Lewis poate fi utilizată pentru a descrie structura electronică a moleculelor organice simple, dar și mai complexe. Una dintre componentele ardeiului, vitamina C, a fost izolată pentru prima dată de Albert Szent-Györgyi și numită „ignose”. Sinteza chimică a acestui lucru a fost rezolvată de Albert Haworth, făcând astfel mai ieftină producerea vitaminei. Descoperirea vitaminei C în 1937 a fost onorată prin sinteza medicală și sintetică în același an cu Premiul Nobel pentru chimie. 6 Formula chimică poate fi utilizată nu numai pentru caracterizarea și estimarea proprietăților moleculelor, ci și pentru descrierea pas cu pas a sintezei acestora. De asemenea, se pot face referiri la cursul și mecanismul reacțiilor prin formulări Lewis adecvate pentru interpretarea interacțiunii reactivilor și reactanților. Nimic nu dovedește utilizarea și succesul acestui formalism aproape obișnuit decât faptul că chimiștii îl folosesc cu succes și astăzi.

Nu este posibil să se vadă în microcosmos, dar putem fi capabili să simțim molecule pe baza densității lor electronice, a proprietăților magnetice sau a altor proprietăți fizice. Baza conceptuală centrală a structurii moleculare cantitative și a formulei armonizate cu mecanica cuantică este densitatea electronilor, care poate fi derivată din lungimea de undă caracteristică moleculei și poate fi calculată cu o precizie suficientă. Deoarece sarcina proiectării Lewis este de a oferi structura electronică corectă pentru o anumită locație și conectivitate.

în mediul unui grup de nucleu nuclear, așa că trebuie să ne ocupăm de o sarcină foarte similară în seria calculelor mecanice cuantice. După rezolvarea ecuației Schrödinger independente de timp, densitatea electronică totală calculată pentru structura moleculară a moleculei este reprezentată într-un model de contur, adică punctele la care densitatea electronilor este identică în spațiu. Suprafețele de acoperire care combină diferite valori ale densității electronilor în jurul vitaminei C pot fi considerate ca modele diferite ale moleculei. (Figura 2).

Legile mecanicii clasice permit determinarea mișcării corpurilor macroscopice în cunoașterea forțelor care acționează asupra lor. Mișcarea și distribuția electronilor pot fi, de asemenea, determinate cu ajutorul mecanicii cuantice. O metodă mecanică cuantică care ia în considerare în avans unele proprietăți de bază ale moleculelor se numește chimie cuantică. Rezolvând mișcările electronilor și nucleelor care sunt de peste două mii de ori mai grele (abordarea Born - Oppenheimer), soluția ecuației Schrödinger este mult simplificată. Rezolvând ecuația pentru o configurație de nucleu dată, putem determina energia internă totală a moleculei, care este o funcție a configurației nucleului. Putem determina suprafața energiei potențiale, din care multe proprietăți și comportamentul moleculei pot fi determinate relativ cu precizie. Suprafața energiei potențiale este conceptul central al chimiei moderne, care poate fi considerat ca o generalizare a formulei structurale clasice.

Studiul suprafeței energiei potențiale este un instrument important pentru interpretarea proprietăților chimice (izomerizarea, tautomerizarea, desfășurarea și derularea moleculelor flexibile, analiza conformațională). Cu toate acestea, propanul (CH3 - CH2 - CH3) poate fi construit doar din trei nuclee de carbon și din cei opt hidrogeni hidrogen conectați la acestea, dar în principiu poate avea mai multe structuri spațiale posibile (configurații nucleare). Dacă rotim o parte a moleculei de-a lungul unei axe de-a lungul ambelor prime (C1 - C2) și a doua (C2 - C3) legături covalente carbon-carbon, atunci putem determina valorile energiei interne totale. Plotând acestea de-a lungul a două variabile, putem determina structura spațială a propanului în toate încăperile, cea cu cea mai mică energie fiind cea care se realizează cel mai adesea. În mod similar, putem determina cea mai probabilă structură a moleculelor mai mari, indiferent dacă sunt proteine sau acizi nucleici.

Suprafața energiei potențiale care poate fi obținută din rezultatele dezvoltării cantitative permite, de asemenea, studiul în comun a două sau mai multe molecule, ceea ce duce la studiul chimic cuantic al reacțiilor. Astăzi, acum este posibil să discutăm cantitativ reacții elementare mai simple și chiar mai complexe. Putem determina parametrii cinetici și termodinamici ai transformărilor, care, în comparație cu datele experimentale, conduc chimia de la vârsta interpretării mecanismului calitativ până la perioada de proiectare a reacției cantitative. Un bun exemplu în acest sens este co-conversia ionului hidroxid (OH-) și a clorurii de metil (CH3-Cl), așa-numita substituție nucleofilă (SN2) sau, în limbajul comun, o reacție de „substituție” cu alcoolul metilic și ion clorură. Structura mai simplă a celor două molecule participante, datorită dimensiunii lor mai mici, îl ajută pe cercetător să înțeleagă mecanismul de reacție corect. Cu toate acestea, chiar și astăzi, o serie de transformări chimice și reacții biochimice mai complexe nu pot fi urmărite cu suficientă precizie, iar odată cu dezvoltarea computerelor și a metodelor, teoria reacțiilor chimice evoluează rapid.

