Структурная химия
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( октябрь 2019 г. ) |
Структурная химия является частью химии и занимается пространственными структурами молекул (в газообразном , жидком или твердом состоянии) и твердых тел (с протяженными структурами, которые невозможно разделить на молекулы). Для пояснения структуры [1] используется ряд различных методов. Следует различать методы, которые объясняют исключительно связь между атомами (конституцию), и методы, которые предоставляют точную трехмерную информацию, такую как координаты атома, связей длины и углы , а также углы скручивания .
Методы определения [ править ]
К определению химического строения относятся (в основном):
- для газообразного состояния: газовая электронография [2] и микроволновая спектроскопия [3]
- для жидкого состояния: ЯМР-спектроскопия [4] (обратите внимание, получение точной структурной информации из жидкостей и растворов все еще довольно сложно по сравнению с газами и кристаллическими твердыми телами)
- для твердого тела: рентген , [5] электронная дифракция [6] и дифракция нейтронов [7]
различные методы молекулярной спектроскопии Для выявления связности и наличия функциональных групп можно использовать и спектроскопии твердого тела.
Газообразное состояние [ править ]
Электронная дифракция [ править ]
Газовая электронография фокусируется на определении геометрического расположения атомов в газообразной молекуле. Он делает это путем интерпретации картин дифракции электронов, которые возникают, когда молекулу пересекает пучок электронов. В исследованиях методом газовой электронографии были получены равновесные и колебательно-усредненные структуры газов. [8] Газовая электронография также имеет решающее значение для получения данных как о стабильных, так и о нестабильных свободных молекулах, радикалах и ионах, предоставляя важную структурную информацию. [9] Например, строение газообразного фторфуллерена C 60 F 36 установлено методом электронной дифракции, дополненным квантово-химическими расчетами. [10]
спектроскопия Микроволновая
Микроволновая вращательная спектроскопия измеряет энергию вращательных переходов посредством микроволнового излучения для молекулы газа. Электрический дипольный момент молекул взаимодействует с электромагнитным полем возбуждающего микроволнового фотона, что облегчает измерение этих переходов. [11] Он использует микроволновую спектроскопию с преобразованием Фурье (FTMW) с чирпированными импульсами для определения вращательных констант соединений. [3] Этот метод долгое время считался надежным средством точного определения структур и способностью различать различные конформационные состояния молекул. [12] Его точность подчеркивается его применением для определения молекулярной структуры в газовой фазе, при этом вращательные переходы особенно информативны при ΔJ = ±1. [13]
Жидкое состояние [ править ]
ЯМР-спектроскопия [ править ]
Спектроскопия ЯМР жидкого состояния стала основным методом выяснения молекулярной структуры жидкостей. [4] Это гибкий метод, который подходит для широкого спектра применений, включая определение структуры, мониторинг на месте и анализ смесей. [14] Такие методы, как SHARPER (чувствительные, гомогенные и разрешенные пики в реальном времени), еще больше повысили чувствительность ЯМР, особенно при мониторинге реакций, за счет удаления J-расщеплений, которые создают очень узкие сигналы, которые имеют решающее значение для точного анализа. [4] ЯМР-спектроскопия также позволяет определять трехмерные структуры молекул в жидком состоянии путем измерения межпротонных расстояний с помощью экспериментов по ядерному эффекту Оверхаузера (NOE). [15]
Твердотельный [ править ]
Рентгеновская дифракция [ править ]
Рентгеновская дифракция — мощный метод определения атомной и молекулярной структуры кристаллических твердых тел . [5] Он основан на взаимодействии рентгеновских лучей с электронной плотностью кристаллической решетки , создавая дифракционные картины, которые можно использовать для определения расположения атомов. [5] Этот метод сыграл важную роль в выяснении структуры широкого спектра материалов, включая органические соединения, неорганические соединения и белки.
Электронная дифракция [ править ]
Дифракция электронов включает в себя попадание луча электронов на кристаллический образец. [6] Подобно дифракции рентгеновских лучей, он создает дифракционные картины, которые можно использовать для определения структуры образца. [6] Дифракция электронов особенно полезна для изучения небольших органических молекул и сложных органических соединений.
Нейтронная дифракция [ править ]
Нейтронная дифракция — это метод, в котором вместо рентгеновских лучей или электронов используется пучок нейтронов. [7] Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и чувствительны к положениям легких атомов, таких как водород . [7] Этот метод жизненно важен для понимания структуры материалов, в которых водород играет значительную роль, например, в системах с водородными связями.
