Metoder for å studere metabolisme. Metoder for å studere strukturen til stoffer Grunnleggende moderne metoder for å studere strukturen til stoffer
Seksjon 4.
Metoder og tekniske midler for rettsmedisinsk forskning av struktur og andre egenskaper til stoffer og materialer
Det synes hensiktsmessig å samtidig vurdere metoder for å utføre faseanalyse av stoffer og studere deres struktur, siden fasesammensetning og struktur henger sammen og noen metoder for deres studie sammenfaller. Ved KIWMI studeres struktur og fasesammensetning hovedsakelig innen metallografi og radiografi.
Ris. 29. System av metoder for å studere fasesammensetningen til stoffer og materialer
4.1.
METODER FOR Å STUDERE FASESAMMENSETNING AV STOFFER OG MATERIALER I KRIMINOLOGI
Metoder for å studere fasesammensetningen til stoffer og materialer er designet for å etablere det kvalitative og kvantitative innholdet i faser med samme og forskjellige kjemiske sammensetninger (fig. 29).
Metallografisk analyse
Den grenen av materialvitenskap som studerer endringer i makro- og mikrostrukturen til metaller og legeringer på grunn av endringer i deres kjemiske sammensetning og prosessforhold kalles metallografi. Beskrivelsen av metallografisk analyse er gitt ovenfor (i avsnitt 3.1. "Metoder og tekniske midler for rettsmedisinsk morfoanalyse av stoffer og materialer").
Studiet av metallografiske seksjoner lar oss bestemme strukturen til metallet og observere forskjellige faser i synsfeltet til mikroskopet, som kan males i forskjellige farger. Dette lar deg finne ut så viktige omstendigheter som egenskapene til produktbehandlingsteknologien (smiing, varmebehandling, etc.), oppvarmingstemperaturen til prøven og øyeblikket av hendelsen, for eksempel i en brann, etc. For eksempel, ved metallografisk analyse er det mulig å bestemme i hvilken atmosfære, oksygenfattig eller oksygenrik, smeltingen av ledningene skjedde i øyeblikket av kortslutningen. På sin side er det viktig å fastslå dette for å avgjøre om kortslutningen var årsaken til brannen eller oppsto som følge av den.
Metallografisk analyse lar en estimere det kvantitative innholdet av inneslutninger i en tynn seksjon og er veldig tydelig. derimot denne metoden forskning er destruktiv og er dårligere i nøyaktighet enn røntgenfaseanalyse.
Røntgendiffraksjonsfaseanalyse
Røntgenfaseanalyse er en metode for å bestemme fasesammensetningen av faste krystallinske og enkelte amorfe stoffer. Hvert krystallinsk stoff har en strengt individuell geometri av krystallgitteret, som er preget av et sett med interplanare avstander. Når røntgenstråler passerer gjennom en krystall, oppstår en diffraksjonseffekt. Diffraksjonsmønsteret utføres enten fotografisk i spesielle kameraer på røntgenfilm, eller ved hjelp av røntgendiffraktometre ved bruk av elektroniske opptakssystemer.
For å løse spørsmålet om fasen tilstede i en prøve, er det ikke nødvendig å bestemme dens krystallstruktur. Det er nok å beregne diffraksjonsmønsteret (røntgenmønster) og sammenligne den resulterende serien av interplanare avstander og relative linjeintensiteter med de gitt i røntgendatafilene, hvorav den mest komplette er den konstant oppdaterte amerikanske fasedeterminanten - filen Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS).
Tilstedeværelsen av visse linjer i røntgendiffraksjonsmønsteret karakteriserer prøvens kvalitative fasesammensetning. En blanding av flere individer kjemiske forbindelser produserer et røntgendiffraksjonsmønster, som er en superposisjon av diffraksjonseffekter som karakteriserer individuelle faser. Når man sammenligner interplanare avstander til prøver og standarder, er det ofte nødvendig å analysere svært store informasjonsmatriser, slik at databehandling utføres på en PC ved hjelp av automatiserte systemer og databaser.
Røntgenfaseanalyse brukes til å studere slike KIWMI-objekter som metaller og legeringer, medisiner, stoffer av jordopprinnelse, papir, parfyme og kosmetikk, maling og belegg, etc.
Kalorimetrisk analyse
Kalorimetri er en gruppe metoder for å måle termiske effekter (mengde varme) som følger med ulike fysiske, kjemiske og biologiske prosesser. Kalorimetri inkluderer måling av varmekapasitet, varme fra faseoverganger, termiske effekter av magnetisering, elektrifisering, oppløsning, kjemiske reaksjoner(for eksempel forbrenning). Instrumenter som brukes i kalorimetre kalles kalorimetre.
Termografimetoder brukes for eksempel i studiet av polymerer. De gjør det mulig å bestemme typer polymerer, sammensetningen av deres blandinger og kopolymerer, merker av noen polymerer, tilstedeværelsen og sammensetningen av spesielle tilsetningsstoffer, pigmenter og fyllstoffer, egenskaper bestemt av teknologien for syntese og prosessering av polymerer til produkter, samt driftsforholdene til sistnevnte. Imidlertid er det mer effektivt å kombinere termografiske og gasskromatografiske analysemetoder.
Termiske analysemetoder
Termiske analysemetoder er metoder for å studere fysiske, kjemiske og kjemiske prosesser basert på registrering av termiske effekter ledsaget av temperaturprogrammeringsforhold. Oppsettet for termiske analysemetoder inkluderer vanligvis en ovn, prøveholdere, termoelementer som måler temperaturen i ovnen og prøver. Når en prøve varmes opp eller avkjøles, registreres endringer i temperaturen til objektet over tid. Ved fasetransformasjoner vises et platå eller knekk på varme- (kjøle-) kurven.
Termogravimetrisk analyse (TGA) er basert på registrering av endringer i massen til en prøve avhengig av temperatur under forhold med programmerte endringer i temperaturen i omgivelsene.
I differensiell termisk analyse (DTA) registreres endringen i temperaturforskjell mellom prøven som studeres og en sammenligningsprøve, som ikke gjennomgår noen transformasjoner i et gitt temperaturområde, over tid. Effekter registrert av DTA kan være forårsaket av smelting, sublimering, fordampning, koking, endringer i krystallgitteret og kjemiske transformasjoner.
4.2. METODER FOR Å STUDERE STRUKTUREN AV STOFFER OG MATERIALER I KRIMINOLOGI
Avhengig av opprinnelse, produksjonsteknologi eller driftsforhold kan de samme stoffene eller materialene ha ulik struktur. For eksempel endrer herding eller herding av stål ikke sammensetningen, men endrer strukturen, som et resultat av at dens mekaniske egenskaper (hardhet, elastisitet, etc.) endres.
Som allerede nevnt, brukes metallografiske og røntgenspektrale analyser oftest for å studere krystallstrukturen til stoffer og materialer. Beskrivelsen av metallografisk analyse er gitt ovenfor, så vi vil fokusere på røntgendiffraksjonsanalyse.
Det fysiske grunnlaget for metoden er den spesifikke karakteren av interaksjonen mellom røntgenstråling med stoffer som har en ordnet struktur. Termiske og mekaniske effekter på materialer og produkter laget av dem (spesielt fra metaller og legeringer) fører til utseendet av gjenværende makrospenninger, som igjen forårsaker deformasjon av krystallgitteret. Denne deformasjonen registreres under røntgendiffraksjonsstudier i form av linjeskift i diffraksjonsmønstre og røntgendiffraksjonsmønstre. Ved gløding av metaller og legeringer er det frigjøring av restspenninger, rekrystallisering og kornvekst, noe som fører til en endring i plassering, form og bredde på røntgenlinjene. I tillegg fører oppvarming av metallet til dannelse av skala på overflaten av produktet, hvis tilstedeværelse er registrert på røntgendiffraksjonsmønsteret i form av utseendet til ytterligere linjer.
Eksperimentelle metoder for å studere strukturen til krystaller Bestemmelse av strukturen til stoffer og materialer, det vil si å bestemme plasseringen i rommet av deres konstituerende strukturelle enheter (molekyler, ioner, atomer) utføres ved hjelp av forskjellige metoder. Kvantitativ informasjon om strukturen til forbindelser i krystallinsk tilstand er gitt av diffraksjonsmetoder: - Røntgenstrukturanalyse, - elektrondiffraksjon, - nøytrondiffraksjon. De er basert på studiet av vinkelfordelingen av intensiteten av stråling spredt av stoffet som studeres - røntgenstråler, strømmen av elektroner eller nøytroner. . 1
Diffraksjonsmetoder er basert på fenomenet diffraksjon (koherent spredning) av røntgenstråler, elektroner og nøytroner på et krystallgitter faste stoffer. Prosessen med å absorbere energien fra innfallende stråling og frigjøre denne energien når den sender ut en bølge av samme lengde kalles koherent spredning. Bølger som passerer gjennom et krystallinsk stoff opplever diffraksjon, siden et krystallgitter med gjennomsnittlige interatomære avstander i størrelsesorden 10 -10 m er et diffraksjonsgitter for dem. Bølgelengden til den innfallende strålingen bør være sammenlignbar med disse interatomære avstandene. 2
For tiden, som et resultat av systematiske strukturelle studier, har det blitt akkumulert ganske omfattende materiale for å bestemme strukturen til en lang rekke stoffer. Disse dataene gjør det mulig å etablere en rekke forhold mellom: - den kjemiske sammensetningen til et fast stoff, - arten av kreftene til interatomisk interaksjon i det, - det romlige arrangementet av disse atomene, - fysiske egenskaper. Regelmessigheter i strukturen til krystaller, etablert ved hjelp av strukturanalyse, viser seg ofte å være så generelle at de kan brukes i analyse av stoffer som ennå ikke er studert. I mange tilfeller gjør dette det mulig å konstruere modeller av strukturen, noe som letter oppgaven med strukturell forskning og reduserer den til å kontrollere riktigheten til en bestemt modell. 3
I alle diffraksjonsmetoder rettes en monokromatisk stråle mot objektet som studeres og spredningsmønsteret analyseres. Spredt stråling registreres fotografisk eller ved hjelp av tellere. Basert på diffraksjonsmønsteret er det i prinsippet mulig å rekonstruere atomstrukturen til et stoff. Hvis diffraksjonsmønsteret på filmen er et sett med punkter, er det faste stoffet i tilstanden til en enkelt krystall. Hvis det er et sett med konsentriske ringer (på en flat film) - en polykrystall. Hvis det er uskarpe (diffuse) ringer (haloer), er kroppen i en amorf tilstand. Fra fordelingen og intensiteten til diffraksjonsmaksima er det mulig å beregne posisjonene til atomer, dvs. bestemme strukturen. 4
Teorien som beskriver forholdet mellom det elastiske spredningsmønsteret og det romlige arrangementet av spredningssentre er den samme for all røntgenstråling, elektron- eller nøytronfluks. Men siden interaksjonen mellom forskjellige typer stråling med materie har en annen fysisk natur, bestemmes den spesifikke typen og egenskapene til diffraksjonsmønsteret av forskjellige egenskaper ved atomene. Derfor gir ulike diffraksjonsmetoder informasjon som utfyller hverandre. 5
Grunnleggende om diffraksjonsteorien. En plan monokromatisk bølge med bølgelengde λ og bølgevektor k 0, hvor | k 0| = 2π/ λ, kan betraktes som en stråle av partikler med momentum p, hvor |p| = h/A; h er Plancks konstant. Amplituden F til en bølge (med bølgevektor k), spredt av et sett med n atomer, bestemmes av ligningen: hvor vektor s = (k - k 0)/ 2π, s = 2 sinθ/λ, 2θ er spredningsvinkel, fj(s) er atomfaktoren, eller atomspredningsfaktoren, det vil si en funksjon som bestemmer spredningsamplituden til en isolert jth atom(eller ion); r j er dens radiusvektor. 6
Et lignende uttrykk kan skrives hvis vi antar at et objekt med volum V har en kontinuerlig spredningstetthet ρ(r): Atomfaktoren f(s) beregnes også med samme formel; i dette tilfellet beskriver ρ(r) fordelingen av spredningstetthet inne i atomet. Atomfaktorverdiene er spesifikke for hver type stråling. Røntgenstråling oppstår når katodestråler (en strøm av elektroner som beveger seg fra anoden til katoden) samhandler med anodesubstansen. 7
Røntgenstråler er spredt av elektronskallene til atomer. Atomfaktoren fр ved θ = 0 er numerisk lik antall elektroner Z i atomet hvis fр uttrykkes i såkalte elektroniske enheter, dvs. i relative enheter av amplituden til røntgenspredning med ett fritt elektron. Når spredningsvinkelen øker, reduseres atomfaktoren fр. Elektronspredning bestemmes av det elektrostatiske potensialet til atomet φ(r) (r er avstanden fra sentrum av atomet). Atomfaktoren for elektroner fе er relatert til fр-relasjonen: der e er ladningen til elektronet, m er dets masse. 8
De absolutte verdiene av fe (~10 -8 cm) er betydelig større enn fр (~10 -11 cm), det vil si at atomet sprer elektroner sterkere enn røntgenstråler; fe avtar med økende sinθ/λ, kraftigere enn fр, men fes avhengighet av Z er svakere. Intensiteten til elektrondiffraksjon er omtrent 106 ganger større enn for røntgenstråler. Nøytroner er spredt av atomkjerner (faktor fn), og også på grunn av samspillet mellom de magnetiske øyeblikkene til nøytroner med magnetiske momenter av atomer som ikke er null (faktor fnm). Virkningsradiusen til kjernekrefter er veldig liten (~10 -6 nm), derfor er verdiene til fn praktisk talt uavhengige av θ. I tillegg avhenger ikke faktorene fн monotont av atomnummeret Z og kan, i motsetning til fр og fe, ha negative verdier. I absolutt verdi fn ~10 -12 cm. 9
Intensiteten av nøytrondiffraksjon er omtrent 100 ganger mindre enn for røntgenstråling. Fordelen med metoden er at den hjelper å identifisere forskjellene mellom atomer med lignende serienummer, som er vanskelig å gjøre ved hjelp av radiografi og elektrondiffraksjonsmetoder. Intensiteten I(er) for spredning av en krystall er proporsjonal med kvadratet av amplitudemodulen: I(s)~|F(s)|2. Bare modulene |F(s)| kan bestemmes eksperimentelt, og for å konstruere spredningstetthetsfunksjonen ρ(r) er det også nødvendig å kjenne fasene φ(s) for hver s. Likevel gjør teorien om diffraksjonsmetoder det mulig å få funksjonen ρ(r) fra de målte I(ene), det vil si å bestemme strukturen til stoffer. I dette tilfellet oppnås de beste resultatene når du studerer krystaller 10
Røntgenstrukturanalyse av enkeltkrystaller og pulver Røntgenstrukturanalyse (XRD) er basert på diffraksjonen av røntgenstråler som passerer gjennom en enkeltkrystall og oppstår når de interagerer med prøven av røntgenstråling med en bølgelengde på omtrent 0,1 nm. Vanligvis brukes karakteristisk røntgenstråling, kilden som vanligvis er et røntgenrør. Strukturell analyse involverer vanligvis innhenting av eksperimentelle data og deres matematiske prosessering. Instrumentet for røntgendiffraksjon er et diffraktometer, som inkluderer en strålingskilde, et goniometer, en detektor og en måle- og kontrollenhet. elleve
Goniometeret brukes til å installere (med en nøyaktighet på ca. 13 buesekunder) prøven som studeres og detektoren i posisjonen som kreves for å oppnå diffraksjonsmønsteret. Detektorene er scintillasjons-, proporsjonaltellere eller halvledertellere. Måleapparatet registrerer (kontinuerlig eller punkt for punkt) intensiteten til røntgendiffraksjonsgoniometeret. maksima (refleksjoner, refleksjoner) avhengig av diffraksjonsvinkelen - vinkelen mellom innfallende og diffraksjonerte stråler 12
Ved bruk av røntgendiffraksjon, polykrystallinske prøver og enkeltkrystaller av metaller, legeringer, mineraler, flytende krystaller, polymerer, biopolymerer, ulike lavmolekylære organiske og ikke organiske forbindelser. I en ekte kropp som røntgenstråling er rettet til, er det et stort antall atomer, og hver av dem blir en kilde til spredte bølger. Strålingsenergien spres i forskjellige retninger med forskjellige intensiteter. Type spredningsmønster vil avhenge av typen atomer, avstandene mellom dem, frekvensen av den innfallende strålingen og en rekke andre faktorer. Den russiske forskeren Wulf og den engelske faren og sønnen Bregga ga en enkel tolkning av forstyrrelsen av røntgenstråler i krystaller, og forklarte den ved refleksjon fra atomnettverk. 1. 3
Et tredimensjonalt krystallgitter kan betraktes som et uendelig sett med sett med parallelle atomplan med en interplanar avstand d. La en parallell stråle av monokromatiske stråler med bølgelengde l falle på krystallen i en beitevinkel q. . Strålene reflekteres fra en familie av plan parallelt med overflaten med en interplanar avstand d i samme vinkel q. Parallelle reflekterte stråler I og II forstyrrer, det vil si at de styrker og svekker hverandre. 14
Hvis deres veiforskjell mellom parallellreflekterte stråler I og II Δ=(AB+BC)-AD er lik et heltall n bølgelengder l, så observeres det maksimal interferens. Betingelsen for forekomsten av et slikt maksimum kan skrives som 2 dhklsinθ= n λ. Dette forholdet kalles Wulff-Bragg-loven. Dette forholdet er en konsekvens av periodisiteten til det romlige gitteret og er ikke relatert til arrangementet av atomer i en celle eller ved gittersteder. 15
Laue-forhold Dette er forholdene under hvilke interferensmaksima oppstår når stråling spres ved krystallgittersteder. La oss velge en rad med noder i krystallen i retning av x-aksen med en avstand mellom noder a. Hvis en stråle av parallelle monokromatiske stråler med bølgelengde λ rettes mot en slik rad i en vilkårlig vinkel φ 0, vil interferensmaksimumet bare bli observert i retninger der alle refleksjoner fra nodene forsterker hverandre. Dette vil være hvis veiforskjellen mellom den innfallende strålen og strålen spredt av en hvilken som helst node i serien Δ=AC-BD er lik et heltall av bølgelengder: 16
For tre ikke-koplanare retninger har Laue-betingelsene formen der ψ0 og χ0 er innfallsvinklene til røntgenstråler på nodalrekkene som ligger langs retningene, henholdsvis, og k og l er de tilsvarende interferensindeksene. Laue-interferensligningen og Wulff-Bragg-loven 17 er ekvivalente med hverandre.
