[Химия ғажабы] Бейорганикалық химия

[Химия ғажабы] Бейорганикалық химия

Алғысөз

Әдетте оқушылардың химия ғылымымен танысуы бейорганикалық химиядан басталады. Осыған байланысты мектеп бағдарламасының басым бөлігімен қатар, \(7\)-\(9\) сынып оқушыларына арналған мектеп олимпиадасының көптеген тапсырмалары Менделеев ұсынған периодтық жүйесіндегі негізгі топ элементтерінің бейорганикалық химиясын меңгеруге бағытталған. Жоғарғы сыныптарда органикалық химиямен қоса, оқушылар өз кезегін тапжылмай күтіп отырған бейорганикалық химияның координациялық қосылыстарын анағұрлым жоғары деңгейде оқиды.

Сонымен, бейорганикалық химиның “ілгері” тұсы қандай болмақ?

Осы мақалада біз “жансыз химияның” шынымен қызықтыратын аспектілері жайында сөз қозғайтын боламыз. Кристалдар, кластерлер, металоорганикалық және бейорганикалық биохимия – бұның бәрі жаңа материалдар, катализаторлар, жартылай өткізгіштер жасауға, ауруларды емдеудің жаңа әдістерін жетілдіруге және өзге жұмыстарға бағытталған өте перспективті ғылыми зерттеу салалары.

Лазурь, жарық және координациялық қосылыстар

Топтамамыздың келесі мақаласы көміртектің шексіз көп қосылыстарын зерттейтін органикалық химия бөлімі жайында болмақ. Егер органикалық химия тиісінше органиканы зерттеуге бағытталса, бейорганикалық химия кең мағынасында қалған заттардың химиясын зерттеумен айналысады. Мұнда периодтық жүйенің көміртектен өзге элементтері, сонымен қоса, көміртегінің кейбір қосылыстары (\(CO\), \(CO_2\)), металдардың карбонил кешендері мен көміртектің нанотүтікшелері жатады.

Бейорганикалық химияның ең бояулы және қарқынды зерттелетін бөлімдерінің бірі – координациялық қосылыстар химиясы. Классикалық координациялық қосылыстар, яғни металл кешендері – бұл орталық металл ионының лигандтар деп аталатын басқа иондармен немесе молекулалармен қоршалған сызықты, жазық немесе көлемді құрылымдар. Осы қосылыстарда байланыстардың күші мен саны толығымен металл мен лигандтардағы электрон орбитальдарының қабаттасу ерекшеліктеріне тәуелді. Орталық элементтің электрондық құрылысының дәл өзі тиісті кешенді қосылыстың физикалық және химиялық қасиеттерімен қоса, құрылымын анықтайды.

Координациялық саны 2-ден 6-ға дейінгі кешенді қосылыстардың 3D модельдері. Сонымен қоса, координациялық саны 7, 8 және 9 болатын қосылыстар болуы мүмкін. Сурет дереккөзі

Лазурьді жағалау, ляпис лазурит, лазурь – нағыз көгілдір түс реңктеріне қанық сөздер. Кең қолданысқа ие көгілдір пигмент – берлиндік лазурі – осындай реңктерге толы. Пигмент төбелерінде цианид иондары, ал ортасында темір ионы орналасқан дұрыс алты қырлы фигуралардан (октаэдрлардан) құралатын темір кешендерінен тұрады. Лигандтардың осындай қоршауы темірдің валентті d-орбитальдарының бөлінуіне әкеледі: бес d-орбитальдың екеуінің энергиясы артады, ал қалғандарының энергиясы керісінше азаяды. Бұл процесс кристалды өріс теориясы мен лиганд өрісі теориясымен толығырақ сипатталады.

a) Октаэдрический комплекс железа(II), b) энергетическая диаграмма расщепления d-орбиталей.
a) Октаэдр пішіндегі темір (II) кешені, b) d-орбитальдардың энергетикалық тармақтану диаграммасы.

Енді d-электрондары негізгі төмен күйден жоғарғы қозған күйге және бастапқы қалпына “секіре” алады. Мұндай ауысулардың өтуі үшін электрон жеткілікті энергиясы, яғни белгілі бір толқын ұзындығы бар фотонды (жарық бөлшегін) сіңіруі немесе шығаруы керек. Жарық берлиндік лазурінің кристалына түскенде толқын ұзындығы \(600\)-\(650\) нанометр аралығында қызғылт сары түсті жарық жұтылады, ал қалған жарық түстері кристалл бетінен шағылысады. Осылайша көз торы бұл пигментті қызғылт сары түске комплиментарлы (қарама-қарсы) болып келетін көк түсте қабылдайды.

