Второй уровень химического знания. Структурная химия

Структурная химия — раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергается следующее — длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность.

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико — сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это — углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.

Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Сам термин «структурная химия» — понятие условное. В нем, прежде всего, подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Структурная химия базируется на следующих экспериментальных способах изучения веществ:

• рентгеновский структурный анализ,

• инфракрасная спектроскопия,

• ультрафиолетовая спектроскопия,

• фотоэлектронная спектроскопия,

• нейтронография,

• электронография,

• спектроскопия комбинационного рассеивания,

• микроволновая спектроскопия,

Четвертая концептуальная система в химии – эволюционная химия. Проблема предбиологической эволюции. Четвертую концептуальную химическую систему и, вместе с тем, верхнюю границу современной химии образует учение об эволюционном катализе, или эволюционная химия. Своим возникновением эта теоретическая система обязана открытым в 60-е годы прошлого века советским химиком А. П. Руденко элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС), закономерности развития, а, точнее, саморазвития которых связаны с необратимым изменением катализаторов. Поэтому область исследований, образующих сегодня верхнюю границу современной химии, более обширна и включает целый ряд теоретически и эмпирически обоснованных концепций химической эволюции. К ним относятся синергетика Г. Хакена, термодинамика необратимых процессов И. Пригожина, теория саморазвития ЭОКС А. П. Руденко, существенно изменившие наши взгляды на химическую эволюцию и обосновавшие четвертую концептуальную систему химии как учение о высших формах химизма. Термин “химическая эволюция” был введен в науку М. Кальвином в 50-х годах. Отражая складывающиеся в естествознании и философии представления о развития вещества, М. Кальвин выделил следующие четыре основных этапа развития материи: ядерную эволюцию, химическую эволюцию, биологическую эволюцию и психосоциальную эволюцию. Эволюционная химия — четвертая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.

Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованный в работах американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958—1960 гг. В 1964—1969 гг. советский химик А. П. Руденко, учитывая это открытие, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М.Эйген была развита теориягиперциклов, объясняющая объединение самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы. Теория гиперциклов является абиогенетической теорией химической эволюции и происхождения жизни. В 1987 году Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, основатель супрамолекулярной химии, ввёл понятие супрамолекулярной самоорганизации и самосборки для описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений. Супрамолекулярной самосборкой является процесс спонтанной ассоциации двух и более компонентов, приводящий к образованию супермолекул или полимолекулярных ансамблей, происходящий за счет нековалентных взаимодействий. Это процесс был описан при изучении спонтанного образования неорганических комплексов (двойных геликатов), протекающего как процесс самосборки.