Således er det i hver krystall mulig å skille et sett med periodisk plasserte plan, som er dannet av atomer i krystallgitteret arrangert i riktig rekkefølge. Røntgenstråler trenger inn i krystallen og reflekteres fra hvert plan i denne enheten. Som et resultat oppstår mange sammenhengende stråler av røntgenstråler, mellom hvilke det er en veiforskjell. Strålene interfererer med hverandre på samme måte som lysbølger på et konvensjonelt diffraksjonsgitter forstyrrer når de passerer gjennom spalter. Når Laue- og Wulf-Bragg-betingelsene er oppfylt, gir hvert sett med periodisk plasserte fly sitt eget system av flekker - maksima. Plasseringen av flekker på fotografisk film bestemmes fullstendig av avstanden mellom planene d. 18
Røntgenstråler med en bølgelengde λ som innfaller i en vilkårlig vinkel q på en enkelt krystall vil generelt ikke bli reflektert. For at Laues betingelser eller Wulf-Bragg-loven skal være oppfylt, er det nødvendig å velge enten bølgelengder eller innfallsvinkler. Basert på dette utvalget ble det utviklet tre hovedmetoder for å oppnå et diffraksjonsmønster: - Laue-metoden, - enkeltkrystallrotasjonsmetoden, - pulvermetoden (Debye - Scherrer). 19
Laue-metoden En ikke-monokromatisk stråle av røntgenstråler (elektroner eller nøytroner) er rettet mot en fast enkeltkrystall. Krystallen "velger" de bølgelengdene som Wulff-Bragg-betingelsen er tilfredsstilt for. Spredte stråler produserer punktrefleksjoner på filmen, som hver har sin egen bølgelengde fra det polykromatiske spekteret. Hvert punkt på Lauegrammet tilsvarer et spesifikt gitterplan. Symmetrien i 20-punktsarrangementet gjenspeiler symmetrien til krystallen.
21
Enkeltkrystallrotasjonsmetode Krystallen roteres rundt en akse som er vinkelrett på retningen til den innfallende monokromatiske strålen av røntgenstråler eller nøytroner. Det er film plassert rundt den i en sylindrisk kassett. Når krystallen roteres, inntar forskjellige atomplan posisjoner der strålene som reflekteres fra dem forstyrrer. 22
Planer parallelle med rotasjonsaksen vil gi et diffraksjonsmønster i form av punkter plassert langs en rett linje som går gjennom midten av filmen og kalles nulllagslinjen av den første typen. Plan orientert på skrå i forhold til rotasjonsaksen vil gi refleksjoner som danner laglinjer plassert over og under nulllinjen. Fra avstanden mellom laglinjer av den første typen kan vi beregne den korteste avstanden mellom atomer som ligger langs den krystallografiske retningen parallelt med krystallens rotasjonsakse. I motsetning til Laue-metoden, som tjener til å bestemme symmetrielementene til krystaller, gjør rotasjonsmetoden det mulig å bestemme strukturen til krystallen, det vil si å etablere formen og periodene til enhetscellen, og i noen tilfeller finne koordinatene til alle grunnleggende atomer. 23
Pulvermetode (Debye - Scherrer) Studie av pulver (polykrystallinske) materialer i monokromatisk stråling. Antallet korn (krystallitter) med helt vilkårlig orientering er ganske stort. Vi kan anta at de har alle mulige orienteringer og at alle orienteringer er like sannsynlige. De innfallende strålene reflekteres fra de krystallittene som, i forhold til retningen til den innfallende strålen, er orientert på en slik måte at Wulff-betingelsen er tilfredsstilt. Bragg. Det er to måter å registrere et diffraksjonsmønster på: på fotografisk film (fotometode) og ved å bruke en teller (diffraktometrisk metode). 24
I fotometoden ser diffraksjonsmønsteret på film ut som en serie konsentriske sirkler. Diffraktometeret registrerer mønsteret i form av en veksling av bakgrunnskurven og interferensmaksima. Sistnevnte forekommer ved visse vinkler av posisjonen til telleren 2 q. Fra den målte spredningsvinkelen q kan interplanare avstander beregnes for ethvert diffraksjonsmaksimum. 25 Fe 3 O 4 a – røntgen; b – nøytroner.
Polykrystallinske prøver oppnås som et resultat av sintring fra et krystallinsk stoff malt til pulver. Prøven som produseres på denne måten plasseres på kameraets akse, på sideveggene som fotografisk film er plassert. Når en polykrystallinsk prøve bestråles med monokromatisk røntgenstråling, vises retningskegler på grunn av den tilfeldige orienteringen av de krystallinske planene til dens forskjellige komponenter. Diffraksjonsmønsteret (Debyegram) har form av ringer eller striper. Analysen lar oss bestemme hovedelementene i krystallstrukturen. 26
dhkl-settet kalles et krystallpass. Informasjon om interplanare avstander til ulike krystaller presenteres i form av databaser: JCPD, MINCRYST. Ved å vite fra eksperiment for en gitt prøve verdiene av interplanare avstander dhkl og verdiene for relative refleksjonsintensiteter Irel, er det i mange tilfeller mulig å fastslå typen stoff eller dets fase. Etter å ha oppnådd diffraksjonsmønsteret, gjøres det en antagelse om typen krystallstruktur, indeksene til de oppnådde refleksjonene bestemmes, dimensjonene til enhetscellen bestemmes, hvis den kjemiske sammensetningen og tettheten til materialet er kjent, antall atomer i enhetscellen beregnes. Basert på den integrerte intensiteten til diffraksjonslinjer, kan plasseringen av atomer i en enhetscelle bestemmes. 27
Når det gjelder polykrystallinske prøver, etableres strukturen ved prøving og feiling: tidligere ukjente detaljer legges til et tidligere kjent eller antatt rammeverk av atomstrukturen (for eksempel inneholdende bare "tunge" atomer) og intensitetene til maksima er beregnet, som deretter sammenlignes med eksperimentelt oppnådde verdier. Ved å bruke XRD, polykrystallinske prøver og enkeltkrystaller av metaller, legeringer, mineraler, flytende krystaller, polymerer, biopolymerer, ulike lavmolekylære organiske og uorganiske forbindelser. 28
Når man studerer en enkelt krystall (oftest i form av en kule med en diameter på 0,1 -0,3 mm), er det første trinnet i å bestemme strukturen indeksering, dvs. å etablere indeksene (h k l) for alle refleksjoner observert i diffraksjonsmønsteret av en gitt krystall. Indekseringsprosessen er basert på det faktum at verdiene til de interplanare avstandene dhkl er relatert til verdiene til periodene (a, b, c) og vinklene (α, β, γ) til enhetscellen for brønn -definerte relasjoner (kvadratiske former). Etter indeksering bestemmes periodene til enhetscellen. Basert på det vanlige fraværet av noen refleksjoner, blir romgruppen for symmetri av krystallen bedømt. . 29
Å indikere diffraksjonsmønsteret og å bestemme periodene til krystallgitteret er de første stadiene for å etablere den atomære strukturen til krystaller, dvs. å finne relativ posisjon atomer i en enhetscelle Bestemmelse av atomstrukturen er basert på en analyse av intensitetene til diffraksjonsmaksima. Refleksjonsintensiteten I(h k l) er proporsjonal med kvadratmodulen til den strukturelle amplituden F(h k l), hvis verdi bestemmes av koordinatene til atomene i krystallcellen. De absolutte verdiene av strukturelle amplituder F(h k l) beregnes fra refleksjonsintensiteten. Analyse av strukturelle amplituder lar oss bestemme type 30 Bravais-gitter.
Intensitetene til diffraksjonsstrålene I(h k l) er relatert til koordinatene til atomene xj, yj, zj i enhetscellen ved relasjonene: hvor F(h k l) er Fourier-koeffisientene, som i røntgenanalyse kalles strukturelle amplituder, K er proporsjonalitetskoeffisienten, φ(h k l) er startfasen av diffraksjonsstrålen, fj er atomspredningsfaktoren til det jte atomet; h, k, l - heltall som karakteriserer plasseringen av ansiktene og de tilsvarende atomplanene i krystallen (diffraksjonsstråleindekser); N- totalt antall atomer i en enhetscelle; i=√-1. 31
Verdien |F(h k l)| kan beregnes direkte fra I(h k l), men verdien av φ(h k l) forblir ukjent (problemet med de innledende fasene). Fasene til strukturelle amplituder (dvs. faseforskyvningen av den reflekterte bølgen i forhold til den innfallende bølgen) kan i det generelle tilfellet ikke bestemmes direkte fra eksperimentet. Det finnes metoder for å løse problemet med innledende faser: - Pattersons metode, brukt ved dechiffrering av strukturene til forbindelser som inneholder, sammen med lette (H, C, N, O), tungmetallatomer, hvis koordinater bestemmes først og fremst . Koordinatene til lette atomer i en enhetscelle bestemmes ved å beregne elektrontetthetsfordelingen ρ(x, y, z). 32
Elektrontetthetsfunksjonen er representert som en Fourier-serie ρ(x, y, z): der h, k, l er indeksene til det reflekterende planet, Fhkl = |Fhkl|exp er den tilsvarende strukturelle amplituden til den spredte strålingen, φhkl er dens fase. Elektrontetthet er sannsynlighetstettheten for fordelingen av elektroner i et atom, molekyl, krystall. For å konstruere funksjonen ρ(x, y, z) brukes eksperimentelt bestemte størrelser |Fhkl|. Behandling av eksperimentelle data gjør det mulig å rekonstruere strukturen i form av. Posisjonene til maksima for funksjonen ρ(x, y, z) identifiseres med posisjonene til atomene, og formen til maksima brukes til å bedømme de 33 termiske vibrasjonene til atomene.