и вклад Важность
Структурная химия имеет решающее значение для понимания фундаментальной природы материи и свойств материалов. Химики-структурщики играют решающую роль в различных научных и промышленных областях. [16] Перспективы структурной химии заключаются в ее способности решать реальные проблемы, способствовать научным инновациям и способствовать прогрессу в различных областях. Сотрудничество, технологические достижения и междисциплинарный подход будут продолжать формировать будущее структурной химии, прокладывая путь к революционным открытиям и приложениям.
Взносы [ править ]
лекарств и разработка Открытие
Структурные химики вносят значительный вклад в открытие лекарств, объясняя трехмерные структуры биологических молекул, что позволяет разрабатывать таргетные лекарства с более высокой эффективностью и меньшим количеством побочных эффектов. [17]
Материаловедение [ править ]
Понимание атомного и молекулярного расположения материалов помогает в разработке новых материалов с особыми свойствами, что приводит к инновациям в электронике, хранении энергии и нанотехнологиях . [18]
Катализ [ править ]
Структурная химия дает представление об активных центрах катализаторов, что позволяет разрабатывать эффективные катализаторы для химических реакций, в том числе те, которые используются в технологиях устойчивой энергетики. [19]
Биологические исследования [ править ]
Структурные биологи используют такие методы, как рентгеновская кристаллография и ЯМР-спектроскопия, для определения структуры биомолекул , способствуя нашему пониманию биологических процессов и заболеваний . [20]
Наука об окружающей среде [ править ]
Структурная химия помогает анализировать загрязняющие вещества , понимать их поведение и разрабатывать методы смягчения воздействия на окружающую среду. [21]
Проблемы [ править ]
Сложность систем [ править ]
По мере того, как исследователи углубляются в более сложные материалы и биологические системы, точное определение их структуры становится сложной задачей из-за сложных взаимодействий и больших размеров молекул. Недавнее исследование нашло беспрецедентное применение в биологическом контексте и впервые позволяет ученым решать сложные вопросы биологии на уровне молекул, клеток, тканей и целых органов, а также приступить к решению важных проблем, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями. рак, а также в пищеварительной и репродуктивной биологии. [22]
Технологические ограничения [ править ]
Разработка передовых экспериментальных методов и вычислительных методов имеет важное значение. Методы высокого разрешения, такие как криоэлектронная микроскопия и достижения в области компьютерного моделирования, решают некоторые проблемы. [23]
Анализ данных [ править ]
Обработка огромных объемов структурных данных требует сложных алгоритмов и методов анализа данных для извлечения значимой информации, что создает проблемы при интерпретации и хранении данных. [24] Однако с появлением глубокого обучения, отрасли машинного обучения и искусственного интеллекта, стало возможным анализировать большие наборы данных с большей точностью и эффективностью. [24] Однако метод также имеет свои ограничения, такие как отсутствие обучающих данных, несбалансированные данные и переобучение. [24]
Будущие направления [ править ]
Сочетание различных экспериментальных и вычислительных методов может обеспечить комплексное понимание сложных структур. Интеграция данных рентгеновской кристаллографии, ЯМР-спектроскопии и компьютерного моделирования повышает точность и надежность. Продолжающийся прогресс в компьютерном моделировании, включая квантовую химию и молекулярную динамику, позволит исследователям изучать более крупные и сложные системы, помогая прогнозировать и понимать новые структуры. [18] [17] Базы данных с открытым доступом и совместные усилия позволяют исследователям по всему миру обмениваться структурными данными, ускоряя научный прогресс и способствуя инновациям. [24]
