Transcript ХИМИИ
Лекционный курс «Физические основы измерений» Раздел ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Тема ДВА ВИДА НАНОТЕХНОЛОГИЙ. 2. НАНОТЕХНОЛОГИИ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ («САМОСБОРКИ» МОЛЕКУЛ) Наноупаковка лекарств для разрушения опухолей Под действием ИК света оболочка наночастиц разрушается 20nm Нанотерапия злокачественных опухолей мышей Контроль 120 100 80 Control 60 Treatment Sham 40 20 Time (days) Направление луча лазера Дни 28 25 22 19 16 13 10 7 4 0 1 % Surviving % выживания Нанотерапия НАНОТЕХНОЛОГИИ -2 Супрамолекулярная ( надмолекулярная ) «СМХ» Химия Химия нековалентных взаимодействий САМООРГАНИЗАЦИЯ молекул «ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ «ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ «Сильные» химические связи Ковалентные взаимодействия: Возникают, когда атомы обмениваются электронами Имеют энергии в несколько сотен кДж/моль «ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ Энергии ковалентных связей C-O связь 340 кДж / моль 1.43Å C-C связь 360 кДж / моль 1.53Å C-H связь 430 кДж / моль 1.11Å C=C связь 600 кДж / моль 1.33Å C=O связь 690 кДж / моль 1.21Å «НАНОТЕХНОЛОГИИ» «ОБЫЧНОЙ» ХИМИИ «Нанооборудование» и «нанотехнологии» Механосинтез «Обычная» химия Сульфид меди CuS. Встречается в природе в виде ромбических кристаллов минерала ковеллина Кристаллы сульфида меди CuS используют для изготовления многократно программируемых «наномостиков» в логических интегральных микросхемах (ПЛИС). ГИПОТЕТИЧЕСКАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ МЕХАНОСИНТЕЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО CuS Зонд – манипулятор по-одному перемещает базовые «строительные элементы» (атомы меди и серы) медленно формируя отдельные нанокристалы CuS «НАНОТЕХНОЛОГИЯ» «ОБЫЧНОЙ» ХИМИИ Заготовка больших количеств базовых «строительных элементов» Раствор хлорида меди Раствор сульфида натрия Быстрое получение больших количеств молекулярных «наноизделий» Cu2+ + S2- = CuS Кристаллы сульфида меди «ОБЫЧНАЯ» ХИМИЯ СИЛЬНЫХ КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ Ограниченный набор базовых «строительных элементов» Многообразие молекулярных «наноизделий» СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ СЛАБЫХ НЕКОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ Многообразие базовых «строительных элементов» «Вселенная» супрамолекулярных «наноизделий» СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ ( «СМХ» ) «СМХ» «Слабые» химические связи Нековалентные взаимодействия: Водородные связи Электростатические (ионные и ионнодипольные) связи Гидрофобные “связи” Взаимодействия ван-дер-Ваальса - взаимодействия Основные взаимодействия Примерная энергия 1. ~ 20 кДж/моль 2. 20-40 кДж/моль 3. ~ 8 кДж/моль 4. ~ 4 кДж/моль Энергии нековалентных взаимодействий гидрофобные <40 кДж / моль электростатические ~20 кДж / моль водородные связи 12-30 кДж / моль ван-дер-Ваальс 0.4-4 кДж / моль катион – 5-80 кДж / моль - стэкинг 0-50 кДж / моль ( Ковалентные связи : 300 – 700 кДж / моль ) “Чем более сложна система, тем более слабые взаимодействия определяют ее поведение” - J. R. Platt Сильнее………………………………..Слабее Взаимодействия: Системы: ВнутриВнутриКовалентные ядерные атомные связи _________________________________________ Атомные ядра Атомы Простые соединения Проще………………………….………Сложнее “Чем более сложна система, тем более слабые взаимодействия определяют ее поведение” - J. R. Platt …..Сильнее………………………….Слабее….. ВзаимоКовалентные Нековалентные связи : действия: связи ионные; ван-дер Ваальса; водородные; гидрофобные _________________________________________ Системы: Простые соединения надмолекулярные Макромолекулы, ( супрамолекулярные ) структуры ….. Проще………………...………Сложнее….. “Чем более сложна система, тем более слабые взаимодействия определяют ее поведение” - J. R. Platt ……..Слабые……………..……..