Etter å ha bestemt den generelle karakteren til krystallstrukturen, foredles den ved suksessivt å tilnærme verdiene til teoretisk beregnede strukturelle amplituder til de eksperimentelt bestemte. På denne måten spesifiseres spesielt koordinatene til atomene (xj, yj, zj) og konstantene til deres termiske vibrasjoner. Kriteriet for riktig bestemmelse av strukturen er divergensfaktoren R. R = 0,05: 0,04 strukturen er bestemt med god nøyaktighet, R ≤ 0,02 - presisjon. 34
Atomstrukturen er representert som et sett med atomkoordinater og parametere for deres termiske vibrasjoner. Fra disse dataene kan interatomiske avstander og valensvinkler beregnes med en feil på henholdsvis 10 -3 - 10 -4 nm og 0,2 -2°. Dette gjør det mulig å mer nøyaktig fastslå den kjemiske sammensetningen av krystallen, typen mulige isomorfe substitusjoner (pålitelighet og nøyaktighet i dette tilfellet avhenger av elementets atomnummer), arten av termiske vibrasjoner av atomer, etc. 35
Takket være presisjonsbehandling av eksperimentelle data er det mulig å studere fordelingen av elektrontetthet mellom atomer. For å gjøre dette, konstruer en defosom beskriver omfordelingen av elektroner i atomer under dannelsen av en kjemisk binding mellom dem. Analyse av deformgjør det mulig å fastslå graden av ladningsoverføring, bindingskovalens, romlig arrangement av ensomme elektronpar osv. 36
Røntgendiffraksjonsanalysemetoden (XRD) gjør det mulig å etablere: - stereokjemiske og krystallokjemiske mønstre av strukturen til kjemiske forbindelser av forskjellige klasser, - korrelasjoner mellom strukturelle egenskaper til et stoff og dets fysiske egenskaper. kjemiske egenskaper, - innhente innledende data for dybdeutvikling av teorien om kjemiske bindinger og studie av kjemiske reaksjoner, - analysere termiske vibrasjoner av atomer i krystaller, - studere fordelingen av elektrontetthet i krystaller. 37
Elektronografi Studier av atomstrukturen til krystaller kan også utføres ved hjelp av metoder basert på elektrondiffraksjon. Elektrondiffraksjon som metode for å studere strukturen til krystaller har følgende egenskaper: 1) samspillet mellom et stoff og elektroner er mye sterkere enn med røntgenstråler, så diffraksjon skjer i tynne lag 1-100 nm tykke; 2) fе avhenger av atomnummeret mindre enn fр, noe som gjør det lettere å bestemme plasseringen av lette atomer i nærvær av tunge; 3) på grunn av det faktum at bølgelengden til ofte brukte raske elektroner med en energi på 50 -300 kOe. B er omtrent 5,10 -3 nm, den geometriske tolkningen av elektrondiffraksjonsmønstre er mye enklere. 38
Strukturell elektrondiffraksjon er mye brukt for å studere fint spredte objekter, samt for å studere ulike typer teksturer (leiremineraler, halvlederfilmer, etc.). Lavenergi elektrondiffraksjon (10 -300 e.V, λ 0.10.4 nm) er en effektiv metode for å studere krystalloverflater: arrangementet av atomer, arten av deres termiske vibrasjoner osv. Hovedmetoden er overføringsmetoden, som bruker elektrondiffraksjon høye energier (50 -300 ke. V, som tilsvarer en bølgelengde på ca. 5 -10 -3 nm). 39
Elektrondiffraksjon utføres i spesielle elektrondiffraksjonsenheter, hvor det opprettholdes et vakuum på 105 -10 -6 Pa, med en eksponeringstid på ca. 1 s, eller i transmisjonselektronmikroskop. Prøver for forskning fremstilles i form av tynne filmer med en tykkelse på 10–50 nm, ved å avsette et krystallinsk stoff fra løsninger eller suspensjoner, eller ved å oppnå filmer ved vakuumsputtering. Prøver er mosaikk enkrystall, tekstur eller polykrystall. Et diffraksjonsmønster - et elektrondiffraksjonsmønster - oppstår som et resultat av passasjen av en innledende monokromatisk elektronstråle gjennom en prøve og er et sett med ordnede diffraksjonsflekker - refleksjoner, som bestemmes av arrangementet av atomer i objektet som studeres . 40
Refleksjoner er preget av interplanare avstander d hkl i krystallen og intensitet I hkl, hvor h, k og l er Miller-indekser. Enhetscellen til krystallen bestemmes av størrelsen og plasseringen av refleksjonene. Ved å bruke data om intensiteten av refleksjoner er det mulig å bestemme krystallens atomstruktur. Metodene for å beregne atomstrukturen er nær de som brukes i røntgenstrukturanalyse. Beregninger, vanligvis utført på en datamaskin, gjør det mulig å etablere koordinatene til atomer, avstandene mellom dem osv. Elektronografi gjør det mulig: - å utføre faseanalyse av et stoff, - å studere faseoverganger i prøver og å etablere geometriske sammenhenger mellom de nye fasene, 41 - for å studere polymorfisme.
Strukturene til ioniske krystaller, krystallhydrater, oksider, karbider og nitrider av metaller, halvlederforbindelser, organisk materiale, polymerer, proteiner, forskjellige mineraler (spesielt lagdelte silikater), etc. Når man studerer massive prøver, brukes elektronrefleksjonsdiffraksjon, når den innfallende strålen ser ut til å gli langs overflaten av prøven og penetrere til en dybde på 5 -50 nm. Diffraksjonsmønsteret i dette tilfellet gjenspeiler strukturen til overflaten. På denne måten kan du studere adsorpsjonsfenomener, epitaksi, oksidasjonsprosesser osv. 42
Hvis en krystall har en atomstruktur nær ideell, og diffraksjon ved transmisjon eller refleksjon skjer på en dybde på ~ 50 nm eller mer, oppnås et diffraksjonsmønster, basert på hvilket konklusjoner kan trekkes om strukturens perfeksjon. Ved bruk av lavenergielektroner (10300 e.V) går penetrasjonen til en dybde på kun 1-2 atomlag. Basert på intensiteten til de reflekterte strålene, kan strukturen til overflaten av atomgitteret av krystaller bestemmes. Denne metoden etablerte forskjellen i overflatestrukturen til Ge-, Si- og Ga-krystaller. As, Mo, Au og andre på den indre strukturen, dvs. tilstedeværelsen av en overflateoverbygning. Så, for eksempel, for Si på (111)-flaten dannes det en struktur, betegnet 7 x 7, det vil si at perioden til overflategitteret i dette tilfellet overskrider perioden til den indre atomstrukturen med 7 ganger. 43
Elektronmikroskopi Elektrondiffraksjon kombineres ofte med elektronmikroskopi høy oppløsning, som lar en få et direkte bilde av atomgitteret til en krystall. Bildet av objektet er rekonstruert fra diffraksjonsmønsteret og gjør det mulig å studere strukturen til krystaller med en oppløsning på 0,2 -0,5 nm. Elektronmikroskopi er et sett med elektronsondemetoder for å studere mikrostrukturen til faste stoffer, deres lokale sammensetning og mikrofelt (elektriske, magnetiske, etc.). For å gjøre dette brukes elektronmikroskoper - instrumenter som bruker en elektronstråle for å få forstørrede bilder. 44
Det er to hovedretninger for elektronmikroskopi: overføring (overføring) og raster (skanning). De gir kvalitativt forskjellig informasjon om studieobjektet og brukes ofte sammen. I elektronmikroskoper er en elektronstråle en rettet stråle av akselererte elektroner, som brukes til å belyse prøver eller eksitere sekundær stråling i dem (for eksempel røntgenstråler). En akselererende spenning skapes mellom elektrodene til elektronkanonen, som bestemmer den kinetiske energien til elektronstrålen. Den minste avstanden mellom to mikrostrukturelementer som er synlige separat i et bilde, kalles oppløsning. Det avhenger av egenskapene til elektronmikroskoper, driftsmodus og egenskapene til prøvene. 45
Transmisjonsmikroskopi implementeres ved hjelp av transmisjons(transmisjons) elektronmikroskoper, der et tynnfilmobjekt belyses av en stråle av akselererte elektroner med en energi på 50-200 kOe. B. Elektroner, som avbøyes av objektets atomer i små vinkler og passerer gjennom det med små energitap, går inn i et system av magnetiske linser, som danner et lysfeltbilde av den indre strukturen på en selvlysende skjerm (og på fotografisk film). ). 46
Et lysfeltbilde er et forstørret bilde av en mikrostruktur dannet av elektroner som passerer gjennom et objekt med lavt energitap. Strukturen er avbildet på katodestrålerørskjermen som mørke linjer og flekker på en lys bakgrunn. I dette tilfellet er det mulig å oppnå en oppløsning i størrelsesorden 0,1 nm (en økning på opptil 1,5 x 106 ganger). Transmisjonsmikroskopi gir også diffraksjonsmønstre (elektronogrammer), som gjør det mulig å bedømme krystallstrukturen til objekter og nøyaktig måle parametrene til krystallgitter. Kombinert med direkte observasjoner av krystallgitter i høyoppløselige transmisjonselektronmikroskoper, er denne metoden en av hovedmetodene for å studere den ultrafine strukturen til faste stoffer.
For diffraksjon i elektronmikroskop, annet spesielle metoder, slik som den konvergerende stråle og tynnstråle nanodiffraksjonsmetoden. I det første tilfellet oppnås diffraksjonsmønstre, hvorfra symmetrien (romgruppen) til krystallen som studeres kan bestemmes. Den andre metoden gjør det mulig å studere de minste krystallene (flere nm). Skanneelektronmikroskop 48
Det finnes ulike metoder for å studere metabolisme i kroppen og individuelle organer. En av de eldste metodene er balanseeksperimenter , som består i å studere mengden innkommende organiske stoffer og mengden sluttprodukter som dannes.
For å studere metabolisme i enkeltorganer brukes metoden isolerte organer . Organer som er i stand til å opprettholde sin vitale aktivitet i noen tid og kan bruke næringsstoffer som passerer gjennom blodet til sine aktiviteter.
For å studere metabolisme i individuelle organer - angeostomi metode. Utviklet av London. Spesielle rør er plassert på blodårene, som lar blod strømme til ethvert organ. Den metabolske prosessen bedømmes av endringer i den kjemiske sammensetningen av blodet.
For tiden mye brukt merket atommetode – basert på bruk av forbindelser hvis molekyler inkluderer atomer av tunge og radioaktive isotoper av bioelementer. Når forbindelser merket med slike isotoper introduseres i kroppen, brukes radiometriske analysemetoder for å spore skjebnen til elementer eller forbindelser i kroppen og dens deltakelse i metabolske prosesser.
Spørsmål 59 Proteinmetabolisme. Deres klassifisering (to typer) og egenskaper. Betydning for kroppen. Biologisk verdi av proteiner. Nitrogenbalanse. Leverens rolle i proteinmetabolismen. Funksjoner ved proteinmetabolisme hos drøvtyggere. Regulering av proteinmetabolisme
Proteinmetabolisme FUNKSJONER AV PROTEINER
Plast funksjon proteiner skal sikre vekst og utvikling av kroppen gjennom biosynteseprosesser.
Enzymaktivitet proteiner regulerer hastigheten på biokjemiske reaksjoner.
Beskyttende funksjon av proteiner består av dannelsen av immunproteiner - antistoffer. Proteiner er i stand til å binde giftstoffer og giftstoffer og sørger også for blodpropp (hemostase).
Transportfunksjon involverer overføring av oksygen og karbondioksid med proteiner i røde blodlegemer hemoglobin, samt i binding og overføring av visse ioner (jern, kobber, hydrogen), medikamenter og giftstoffer.
Energi rolle proteiner skyldes deres evne til å frigjøre energi under oksidasjon.
Proteinmetabolisme går gjennom fire hovedstadier:
Proteinnedbrytning i mage-tarmkanalen og absorpsjon i form av aminosyrer;
Det sentrale leddet i metabolismen er syntesen av kroppens egne proteiner fra aminosyrer og nedbrytningen av protein i cellene;
Mellomliggende transformasjoner av aminosyrer i celler;
Dannelse og utskillelse av sluttprodukter av proteinmetabolisme.
Nitrogenbalanse
En indirekte indikator på aktiviteten til proteinmetabolisme er den såkalte nitrogenbalanse- forskjellen mellom mengden nitrogen mottatt fra mat og mengden nitrogen som skilles ut fra kroppen i form av sluttmetabolitter.
Nitrogenbalanse- mengde tilført nitrogen er lik mengde som skilles ut (merkes hos et voksent friskt dyr under normale fôrings- og oppstallingsforhold)
Positiv nitrogenbalanse overskrider fremhevet.
Negativ nitrogenbalanse- en tilstand der mengden nitrogen som tilføres mindre tildelt.
Ved beregning av nitrogenbalansen er det basert på at protein inneholder ca 16 % nitrogen, det vil si at hver 16 g nitrogen tilsvarer 100 g protein (100:16 = 6,25).
Minimum protein
Den minste mengden protein introdusert med mat, som bidrar til å opprettholde nitrogenbalansen.
Små storfe, griser – 1g/kg levende vekt
Hester – 0,7-0,8 (1,2-1,42)
Kyr – 0,6–0,7 (1)
Menneske – 1,5-1,7 (proteinoptimalt).
Uavhengig av artsspesifisitet er alle forskjellige protein strukturer inneholde alt 20 aminosyrer . For normal metabolisme er ikke bare mengden mottatt protein viktig, men også dens kvalitative sammensetning, nemlig forholdet utskiftbare Og essensielle aminosyrer.
Det er 10 essensielle aminosyrer for monogastriske dyr, fugler og mennesker: disin, tryptofan, histidin, fenylalanin, leucin, isoleucin, metionin, valin, treonin, arginin.
Biologisk verdi av proteiner
Drøvtyggere og noen andre dyrearter har sine egne egenskaper i proteinmetabolismen: mikrofloraen til proventriculus er i stand til å syntetisere alle essensielle aminosyrer og kan derfor overleve på mat uten essensielle aminosyrer.
Proteiner som ikke inneholder minst én essensiell aminosyre eller hvis de finnes i utilstrekkelige mengder kalles defekt (vegetabilske proteiner).
Aminosyremetabolisme
Hovedstedet for aminosyremetabolisme er leveren:
deaminering - eliminering av aminogruppen (i form av ammoniakk) med dannelse av fettsyrer, hydroksysyrer, ketosyrer;
transaminering - overføring av aminogrupper fra aminosyrer til ketosyrer med dannelse av en annen aminosyre og ketosyre uten mellomliggende dannelse av ammoniakk;
dekarboksylering – eliminering av karboksylgruppen i form av karbondioksid med dannelse av biogene aminer.
Regulering av proteinmetabolisme
Glukokortikoider- akselerere nedbrytningen av proteiner og aminosyrer, noe som resulterer i økt frigjøring av nitrogen fra kroppen.
Virkningsmekanismen STG består i å akselerere cellebruken av aminosyrer. Følgelig, med akromegali og hypofysegigantisme, observeres en positiv nitrogenbalanse, og med hypofysektomi og hypofyse-dvergvekst observeres en negativ balanse.
Tyroksin: med hyperfunksjon av skjoldbruskkjertelen øker proteinmetabolismen
Hypofunksjon er ledsaget av en nedgang i metabolismen, veksten og utviklingen av kroppen stopper.
I leveren ikke bare proteinsyntese forekommer, men også produktene av deres råtnende desinfiseres. I nyrene deaminering av nitrogenmetabolismeprodukter skjer.
Røntgendiffraksjonsanalyse: 1) Fra diffraksjonsmønstrene som oppnås når en røntgenstråle passerer gjennom krystallen, bestemmes interatomiske avstander og strukturen til krystallen etableres; 2) Mye brukt å bestemme strukturen til proteiner og nukleinsyremolekyler; 3) Bindingslengder og -vinkler som er nøyaktig etablert for små molekyler, brukes som standardverdier under antagelsen om at de forblir de samme i mer komplekse polymerstrukturer; 4) Et av stadiene i å bestemme strukturen til proteiner og nukleinsyrer er konstruksjonen av molekylære modeller av polymerer som er konsistente med røntgendata og beholder standardverdier for bindingslengder og bindingsvinkler
Kjernefysisk magnetisk resonans: 1) I kjernen - absorpsjon av elektromagnetiske bølger i radiofrekvensområdet av atomkjerner har et magnetisk øyeblikk; 2) Absorpsjon av et energikvante skjer når kjernene er i det sterke magnetfeltet til NMR-spektrometeret; 3) Kjerner med forskjellige kjemiske miljøer absorbere energi i et magnetfelt med litt forskjellig spenning (eller, ved konstant spenning, litt forskjellige frekvens radiofrekvensoscillasjoner); 4) Resultatet er NMR-spektrum et stoff der magnetisk asymmetriske kjerner er preget av visse signaler - "kjemiske skift" i forhold til enhver standard ; 5) NMR-spektre gjør det mulig å bestemme antall atomer til et gitt grunnstoff i en forbindelse og antall og natur av andre atomer som omgir et gitt grunnstoff.
