stringtranslate.com

Структурная химия

Структурная химия является частью химии и занимается пространственными структурами молекул (в газообразном , жидком или твердом состоянии) и твердых тел (с протяженными структурами, которые не могут быть подразделены на молекулы). Для выяснения структуры [1] используется ряд различных методов. Следует различать методы, которые выясняют исключительно связь между атомами (строение), и такие, которые предоставляют точную трехмерную информацию, такую ​​как координаты атомов, длины связей и углы и торсионные углы .

Методы определения

Определение химической структуры включает (в основном):

Для определения связности и наличия функциональных групп можно использовать различные методы молекулярной спектроскопии и спектроскопии твердого тела.

Газообразное состояние

Электронная дифракция

Газовая электронография фокусируется на определении геометрического расположения атомов в газообразной молекуле. Она делает это путем интерпретации картин электронной дифракции, которые возникают при пересечении молекулы пучком электронов. Исследования использовали газовую электронную дифракцию для получения равновесных и колебательно-усредненных структур газов. [8] Газовая электронная дифракция также имеет решающее значение для получения данных как о стабильных, так и о нестабильных свободных молекулах, радикалах и ионах, предоставляя важную структурную информацию. [9] Например, структура газообразного фторфуллерена C 60 F 36 была определена с помощью электронной дифракции, дополненной квантово-химическими расчетами. [10]

Микроволновая спектроскопия

Микроволновая вращательная спектроскопия измеряет энергии вращательных переходов посредством микроволнового излучения для газообразной молекулы. Электрический дипольный момент молекул взаимодействует с электромагнитным полем возбуждающего микроволнового фотона, что облегчает измерение этих переходов. [11] Он использует микроволновую спектроскопию с преобразованием Фурье с чирпированным импульсом (FTMW) для определения вращательных констант соединений. [3] Этот метод долгое время считался надежным для точного определения структур, с возможностью различать различные конформационные состояния молекул. [12] Его точность подчеркивается его применением для предоставления молекулярной структуры в газовой фазе, при этом вращательные переходы особенно информативны, когда ΔJ = ±1. [13]

Жидкое состояние

ЯМР-спектроскопия

Спектроскопия ЯМР в жидком состоянии стала основным методом выяснения молекулярной структуры в жидкостях. [4] Это гибкий метод, который подходит для широкого спектра приложений, включая определение структуры, мониторинг in situ и анализ смесей. [14] Такие методы, как SHARPER (Sensitive, Homogeneous And Resolved PEaks in Real time) еще больше повысили чувствительность ЯМР, особенно при мониторинге реакций, путем удаления расщеплений J, что создает очень узкие сигналы, которые имеют решающее значение для точного анализа. [4] Спектроскопия ЯМР также позволяет определять трехмерные структуры молекул в жидком состоянии путем измерения межпротонных расстояний с помощью экспериментов по ядерному эффекту Оверхаузера (NOE). [15]

Твердотельный

Рентгеновская дифракция

Рентгеновская дифракция является мощным методом определения атомной и молекулярной структуры кристаллических твердых тел . [5] Он основан на взаимодействии рентгеновских лучей с электронной плотностью кристаллической решетки , создавая дифракционные картины, которые можно использовать для определения расположения атомов. [5] Этот метод сыграл важную роль в выяснении структур широкого спектра материалов, включая органические соединения, неорганические соединения и белки.

Использование рентгеновской дифракции для определения структуры мембранного белка

Электронная дифракция

Электронная дифракция заключается в воздействии пучка электронов на кристаллический образец. [6] Подобно рентгеновской дифракции, она создает дифракционные картины, которые можно использовать для определения структуры образца. [6] Электронная дифракция особенно полезна для изучения небольших органических молекул и сложных органических соединений.

Дифракция нейтронов

Нейтронная дифракция — это метод, который использует пучок нейтронов вместо рентгеновских лучей или электронов. [7] Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и чувствительны к положению легких атомов, таких как водород . [7] Этот метод имеет жизненно важное значение для понимания структуры материалов, в которых водород играет важную роль, например, в системах с водородными связями.