Структурная химия может способствовать разработке экологически чистых материалов и катализаторов, способствуя внедрению устойчивых методов в химической промышленности. Структурная химия может способствовать разработке экологически чистых материалов и катализаторов, способствуя внедрению устойчивых методов в химической промышленности. Недавняя разработка безметалловых наноструктурированных катализаторов является одним из достижений в области структурной химии, которое потенциально может способствовать устойчивым органическим превращениям. [25]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Дэвид У. Рэнкин, Норберт В. Митцель, Кэрол А. Моррисон (2013). Структурные методы в молекулярной неорганической химии . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-97278-6 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Использование нейтронов для определения характеристик материалов» , Анализ остаточного напряжения путем дифракции с использованием нейтронного и синхротронного излучения , CRC Press, стр. 15–39, 06 февраля 2003 г., doi : 10.1201/9780203608999-6 , ISBN 9780429211904 , получено 9 октября 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Мартен-Друмель, Мари-Алин; Маккарти, Майкл С.; Паттерсон, Дэвид; Макгуайр, Бретт А.; Крэбтри, Кайл Н. (24 марта 2016 г.). «Автоматическая микроволновая спектроскопия двойного резонанса: инструмент для идентификации и характеристики химических соединений» . Журнал химической физики . 144 (12). Бибкод : 2016JChPh.144l4202M . дои : 10.1063/1.4944089 . hdl : 2142/96897 . ISSN 0021-9606 . ПМИД 27036441 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Пит, Джордж; Боалер, Патрик Дж.; Диксон, Клэр Л.; Ллойд-Джонс, Гай С.; Угрин, Душан (21 июля 2023 г.). «SHARPER-DOSY: ЯМР-спектроскопия диффузионного порядка с повышенной чувствительностью» . Природные коммуникации . 14 (1): 4410. Бибкод : 2023NatCo..14.4410P . дои : 10.1038/s41467-023-40130-2 . ISSN 2041-1723 . ПМК 10361965 . ПМИД 37479704 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «Дифракция рентгеновских лучей | Определение, диаграмма, уравнение и факты | Британника» . www.britanica.com . Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Асадабад, Мохсен Асади; Эскандари, Мохаммад Джафари (18 февраля 2016 г.), Янечек, Милош; Крал, Роберт (ред.), «Дифракция электронов» , «Современная электронная микроскопия в физических и биологических науках» , InTech, doi : 10.5772/61781 , ISBN 978-953-51-2252-4 , получено 7 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «7.5: Нейтронная дифракция» . Химия LibreTexts . 14 июля 2016 г. Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ Вишневский Юрий В.; Бломайер, Себастьян; Рейтер, Кристиан Г. (01 апреля 2020 г.). «Газовые стандарты в газовой электронографии: точные молекулярные структуры CO2 и CCl4» . Структурная химия . 31 (2): 667–677. дои : 10.1007/s11224-019-01443-5 . ISSN 1572-9001 . S2CID 208211778 .
- ^ Демезон, Жан; Фогт, Наталья (2020), «Молекулярные структуры по данным дифракции электронов в газовой фазе» , Точное определение структуры свободных молекул , Конспекты лекций по химии, том. 105, Чам: Springer International Publishing, стр. 167–204, номер документа : 10.1007/978-3-030-60492-9_7 , ISBN. 978-3-030-60492-9 , S2CID 229669307 , получено 7 ноября 2023 г.
- ^ Беляков Александр Владимирович; Кулишенко Роман Ю.; Джонсон, Роберт Д.; Шишков Игорь Ф.; Рыков Анатолий Н.; Марков Виталий Ю.; Хиневич Виктор Евгеньевич; Горюнков, Алексей А. (10 декабря 2020 г.). «Структура C 60 F 36: газофазная электронография и квантово-химическое вычислительное исследование сильно искаженного фторфуллерена» . Журнал физической химии А. 124 (49): 10216–10224. Бибкод : 2020JPCA..12410216B . doi : 10.1021/acs.jpca.0c05714 . ISSN 1089-5639 . ПМИД 33200926 . S2CID 226988867 .
- ^ «1.10: Микроволновая спектроскопия» . Химия LibreTexts . 10 января 2023 г. Проверено 7 ноября 2023 г.
- ^ Бернштейн, Эллиот Р. (2020). Внутри- и межмолекулярные взаимодействия между нековалентно связанными частицами . Эльзевир. стр. 97–98. ISBN 978-0-12-817586-6 .
- ^ 1. Пурушоттам 2. А. Уэлфорд, 1. Йена 2. Каслман (2010). Наука и технология атомных, молекулярных, конденсированных сред и биологических систем . Эльзевир. стр. 173–175. ISBN 978-0-444-53440-8 .