Elektron paramagnetisk resonans (EPR): 1) Resonant absorpsjon av stråling av elektroner brukes
Elektronmikroskopi:1) De bruker et elektronmikroskop som forstørrer gjenstander millioner av ganger; 2) De første elektronmikroskopene dukket opp i 1939; 3) Med en oppløsning på ~0,4 nm lar et elektronmikroskop deg "se" molekyler av proteiner og nukleinsyrer, samt detaljer om strukturen til cellulære organeller; 4) I 1950 ble de designet mikrotomer Og kniver , slik at du kan lage ultratynne (20–200 nm) seksjoner av vev tidligere innebygd i plast
Metoder for proteinisolering og rensing: Når en proteinkilde er valgt, er neste trinn å trekke den ut fra vevet. Når et ekstrakt som inneholder en betydelig del av proteinet av interesse er oppnådd og partikler og ikke-proteinmateriale er fjernet, kan proteinrensing begynne. Konsentrasjon . Det kan utføres ved utfelling av proteinet etterfulgt av oppløsning av utfellingen i et mindre volum. Vanligvis brukes ammoniumsulfat eller aceton. Proteinkonsentrasjonen i startløsningen må være minst 1 mg/ml. Termisk denaturering . I den innledende fasen av rensing brukes varmebehandling noen ganger for å skille proteiner. Det er effektivt hvis proteinet er relativt stabilt under oppvarmingsforhold mens de medfølgende proteinene er denaturert. I dette tilfellet varierer pH til løsningen, behandlingsvarigheten og temperaturen. For å velge optimale forhold utføres først en rekke små eksperimenter. Etter de første trinnene av rensing er proteinene langt fra en homogen tilstand. I den resulterende blandingen skiller proteiner seg fra hverandre i løselighet, molekylvekt, total ladning av molekylet, relativ stabilitet, etc. Utfelling av proteiner med organiske løsemidler. Dette er en av de gamle metodene. Det spiller en viktig rolle i proteinrensing i industriell skala. De mest brukte løsningsmidlene er etanol og aceton, sjeldnere - isopropanol, metanol og dioksan. Hovedmekanismen i prosessen: ettersom konsentrasjonen av det organiske løsningsmidlet øker, reduseres vannets evne til å løse ladede hydrofile enzymmolekyler. Det er en reduksjon i proteinløselighet til et nivå der aggregering og utfelling begynner. En viktig parameter som påvirker nedbør er størrelsen på proteinmolekylet. Jo større molekylet er, desto lavere er konsentrasjonen av organisk løsningsmiddel som forårsaker proteinutfelling. Gelfiltrering Ved hjelp av gelfiltreringsmetoden kan makromolekyler raskt separeres i henhold til størrelsen. Bæreren for kromatografi er en gel, som består av et tverrbundet tredimensjonalt molekylært nettverk, dannet i form av perler (granulat) for enkel fylling av kolonner. Så Sephadexes- disse er tverrbundne dekstraner (α-1→6-glukaner av mikrobiell opprinnelse) med spesifiserte porestørrelser. Dekstrankjeder er tverrbundet med tre-karbonbroer ved bruk av epiklorhydrin. Jo flere tverrbindinger, jo mindre hullstørrelser. Gelen oppnådd på denne måten spiller rollen som en molekylsikt. Når en løsning av en blanding av stoffer føres gjennom en kolonne fylt med hovne Sephadex-granulat, vil store partikler større enn porestørrelsen til Sephadex bevege seg raskt. Små molekyler, for eksempel salter, vil bevege seg sakte når de beveger seg inne i granulene. Elektroforese
Det fysiske prinsippet for elektroforesemetoden er som følger. Et proteinmolekyl i løsning ved en hvilken som helst pH forskjellig fra dets isoelektriske punkt har en viss gjennomsnittlig ladning. Dette får proteinet til å bevege seg i et elektrisk felt. Drivkraften bestemmes av størrelsen på spenningen elektrisk felt E multiplisert med partikkelens totale ladning z. Denne kraften motvirkes av de viskøse kreftene til mediet, proporsjonal med viskositetskoeffisienten η , partikkelradius r(Stokes radius) og hastighet v.; E ·z = 6πηrv.
Bestemmelse av proteinmolekylvekt. Massespektrometri (massespektroskopi, massespektrografi, massespektralanalyse, massespektrometrisk analyse) er en metode for å studere et stoff ved å bestemme masse-til-ladning-forholdet. Proteiner er i stand til å tilegne seg flere positive og negative ladninger. Atomer kjemiske elementer har en bestemt masse. Dermed lar en nøyaktig bestemmelse av massen til det analyserte molekylet en bestemme dets elementære sammensetning (se: elementær analyse). Massespektrometri gir også viktig informasjon om isotopsammensetningen til molekylene som analyseres.
Metoder for isolering og rensing av enzymer Isolering av enzymer fra biologisk materiale er den eneste virkelige måten å få enzymer på . Enzymkilder: tekstiler; bakterier dyrket på et medium som inneholder et passende substrat; cellulære strukturer (mitokondrier, etc.). Det er nødvendig å først velge de nødvendige gjenstandene fra biologisk materiale.
Metoder for å isolere enzymer: 1) Utdrag(oversettelse til løsning): bufferløsning (hindrer forsuring); tørking med aceton ; behandle materialet med en blanding av butanol og vann ; ekstraksjon med forskjellige organiske løsemidler, vandige løsninger av vaskemidler ; behandling av materiale med perklorater, hydrolytiske enzymer (lipaser, nukleaser, proteolytiske enzymer)
Butanol ødelegger lipoproteinkomplekset, og enzymet går over i den vandige fasen.
Behandling med vaskemiddel resulterer i ekte oppløsning av enzymet.
Fraksjonering. Faktorer som påvirker resultatene: pH, elektrolyttkonsentrasjon. Det er nødvendig å hele tiden måle enzymaktivitet.
Fraksjonert nedbør med pH-endringer
Fraksjonert denaturering ved oppvarming
Fraksjonert utfelling med organiske løsemidler
· fraksjonering med salter – utsalting
fraksjonert adsorpsjon (A. Ya. Danilevsky): adsorbenten tilsettes enzymløsningen, deretter separeres hver porsjon ved sentrifugering
§ hvis enzymet er adsorbert, separeres det og elueres deretter fra adsorbenten
§ hvis enzymet ikke er adsorbert, brukes behandling med adsorbent for å separere ballaststoffer
enzymløsningen føres gjennom en kolonne med en adsorbent og fraksjoner samles opp
Enzymer adsorberes selektivt: kolonnekromatografi, elektroforese; krystallisering - oppnåelse av høyt rensede enzymer.
Cellen som minimumsenhet av liv.
Moderne celleteori inkluderer følgende grunnleggende bestemmelser: Cellen er den grunnleggende enheten for struktur og utvikling av alle levende organismer, den minste enheten av de levende. Cellene til alle encellede og flercellede organismer er like (homologe) i struktur, kjemisk sammensetning og grunnleggende manifestasjoner av vitale funksjoner. og metabolisme. Cellereproduksjon skjer ved å dele dem, dvs. hver ny celle. I komplekse flercellede organismer er celler spesialiserte i funksjonen de utfører og danner vev; Organer består av vev. Cl er et elementært levende system som er i stand til selvfornyelse, selvregulering og selvproduksjon.
Cellestruktur. størrelsen på prokaryote celler er gjennomsnittlig 0,5-5 mikron, størrelsen på eukaryote celler er gjennomsnittlig fra 10 til 50 mikron.
Det er to typer mobilorganisasjon: prokaryot og eukaryote. Prokaryote celler har en relativt enkel struktur. De har ikke en morfologisk atskilt kjerne; det eneste kromosomet er dannet av sirkulært DNA og ligger i cytoplasmaet. Cytoplasmaet inneholder mange små ribosomer; Det er ingen mikrotubuli, så cytoplasmaet er ubevegelig, og flimmerhår og flageller har en spesiell struktur. Bakterier er klassifisert som prokaryoter. De fleste moderne levende organismer tilhører ett av tre riker - planter, sopp eller dyr, forent i superriket av eukaryoter. Organismer er delt inn i encellede og flercellede. Encellede organismer består av én enkelt celle som utfører alle funksjoner. Alle prokaryoter er encellede.
Eukaryoter- organismer som i motsetning til prokaryoter har en dannet cellekjerne, avgrenset fra cytoplasma av en kjernemembran. Det genetiske materialet finnes i flere lineære dobbelttrådete DNA-molekyler (avhengig av typen organisme kan antallet per kjerne variere fra to til flere hundre), festet fra innsiden til cellekjernens membran og danner et kompleks med histonproteiner i de aller fleste, kalt kromatin. Eukaryote celler har et system av indre membraner som i tillegg til kjernen danner en rekke andre organeller (endoplasmatisk retikulum, Golgi-apparat, etc.). I tillegg har de aller fleste permanente intracellulære prokaryote symbionter - mitokondrier, og alger og planter har også plastider.
Biologiske membraner, deres egenskaper og funksjoner En av hovedtrekkene til alle eukaryote celler er overfloden og kompleksiteten til strukturen til indre membraner. Membraner skiller cytoplasma fra miljø, og danner også skall av kjerner, mitokondrier og plastider. De danner en labyrint av endoplasmatisk retikulum og stablede flate vesikler som utgjør Golgi-komplekset. Membraner danner lysosomer, store og små vakuoler av plante- og soppceller, og pulserende vakuoler av protozoer. Alle disse strukturene er rom (rom) beregnet for visse spesialiserte prosesser og sykluser. Derfor, uten membraner er eksistensen av en celle umulig. plasmamembran, eller plasmalemma,- den mest permanente, grunnleggende, universelle membranen for alle celler. Det er en tynn (ca. 10 nm) film som dekker hele cellen. Plasmalemmaet består av proteinmolekyler og fosfolipider. Fosfolipidmolekyler er ordnet i to rader - med hydrofobe ender innover, hydrofile hoder mot det indre og ytre vandige miljøet. Noen steder penetreres bilaget (dobbeltlaget) av fosfolipider gjennom og gjennom av proteinmolekyler (integrerte proteiner). Inne i slike proteinmolekyler er det kanaler - porer som vannløselige stoffer passerer gjennom. Annen proteinmolekyler penetrere lipid-dobbeltlaget halvveis på den ene eller den andre siden (semi-integrerte proteiner). Det er perifere proteiner på overflaten av membranene til eukaryote celler. Lipid- og proteinmolekyler holdes sammen på grunn av hydrofile-hydrofobe interaksjoner. Egenskaper og funksjoner til membraner. Alle cellemembraner er mobile væskestrukturer, siden lipid- og proteinmolekyler ikke er sammenkoblet med kovalente bindinger og er i stand til å bevege seg ganske raskt i membranens plan. Takket være dette kan membraner endre konfigurasjonen, det vil si at de har fluiditet. Membraner er svært dynamiske strukturer. De kommer seg raskt etter skade og strekker seg og trekker seg sammen med cellulære bevegelser. Membraner av forskjellige typer celler varierer betydelig både i kjemisk sammensetning og i det relative innholdet av proteiner, glykoproteiner, lipider i dem, og følgelig i naturen til reseptorene de inneholder. Hver celletype er derfor preget av en individualitet, som hovedsakelig bestemmes glykoproteiner. Forgrenede glykoproteiner som stikker ut fra cellemembranen er involvert i anerkjennelse av faktorer ytre miljø, så vel som i gjensidig anerkjennelse av beslektede celler. For eksempel gjenkjenner et egg og en sperm hverandre ved celleoverflateglykoproteiner som passer sammen som separate elementer i en hel struktur. Slik gjensidig anerkjennelse er et nødvendig stadium før befruktning. Forbundet med anerkjennelse transportregulering molekyler og ioner gjennom membranen, samt en immunologisk respons der glykoproteiner spiller rollen som antigener. Sukker kan dermed fungere som informasjonsmolekyler (som proteiner og nukleinsyrer). Membranene inneholder også spesifikke reseptorer, elektronbærere, energiomformere og enzymproteiner. Proteiner er involvert i å sikre transport av visse molekyler inn eller ut av cellen, gir en strukturell forbindelse mellom cytoskjelettet og cellemembraner, eller fungerer som reseptorer for å motta og konvertere kjemiske signaler fra miljøet. selektiv permeabilitet. Dette betyr at molekyler og ioner passerer gjennom den med forskjellige hastigheter, og jo større størrelsen på molekylene er, desto langsommere er hastigheten de passerer gjennom membranen. Denne egenskapen definerer plasmamembranen som osmotisk barriere . Vann og gasser oppløst i det har den maksimale penetreringsevnen; Ioner passerer gjennom membranen mye saktere. Diffusjonen av vann gjennom en membran kalles ved osmose.Det er flere mekanismer for å transportere stoffer over membranen.
Diffusjon- penetrering av stoffer gjennom en membran langs en konsentrasjonsgradient (fra et område hvor konsentrasjonen er høyere til et område hvor konsentrasjonen er lavere). Med tilrettelagt diffusjon spesielle membrantransportproteiner binder seg selektivt til ett eller annet ion eller molekyl og transporterer dem over membranen langs en konsentrasjonsgradient.
Aktiv transport innebærer energikostnader og tjener til å transportere stoffer mot deres konsentrasjonsgradient. Han utføres av spesielle bærerproteiner som danner den såkalte ionepumper. Den mest studerte er Na - / K - pumpen i dyreceller, som aktivt pumper Na + ioner ut samtidig som den absorberer K - ioner. På grunn av dette opprettholdes en høyere konsentrasjon av K - og en lavere konsentrasjon av Na + i cellen sammenlignet med miljøet. Denne prosessen krever ATP-energi. Som et resultat av aktiv transport ved hjelp av membranpumpe i cellen, reguleres også konsentrasjonen av Mg 2- og Ca 2+.
På endocytose (endo...- innover) et visst område av plasmalemmaet fanger og omslutter så å si ekstracellulært materiale, og omslutter det i en membranvakuole som oppstår som et resultat av invaginering av membranen. Deretter forbindes en slik vakuole med et lysosom, hvis enzymer bryter ned makromolekyler til monomerer.
Den omvendte prosessen med endocytose er eksocytose (ekso...- ut). Takket være det fjerner cellen intracellulære produkter eller ufordøyde rester innelukket i vakuoler eller vesikler. Vesikkelen nærmer seg den cytoplasmatiske membranen, smelter sammen med den, og innholdet slippes ut i miljøet. Slik fjernes fordøyelsesenzymer, hormoner, hemicellulose osv.