Astăzi suntem capabili să interpretăm proprietățile structurale electronice ale ionilor și moleculelor atât la nivel calitativ, cât și cantitativ și chiar să le descriem cu o anumită acuratețe. La fel ca cele mai interesante părți ale lumii noastre obișnuite, porțiunile microcosmosului nu sunt nici rigide, nici imobile, dar, la fel ca obiectele flexibile ale lumii macro, plasticitatea și dinamismul intern cerute de molecule sunt caracteristice. Ceea ce face imaginea cu adevărat remarcabilă este că mișcările interne au loc adesea în momente foarte diferite. În timp ce perioada de vibrații a vitaminei C se încadrează în intervalul femtosecundei (10 -15 s), aceeași moleculă se rotește de-a lungul anumitor unghiuri de distorsiune, dar mai lent, în intervalul nanosecunde-picosecunde (10-9) 10-12 s). E kйt eltйrх idхskбlбjъ molekulбris бgyazуdik mozgбs ugyanъgy egymбsba decât pйldбul mбsodperc idхskбlбjъ (tehбt mai mare frekvenciбjъ) szнvdobogбsunk бgyazуdik kцthetх йletciklusunk timpii zilei (йbredйs mic dejun pйldбul, ebйdelйs, lefekvйs) superior (5 și 10) idхskбlбjъ tevйkenysйgeibe. Moleculele se caracterizează prin mișcări interne în creștere și mai complexe cu dimensiuni crescânde și combinații ale acestora în același mod ca parametrii geometrici sau formula structurală.

Posibilități de ultimă generație pentru definirea structurală

Înregistrarea aspectului spațial al obiectelor poate fi rezolvată pe baza unei imagini fotografice relativ simple cu ajutorul holografiei descoperită de Dénes Gábor, care a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1971. În cazul determinării structurii moleculelor, cea mai importantă sarcină este creșterea rezoluției imaginii. Ochiul uman nu este potrivit pentru cercetarea structurii moleculelor, rezoluția sa nu este suficient de bună (

0,1 mm). Cu un microscop cu lumină a

Un alt instrument nuclear pentru determinarea structurii la nivel atomic este spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN), al cărei fenomen fizic de bază a fost formulat de Felix Bloch și Edward Purcell (Premiul Nobel pentru fizică, 1952). RMN a fost distins de Richard Ernst (1991), apoi de Kurt Wüthrich (2002), cel mai recent prin dezvoltarea imagisticii prin rezonanță magnetică (RMN) Paul Lauterbur și Sir Peter Mansfield (2003) în chimie și medicină. Ellentйtben RMN, RMN nu eljбrбs kйpalkotу, бm deoarece oferă informбciуt ridicată pontossбgъ aktнv mбgnesesen miezuri tйrbeli elhelyezkedйsйrхl йs belsх mozgбsбrуl a mйrt date kнsйrleti alapjбn angstrцm felbontбsъ kйpet formă sunt organice și ъjabban biomolekulбk sokasбgбrуl, akбr szilбrd бllapotban, akбr oldatfбzisban.

Provocări în chimia de astăzi

A XXI. La sfârșitul secolului, chimistul seamănă mai mult cu un „inginer molecular” decât cu un alchimist care bâjbâie în întuneric. Nu numai că are teoria potrivită, pe care o poate formula atât în termeni calitativi, cât și cantitativi, dar acum are la dispoziție instrumentele potrivite. Cu ajutorul acestora, este capabil să studieze, să caracterizeze și să dezvolte atât moleculele izolate din natură, cât și cele proiectate de aceasta, care sunt apoi produse artificial. Poate forma o imagine a constituenților microcosmosului, fie că este vorba de sistemele lor gazoase, lichide sau solide, și poate chiar defini o serie de proprietăți ale moleculelor ab initio, predicând astfel rezultatul fiecărei reacții. În cursul acestor evoluții, știința chimiei a devenit adultă, trecând de la epoca actuală la o evaluare din ce în ce mai precisă a rezultatelor experimentale.