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Аггарвал, Приянка; Кумари, Пуджа; Бхавеш, Нил Саровар (01 января 2022 г.), Трипати, Тимир; Дубей, Викаш Кумар (ред.), «Глава 16. Достижения в области ЯМР-спектроскопии в жидком состоянии для изучения структуры, функций и динамики биомакромолекул» , «Достижения в методах молекулярной и структурной биологии белков » , Academic Press, стр. 237–266. , doi : 10.1016/b978-0-323-90264-9.00016-7 , ISBN 978-0-323-90264-9 , S2CID 246188801 , получено 8 декабря 2023 г.
- ^ Перслоу, Джеффри А.; Хативада, Балабхадра; Байро, Марвин Дж.; Вендитти, Винченцо (28 января 2020 г.). «Методы ЯМР для структурной характеристики белково-белковых комплексов» . Границы молекулярной биологии . 7 :9. doi : 10.3389/fmolb.2020.00009 . ISSN 2296-889X . ПМЦ 6997237 . ПМИД 32047754 .
- ^ Майер, Иоахим (2 апреля 2004 г.). Физическая химия ионных материалов . Уайли. дои : 10.1002/0470020229 . ISBN 978-0-471-99991-1 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Проваси, Давиде; Филизола, Марта (07 августа 2023 г.). «Улучшение прогнозов биологической активности опиоидов посредством интеграции стратегий открытия лекарств на основе лигандов и структуры с методами переноса и глубокого обучения» . BioRxiv: Сервер препринтов по биологии . дои : 10.1101/2023.08.04.552065 . ПМЦ 10441297 . ПМИД 37609329 . Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эгучи, Михару; Хан, Минсу; Асакура, Юске; Хилл, Джонатан П.; Хензи, Джоэл; Арига, Кацухико; Роуэн, Алан Э.; Чайкиттисилп, Ватчароп; Ямаути, Юсуке (13 ноября 2023 г.). «Пространственная тектоника материалов: методологии композиционного и пространственного контроля на атомном уровне для синтеза материалов будущего» . Angewandte Chemie, международное издание . 62 (46): e202307615. дои : 10.1002/anie.202307615 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 37485623 . S2CID 260114714 .
- ^ Лю, Лишайник; Корма, Авелино (апрель 2021 г.). «Структурные превращения твердых электрокатализаторов и фотокатализаторов» . Обзоры природы Химия . 5 (4): 256–276. дои : 10.1038/s41570-021-00255-8 . ISSN 2397-3358 . ПМИД 37117283 . S2CID 231957705 .
- ^ Брито, Хосе А.; Арчер, Маргарида (01 января 2020 г.), Крайтон, Роберт Р.; Луро, Рикардо О. (ред.), «Глава 10. Методы структурной биологии: рентгеновская кристаллография, криоэлектронная микроскопия и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей» , «Практические подходы к биологической неорганической химии» (второе издание) , Elsevier , стр. 375–416, doi : 10.1016/b978-0-444-64225-7.00010-9 , ISBN 978-0-444-64225-7 , S2CID 203510759 , получено 8 декабря 2023 г.
- ^ «Как химия помогает улучшить окружающую среду вокруг нас» . Королевское химическое общество . Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ «Сложная реология в биологических системах | Королевское общество» . royalsociety.org . 6 августа 2017 года . Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ «Криоэлектронная микроскопия – что это такое, как работает, плюсы и минусы» . МикроскопМастер . Проверено 8 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Саркер, Икбал Х. (18 августа 2021 г.). «Глубокое обучение: всеобъемлющий обзор методов, таксономии, приложений и направлений исследований» . С.Н. Информатика . 2 (6): 420. дои : 10.1007/s42979-021-00815-1 . ISSN 2661-8907 . ПМЦ 8372231 . ПМИД 34426802 .
- ^ Голипур, Бехнам; Шоджаи, Салман; Ростамния, Садег; Наими-Джамал, Мохаммад Реза; Ким, Докюн; Кавецкий, Тарас; Нурузи, Насрин; Чан, Хо Вон; Варма, Раджендер С.; Шокухимехр, Мохаммадреза (31 августа 2021 г.). «Безметалловые наноструктурированные катализаторы: устойчивая движущая сила органических преобразований» . Зеленая химия . 23 (17): 6223–6272. дои : 10.1039/D1GC01366A . ISSN 1463-9270 . S2CID 237989194 .
Отрасли химии | |
|---|---|
| Аналитический | |
| Теоретический | |
| Физический | |
| Неорганический | |
| Органический | |
| Биологический | |
| Междисциплинарность | |
| См. также | |