Dermed fungerer biologiske membraner, som de viktigste strukturelle elementene i en celle, ikke bare som fysiske grenser, men er dynamiske funksjonelle overflater. Tallrike biokjemiske prosesser finner sted på membranene til organeller, som aktiv absorpsjon av stoffer, energiomdannelse, ATP-syntese, etc.
Funksjoner biologiske membraner følgende: De avgrenser innholdet i cellen fra det ytre miljø og innholdet av organeller fra cytoplasmaet. De sørger for transport av stoffer inn og ut av cellen, fra cytoplasma til organeller og omvendt.De fungerer som reseptorer (mottak og transformasjon av kjemiske stoffer fra miljøet, gjenkjennelse av cellestoffer osv.). De er katalysatorer (som sørger for kjemiske prosesser nær membran). Delta i energikonvertering.
"Hvor enn vi finner liv, finner vi det assosiert med en proteinholdig kropp, og hvor enn vi finner en proteinholdig kropp som er i ferd med nedbrytning, finner vi uten unntak fenomenet liv."
Proteiner er høymolekylære nitrogenholdige organiske forbindelser karakterisert ved en strengt definert elementær sammensetning og dekomponerer til aminosyrer under hydrolyse.
Egenskaper som skiller dem fra andre organiske forbindelser
1. Uuttømmelig variasjon av struktur og samtidig dens høye spesifikke unikhet
2. Stort utvalg av fysiske og kjemiske transformasjoner
3. Evnen til å reversibelt og ganske naturlig endre konfigurasjonen av molekylet som svar på ytre påvirkninger
4. Tendens til å danne supramolekylære strukturer og komplekser med andre kjemiske forbindelser
Polypeptidteori om proteinstruktur
bare E. Fisher (1902) formulerte polypeptidteorien bygninger. I følge denne teorien er proteiner komplekse polypeptider der individuelle aminosyrer er knyttet til hverandre ved hjelp av peptidbindinger som oppstår fra interaksjonen mellom α-karboksyl COOH og α-NH 2 grupper av aminosyrer. Ved å bruke eksempelet på samspillet mellom alanin og glycin, kan dannelsen av en peptidbinding og et dipeptid (med frigjøring av et vannmolekyl) representeres ved følgende ligning:
Navnet på peptidene består av navnet på den første N-terminale aminosyren med en fri NH 2 -gruppe (med endelsen -yl, typisk for acyler), navnene på påfølgende aminosyrer (også med endelser -yl) og fullt navn på den C-terminale aminosyren med en fri COOH-gruppe. For eksempel kan et pentapeptid med 5 aminosyrer betegnes fullt navn: glycyl-alanyl-seryl-cysteinyl-alanin, eller Gly-Ala-Ser-Cis-Ala for kort.
eksperimentelle bevis på polypeptidteorien protein struktur.
1. Naturlige proteiner inneholder relativt få titrerbare frie COOH- og NH2-grupper, siden det absolutte flertallet av dem er i en bundet tilstand, og deltar i dannelsen av peptidbindinger; Hovedsakelig frie COOH- og NH2-grupper ved de N- og C-terminale aminosyrene til peptidet er tilgjengelige for titrering.
2. I prosessen med sur eller alkalisk hydrolyse ekorn Det dannes støkiometriske mengder titrerbare COOH- og NH 2 -grupper, noe som indikerer oppløsningen av et visst antall peptidbindinger.
3. Under påvirkning av proteolytiske enzymer (proteinaser) splittes proteiner i strengt definerte fragmenter, kalt peptider, med terminale aminosyrer som tilsvarer selektiviteten til virkningen av proteinaser. Strukturen til noen av disse fragmentene av ufullstendig hydrolyse ble bevist ved deres påfølgende kjemiske syntese.
4. Biuretreaksjonen (blå-fiolett farge i nærvær av en løsning av kobbersulfat i et alkalisk medium) er gitt av både biuret som inneholder en peptidbinding og proteiner, som også er bevis på tilstedeværelsen av lignende bindinger i proteiner.
5. Analyse av røntgendiffraksjonsmønstre av proteinkrystaller bekrefter polypeptidstrukturen til proteiner. Dermed lar røntgendiffraksjonsanalyse med en oppløsning på 0,15–0,2 nm ikke bare beregne de interatomiske avstandene og størrelsene på bindingsvinkler mellom C-, H-, O- og N-atomene, men også å "se" bildet av det generelle arrangement av aminosyrerester i polypeptidkjeden og den romlige dens orientering (konformasjon).
6. Betydelig bekreftelse av polypeptidteorien protein struktur er muligheten for å syntetisere ved rent kjemiske metoder polypeptider og proteiner med en allerede kjent struktur: insulin - 51 aminosyrerester, lysozym - 129 aminosyrerester, ribonuklease - 124 aminosyrerester. De syntetiserte proteinene hadde fysisk-kjemiske egenskaper og biologisk aktivitet som ligner på naturlige proteiner.
Send ditt gode arbeid i kunnskapsbasen er enkelt. Bruk skjemaet nedenfor
Studenter, hovedfagsstudenter, unge forskere som bruker kunnskapsbasen i studiene og arbeidet vil være deg veldig takknemlig.
Lagt ut på http://www.allbest.ru/
Introduksjon
1. Eksperimentelle metoder
1.1 Røntgenelektronspektroskopi
1.2 Infrarød spektroskopi
1.3 Diffraksjonsmetoder
2. Teoretiske metoder
2.1 Semi-empiriske metoder
2.2 Aboriginske metoder
2.3 Kvantemekaniske metoder
2.4 Hückel-metoden
Konklusjon
Liste over kilder som er brukt
INTRODUKSJON
I moderne organisk kjemi Ulike fysiske forskningsmetoder er av stor betydning. De kan deles inn i to grupper. Den første gruppen omfatter metoder som gjør det mulig å få ulike opplysninger om et stoffs struktur og fysiske egenskaper uten å gjøre noen kjemiske endringer i det. Av metodene i denne gruppen er kanskje den mest brukte spektroskopi i et bredt spekter av spektralområder – fra ikke for harde røntgenstråler til radiobølger med ikke veldig lange bølgelengder. Den andre gruppen inkluderer metoder som bruker fysiske påvirkninger som forårsaker kjemiske endringer i molekyler. I i fjor Nye er lagt til de tidligere brukte velkjente fysiske midlene for å påvirke reaktiviteten til et molekyl. Blant dem er effekten av harde røntgenstråler og høyenergipartikkelstrømmer produsert i atomreaktorer av særlig betydning.
Hensikten med dette kursarbeid er å lære om metoder for å studere strukturen til molekyler.
Kursmål:
Finn ut hvilke typer metoder og studer dem.
1. EKSPERIMENTELLE METODER
1.1 RRøntgenelektronspektroskopi
Forskningsmetode elektronisk struktur kjemisk forbindelse, sammensetning og overflatestruktur av faste stoffer, basert på den fotoelektriske effekten ved hjelp av røntgenstråler. Når et stoff blir bestrålt, absorberes et røntgenkvante hv (h-Plancks konstante, v-frekvens for stråling), ledsaget av emisjon av et elektron (kalt et fotoelektron) fra atomets indre eller ytre skall. Bindingsenergien til et elektron E St i en prøve, i samsvar med loven om energibevaring, bestemmes av ligningen: E St = hv-E kin, hvor E kin - kinetisk energi fotoelektron. Eb-verdiene til elektronene i de indre skallene er spesifikke for et gitt atom, derfor er det mulig å entydig bestemme den kjemiske sammensetningen fra dem. forbindelser. I tillegg reflekterer disse mengdene arten av interaksjonen mellom atomet som studeres med andre atomer i forbindelsen, dvs. avhenger av arten av den kjemiske bindingen. Sammensetningen av prøven bestemmes av intensiteten I til fotoelektronfluksen. Det skjematiske diagrammet for enheten for XPS-elektronspektrometeret er vist i figur 1. Prøvene blir bestrålt med røntgenstråling fra et Reitgen-rør eller synkrotronstråling. Fotoelektroner kommer inn i en analysator-enhet, der elektroner med en viss E-kin separeres fra den generelle strømmen. Fokusering sendes en monokromatisk strøm av elektroner fra analysatoren til detektoren, hvor dens intensitet I bestemmes. I røntgenelektronspekteret har forskjellige atomer sine egne intensitetsmaksima (Figur 2), selv om noen maksima kan smelte sammen, noe som gir en bånd med økt intensitet. Spektrallinjer er utpekt som følger: ved siden av symbolet til elementet heter orbitalen som studeres (for eksempel betyr notasjonen Cls at fotoelektroner registreres fra 1s orbital av karbon).
Figur 1—Elektronisk spektrometerdiagram: 1—strålingskilde; 2-prøve; 3- analysator; 4-detektor; 5-skjerm for beskyttelse mot magnetfelt
Figur 2 - Røntgenelektronspekter av Cls etyltrifluoracetat
XPS gjør det mulig å studere alle elementer, bortsett fra H, når innholdet i prøven er ~ 10 -5 g (deteksjonsgrensen for et element som bruker XPS er 10 -7 -10 -9 g). Det relative innholdet av et grunnstoff kan være en brøkdel av en prosent. Prøver kan være faste, flytende eller gasser. Verdien Eb til elektronet i det indre skallet til atom A i kjemiske forbindelser avhenger av den effektive ladningen q A på dette atomet og det elektrostatiske potensialet U skapt av alle andre atomer i forbindelsen: Eb = kq A + U, der k er proporsjonalitetskoeffisienten.
For enkelhets skyld er konseptet med et kjemisk skift Eb, lik forskjellen mellom Eb i forbindelsen som studeres og en viss standard, introdusert i RES. Est-verdien oppnådd for den krystallinske modifikasjonen av elementet brukes vanligvis som standard; For eksempel, når man studerer forbindelse S, brukes krystallinsk svovel som standard. Fordi for enkelt stoff q A 0 og U = 0, deretter Ecv = kq A + U. Dermed indikerer et kjemisk skift en positiv effektiv ladning på det studerte atom A i en kjemisk forbindelse, og et negativt skift indikerer en negativ ladning, og verdiene av Ecb er proporsjonale med den effektive ladningen på atomet. Siden endringen i den effektive ladningen på atom A avhenger av dets oksidasjonstilstand, arten av naboatomer og den geometriske strukturen til forbindelsen, arten av funksjonelle grupper, oksidasjonstilstanden til atomet, metoden for koordinering av ligander, etc. kan bestemmes fra Est. Bindingsenergiene til elektroner av funksjonelle atomgrupper avhenger svakt av typen kjemisk forbindelse der en gitt funksjonell gruppe er lokalisert.
1.2 OGinfrarød spektroskopi
En gren av optisk spektroskopi som studerer absorpsjons- og refleksjonsspektrene til elektromagnetisk stråling i IR-området, dvs. i bølgelengdeområdet fra 10 -6 til 10 -3 m. I koordinatene er intensiteten av absorbert stråling bølgelengden (eller bølgetallet) IR-spekteret er en kompleks kurve med et stort antall maksima og minima. Absorpsjonsbånd vises som et resultat av overganger mellom vibrasjonsnivåer i den elektroniske grunntilstanden til systemet som studeres. Spektralegenskaper (posisjoner av båndmaksima, deres halvbredde, intensitet) til et individuelt molekyl avhenger av massene til dets atomer, geometrisk struktur, trekk ved interatomiske krefter, ladningsfordeling osv. Derfor er IR-spektra svært individuelle, noe som bestemmer deres verdi for å identifisere og studere strukturforbindelsene. For å registrere spektre brukes klassiske spektrofotometre og Fourier-spektrometre. Hoveddelene av et klassisk spektrofotometer er en kilde til kontinuerlig termisk stråling, en monokromator og en ikke-selektiv strålingsmottaker. En kyvette med et stoff (i en hvilken som helst aggregeringstilstand) plasseres foran inngangsåpningen (noen ganger bak utgangen). Prismer laget av ulike materialer (LiF, NaCl, KCl, CsF, etc.) og et diffraksjonsgitter brukes som en dispergeringsanordning for monokromatoren. Konsekutiv utgang av stråling med forskjellige bølgelengder til utgangsspalten og strålingsmottakeren (skanning) utføres ved å rotere prismet eller gitteret. Strålingskilder - glødelampe elektrisk støt stenger laget av forskjellige materialer. Mottakere: følsomme termoelementer, termiske motstander av metall og halvledere (bolometre) og gasstermiske omformere, oppvarming av karveggen som fører til oppvarming av gassen og en endring i trykket, som registreres. Utgangssignalet ser ut som en vanlig spektralkurve. Fordelene med enheter med klassisk design: enkel design, lav pris. Ulemper: umulig å ta opp svake signaler på grunn av det lave signalet: støyforholdet, noe som i stor grad kompliserer arbeidet i den fjerne IR-regionen; relativt lav oppløsning (opptil 0,1 cm -1), langsiktig (innen minutter) opptak av spektre. Fourier-spektrometre har ikke inngangs- eller utgangsspalter, og hovedelementet er et interferometer. Strålingsfluksen fra kilden er delt i to stråler som passerer gjennom prøven og forstyrrer. Forskjellen i banen til strålene varieres av et bevegelig speil som reflekterer en av strålene. Startsignalet avhenger av energien til strålingskilden og av absorpsjonen av prøven og har form av en sum av et stort antall harmoniske komponenter. For å få spekteret i vanlig form, utføres den tilsvarende Fourier-transformasjonen ved hjelp av en innebygd datamaskin. Fordeler med et Fourier-spektrometer: høyt signal: støyforhold, evnen til å operere i et bredt spekter av bølgelengder uten å endre spredningselementet, rask (i sekunder eller brøkdeler av sekunder) registrering av spekteret, høy oppløsning (opptil 0,001 cm - 1). Ulemper: kompleksitet av produksjon og høye kostnader. Alle spektrofotometre er utstyrt med datamaskiner som utfører primær prosessering av spektrene: akkumulering av signaler, separasjon av dem fra støy, subtraksjon av bakgrunnen og sammenligningsspekteret (løsningsmiddelspektrum), endring av opptaksskalaen, beregning av eksperimentelle spektrale parametere, sammenligning av spektre med gitte, differensiering av spektre osv. Kyvetter for IR-spektrofotometre er laget av materialer som er transparente i IR-regionen. Løsemidlene som vanligvis brukes er CCl 4, CHCl 3, tetrakloretylen og vaselin. Faste prøver blir ofte knust, blandet med KBr-pulver og presset til tabletter. For å arbeide med aggressive væsker og gasser, brukes spesielt beskyttende belegg (Ge, Si) på kyvettevinduene. Den forstyrrende påvirkningen av luft elimineres ved å evakuere enheten eller spyle den med nitrogen. Når det gjelder svakt absorberende stoffer (sjeldne gasser, etc.), brukes multi-pass kyvetter, der den optiske veilengden når hundrevis av meter på grunn av flere refleksjoner fra et system av parallelle speil. Matriseisoleringsmetoden har blitt utbredt, der gassen som studeres blandes med argon, og deretter fryses blandingen. Som et resultat avtar halvbredden av absorpsjonsbåndene kraftig og spekteret blir mer kontrasterende. Bruken av spesielt mikroskopisk utstyr gjør det mulig å arbeide med gjenstander av svært små størrelser (brøkdeler av mm). For å registrere spektra av overflaten til faste stoffer, brukes metoden for dempet total intern refleksjon. Den er basert på absorpsjonen av overflatelaget av et stoff av energien til elektromagnetisk stråling som kommer fra et prisme av total intern refleksjon, som er i optisk kontakt med overflaten som studeres. Infrarød spektroskopi er mye brukt for analyse av blandinger og identifikasjon av rene stoffer. Kvantitativ analyse er basert på Bouguer-Lambert-Beer-loven, dvs. på avhengigheten av intensiteten til absorpsjonsbånd på konsentrasjonen av stoffet i prøven. I dette tilfellet bedømmes stoffmengden ikke av individuelle absorpsjonsbånd, men av spektralkurver som helhet i et bredt spekter av bølgelengder. Hvis antallet komponenter er lite (4-5), er det mulig å matematisk isolere deres spektre selv med betydelig overlapping av sistnevnte. Feilen i kvantitativ analyse er vanligvis en brøkdel av en prosent. Identifikasjon av rene stoffer utføres vanligvis ved hjelp av informasjonsinnhentingssystemer ved automatisk å sammenligne det analyserte spekteret med spektre som er lagret i dataminnet. Kunstig intelligens-systemer brukes til å identifisere nye stoffer (hvis molekylene kan inneholde opptil 100 atomer). I disse systemene, basert på spektrostrukturelle korrelasjoner, genereres molare strukturer, deretter konstrueres deres teoretiske spektre og sammenlignes med eksperimentelle data. Å studere strukturen til molekyler og andre objekter ved hjelp av infrarøde spektroskopimetoder innebærer å skaffe informasjon om parametrene til modeller og reduseres matematisk til å løse den såkalte. inverse spektrale problemer. Løsningen på slike problemer utføres ved suksessiv tilnærming av de ønskede parametrene, beregnet ved hjelp av spesialverktøy. teori om spektralkurver til eksperimentelle. Parametere mol. Modellene inkluderer massene til atomene som utgjør systemet, bindingslengder, bindings- og torsjonsvinkler, egenskapene til den potensielle overflaten (kraftkonstanter, etc.), dipolmomenter av bindinger og deres derivater med hensyn til bindingslengder, etc. Infrarød spektroskopi gjør det mulig å identifisere romlige og konformasjonsisomerer og studere intra- og intermolekylære interaksjoner, natur kjemiske bindinger ladningsfordeling i molekyler, fasetransformasjoner, kinetikk av kjemiske reaksjoner, registrere kortlivede (levetid opptil 10 -6 s) partikler, avklare individuelle geomer. parametere, innhente data for beregning av termodynamiske funksjoner osv. Et nødvendig stadium av slik forskning er tolkningen av spektre, dvs. etablere formen til normale vibrasjoner, fordelingen av vibrasjonsenergi over frihetsgrader, identifisere betydelige parametere som bestemmer posisjonen til båndene i spektrene og deres intensitet. Beregninger av spektra av molekyler som inneholder opptil 100 atomer, inkl. polymerer utføres ved hjelp av en datamaskin. I dette tilfellet er det nødvendig å kjenne egenskapene til bryggen. modeller (kraftkonstanter, elektro-optiske parametere osv.), som finnes ved å løse de tilsvarende inverse spektralproblemer eller kvantekjemiske beregninger. I begge tilfeller er det vanligvis mulig å få data for molekyler som inneholder atomer fra kun de fire første periodene periodiske tabell. Derfor har infrarød spektroskopi som metode for å studere strukturen til molekyler blitt mest utbredt i organisk og organoelementkjemi. I noen tilfeller, for gasser i IR-regionen, er det mulig å observere rotasjonsstrukturen til vibrasjonsbånd. Dette lar deg beregne dipolmomenter og geomer. parametere for molekyler, klargjøre kraftkonstanter, etc.