Жапондық суретші Кацусика Хокусай өзінің “Канагавадағы үлкен толқын” атты атақты гравюрасын салу үшін берлин лазурін қолданған. Сурет дереккөзі

Егер біз координациялық металдардың әлдеқайда көп санын таңдап, алынған кластерді қорғаныш полимер қабатымен жабатын болсақ, онда микро- және макроәлем арасындағы шекараны толығымен бұзатын қосылыстарды аламыз. Жартылай өткізгіштер, дәлірек айтқанда, жартылай өткізгіш нанобөлшектер осы жолмен түзеледі. Бұл бөлу шекарасы нанотехнологияның, электрониканың химиялық негізі болып табылады және, атап айтқанда, кадмий селенидінің жартылай өткізгіш кластерлерінің физикалық қасиеттерін зерттеудің нәтижесі болып табылады.

1) Сол жақта: кадмий селениді кластерлерінің құрылымдары. Дереккөз 2) Оң жақта: жартылай өткізгіштерден кванттық нүктелер нанобөлшектерінің түзілуі. Дереккөз

Бір қызығы – кванттық нүктелер (ағыл. quantum dots) деп аталатын нанобөлшектер берлиндік лазурьге сәйкес келетін электронды ауысулар арқасында көзге көрінетін жарықты сіңіре де және шығара да алады, сондай-ақ, өз мөлшерлеріне байланысты көрінетін спектрдің әрбір түсін люминесценциялайды. Осылайша кванттық нүктенің артатын диаметрі электронды ауысулар кезінде энергия деңгейлерінің тармақталуын төмендетеді, ал бұл оның люминесценциясының күлгін түстен қызыл түске біртіндеп өзгеруіне сәйкес келеді.

QD-LED жарық диодтарының жұмыс жасау принципі. Кванттық нүктелер өлшемдеріне байланысты жарық диодты сәулеленудің көрінетін спектрінің барлық басқа түстеріне айналдыруға қабілетті.

Фотолюминесцентті бояғыштар, QD-LED теледидарлық дисплейлер және күн батареяларын қоса алғанда кванттық нүктелердің қолданыс аясы кең. Сонымен қатар, олардың болашақта биологиялық жүйелерде қолдану мүмкіншліктері бар, мысалы: медициналық кескіндеме жасау және дәрі-дәрмектерді жеткізетін молекулаларды жобалау. Кванттық нүктелердің бейорганикалық компоненттерінің жоғары уыттылығы мәселесіне қарамастан, зерттеушілер жетілдірілген полимерлі жабындардың көмегімен медициналық және экологиялық мүмкін зардаптардың қаупін азайта алды. Кванттық нүктелердің басқа заттарға қарағанда жоғары жарық төзімділігі, электромагниттік сәулеленудің кең спектірімен қозуы және анағұрлым жарық сәулемен «жарқырау» қабілеті арқасында медицина ғылымында өте пайдалы екендігі дәлелденді.

Қазіргі кезде кванттық нүктелерден тұратын жарық диодтар технологиясы теледидарлардың дисплейлер өндірісінде кеңінен қолданылады. Осылайша Samsung – QLED, LG Electronics – NanoCell, ал Sony – Triluminous маркетингтік атауын қолданады. Сурет дереккөзі

Кристалдар

Көптеген бейорганикалық заттардың тағы бір маңызды қасиеті – бұл әрбір құраушы атомның белгілі бір координациялық ортаға ие болатын қатты кристалды құрылымды түзуі. Табиғатта кристалдар натрий хлориді, дала шпаты (калий, алюминий, кремний және оттегіден), кварц (кремний және оттегіден) сынды жерасты суларындағы минералды кристалдардың құрамындағы түрлі иондардың тұнбалануы жолымен түзіледі. Шын мәнінде тізім минералдармен ғана шектелмейді, құм, мұз, керамика, металдар, сұйық кристалдар, тіпті ДНҚ мен нәруыздар да кристалдық құрылым құруға бейімделген.

Кристалдардың басты ерекшелігі – олардың үшкір бұрышты кварц қаңқалары немесе натрий хлориді текшелері тәрізді геометриялық пішінінің болуы. Ас тұзы текше түріне бекер кристалданбайды! Бұның бәрі көптеген координациялық қосылыстардың атом деңгейіндегі шексіз қайталанатын тәртібі макродеңгейде симметрия түрінде байқалады.

