Уровень структурной химии

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие “структура”, т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. “Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула”.  

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Ещё в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал что углерод четырёхвалентен, и это даёт возможность присоединить к нему до четырёх элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трёх одновалентных элементов, кислород – до двух. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А.М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

В 60 – 80-е гг. прошлого века появился термин “органический синтез”. Из аммиака и каменноугольной  смолы были получены анилиновые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее – взрывчатые вещества и лекарственные препараты – аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений что химики могут всё.

Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

Учение о химических процессах

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в живой, так и в неживой природе. Эти процессы изучает химия, физика, биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удаётся осуществить, хотя в принципе они осуществимы; другие трудно остановить – реакция горения, взрывы, а часть из них трудно управляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

 Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий происхождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака:

                N2  + 3N2 = N3  

Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли её провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико–химиками  Я.Х. Вант – Гофом и А.Л. Ле – Шателье. Было установлено, что “синтез аммиака происходит на поверхности твёрдого катализатора  при сдвиге равновесия за счёт высоких давлений”.

Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, как, например, получение аммиака, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов – от строения и концентрации реагентов, наличия катализаторов, от строения и концентрации реакторов и т.д.

Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая основа жизни на Земле. Какая лаборатория этого процесса – лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?

И.Я. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя её протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что служит идеалом  для многих химиков. Идеалом совершенства считали “живую лабораторию” немецкий учёный Ю. Либих, француз П.Э.М. Бертело и другие учёные.

Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов – изучение и использование приёмов живой природы, применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований  с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем,  выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Используя рациональность субстратного   и функционального подходов, она отвечает на вопросы “о движущих силах и механизме эволюционного процесса, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции”.