Важность и вклад

Структурная химия имеет решающее значение для понимания фундаментальной природы материи и свойств материалов. Структурные химики играют решающую роль в различных научных и промышленных областях. [16] Перспективы структурной химии заключаются в ее способности решать реальные проблемы, подпитывать научные инновации и способствовать прогрессу в различных областях. Сотрудничество, технологические достижения и междисциплинарный подход будут продолжать формировать будущее структурной химии, прокладывая путь для новаторских открытий и приложений.

Вклады

Открытие лекарствидизайн

Структурные химики вносят значительный вклад в открытие новых лекарственных средств, объясняя трехмерную структуру биологических молекул, что позволяет разрабатывать целевые препараты с более высокой эффективностью и меньшим количеством побочных эффектов. [17]

Материаловедение

Понимание атомных и молекулярных структур в материалах помогает разрабатывать новые материалы с определенными свойствами, что приводит к инновациям в области электроники, хранения энергии и нанотехнологий . [18]

Катализ

Структурная химия дает представление об активных центрах катализаторов, что позволяет разрабатывать эффективные катализаторы для химических реакций, в том числе используемых в технологиях устойчивой энергетики. [19]

Биологические исследования

Структурные биологи используют такие методы, как рентгеновская кристаллография и ЯМР-спектроскопия, для определения структур биомолекул , способствуя нашему пониманию биологических процессов и заболеваний . [20]

Науки об окружающей среде

Структурная химия помогает анализировать загрязняющие вещества , понимать их поведение и разрабатывать методы смягчения воздействия на окружающую среду. [21]

Вызовы

Сложность систем

По мере того, как исследователи погружаются в более сложные материалы и биологические системы, точное определение их структур становится сложной задачей из-за сложных взаимодействий и больших молекулярных размеров. Недавнее исследование нашло беспрецедентное применение в биологическом контексте и впервые позволяет ученым решать сложные вопросы в биологии на уровне молекул, клеток, тканей и целых органов, а также начать решать важные проблемы, связанные с сердечно-сосудистыми заболеваниями, раком, а также в пищеварительной и репродуктивной биологии. [22]

Технологические ограничения

Развитие передовых экспериментальных методов и вычислительных методов имеет важное значение. Высокоразрешающие методы, такие как криоэлектронная микроскопия и достижения в вычислительном моделировании, решают некоторые проблемы. [23]

Анализ данных

Обработка огромных объемов структурных данных требует сложных алгоритмов и методов анализа данных для извлечения значимой информации, что создает проблемы при интерпретации и хранении данных. [24] Однако с появлением глубокого обучения, ответвления машинного обучения и искусственного интеллекта, стало возможным анализировать большие наборы данных с большей точностью и эффективностью. [24] Однако метод также имеет свои собственные ограничения, такие как отсутствие обучающих данных, несбалансированные данные и переобучение. [24]

Будущие направления

Объединение различных экспериментальных и вычислительных методов может обеспечить всестороннее понимание сложных структур. Интеграция данных рентгеновской кристаллографии, ЯМР-спектроскопии и вычислительного моделирования повышает точность и надежность. Постоянный прогресс в вычислительном моделировании, включая квантовую химию и молекулярную динамику, позволит исследователям изучать более крупные и сложные системы, помогая предсказывать и понимать новые структуры. [18] [17] Базы данных с открытым доступом и совместные усилия позволяют исследователям по всему миру обмениваться структурными данными, ускоряя научный прогресс и способствуя инновациям. [24]