Натрий хлоридінің кристалдық торында хлор (жасыл сфералар) және натрий атомдары (ақ сфералар) октаэдрлік пішінде орналасқан және бірігіп куб тәрізді кристалды тор құрайды. Үйреншікті масштабта NaCl монокристалдары текшелерге айналады. Кристалдық құрылым және кристалл суреттерінің дереккөздері.

Қоршаған ортаға байланысты химиялық құрамы бірдей кейбір заттар әртүрлі кристалдар түзуге қабілетті болғандықтан, кристалдардың қаттылығын, түсін, мөлдірлігін және басқа да көптеген физикалық қасиеттерін, яғни кристалдық құрылым арқылы анықтауда басты нышан болып келетіндігін атап өту маңызды. Мысалы, алуан формаларда кездесетін полиморфті кремний диоксиді \(SiO_2\) табиғатта кварц, тридимит, кристобалит және халцедон минералдары түрінде кездеседі.

Полиморфты кремний диоксидінің түрөзгерістері. Жоғарғы қатарда үшкір бұрышты кварц каскадының кристаллдары, төменгі қатарда сол жақтан оң жаққа қарай: тридимит, кристобалит и халцедон. Кварц, тридимит, кристобалит және халцедон суреттерінің сілтемелері.

Металоорганикалық қаңқалық құрылымдар

Егер органикалық молекулаларды металл кешендерімен байланыстырып, кристалды құрылымдар алсақ не болады? Органикалық және бейорганикалық химия концептілері түйіскен жерінде ғалымдар жоғары сұрыпталған кеуекті материалдарды – қаңқалық металлорганикалық құрылымдарды (ағыл. metal-organic frameworks, MOF) – жасай алды.

Координациялық металл ортасы мен байланыстырушы органикалық көпірден тұратын шексіз қайталанатын MOF-5 құрылымы. Дереккөз

Ең егжей-тегжейлі зерттелетін MOF-\(5\) құрылымын қарастыратын болсақ, көк тетраэдрамен, сұр түсті көміртек атомдарымен және қызыл түсті оттегімен белгіленген метал центрлері арасындағы байланысты байқауға болады. Осы қаңқаның керемет адсорбциялық қасиеттері сары сфералармен бейнеленген, диаметрі \(15.1\) және \(11.0\) ангстремді құрайтын алып кристалды кеуектерге байланысты екенін белгілеп алу қажет.

MOF-5 кристалдық және топологиялық құрылымы. Дереккөз

Құрылымдық алуандығы және ұсақ қуыстардың мөлшерімен қоса, химиялық талғампаздығын басқара алу қабілеттілігінің арқасында MOF технологиялары адамзатқа газды таңдамалы мембраналар мен перспективалы және экологиялық таза сутегі отынын сақтауға, эффективті су жинауға, тіпті парниктік газдарды тікелей атмосферадан ұстап алуға арналған тиімді адсорбциялық материалдар жасауға керемет мүмкіндік берді. Осыған байланысты қаңқалық металоорганикалық құрылымдарды одан әрі зерттеу көптеген маңызды экологиялық стратегияларды жүзеге асыруда маңызды рөл атқаратыны сөзсіз.

Металоорганикалық қосылыстар

Органикалық молекулалардың металдармен тағы бір әрекеттесу нәтижесі химия ғылымының іргелес аялары органикалық химиядан бейорганикалық химияға жатық ауысуы болып есептелетін металоорганикалық қосылыстардың (ағыл. organometallic compounds) түр-түрлерінің пайда болуына әкелді. Табиғи және өндірістік заттардың органикалық синтезінің туындауына адамзатқа ежелден белгілі органометалды реактивтер, мысалы, органомагний және органолитий қосылыстары маңызды рөл атқарды. Ал \(1973\) жылы металоорганика химияның жеке саласы ретінде металоцендердің сэндвич құрылымдарын зерттегені үшін неміс ғалымы Эрнст Фишерге (Мюнхендегі техникалық университеттің профессоры) және британдық ғалым Джеффри Уилкинсонға (Лондон императорлық колледжінің профессоры) Нобель сыйлығы берілгеннен кейін танылды. Кем дегенде бір металл-көміртегі байланысы қажет ететін металоорганикалық қосылыстарын азот, оттегі және күкірт сияқты басқа элементтер арқылы металл иондарымен байланысатын қаңқалық металоорганикалық құрылымымен шатастырмау жөн.

