Вызовы современного общества, диктуемые, во-первых, «лавинообразным» ростом объёма информации, подлежащей усвоению и осмыслению обучающимися, во-вторых, появлением новых требований ФГОС, связанных с изменением понимания и «индикаторной» оценкой качества подготовки выпускника школы, актуализировали проблему интеграции достижений современной науки в содержание школьного химического образования. Возможность достойно ответить на эти вызовы в значительной степени определяется установкой Президента и Правительства на повышение эффективности научных исследований, развития высоконаучных технологий производства как средства экономического развития страны. Технологический рывок второй половины XX века и следующий за ним «ренессанс» индустриализации требуют подготовки кадров, развития науки, создания новых технологий, «которые изменят мир, сам характер экономики, образ жизни миллионов, если не миллиардов людей…» [1, с.1].
В содержании образования должны быть отражены все новейшие достижения химической науки, связанные с химией успехи, проблемы и беды современного общества, последние достижения в области технологии.
Основным понятием химии является вещество. Вещества окружают нас везде: в воздухе, почве, бытовой технике, пище, растениях и, наконец, в нас самих. Самое большое число веществ, ранее не существовавших в природе, человек синтезировал самостоятельно (современные материалы, лекарства, катализаторы). На сегодняшний день известно около 20 млн. органических и около полумиллиона неорганических веществ, и каждое из них обладает внутренней структурой. Органический и неорганический синтез достиг такой высокой степени развития, что позволяет синтезировать соединения с любой заранее заданной структурой. В связи с этим на первый план в современной химии выходит прикладной аспект, в котором упор делается на связи структуры вещества с его свойствами, а основная задача состоит в поиске и синтезе полезных веществ и материалов, обладающих заданными свойствами. В настоящее время быстро развивается в «химию будущего» молодой междисциплинарный раздел современной науки – супрамолекулярная химия. Что же такое «супрамолекулярная» химия?
Основатель этого направления – лауреат Нобелевской премии, выдающийся французский учёный Ж.-М. Лен. В1978 г. онписал: «…chemistry of molecular assemblies and of the intermolecular bond»; в 1988 г. – «Supramolecular chemistry is the chemistry of the intermolecular bond»; в 2002 г. – «Supramolecular chemistry aim at development highly complex chemistry systems from components interacting by non-covalent intermolecular forces». Таким образом, супрамолекулярная химия является химией межмолекулярной связи. Подобно тому, как существует область молекулярной химии, основанной на ковалентных связях, существует и область супрамолекулярной химии, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей [2, с. 21].
Школьникам известно, что химия изучает химические элементы (атомы), образуемые ими молекулы (кристаллы), их превращения.Изолированная молекула – скорее исключение, чем правило, скорее абстракция, чем реальность.
В 1890 г. Н. Меншуткин сказал, что «реакция неотделима от среды, в которой она протекает». Например, реакция Финкельштейна Cl– + CH3Br → ClCH3 + Br–. Среда влияет на константу скорости этой реакции (при 25°С) следующим образом:
|
Среда |
k, относительная |
|
вода |
1 |
|
метанол |
1,2 |
|
диметилформамид |
1,0×105 |
|
ацетон |
6,6×105 |
|
газовая фаза |
2,5×1015 |
В качестве среды могут выступать: растворитель, любые ионы, молекулы, окружение в кристалле, подложка, матрица, клетка.
Супрамолекулярная химия изучает:
- роль среды в химических реакциях;
- молекулы в составе коллективов: синтез ансамблей молекул, межмолекулярные взаимодействия, свойства молекул в коллективе, свойства коллектива как целого, анализ и описание структуры коллектива, создание устройств на основе молекулярных коллективов (молекулярная электроника), имитация и изучение биологических процессов, влияние условий на коллективы молекул.
Супрамолекулярная химия началась с изучения селективного связывания катионов щелочных металлов природными и синтетическими макроциклическими и макрополициклическими лигандами, краун-эфирами и криптандами. Область исследований расширялась, что привело к осознанию молекулярного распознавания как новой области химических исследований, которая, поставив в центр внимания межмолекулярные взаимодействия и процессы в общем, распространившись на целый спектр смежных областей, выросла в супрамолекулярную химию. Химия молекулярного распознавания создаёт также ядро химии систем «гость – хозяин» [2, с. 21]. Пример расчётной задачи: рассчитайте ?G вращения «гостя» в молекуле «хозяина».