Структурная химия может способствовать разработке экологически чистых материалов и катализаторов, способствуя устойчивым практикам в химической промышленности. Структурная химия может способствовать разработке экологически чистых материалов и катализаторов, способствуя устойчивым практикам в химической промышленности. Недавняя разработка безметалловых наноструктурированных катализаторов является одним из достижений в области структурной химии, которое имеет потенциал для управления органическими преобразованиями устойчивым образом. [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дэвид WH Ранкин, Норберт W. Мицель, Кэрол А. Моррисон (2013). Структурные методы в молекулярной неорганической химии . Чичестер: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-97278-6.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  2. ^ «Использование нейтронов для характеристики материалов», Анализ остаточного напряжения методом дифракции с использованием нейтронного и синхротронного излучения , CRC Press, стр. 15–39, 2003-02-06, doi :10.1201/9780203608999-6, ISBN 9780429211904, получено 2023-10-09
  3. ^ ab Мартин-Друмель, Мари-Элин; Маккарти, Майкл С.; Паттерсон, Дэвид; МакГвайр, Бретт А.; Крабтри, Кайл Н. (2016-03-24). "Автоматизированная микроволновая двойная резонансная спектроскопия: инструмент для идентификации и характеристики химических соединений". Журнал химической физики . 144 (12). Bibcode : 2016JChPh.144l4202M. doi : 10.1063/1.4944089. hdl : 2142/96897 . ISSN  0021-9606. PMID  27036441.
  4. ^ abc Peat, George; Boaler, Patrick J.; Dickson, Claire L.; Lloyd-Jones, Guy C.; Uhrín, Dušan (2023-07-21). "SHARPER-DOSY: Sensitivity enhanceed diffusion-ordered NMR spectroscopy". Nature Communications . 14 (1): 4410. Bibcode :2023NatCo..14.4410P. doi :10.1038/s41467-023-40130-2. ISSN  2041-1723. PMC 10361965 . PMID  37479704. 
  5. ^ abc "Рентгеновская дифракция | Определение, диаграмма, уравнение и факты | Britannica". www.britannica.com . Получено 2023-12-08 .
  6. ^ abc Asadabad, Mohsen Asadi; Eskandari, Mohammad Jafari (2016-02-18), Janecek, Milos; Kral, Robert (ред.), "Electron Diffraction", Modern Electron Microscopy in Physical and Life Sciences , InTech, doi : 10.5772/61781 , ISBN 978-953-51-2252-4, получено 2023-11-07
  7. ^ abc "7.5: Нейтронная дифракция". Chemistry LibreTexts . 2016-07-14 . Получено 2023-12-08 .
  8. ^ Вишневский, Юрий В.; Бломейер, Себастьян; Рейтер, Кристиан Г. (2020-04-01). «Газовые стандарты в газовой электронной дифракции: точные молекулярные структуры CO2 и CCl4». Структурная химия . 31 (2): 667–677. doi :10.1007/s11224-019-01443-5. ISSN  1572-9001. S2CID  208211778.
  9. ^ Демезон, Жан; Фогт, Наталья (2020), «Молекулярные структуры с помощью газовой электронной дифракции», Точное определение структуры свободных молекул , Lecture Notes in Chemistry, т. 105, Cham: Springer International Publishing, стр. 167–204, doi : 10.1007/978-3-030-60492-9_7, ISBN 978-3-030-60492-9, S2CID  229669307 , получено 2023-11-07
  10. ^ Беляков, Александр В.; Кулишенко, Роман Ю.; Джонсон, Роберт Д.; Шишков, Игорь Ф.; Рыков, Анатолий Н.; Марков, Виталий Ю.; Хиневич, Виктор Е.; Горюнков, Алексей А. (2020-12-10). "Структура C 60 F 36: Газофазная электронная дифракция и квантово-химическое вычислительное исследование заметно искаженного фторфуллерена". Журнал физической химии A . 124 (49): 10216–10224. Bibcode :2020JPCA..12410216B. doi :10.1021/acs.jpca.0c05714. ISSN  1089-5639. PMID  33200926. S2CID  226988867.
  11. ^ "1.10: Микроволновая спектроскопия". Chemistry LibreTexts . 2023-01-10 . Получено 2023-11-07 .
  12. ^ Бернстайн, Эллиот Р. (2020). Внутри- и межмолекулярные взаимодействия между нековалентно связанными видами . Elsevier. стр. 97–98. ISBN 978-0-12-817586-6.
