Magyar Tudomá • 2011 9 • András Perczel
Член-кореспондент на Унгарската академия на науките, професор, Химически институт, Университет Eötvös Loránd, Департамент по химическо моделиране
Вместо плодовито
Актуалност
Химията е наука за молекулите
Според унгарския Велик лексикон химията вероятно се получава от египетския химикал (чернозем) или вероятно от гръцкия термин khüma (течности или течности). Най-разбираемият щам е, че химията изучава вещество на атомно-молекулярно ниво и този подход е добре обобщен от английския термин молекулярна наука. Последната сигнална структура отразява достоверно намерението химикът да може да намира отговори и обяснения на въпросите и научните наблюдения на ниво атоми, йони или молекули.
Докато атомната физика изследва предимно субатомното ниво на материята (ядреният модел на Ърнест Ръдърфорд, редактиран тази година), биологията, биохимията, тайните на микрокосмоса. Въпросът обаче е, че ако материалът, който изгражда както нашата среда, така и самите нас, е йерархичен ансамбъл от множество молекули, защо е толкова трудно да се картографира, абсорбира и разбере това молекулярно ниво? Ако молекулите, които съставляват по-тесния предмет на химията, са повсеместни - което е безспорен факт - тогава защо молекулярният подход пада толкова далеч от повечето хора? Защо е трудно да се намери молекулното му ниво в кондензирания материал?
Самото разбиране на сложността на молекулите е доста сложна задача, така че си струва първо да се изследват областите, в които взаимодействаме с отделни молекули. Разчитайки например на нашите сетивни органи, ние се опитваме да възпроизведем хрупкавия аромат на прясно изпечена обувка или букет пролетни теменужки, като разчитаме на носа и молекулярните си „спомени“. 3 Тези „паметници на аромата“ са доста, но са резултат от предишната ни среща с характерна молекула; заменени с няколко циклични амини, наситени и ненаситени прости алдехиди или монотерпени и задействаха характерния и специфичен стимул с помощта на рецепторни молекули, разположени в задната част на носа ни. (Миризмата и възприятието са примери за взаимодействието на типичния тип едномолекулен епитопен рецептор.)
В допълнение към ароматите можем лесно да идентифицираме отделни молекули, отговорни за цвета или цвета. Например, добре познатите червени чушки от Сегед дават рубиненочервен цвят, молекула, съставена от четиридесет въглеродни атома, капсантин и капсарубин, а чушките са отговорни за „мъжката” сила на чушката и са напълно отговорни за първите . Може да изглежда като неочакван обрат за физиолозите да кажат, че „острият” капсаицин е себе си. Той действа чрез свързване с ванилоиден рецептор тип I. Името на ванилоидния рецептор е ванилин, основният компонент на добре познатата ванилия, който е отговорен за приятното и мекото. Разделителната способност на очевидното противоречие се дава чрез сравняване на структурните формули на двете молекули (капсаицин и ванилин), тъй като заместената с метокси фенол част от молекулата на капсаицин е подобна на молекулата на ванилина. Ако можем да определим и опишем структурната формула на молекулата, тогава сравнителното изследване включва и възможността за „степени на родство“. Следователно, много си струва да се помисли накратко за концепцията за химически инструмент, качествена и количествена молекулна формула, която се използва широко за идентификация и описание на молекулите.
Химическата формула е подобна на вариантите на архаични представи, в които изграждаме системи от по-сложни понятия с комбинация от основни символи. Заместванията или груповите функции, които са широко разпространени в химията, показват логиката на обичайното развитие в химията: по-сложните молекули могат да бъдат превърнати в химически интерпретируеми основни единици (молекулярна вода и др.). Най-простите атомни символи във формулите могат лесно да бъдат извлечени от периодичната таблица, въведена от Дмитрий Иванович Менделеев през 1869 година. 4
Формулата на Луис може да се използва за описване на електронната структура на не само прости, но и по-сложни органични молекули. Един от компонентите на чушката, витамин С, е изолиран за първи път от Алберт Сент-Гюрги и е наречен „игноза“. Химичният синтез на това е решен от Алберт Хауърт, като по този начин е по-евтино производството на витамин. Откриването на витамин С през 1937 г. е почетено от медицинския и синтетичен синтез през същата година с Нобеловата награда за химия. 6 Химичната формула може да се използва не само за характеризиране и оценка на свойствата на молекулите, но и за поетапно описание на техния синтез. Също така могат да се направят препратки към хода и механизма на реакциите чрез формулировки на Луис, подходящи за интерпретация на взаимодействието на реагентите и реагентите. Нищо не доказва използването и успеха на този почти общ формализъм по-добре от факта, че химиците все още го използват успешно и днес.
Не е възможно да се види в микрокосмоса, но можем да усетим молекули въз основа на тяхната електронна плътност, магнитни или други физически свойства. Централната концептуална основа на количествената молекулна структура и формула, хармонизирани с квантовата механика, е електронната плътност, която може да бъде получена от характеристиката на дължината на вълната на молекулата и може да бъде изчислена с достатъчна точност. Тъй като задачата на Lewis design е да даде правилната електронна структура за дадено местоположение и свързаност.
В средата на ядрена ядрена група трябва да се справим с много подобна задача в поредицата от квантово-механични изчисления. След решаване на независимото от времето уравнение на Шрьодингер, общата електронна плътност, изчислена за молекулярната структура на молекулата, е представена в контурен модел, т.е. точките, в които електронната плътност е идентична в пространството. Покривните повърхности, които комбинират различни стойности на електронна плътност около витамин С, могат да се разглеждат като различни модели на молекулата. (Фигура 2).
Законите на класическата механика позволяват да се определи движението на макроскопичните тела в знанието на силите, действащи върху тях. Движението и разпределението на електроните също могат да бъдат определени с помощта на квантовата механика. Квантовомеханичен метод, който предварително отчита някои основни свойства на молекулите, се нарича квантова химия. Чрез решаване на движенията на електрони и ядра, които са над две хиляди пъти по-тежки (подход на Борн - Опенхаймер), решението на уравнението на Шрьодингер е значително опростено. Като решаваме уравнението за дадена конфигурация на ядрото, можем да определим общата вътрешна енергия на молекулата, което е функция от конфигурацията на ядрото. Можем да определим повърхността на потенциалната енергия, от която относително точно да се определят множеството свойства и поведение на молекулата. Потенциалната енергийна повърхност е централната концепция на съвременната химия, която може да се разглежда като обобщение на класическата структурна формула.
Изследването на повърхността с потенциална енергия е важен инструмент за интерпретация на химичните свойства (изомеризация, тавтомеризация, разгъване и развиване на гъвкави молекули, конформационен анализ). Пропанът (CH3 - CH2 - CH3) обаче може да бъде изграден само от три въглеродни бомби и осемте водородни ядра, свързани с тях, но по принцип той може да има няколко възможни триизмерни структури (ядрена конфигурация). Ако завъртим част от молекулата по оста по протежение както на първата (С1 - С2), така и на втората (С2 - С3) въглерод-въглеродни ковалентни връзки, тогава можем да определим съответно стойностите на общата вътрешна енергия. Като ги начертаем по две променливи, можем да определим пространствената структура на пропана във всички стаи, като тази с най-ниска енергия е тази, която най-често се реализира. По подобен начин можем да определим най-вероятната структура на по-големи молекули, независимо дали протеини или нуклеинови киселини.