Сол жақта – бутиллитий кластерінің 3D моделі, оң жақта – ферроценнің сэндвич құрылымының 3D моделі. Қара түспен – көміртек, ақ түспен – сутек, алқызыл түспен – литий, күлгін түспен – темір атомдары белгіленген. Сурет дереккөзі

Металоорганикалық қосылыстар өздерінің қызықты табиғатымен қоса, талғағыш катализатор рөлін атқарады. Осы қосылыстардың ең жарқын мысалдары өздерінің тұңғыш ашушыларын химия бойынша лайықты Нобель сыйлығын иеленуге жеткізді: Циглер-Натта катализаторларымен жоғары полимерлерді зерттеу (\(1963\)), олефиндердің Граббс катализаторларымен метатезисі (\(2005\)), сонымен қатар палладий кешендерімен катализделген өзара байланысқан реакциялар (\(2010\)) . Бұл қосылыстардың барлығы қатерлі ісік метастаздарының түзілуінің ингибиторы – миграстатин – заты сынды көптеген күрделі химиялық молекулаларды оңай жолмен синтездеуге мүмкіндік береді.

Олефин метатезисінде қолданылатын бірінші (сол жақта) және екінші (оң жақта) қатарлы рутений (Ru) металының металоорганикалық қосылыстары, Граббс катализаторлары.
Екінші қатарлы Граббс катализаторын Сэмюэль Данишефскийдің зерттеу тобы обыр жасушаларының таралуын бәсеңдететін бактериялық миграстатин өнімін толық синтездеу кезінде пайдаланды. Сары түспен тізбектің олефин метатезисімен тұйықталуы белгіленген.

Тірінің шегінде

Көптеген жаратылыстану оқулықтарында әлем тірі және өлі табиғат деп шартты түрде бөлінген. «Өлі» табиғатта кездесетін химиялық заттардың көп бөлігі тірі организмдерде де кездеседі: сүйектердегі кальций, қандағы темір, өсімдіктер мен балдырлардың хлорофилліндегі магний, В\(12\) витаминіндегі кобальт және басқалары.

1956 жылы цианокобаламиндегі (В12 дәрумені) металл-көміртегі байланысы данышпан Дороти Ходжкиннің (рентген сәулелерін қолданып, биологиялық белсенді заттардың құрылымын анықтағаны үшін химия бойынша 1964 жылғы Нобель сыйлығының лауреаты) арқасында табылған ең алғашқы биомолекула болды. Дереккөз

Өзінің ғылыми анықтамасына сәйкес биоорганикалық химия тірі организмдерде кездесетін координациялық қосылыстарды қамтиды, бірақ бұл тізімге тірі жүйелерге айтарлықтай әсер ететіндігіне байланысты ластаушы заттар (метилмеркурия) және дәрі-дәрмектер (обырға қарсы цисплатин) сияқты антропогендік заттар кіреді.

Координациялық қосылыстар белгілі транспорттық металопротеиндер – миоглобин (сол жақта) және гемоглобин (оң жақта) – құрамынан да табылды. Бұл нәруыздардың негізгі қызметі гистидин аминқышқылының қалдықтары, байланыстыратын оттегі молекуласы, порфирин сақинасымен қоршалған центріндегі темір (II) ионы орналасқан гем тобының (ортада) құрылымымен анықталады. Ақуыз бейнеленген суреттерде гем топтары сары сілтеуіш белгімен көрсетілген. Гем, миоглобин және гемоглобин суреттерінің дереккөздері (Zephyris / Richard Wheeler).

Қорытынды

Осылайша біз бір сәтке болса да бейорганикалық химияның шексіз әлеміне шолып, оның “жансыз” болудан гөрі қарқынды түрде дамитын химия бөлімі екеніне көз жеткіздік. Координациялық қосылыстардың қарапайым қисынына сүйенетін болсақ, бейорганикалық химия мен өнер, нанотехнология, кристалдар, органикалық молекулалар мен тірі жүйелер арасындағы тікелей байланысты байқауға болады. Жоғарыда келтірілген мысалдардың бәрі химия ғылымының қаншалықты жан-жақты екендігін дәлелдейді. Онсыз дәрі-дәрмектер, заманауи гаджеттерді жасау немесе болашақ жауһар туындыларында әдемі бояулар қолдану сынды көптеген ғылыми және технологиялық бастамалары іске аспаушы еді.

«Beyond Curriculum» қоры «Пән ғажабы неде» циклы материалдарын «Караван знаний» жобасымен серіктестікте және «Шеврон» компаниясының қолдауымен жариялауда. «Караван знаний» – жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама.

Аударған: Киреева Азиза