1.3 Diffraksjonsmetoder
Diffraksjonsmetoder for å studere stoffets struktur er basert på studiet av vinkelfordelingen av spredningsintensiteten av stoffet som studeres av røntgenstråling (inkludert synkrotronstråling), elektron- eller nøytronfluks. Det er radiografi, elektrondiffraksjon og nøytrondiffraksjon. I alle tilfeller rettes en primær, oftest monokromatisk, stråle mot objektet som studeres og spredningsmønsteret analyseres. Spredt stråling registreres fotografisk eller ved hjelp av tellere. Siden strålingsbølgelengden vanligvis ikke er mer enn 0,2 nm, dvs. sammenlignbar med avstandene mellom atomene i stoffet (0,1-0,4 nm), er spredningen av den innfallende bølgen diffraksjon av atomer. Basert på diffraksjonsmønsteret er det i prinsippet mulig å rekonstruere atomstrukturen til et stoff. Teorien som beskriver forholdet mellom det elastiske spredningsmønsteret og rom og plassering av spredningssentre er lik for all stråling. Men siden interaksjonene mellom ulike typer stråling med materie har forskjellige fysiske egenskaper. natur, spesifikk type og egenskaper ved diffraksjon. mønstrene bestemmes av ulike egenskaper ved atomene. Derfor gir ulike diffraksjonsmetoder informasjon som utfyller hverandre.
Grunnleggende om diffraksjonsteori . Flat monokromatisk. en bølge med en bølgelengde og en bølgevektor, der den kan betraktes som en stråle av partikler med momentum, der amplituden til en bølge spredt av en samling atomer bestemmes av ligningen:
Den samme formelen brukes til å beregne atomfaktoren, som beskriver fordelingen av spredningstetthet inne i atomet. Atomfaktorverdiene er spesifikke for hver type stråling. Røntgenstråler er spredt av elektronskallene til atomer. Den tilsvarende atomfaktoren er numerisk lik antall elektroner i et atom hvis den uttrykkes i navnet på elektroniske enheter, dvs. i relative enheter av amplituden til røntgenspredning med ett fritt elektron. Elektronspredning bestemmes av det elektrostatiske potensialet til atomet. Atomfaktoren for et elektron er relatert av forholdet:
forskningsmolekylspektroskopi diffraksjonskvante
Figur 2 - Avhengighet av de absolutte verdiene av atomfaktorene til røntgenstråler (1), elektroner (2) og nøytroner (3) på spredningsvinkelen
Figur 3 - Relativ avhengighet av vinkelgjennomsnittede atomfaktorer for røntgenstråler (heltrukken linje), elektroner (stiplet linje) og nøytroner på atomnummer Z
Nøyaktige beregninger vurderer avvik i fordelingen av elektrontetthet eller potensial for atomer fra sfærisk symmetri og navnet på atomtemperaturfaktor, som tar hensyn til påvirkningen av termiske vibrasjoner av atomer på spredning. For stråling kan i tillegg til spredning på elektronskall til atomer, resonansspredning på kjerner spille en rolle. Spredningsfaktoren f m avhenger av bølgevektorene og polarisasjonsvektorene til de innfallende og spredte bølgene. Intensiteten I(er) for spredning av et objekt er proporsjonal med kvadratet av amplituden: I(s)~|F(s)| 2. Bare modulene |F(s)| kan bestemmes eksperimentelt, og for å konstruere spredningstetthetsfunksjonen (r) er det også nødvendig å kjenne fasene (ene) for hver s. Likevel gjør teorien om diffraksjonsmetoder det mulig å få funksjonen (r) fra de målte I(ene), det vil si å bestemme strukturen til stoffer. I dette tilfellet oppnås de beste resultatene når du studerer krystaller. Struktur analyse . En enkelt krystall er et strengt ordnet system; derfor dannes det under diffraksjon kun diskrete spredte stråler, for hvilke spredningsvektoren lik vektoren omvendt rutenett.
For å konstruere funksjonen (x, y, z) fra eksperimentelt bestemte verdier, brukes prøve- og feilmetoden, konstruksjon og analyse av funksjonen til interatomiske avstander, metoden for isomorfe substitusjoner og direkte metoder for å bestemme faser. Behandling av eksperimentelle data på en datamaskin gjør det mulig å rekonstruere strukturen i form av. Krystallstrukturer studeres ved hjelp av røntgenstrukturanalyse. Denne metoden har bestemt mer enn 100 tusen krystallstrukturer.
For uorganiske krystaller er det mulig å gjenopprette funksjonen med en oppløsning på opptil 0,05 ved å bruke forskjellige foredlingsmetoder (som tar hensyn til korreksjoner for absorpsjon, anisotropi av atomtemperaturfaktoren, etc.).
Figur 4 - Projeksjon av kjernefysisk tetthet av krystallstruktur
Dette gjør det mulig å bestemme anisoterapi av termiske vibrasjoner av atomer, trekk ved distribusjonen av elektroner forårsaket av kjemiske bindinger, etc. Ved hjelp av røntgendiffraksjonsanalyse er det mulig å dechiffrere atomstrukturene til proteinkrystaller, hvis molekyler inneholder tusenvis av atomer. Røntgendiffraksjon brukes også til å studere defekter i krystaller (i røntgentopografi), studere overflatelag (i røntgenspektrometri), og kvalitativt og kvantitativt bestemme fasesammensetningen til polykrystallinske materialer. Elektrondiffraksjon som metode for å studere strukturen til krystaller har følgende. funksjoner: 1) samspillet mellom materie med elektroner er mye sterkere enn med røntgenstråler, derfor oppstår diffraksjon i tynne lag av materie med en tykkelse på 1-100 nm; 2) f e avhenger av atomkjernen mindre sterkt enn f p, noe som gjør det lettere å bestemme plasseringen av lette atomer i nærvær av tunge; Strukturell elektrondiffraksjon er mye brukt for å studere fint spredte objekter, samt for å studere ulike typer teksturer (leiremineraler, halvlederfilmer, etc.). Lavenergi elektrondiffraksjon (10 -300 eV, 0,1-0,4 nm) er en effektiv metode for å studere krystalloverflater: arrangementet av atomer, arten av deres termiske vibrasjoner osv. Elektronmikroskopi rekonstruerer bildet av et objekt fra diffraksjonen mønster og lar deg studere strukturen til krystaller med en oppløsning på 0,2 -0,5 nm. Nøytronkilder for strukturanalyse er atomreaktorer med raske nøytroner, samt pulserende reaktorer. Spekteret til nøytronstrålen som kommer ut fra reaktorkanalen er kontinuerlig på grunn av den Maxwellske hastighetsfordelingen av nøytroner (dets maksimum ved 100 °C tilsvarer en bølgelengde på 0,13 nm).
Strålemonokromatisering utføres på forskjellige måter - ved hjelp av monokromatorkrystaller osv. Nøytrondiffraksjon brukes som regel for å klargjøre og supplere røntgenstrukturdata. Fraværet av en monoton avhengighet av f og av atomnummeret gjør at man kan bestemme posisjonen til lette atomer ganske nøyaktig. I tillegg kan isotoper av samme grunnstoff ha svært forskjellige verdier av f og (for eksempel er f og hydrokarboner 3.74.10 13 cm, for deuterium 6.67.10 13 cm). Dette gjør det mulig å studere arrangementet av isotoper og få utfyllende informasjon. strukturell informasjon ved isotopsubstitusjon. Studere magnetisk interaksjon. nøytroner med magnetiske momenter av atomer gir informasjon om spinnene til magnetiske atomer. Mössbauer-stråling utmerker seg ved en ekstremt liten linjebredde - 10 8 eV (mens linjebredden til den karakteristiske strålingen til røntgenrør er 1 eV). Dette resulterer i et høyt nivå av tid og rom. konsistens av resonant kjernefysisk spredning, som spesielt gjør det mulig å studere magnetfeltet og elektrisk feltgradient på kjerner. Metodens begrensninger er den svake kraften til Mössbauer-kilder og den obligatoriske tilstedeværelsen i krystallen som studeres av kjerner som Mössbauer-effekten er observert for. Strukturanalyse av ikke-krystallinske stoffer Individuelle molekyler i gasser, væsker og amorfe faste stoffer er ulikt orientert i rommet, så det er vanligvis umulig å bestemme fasene til spredte bølger. I disse tilfellene er spredningsintensiteten vanligvis representert ved hjelp av den såkalte. interatomiske vektorer r jk, som forbinder par av forskjellige atomer (j og k) i molekyler: r jk = r j - r k. Spredningsmønsteret beregnes i gjennomsnitt over alle orienteringer:
2 TEORETISKE METODER
2.1 Semi-empiriske metoder
Semi-empiriske metoder for kvantekjemi, metoder for å beregne mol. egenskaper eller egenskaper til et stoff ved bruk av eksperimentelle data. I kjernen ligner semi-empiriske metoder på ikke-empiriske metoder for å løse Schrödinger-ligningen for polyatomiske systemer, men for å lette beregninger i semi-empiriske metoder, introduseres ytterligere tillegg. forenkling. Som regel er disse forenklingene assosiert med valenstilnærmingen, det vil si at de er basert på beskrivelsen av kun valenselektroner, så vel som med neglisjeringen av visse klasser av molekylære integraler i de eksakte ligningene til den ikke-empiriske metoden innenfor som den semi-empiriske beregningen er utført.
Valget av empiriske parametere er basert på en generalisering av opplevelsen av ab initio-beregninger, under hensyntagen til kjemiske begreper om strukturen til molekyler og fenomenologiske mønstre. Spesielt er disse parameterne nødvendige for å tilnærme innflytelsen av interne elektroner på valenselektroner, for å sette effektive potensialer skapt av kjerneelektroner, etc. Bruken av eksperimentelle data for å kalibrere empiriske parametere lar oss eliminere feil forårsaket av forenklingene nevnt ovenfor, men bare for de klassene av molekyler hvis representanter tjener som referansemolekyler, og bare for de egenskapene som parametrene ble bestemt fra.