Проблемное поле супрамолекулярной химии как науки включает следующие направления исследований:
- I. 1. Выявление существования межмолекулярных связей и нахождение их энергетических характеристик (при помощи спектроскопических методов - ИК-, КР-, неупругое рассеяние нейтронов). 2. Выявление существования межмолекулярных связей и нахождение их геометрических характеристик (при помощи дифракционных методов). 3. Статистические исследования межмолекулярных взаимодействий на основании анализа данных, накопленных для большого массива соединений.
- II. 1. Использование межмолекулярных взаимодействий в синтезе химических соединений (новые классы сложных органических молекул, координационных соединений, композиты, биохимический синтез). 2. Использование межмолекулярных взаимодействий для дизайна и синтеза новых кристаллических структур (инженерия кристаллов), плёнок, жидких кристаллов, мембран, мицелл, а также их модифицирования. 3. Использование межмолекулярных взаимодействий для дизайна и синтеза новых материалов с заданными свойствами или для модификации уже имеющихся материалов.
III. 1. Исследование роли межмолекулярных взаимодействий и надмолекулярной организации в формировании физических свойств (анизотропия отклика на внешние воздействия, такие, например, как изменения температуры, давления, магнитные свойства, цветность и др.). 2. Моделирование межмолекулярных взаимодействий для расчётов энтальпий и энтропий с целью предсказания полиморфизма: существования, условий получения и свойств максимально возможного числа полиморфных модификаций. 3. Экспериментальное и теоретическое исследование роли межмолекулярных взаимодействий в фазовых переходах и химических реакциях с участием супрамолекулярных ансамблей.
Примеры супрамолекулярных соединений:
1) соединения включения / соединения «гость – хозяин»: клатраты (классические клатраты – полость образована совокупностью молекул «хозяина»), интеркалляты – «гости» в межслоевом пространстве «хозяина»;
2) сольваты / гидраты (газовые гидраты);
3) чисто органические / чисто неорганические, неорганический «хозяин» / органический «гость», органический «хозяин» / неорганический «гость»; примеры неорганических «хозяев»: силикаты (цеолиты, глины); слоистые гидроксиды магния, алюминия, железа; графит; слоистые халькогениды металлов; лёд; примеры органических «хозяев»: гидрохинон; мочевина и тиомочевина; циклодекстрины и амилоза; дипептиды и олигопептиды; краун-эфиры;
4) кристаллы органических соединений (кристаллы углеводородов); 5) комплексы на основе макроциклов для связывания анионов; 6) биологические системы (рибосома как один из супрамолекулярных клеточных ансамблей).Рибосома – клеточная бионаномашина, на которой происходит трансляция генетической информации, скопированной с ДНК в виде тринуклеотидов-кодонов матричной РНК, в полипептидные цепи белков. Эта функция является общей для рибосом бактерий и эукариот.
Методы исследования супрамолекул следующие: ядерно-магнитный резонанс, масс-спектроскопия, термогравиметрический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, сканирующая микроскопия. Например, исследование супрамолекулярных структур методами магнитного резонанса, в том числе электронного парамагнитного резонанса, позволяет определять геометрию комплекса.
Области применения супрамолекулярных соединений самые разнообразные. Например, порфирины являются моделью усвоения света организмами, фотосинтеза. Также они представляют собой замечательный обратимый связыватель кислорода, почти индифферентный к угарному газу. Новая технология хранения данных на молекулярном уровне с помощью молекул ротаксанов позволит довести плотность хранения данных до 100 Гбит на квадратный дюйм.
Академик А.И.Коновалов сказал, что Вселенная развивается в направлении всё большего усложнения, от менее сложных систем к более сложным. Способность к образованию более сложных систем заложена в природе менее сложных. Так, образование атомов – свойство элементарных частиц, образование молекул – свойство атомов. Если появились молекулы, то будут и супрамолекулярные системы, а если есть последние, то будут и биологические системы, следовательно, появится и жизнь. Супрамолекулярные системы – высшая точка предбиологической эволюции, это мост от неживой материи – к живой: биологические системы существуют на основе супрамолекулярных систем.