  13. ^ 1. Purusottam 2. A. Welford, 1.Jena 2. Castleman (2010). Наука и технология атомных, молекулярных, конденсированных сред и биологических систем . Elsevier. С. 173–175. ISBN 978-0-444-53440-8.{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  14. ^ Аггарвал, Приянка; Кумари, Пуджа; Бхавеш, Нил Саровар (01.01.2022), Трипати, Тимир; Дубей, Викаш Кумар (ред.), «Глава 16 — Достижения в области спектроскопии ЯМР в жидком состоянии для изучения структуры, функции и динамики биомакромолекул», Достижения в области методов молекулярной и структурной биологии белков , Academic Press, стр. 237–266, doi : 10.1016/b978-0-323-90264-9.00016-7, ISBN 978-0-323-90264-9, S2CID  246188801 , получено 2023-12-08
  15. ^ Purslow, Jeffrey A.; Khatiwada, Balabhadra; Bayro, Marvin J.; Venditti, Vincenzo (2020-01-28). "Методы ЯМР для структурной характеристики белок-белковых комплексов". Frontiers in Molecular Biosciences . 7 : 9. doi : 10.3389/fmolb.2020.00009 . ISSN  2296-889X. PMC 6997237. PMID  32047754 . 
  16. ^ Майер, Иоахим (2004-04-02). Физическая химия ионных материалов. Wiley. doi :10.1002/0470020229. ISBN 978-0-471-99991-1.
  17. ^ ab Provasi, Davide; Filizola, Marta (2023-08-07). "Улучшение прогнозов биоактивности опиоидов посредством интеграции стратегий обнаружения лекарств на основе лигандов и структур с методами переноса и глубокого обучения". BioRxiv: сервер препринтов по биологии . doi : 10.1101/2023.08.04.552065. PMC 10441297 . PMID  37609329 . Получено 08.12.2023 . 
  18. ^ аб Эгучи, Михару; Хан, Минсу; Асакура, Юске; Хилл, Джонатан П.; Хензи, Джоэл; Арига, Кацухико; Роуэн, Алан Э.; Чайкиттисилп, Ватчароп; Ямаути, Юсуке (13 ноября 2023 г.). «Пространственная тектоника материалов: методологии композиционного и пространственного контроля на атомном уровне для синтеза материалов будущего». Angewandte Chemie, международное издание . 62 (46): e202307615. дои : 10.1002/anie.202307615 . ISSN  1433-7851. PMID  37485623. S2CID  260114714.
  19. ^ Лю, Личен; Корма, Авелино (апрель 2021 г.). «Структурные превращения твердых электрокатализаторов и фотокатализаторов». Nature Reviews Chemistry . 5 (4): 256–276. doi :10.1038/s41570-021-00255-8. ISSN  2397-3358. PMID  37117283. S2CID  231957705.
  20. ^ Брито, Хосе А.; Арчер, Маргарида (01.01.2020), Крайтон, Роберт Р.; Лоуро, Рикардо О. (ред.), «Глава 10 — Методы структурной биологии: рентгеновская кристаллография, криоэлектронная микроскопия и малоугловое рентгеновское рассеяние», Практические подходы к биологической неорганической химии (второе издание) , Elsevier, стр. 375–416, doi : 10.1016/b978-0-444-64225-7.00010-9, ISBN 978-0-444-64225-7, S2CID  203510759 , получено 2023-12-08
  21. ^ «Как химия помогает улучшить окружающую среду вокруг нас». Королевское химическое общество . Получено 2023-12-08 .
  22. ^ "Комплексная реология в биологических системах | Королевское общество". royalsociety.org . 6 августа 2017 г. Получено 2023-12-08 .
  23. ^ "Криоэлектронная микроскопия - что это такое, как она работает, плюсы и минусы". MicroscopeMaster . Получено 2023-11-08 .
  24. ^ abcd Саркер, Икбал Х. (2021-08-18). «Глубокое обучение: всесторонний обзор методов, таксономии, приложений и направлений исследований». SN Computer Science . 2 (6): 420. doi :10.1007/s42979-021-00815-1. ISSN  2661-8907. PMC 8372231. PMID  34426802 . 
  25. ^ Голипур, Бехнам; Шоджаи, Салман; Ростамния, Садег; Наими-Джамал, Мохаммад Реза; Ким, Докюн; Кавецкий, Тарас; Нурузи, Насрин; Чан, Хо Вон; Варма, Раджендер С.; Шокухимехр, Мохаммадреза (31 августа 2021 г.). «Безметалловые наноструктурированные катализаторы: устойчивая движущая сила органических преобразований». Зеленая химия . 23 (17): 6223–6272. дои : 10.1039/D1GC01366A. ISSN  1463-9270. S2CID  237989194.