De vanligste er semi-empiriske metoder basert på ideer om mol. orbitaler (se Molecular orbital methods, Orbital). I kombinasjon med LCAO-tilnærmingen gjør dette det mulig å uttrykke Hamiltonianen til et molekyl i form av integraler på atomorbitaler. Ved konstruksjon av semi-empiriske metoder i mol. I integraler skilles produkter av orbitaler avhengig av koordinatene til det samme elektronet (differensiell overlapping), og visse klasser av integraler blir neglisjert. For eksempel, hvis alle integraler som inneholder den differensielle overlappingen cacb for a regnes som null. b, viser det seg den såkalte. metode for fullstendig å neglisjere differensialen. overlapping (PPDP, på engelsk transkripsjon CNDO-fullstendig neglect of differential overlap). Delvis eller modifisert delvis neglisjering av differensiell overlapping brukes også (henholdsvis PPDP eller MCPDP, i Engelsk transkripsjon INDO- mellomliggende neglisjering av differensiell overlapping og MINDO-modifisert INDO), neglisjering av diatomisk differensiell overlapping (NDDO), - modifisert neglisjering av diatomisk overlapping (MNDO). Som regel har hver av de semi-empiriske metodene flere alternativer, som vanligvis er angitt i navnet på metoden med et tall eller en bokstav etter en skråstrek. For eksempel er PPDP/2, MCDP/3, MPDP/2-metodene parametrisert for å beregne likevektskonfigurasjonen av molekylkjerner i bakkens elektroniske tilstand, ladningsfordeling, ioniseringspotensialer, entalpier for dannelse av kjemiske forbindelser, PPDP-metoden brukes for å beregne spinntettheter. For å beregne elektroniske eksitasjonsenergier brukes spektroskopisk parameterisering (PPDP/S-metoden). Det er også vanlig å bruke tilsvarende dataprogrammer i navnene på semi-empiriske metoder. For eksempel kalles en av de utvidede versjonene av MPDP-metoden Austin-modellen, og det samme er det tilsvarende programmet (Austin-modellen, AM). Det finnes flere hundre forskjellige varianter av semi-empiriske metoder, spesielt er det utviklet semi-empiriske metoder som ligner pån. Gitt den eksterne likheten til forskjellige versjoner av semi-empiriske metoder, kan hver av dem brukes til å beregne bare de egenskapene som de empiriske parametrene ble kalibrert for. I maks. enkle semi-empiriske beregninger, hver mol. orbitalen for valenselektroner er definert som løsningen av ett-elektron Schrödinger-ligningen med Hamilton-operatoren som inneholder modellpotensialet (pseudopotensialet) for et elektron lokalisert i kjernefeltet og det gjennomsnittlige feltet til alle andre elektroner i systemet. Et slikt potensial spesifiseres direkte ved å bruke elementære funksjoner eller integrerte operatører basert på dem. I kombinasjon med LCAO-tilnærmingen tillater denne tilnærmingen mange konjugerte og aromatiske mol. systemer, begrens deg til analyse av p-elektroner (se Hückels metode); for koordinasjonsforbindelser, bruk beregningsmetoder for ligandfeltteori og krystallfeltteori, etc. Når man studerer makromolekyler, f.eks. proteiner eller krystallinske formasjoner brukes ofte semi-empiriske metoder, der den elektroniske strukturen ikke analyseres, men den potensielle energioverflaten bestemmes direkte. Systemets energi regnes omtrent som summen av parvise interaksjonspotensialer til for eksempel atomer. Morse (Morse) eller Lennard-Jones potensialer (se Intermolekylære interaksjoner). Slike semi-empiriske metoder gjør det mulig å beregne likevektsgeometri, konformasjonseffekter, isomeriseringsenergi, etc. Ofte blir parpotensialer supplert med multipartikkelkorrigeringer spesifikke for individuelle fragmenter av molekylet. Semi-empiriske metoder av denne typen blir vanligvis referert til som molekylær mekanikk. I en bredere forstand inkluderer semi-empiriske metoder alle metoder der parametrene bestemmes ved å løse omvendte problemer. systemer brukes til å forutsi nye eksperimentelle data og bygge korrelasjonsforhold. I denne forstand er semi-empiriske metoder metoder for å vurdere reaktivitet, effektive ladninger på atomer osv. Kombinasjonen av semi-empirisk beregning av den elektroniske strukturen med korrelasjon. forhold tillater en å evaluere den biologiske aktiviteten til forskjellige stoffer, hastigheten på kjemiske reaksjoner og parametrene for teknologiske prosesser. Semi-empiriske metoder inkluderer også noen additivordninger, for eksempel. metoder brukt i kjemisk termodynamikk for å estimere dannelsesenergien som summen av bidragene til individuelle fragmenter av molekylet. Den intensive utviklingen av semi-empiriske metoder og ikke-empiriske metoder for kvantekjemi gjør dem til viktige verktøy for moderne forskning på kjemiske mekanismer. transformasjoner, dynamikk i en elementær kjemisk handling. reaksjoner, modellering av biokjemiske og teknologiske prosesser. Når de brukes riktig (med hensyn til konstruksjonsprinsippene og metoder for kalibrering av parametere), gjør semi-empiriske metoder det mulig å få pålitelig informasjon om strukturen og egenskapene til molekyler og deres transformasjoner.
2.2Ikke-empiriske metoder
En fundamentalt annen retning for beregningskvantekjemi, som spilte en stor rolle i moderne utvikling kjemi generelt, består i en fullstendig eller delvis avvisning av å beregne ett-elektron (3.18) og to-elektron (3.19)-(3.20) integraler som vises i HF-metoden. I stedet for den eksakte Fock-operatøren, brukes en omtrentlig en, hvis elementer er oppnådd empirisk. Parametrene til Fock-operatøren velges for hvert atom (noen ganger under hensyntagen til et spesifikt miljø) eller for par av atomer: de er enten faste eller avhenger av avstanden mellom atomene. I dette tilfellet er det ofte (men ikke nødvendigvis - se nedenfor) antatt at mange-elektronbølgefunksjonen er enkeltdeterminant, grunnlaget er minimalt, og atomorbitalene er X; - symmetriske ortogonale kombinasjoner av OST Xg Slike kombinasjoner kan enkelt oppnås ved å tilnærme den originale AO med Slater-funksjoner "Xj(2.41) ved hjelp av transformasjonen Semi-empiriske metoder er mye raskere enn ab initio. De kan brukes på store (ofte veldig store, for eksempel biologiske) systemer, og for noen klasser av forbindelser gir de mer nøyaktige resultater. Det skal imidlertid forstås at dette oppnås gjennom spesielt utvalgte parametere som kun er gyldige innenfor en smal klasse av forbindelser. Ved overføring til andre forbindelser kan de samme metodene gi helt feil resultater. I tillegg velges parametere ofte for å reprodusere bare visse molekylære egenskaper, så det er ikke nødvendig å tildele fysisk betydning til individuelle parametere som brukes i beregningsskjemaet. La oss liste opp de viktigste tilnærmingene som brukes i semi-empiriske metoder.
1. Bare valenselektroner tas i betraktning. Det antas at elektroner som tilhører atomkjerner bare skjermer kjernene. Derfor blir påvirkningen av disse elektronene tatt i betraktning ved å vurdere interaksjonen av valenselektroner med atomkjerner, snarere enn med kjerner, og ved å introdusere kjernerepulsionsenergien i stedet for den internukleære frastøtningsenergien. Polariseringen av kjernene neglisjeres.
2. I MO er det kun AOer med et hovedkvantenummer som tilsvarer de høyeste elektronokkuperte orbitalene til isolerte atomer (minimumsbasis) som tas i betraktning. Det antas at basisfunksjonene danner et sett av ortonormale atomorbitaler - OCT, ortogonalisert ifølge Löwdin.
3. For to-elektron Coulomb og utvekslingsintegraler introduseres tilnærmingen med null differensial overlapping (NDO).
Den molekylære strukturen i det strukturelle området kan tilsvare et sett med modifikasjoner av molekylet som beholder det samme systemet med valenskjemiske bindinger med forskjellig romlig organisering av kjernene. I dette tilfellet har det dype minimum av PES i tillegg flere grunne (ekvivalente eller ikke-ekvivalente i energi) minima, atskilt av små potensielle barrierer. Ulike romlige former av et molekyl, som transformeres til hverandre innenfor en gitt strukturell region ved kontinuerlig å endre koordinatene til atomer og funksjonelle grupper uten å bryte eller danne kjemiske bindinger, utgjør de mange konformasjonene til molekylet. Et sett med konformasjoner hvis energier er mindre enn den laveste barrieren ved siden av en gitt strukturell region av PES kalles en konformasjonsisomer, eller konformator. Konformatorer som tilsvarer lokale minima for PES kalles stabile eller stabile. Molekylær struktur kan således defineres som settet med konformasjoner av et molekyl i en bestemt strukturell region.En type konformasjonsovergang som ofte finnes i molekyler er rotasjonen av individuelle grupper av atomer om bindinger: intern rotasjon sies å forekomme, og ulike konformere kalles rotasjonsisomerer, eller rotamerer. Under rotasjon endres også den elektroniske energien, og dens verdi under en slik bevegelse kan passere gjennom et maksimum; i dette tilfellet snakker vi om en intern rotasjonsbarriere. Sistnevnte skyldes i stor grad evnen til disse molekylene til enkelt å tilpasse strukturen når de samhandler med forskjellige systemer. Hvert energiminimum av PES tilsvarer et par enantiomerer med samme energi - høyre (R) og venstre (S). Disse parene har energier som avviker med bare 3,8 kcal/mol, men de er adskilt av en barriere med en høyde på 25,9 kcal/mol og er derfor veldig stabile i fravær av ytre påvirkninger. Resultater av kvantekjemiske beregninger av indre rotasjonsbarriereenergier for noen molekyler og tilsvarende eksperimentelle verdier. Teoretiske og eksperimentelle verdier av rotasjonsbarrierer for C-C tilkoblinger, C-P, C-S avviker med bare 0,1 kcal/mol; for C-0, C-N, C-Si-bindingene, til tross for bruk av et basissett med inkludering av polarisasjonsfunksjoner (se nedenfor), er forskjellen merkbart høyere. 1 Vi kan imidlertid angi en tilfredsstillende nøyaktighet ved beregning av energiene til interne rotasjonsbarrierer ved bruk av HF-metoden.
I tillegg til spektroskopiske applikasjoner er slike beregninger av indre rotasjonsbarriereenergier for enkle molekyler viktige som et kriterium for kvaliteten på en bestemt beregningsmetode. Intern rotasjon fortjener stor oppmerksomhet i komplekse molekylære systemer, for eksempel i polypeptider og proteiner, hvor denne effekten bestemmer mange biologisk viktige funksjoner til disse forbindelsene. Å beregne potensielle energioverflater for slike objekter er en kompleks oppgave, både teoretisk og praktisk. En vanlig type konformasjonsovergang er inversjon, slik som forekommer i pyramideformede molekyler av AX3-typen (A = N, Si, P, As, Sb; X = H, Li, F, etc.). I disse molekylene kan A-atomet innta posisjoner både over og under planet som dannes av tre X-atomer. For eksempel gir CP-metoden i ammoniakkmolekylet NH3 en energibarriereverdi på 23,4 kcal/mol; dette stemmer godt overens med den eksperimentelle verdien av inversjonsbarrieren - 24,3 kcal/mol. Hvis barrierene mellom PES-minimaene er sammenlignbare med den termiske energien til molekylet, fører dette til effekten av strukturell ikke-stivhet av molekylet; Konformasjonsoverganger i slike molekyler skjer konstant. For å løse HF-ligningene brukes den selvkonsistente feltmetoden. I løsningsprosessen er bare orbitalene okkupert av elektroner optimalisert; derfor finnes energiene til bare disse orbitalene fysisk forsvarlig. Imidlertid metoden. HF gir også egenskapene til frie orbitaler: slike molekylære spinn-orbitaler kalles virtuelle. Dessverre beskriver de de eksiterte energinivåene til et molekyl med en feil på omtrent 100 %, og de bør brukes med forsiktighet for å tolke spektroskopiske data – det finnes andre metoder for dette. Så vel som for atomer, har HF-metoden for molekyler forskjellige versjoner, avhengig av om en-determinantbølgefunksjonen er en egenfunksjon til operatoren av kvadratet av det totale spinn til systemet S2 eller ikke. Hvis bølgefunksjonen er konstruert fra romlige orbitaler okkupert av et elektronpar med motsatte spinn (closed-shell molecules), er denne betingelsen oppfylt, og metoden kalles den begrensede Hartree-Fock (HRF) metoden. Hvis kravet om å være en egenfunksjon til operatøren ikke er pålagt bølgefunksjonen, tilsvarer hver molekylær spinn-orbital en spesifikk spinntilstand (a eller 13), det vil si at elektroner med motsatte spinn okkuperer forskjellige spin-orbitaler. Denne metoden brukes vanligvis for molekyler med åpne skall og kalles den ubegrensede HF-metoden (UHF), eller metoden med forskjellige orbitaler for forskjellige spinn. Noen ganger beskrives lavtliggende energitilstander av orbitaler som er dobbelt okkupert av elektroner, og valenstilstander beskrives av enkelt okkuperte molekylære spinnorbitaler; Denne metoden kalles den begrensede Hartree-Fock-metoden for åpne skjell (OHF-00). Som i atomer tilsvarer ikke bølgefunksjonen til molekyler med åpne skall en ren spinntilstand, og det kan oppstå løsninger der spinnsymmetrien til bølgefunksjonen reduseres. De kalles NHF-ustabile løsninger.
2.3 Kvantemekaniske metoder
Fremskritt innen teoretisk kjemi og utviklingen av kvantemekanikk har skapt muligheten for omtrentlige kvantitative beregninger av molekyler. Det er to viktige beregningsmetoder: elektronparmetoden, også kalt valensbindingsmetoden, og molekylær orbitalmetoden. Den første av disse metodene, utviklet av Heitler og London for hydrogenmolekylet, ble utbredt på 30-tallet av dette århundret. De siste årene har metoden med molekylær bane blitt stadig viktigere (Gund, E. Hückel, Mulliken, Herzberg, Lenard-Jones).
I denne omtrentlige beregningsmetoden er tilstanden til molekylet beskrevet av den såkalte bølgefunksjonen w, som er sammensatt etter en viss regel fra en rekke ledd:
Summen av disse leddene må ta hensyn til alle mulige kombinasjoner som er et resultat av parvis binding av karbonatomer på grunn av p-elektroner.
For å lette beregningen av bølgefunksjonen w, er individuelle termer (C1w1, C2w2, etc.) konvensjonelt avbildet grafisk i form av tilsvarende valensskjemaer, som brukes som hjelpemidler i matematiske beregninger. For eksempel, når et benzenmolekyl beregnes ved hjelp av den angitte metoden og bare p-elektroner tas i betraktning, oppnås fem slike termer. Disse begrepene tilsvarer følgende valensskjemaer:
De gitte valensskjemaene er ofte avbildet under hensyntagen til y-bindinger, for eksempel for benzen
Slike valensmønstre kalles "uforstyrrede strukturer" eller "grensestrukturer"
Funksjonene w1, w2, w3 osv. til ulike begrensende strukturer inngår i bølgefunksjonen w med jo større koeffisienter (med jo større vekt) jo lavere energi beregnes for tilsvarende struktur. Den elektroniske tilstanden som tilsvarer bølgefunksjonen w er den mest stabile sammenlignet med de elektroniske tilstandene representert av funksjonene w1, w2, w3, etc.; energien til tilstanden representert av funksjonen w (av et reelt molekyl) er naturlig nok den minste sammenlignet med energiene til begrensende strukturer.
Ved beregning av benzenmolekylet ved hjelp av elektronparmetoden tas fem begrensende strukturer (I--V) i betraktning. To av dem er identiske med den klassiske Kekule-strukturformelen og tre-Dewar-formelen. Siden energien til de elektroniske tilstandene som tilsvarer de begrensende strukturene III, IV og V er høyere enn for strukturene I og II, er bidraget til strukturene III, IV og V til den blandede bølgefunksjonen til benzenmolekylet mindre enn bidraget til strukturer I og II. Derfor, til en første tilnærming, er to ekvivalente Kekulé-strukturer tilstrekkelig til å skildre elektrontetthetsfordelingen i et benzenmolekyl.