Care ar putea fi XXI. Cea mai importantă provocare a chimiei din secolul XX? În primul rând, merită menționat faptul că una dintre caracteristicile interesante ale chimiei este capacitatea sa de a produce și studia noi materiale, chiar și cele care nu au existat până acum. În timp ce fizica, biologia și geologia au cercetat în mod tradițional lucrurile existente, cunoștințele speciale de chimie au produs substanțe noi, pe care limba maghiară, de exemplu, le-a apostrofat ca plastic. Nici materialele sintetice, nici numărul acestora care ne definesc zilele săptămânale nu ne oferă confort; gândiți-vă doar la activitățile generale din industria textilă, industria farmaceutică și industria materialelor plastice.

Producția de noi materiale poate fi planificată într-un fel și poate fi realizată cu o precizie aproape științifică în dimensiuni de multe mii de tone. De asemenea, a fost posibil să se producă macromolecule cum ar fi un genom bacterian. Craig Venter (creatorul unei celule alimentate de un genom artificial), faimoasa și periculoasă pretențioasă declarație din 2010 „Am creat viața” nu este în întregime nefondată. În zorii biologiei sintetice, poate că ar trebui să fim și mai uimiți de valoarea și oportunitatea de a învăța despre legile naturii și despre ce putem face cu ea. Este impresionant cât de precis a simțit toate acestea Imre Madbch în sutele sale de ani și le-a formulat. Tragedia omului-în:

„Unul face asta dacă ești vreodată împotrivă,

Nu în ultimul rând, chimia științelor vieții este din ce în ce mai capabilă să interpreteze și să explice observații clasice sau noi în biologie și medicină. O înțelegere mai profundă a acestor zone este greu posibilă fără o cartografiere mai precisă a nivelului molecular al fenomenelor, punând în practică zicala lui Albert Szent-Györgyi: „conservarea sănătății nu este altceva decât un electron. De fapt, un aprox. Un corp uman de 75 kg conține aproximativ această cantitate de electroni. Și întrucât nucleii atomici formează molecule prin medierea electronilor și se conectează pentru a forma celule și apoi țesuturi, conservarea sugerează pe bună dreptate că condiția prealabilă necesară pentru medicina moleculară este structura electronică exactă a moleculelor.

În loc de epilog

Sper că în legătură cu Anul Chimiei, chimia va ieși la iveală, o comoară care ne va îmbogăți invariabil pe toți. Chimistul își găsește adevărata valoare în observare, analiză, sinteză și formarea gândului, iar acesta este motorul și puterea sa de plantare. Chiar dacă ești harul vieții și, eventual, reușit, dar chiar dacă ești ignorat. Înțelegerea noastră este o înțelegere mai profundă a nivelului molecular al lumii, pe care îl împărtășim cu plăcere altora și încercăm să-l transformăm în beneficiul majorității. Dar toate acestea rămân valoarea noastră, chiar dacă eforturile noastre culminează ocazional cu comunitate sau indiferență.

La urma urmei, este aici și acolo

O floare mică îmi este deschisă:

Am avut toată inima.

(Arany Jбnos: Epilog)

Cuvinte cheie: Chimie internațională, structură moleculară și electronică, chimie a vieții, știința materialelor, sinteză

LBBNOTES

1 O versiune editată a prelegerii susținute la cea de-a 181-a Adunare Generală Ordinară a Academiei Maghiare de Științe din mai 2011. Autorul își exprimă recunoștința față de Presidiumul Academiei Maghiare de Științe și VII. Departamentul este onorat să țină un discurs în plen.

2 Câștigător al Zilei Bolyai în 2011.

3 Pâinea este responsabilă în primul rând de 2-acetilpirolină, 3-metilbutan și 2-trans-non-2-one, în timp ce violetul este responsabil de α- și β-ionone.

4 La momentul creării sale, Tabelul periodic, care conținea încă aproximativ 70 de elemente, a atras atenția asupra apariției unui număr de elemente care încă lipseau și care urmau să fie descoperite, precum și pe lângă 112 elemente (112Cn) identificate în 2010.

5 Punct de fierbere în condiții normale –24,9 și +78,5 ° C.

6 Această moleculă organică vitală, care poate fi izolată de mai multe plante, este esențială pentru sinteza colagenului în proteina osoasă și musculară. Lipsa scorbutului duce la scorbut, pe care Hipocrate l-a început și în BC. ARC. descrisă ca o tulburare alimentară gravă în secolul al XIX-lea.

1. бbra • Prin punți de hidrogen cu etanol (linii punctate)

tinde să formeze asociați, ridicând astfel punctul de fierbere al lichidelor,

până atunci, dimetil eterul nu este potrivit pentru formarea acelorași rețele.

2. бbra • Un model al moleculei de vitamina C cu aceleași valori ale densității electronilor

(stânga: 0,004, mijloc: 0,04, dreapta: 0,2) pe baza suprafeței de pavaj combinate.