Слабейшие ВзаимоНековалентные Гравитадействия: связи ционные _________________________________________ Системы: Макромолекулы …Вселенная…. супрамолекулярные ( надмолекулярные ) структуры …..Сложные……………………Еще сложнее 1. Водородные связи Имеют лишь 5% энергии углеродуглеродной связи (20 и 350 кДж/моль) Имеют направленный характер Связаны с наличием дипольных моментов Ответственны за необычные свойства воды – как вещества, так и растворителя Дипольный момент воды Распространенные водородные связи Белки Величина водородной связи зависит от ее направления Сильная связь Слабая связь 2. Электростатические взаимодействия. Ионные связи. Имеют 5-10% энергии углеродноуглеродной связи (20-40 и 350 кДж/моль) Ионно-стабилизированные соединения (как NaCl) легко растворяются в растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью (как вода) Соли растворяются в “гидратных оболочках” воды 3. Гидрофобные взаимодействия Имеют около 2% энергии углеродноуглеродной связи (8 и 350 кДж/моль) Вокруг гидрофобных групп происходит упорядочение молекул воды «Маслянистые» гидрофобные группы собираются вместе, чтобы ослабить эффект уменьшения энтропии воды Гидрофобные взаимодействия Гидрофильная полярная «головка» молекулы ПАВ Неупорядоченная структура молекул Н2О в объеме ( с высокой энтропией ) Гидрофобный «хвост» молекулы ПАВ, вокруг которого формируется упорядоченная оболочка молекул воды ( с пониженной энтропией ) Гидрофобные взаимодействия Увеличение энтропии системы при сближении молекул растворенного вещества 4. Взаимодействия ван-дер-Ваальса Имеют около 1% энергии углеродноуглеродной связи (4 и 350 кДж/моль) Притяжение атомов связано с наличием индуцированных диполей Отталкивание возникает при перекрывании электронных оболочек Энергия взаимодействия Взаимодействия ван-дер-Ваальса + Радиус Ван-дер-Ваальса Перекрывание оболочек - Суммарная энергия rv Межатомное притяжение Расстояние между центрами атомов Взаимодействия ван-дер-Ваальса Диполь-диполь d+ C d+ C d- d- O d- d+ C O H d+ O H H - Диполь - индуцированный d H диполь H H d+ d+ H Индуцированный диполь – Индуцированный диполь H H d- H H Hd- Взаимодействия жестких диполей ( полярные молекулы ) + l - Энергия взаимодействия диполь-диполь : Vdd 1 2 Dr 3 ql Дипольный момент (вектор) : - 31 r 2 r Если 1 и 2 параллельны: Dr 1 5 1 Vdd 2 Если 1 и 2 коллинеарны: r 1 2 2 1 2 Dr Vdd -2 3 1 2 Dr 3 Индуцированные диполи в неполярных молекулах ( дисперсионное взаимодействие ) Флуктуация электронной плотности в одной молекуле (образование мгновенного диполя) вызывает соответствующее смещение зарядов и в другой молекуле (образование мгновенного индуцированного диполя ). Следствие - взаимное притяжение молекул. Взаимодействия ван-дер-Ваальса Энергия притяжения за счет дисперсионного взаимодействия (модель Лондона) : Энергия отталкивания электронных облаков: VL - VR 3I1 2 I … энергия ионизации 4r 6 1, 2 поляризуемости атомов k rm Если r мало : m = 5 - 12 С учетом обоих эффектов – потенциал ван дер Ваальса : Для m = 12 – известный потенциал Леннарда – Джонса : VvdW VvdW A B - 6 m r r A B - 6 12 r r 5 А. Катион – взаимодействия Энергии : 5 – 80 кДж/моль. Взаимодействия катионов щелочных и щелочноземельных металлов с двойными связями C=C . Играют важную роль в биологических системах. 5 Б. - стэкинг Энергии : < 50 кДж/моль. Слабые электростатические взаимодействия ароматических колец. Два типа структур «плоскость-к-плоскости» и «край-к-плоскости» : -стэкинг «плоскость-кплоскости» определяет смазочную способность графита. Такой же стэкинг стабилизирует двойную спираль ДНК. - стэкинг Супрамолекулярные ( надмолекулярные ) «нанопродукты» с нековалентными связями Одномерные (1D) структуры с водородными связями Линейные и зигзагообразные цепочки Структуры цепочек определяются геометриями орбиталей атомов металлов и направленным характером водородных связей Двумерные (2D) структуры с водородными связями 1D 2D Трехмерные (3D) структуры с водородными связями 2D 3D КОНЕЦ ЛЕКЦИИ