For rundt tretti år siden utviklet L. Pauling kvalitative empiriske ideer som har noen analogier med elektronparmetoden; Disse ideene ble kalt av ham teorien om resonans. I følge hovedpostulatet til denne teorien kan ikke ethvert molekyl som kan skrives flere klassiske strukturformler representeres korrekt av noen av disse individuelle formlene (begrensende strukturer), men bare av et sett av dem. Det kvalitative bildet av elektrontetthetsfordelingen i et reelt molekyl er beskrevet av en superposisjon av begrensende strukturer (som hver er representert med en viss vekt).
Grensestrukturer tilsvarer ikke noen reelle elektroniske tilstander i ueksiterte molekyler, men det er mulig at de kan oppstå i en eksitert tilstand eller i øyeblikket av en reaksjon.
Den ovennevnte kvalitative siden av teorien om resonans sammenfaller med begrepet mesomerisme, noe tidligere utviklet av Ingold og uavhengig av Arndt.
I følge dette konseptet er den sanne tilstanden til et molekyl mellomliggende ("mesomerisk") mellom tilstandene som er avbildet av to eller flere "grensestrukturer" som kan skrives for et gitt molekyl ved å bruke valensreglene.
I tillegg til denne grunnleggende posisjonen til teorien om mesomerisme, inkluderer dens apparat velutviklede ideer om elektroniske forskyvninger, i begrunnelsen, tolkningen og eksperimentell verifisering som Ingold spiller en viktig rolle. I følge Ingold er mekanismene for elektroniske forskyvninger (elektroniske effekter) forskjellige avhengig av om den gjensidige påvirkningen av atomer utføres gjennom en kjede av enkle eller konjugerte dobbeltbindinger. I det første tilfellet er dette induksjonseffekten I (eller også den statiske induksjonseffekten Is), i det andre tilfellet den mesomere effekten M (statisk konjugasjonseffekt).
I et reagerende molekyl kan elektronskyen polariseres av en induktiv mekanisme; denne elektroniske forskyvningen kalles den induktomere effekten Id. I molekyler med konjugerte dobbeltbindinger (og i aromatiske molekyler) skyldes polariserbarheten til elektronskyen ved reaksjonstidspunktet elektromereffekten E (dynamisk konjugasjonseffekt).
Resonansteorien reiser ingen grunnleggende innvendinger så lenge vi snakker om måter å avbilde molekyler på, men den har også store krav. I likhet med hvordan bølgefunksjonen i elektron-parmetoden beskrives av en lineær kombinasjon av andre bølgefunksjoner w1, w2, w3, etc., foreslår resonansteorien å beskrive den sanne bølgefunksjonen til et molekyl som en lineær kombinasjon av bølgefunksjoner til begrensende strukturer.
Matematikk gir imidlertid ikke kriterier for å velge visse "resonansstrukturer": tross alt, i elektronparmetoden kan bølgefunksjonen representeres ikke bare som en lineær kombinasjon av bølgefunksjoner w1, w2, w3, etc., men også som en lineær kombinasjon av andre funksjoner, valgt med visse koeffisienter. Valget av begrensende strukturer kan kun gjøres på grunnlag av kjemiske betraktninger og analogier, det vil si her gir resonansbegrepet i hovedsak ikke noe nytt i sammenligning med mesomerismebegrepet.
Når man skal beskrive fordelingen av elektrontetthet i molekyler ved bruk av grensestrukturer, er det nødvendig å hele tiden huske på at individuelle grensestrukturer ikke samsvarer med noen reell fysisk tilstand og at det ikke eksisterer noe fysisk fenomen med "elektronisk resonans".
Mange tilfeller er kjent fra litteraturen når tilhengere av begrepet resonans tilskrev betydningen av et fysisk fenomen til resonans og mente at visse egenskaper stoffer er ansvarlige for visse individuelle begrensende strukturer. Muligheten for slike misoppfatninger er iboende i mange punkter i begrepet resonans. Derfor, når de snakker om "ulike bidrag av begrensende strukturer" til den virkelige tilstanden til molekylet, kan ideen om den virkelige eksistensen av disse forholdene lett oppstå. Et ekte molekyl i begrepet resonans regnes som en "resonanshybrid"; dette begrepet kan antyde den antatt virkelige interaksjonen mellom begrensende strukturer, som hybridisering av atombaner.
Begrepet "stabilisering på grunn av resonans" er også mislykket, siden stabiliseringen av et molekyl ikke kan være forårsaket av en ikke-eksisterende resonans, men representerer fysiske fenomen delokalisering av elektrontetthet, karakteristisk for konjugerte systemer. Det er derfor hensiktsmessig å kalle dette fenomenet stabilisering på grunn av konjugering. Konjugeringsenergien (delokaliseringsenergi, eller mesomerismeenergi) kan bestemmes eksperimentelt, uavhengig av "resonansenergien" som er et resultat av kvantemekaniske beregninger. Dette er forskjellen mellom energien beregnet for et hypotetisk molekyl med en formel som tilsvarer en av de begrensende strukturene, og energien funnet eksperimentelt for et ekte molekyl.
Med forbeholdene ovenfor kan metoden for å beskrive fordelingen av elektrontetthet i molekyler ved bruk av flere begrensende strukturer utvilsomt brukes sammen med to andre også svært vanlige metoder.
2.4 Hückel-metoden
Hückel-metoden, kvantekjemisk metode for tilnærmet beregning av energinivåer og mol. orbitaler av umettet org. forbindelser. Den er basert på antakelsen om at bevegelsen av et elektron nær en atomkjerne i et molekyl ikke er avhengig av tilstanden eller antall andre elektroner. Dette gjør det mulig å forenkle oppgaven med å bestemme mol. orbitaler (MO) representert ved en lineær kombinasjon av atomorbitaler. Metoden ble foreslått av E. Hückel i 1931 for å beregne den elektroniske strukturen til hydrokarboner med konjugerte bindinger. Det antas at karbonatomene til et konjugert system ligger i samme plan, i forhold til hvilket de høyeste okkuperte og laveste virtuelle (gratis) MO-ene (grensemolekylære orbitaler) er antisymmetriske, dvs. de er orbitaler dannet av atomære 2pz-orbitaler (AO) ) av de korresponderende C-atomene Påvirkning av andre atomer, for eksempel. N, eller mol. fragmenter med mettede forbindelser neglisjeres. Det antas at hvert av de M karbonatomene i det konjugerte systemet bidrar med ett elektron til systemet og er beskrevet av en atomær 2pz orbital (k = 1, 2, ..., M). En enkel modell av den elektroniske strukturen til et molekyl, gitt ved Hückel-metoden, lar oss forstå mange kjemiske reaksjoner. fenomener. For eksempel skyldes upolariteten til alternative hydrokarboner det faktum at de effektive ladningene på alle karbonatomer er lik null. Derimot har det ikke-alternerende smeltede systemet med 5- og 7-leddede ringer (azulen) et dipolmoment på ca. ID (3,3 x 10-30 C x m). I ulike alternative hydrokarboner er hovedenergikilden. tilstanden tilsvarer et elektronisk system der det er minst en enkelt okkupert orbital. Det kan vises at energien til denne orbitalen er den samme som i et fritt atom, og derfor kalles det. uforpliktende MO. Fjerning eller tilsetning av et elektron endrer populasjonen av bare den ikke-bindende orbitalen, noe som medfører utseendet til en ladning på noen atomer, som er proporsjonal med kvadratet av den tilsvarende koeffisienten i utvidelsen av den ikke-bindende MO i AO. For å bestemme en slik MO, brukes en enkel regel: summen av koeffisienten Ck for alle atomer ved siden av et gitt må være lik null. I tillegg må koeffisientverdiene tilsvare tillegget normaliseringstilstand: Dette fører til en karakteristisk veksling (veksling) av ladninger på atomer i mol. ioner av alternative hydrokarboner. Spesielt forklarer denne regelen separasjonen med kjemikalier. egenskapene til orto- og paraposisjonene i benzenringen sammenlignet med metaposisjonen. Regelmessighetene etablert innenfor rammen av den enkle Hückel-metoden blir forvrengt når alle interaksjoner i molekylet tas mer i betraktning. Imidlertid endrer vanligvis ikke påvirkningen av mange heterogene komplementære faktorer (for eksempel kjerneelektroner, substituenter, interelektronfrastøting, etc.) orbitalbildet av elektronfordelingen kvalitativt. Derfor brukes Hückel-metoden ofte til å modellere komplekse reaksjonsmekanismer som involverer org. forbindelser. Når heteroatomer (N, O, S, ...) blir introdusert i molekylet, blir parameterne til matrisen H tatt for heteroatomet og for karbonatomer signifikante. I motsetning til tilfellet med polyener, er forskjellige typer atomer eller bindinger beskrevet av forskjellige parametere eller, og deres forhold påvirker signifikant typen MO; Kvaliteten på spådommer oppnådd innenfor rammen av den enkle Hückel-metoden, forverres som regel til slutt. Enkelt i konsept, visuelt og ikke krevende komplekse beregninger Hückel-metoden er en av de vanligste måtene å lage en kvantekjemisk modell av den elektroniske strukturen til komplekse molekyler. systemer Naib. Bruken er effektiv i tilfeller der egenskapene til molekylet bestemmes av den grunnleggende topologiske strukturen til kjemikaliet. bindinger, spesielt symmetrien til molekylet. Forsøk på å konstruere forbedrede versjoner av Hückel-metoden innenfor rammen av enkle molekylære orbitalmetoder gir liten mening, siden de fører til beregningsmetoder som i kompleksitet kan sammenlignes med de mer nøyaktige metodene for kvantekjemi.
Konklusjon
For tiden er "en hel gren av vitenskapen blitt skapt - kvantekjemi, som omhandler anvendelsen av kvantemekaniske metoder på kjemiske problemer. Imidlertid vil det være grunnleggende feil å tro at alle spørsmål om strukturen og reaktiviteten til organiske forbindelser kan reduseres til problemer med kvantemekanikk. Kvantemekanikk studerer bevegelseslovene til elektroner og kjerner, dvs. lovene for den laveste bevegelsesformen, sammenlignet med den som er studert av kjemi (bevegelsen av atomer og molekyler), og den høyeste formen for bevegelse kan aldri reduseres til det laveste. Selv for veldig enkle molekyler kan ikke spørsmål som reaktiviteten til stoffer, mekanismen og kinetikken til deres transformasjoner bare studeres ved hjelp av kvantemekanikkens metoder. Grunnlaget for å studere den kjemiske formen for bevegelse av materie er kjemiske forskningsmetoder, og den ledende rollen i utviklingen av kjemi tilhører teorien om kjemisk struktur.
Listekilder brukt
1. Minkin, V.I. Teori om molekylær struktur / V.I. Minkin. -M.: Videregående skole, 2006- 640 s.
2. Vilkov, L.V. Fysiske forskningsmetoder i kjemi./ L.V. Vilkov, Yu.A. Pentin. - M.: Videregående skole, 2005-380.
3. Gardymova, A.P. Vitenskapelig digitalt bibliotek: elementer og enheter av datateknologi og kontrollsystemer / A.P. Gardymova. - 2005.
4. Elyashevich, M.A. Atom- og molekylspektroskopi / M.A. Elyashevich, V. Demtreder. -M.: Mir, 1989-260-tallet.
5. Blatov, V.A. Semi-empiriske beregningsmetoder / V.A. Blatov, A.P. Sjevtsjenko. - M.: "Univers Group" 2005-315 s.
6. Tsirelson, V.G. Kvantekjemi, molekyler, molekylære systemer og faste stoffer - M.: “BINOM” 2010-496s.
Skrevet på Allbest.ru
Lignende dokumenter
Grunnleggende bestemmelser for atom-molekylær undervisning. Mønstre av Brownsk bevegelse. Stoffer med atomstruktur. Grunnleggende informasjon om strukturen til atomet. Termisk bevegelse av molekyler. Interaksjon mellom atomer og molekyler. Måling av hastigheten til gassmolekyler.
presentasjon, lagt til 18.11.2013
Beregning av hastigheten til molekyler. Forskjeller i hastigheten til gass- og væskemolekyler. Eksperimentell bestemmelse av molekylhastigheter. Praktisk bevis på gyldigheten av den molekylære kinetiske teorien om materiens struktur. Rotasjonshastighetsmodul.
presentasjon, lagt til 18.05.2011
Anvendelse av metoder fra en rekke grunnleggende fysiske vitenskaper for plasmadiagnostikk. Retningslinjer for forskning, passive og aktive, kontakt og ikke-kontakt metoder for å studere plasma egenskaper. Påvirkning av plasma på eksterne strålingskilder og partikler.
sammendrag, lagt til 08.11.2014
Essensen av et molekyl som den minste partikkelen av et stoff som har alle sine kjemiske egenskaper, eksperimentelt bevis på deres eksistens. Strukturen til molekyler, forholdet mellom atomer og deres styrke. Metoder for å måle størrelsen på molekyler og deres diameter.
laboratoriearbeid, lagt til 02/11/2011
Grunnleggende prinsipper for den molekylære teorien om materiens struktur. Bevegelseshastigheten til molekyler av et stoff. Overgangen til et stoff fra en gassform til en flytende tilstand. Prosessen med intens fordamping. Kokepunkt og trykk. Absorpsjon av varme under koking.
presentasjon, lagt til 02.05.2012
Fremveksten av ideer om strukturen til materie: molekyl - minste partikkel; begrepet diffusjon. Tiltrekning og frastøting av molekyler aggregeringstilstander stoffer. Egendommer molekylær struktur faste stoffer, væsker og gasser, krystallgitter.
abstrakt, lagt til 12.10.2010
Funksjoner av metoder for å studere teknologiske prosesser: teoretisk, eksperimentell, likhet. generelle egenskaper teorier om likhet, dens typer, beregning av noen av deres parametere. Grunnleggende bestemmelser i likhetsteorien. Spesifisitet av likhetskriterier.
sammendrag, lagt til 06.06.2011
Studiet av spredningsprosesser av ladede og uladede partikler som en av de viktigste eksperimentelle metodene for å studere strukturen til atomer, atomkjerner Og elementære partikler. Born tilnærming og Rutherfords formel. Faseteori om spredning.
kursarbeid, lagt til 05.03.2011
Vibrasjoner av partikler i elastiske medier, forplanter seg i form av langsgående bølger, hvis frekvens ligger innenfor grensene som oppfattes av øret. Objektive, subjektive egenskaper ved lyd. Gode forskningsmetoder i klinikken. Plassering av fingrene under perkusjon.
presentasjon, lagt til 28.05.2013
Grunnleggende om skanningselektronmikroskopi. Metodiske trekk ved elektronmikroskopisk undersøkelse av metallsmelter. Funksjoner av mikroskoper designet for å studere strukturen til overflatelag av metallsmelter.
Moskva statsuniversitet for teknologi og ledelse
Lipider og deres rolle. Biologi ved Lyceum