курсовая (Автосохраненный). Синтез новых веществ с уникальными свойствами
 Скачать 315.51 Kb.
|
|
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Мичуринский государственный аграрный университет» Институт социально-педагогический Направление подготовки 44.04.01 Педагогическое образование Направленность (профиль) Естественнонаучное образование Кафедра биологии и химии Дисциплина Актуальные вопросы современной химии Курсовая работа на тему: «Синтез новых веществ с уникальными свойствами» Выполнил обучающийся 2 курса СОМ21ЕНО группы Анохина Елена Александровна Проверил доцент Золотова Ольга Михайловна МИЧУРИНСК –НАУКОГРАД - 2022 СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. С применением новых химических элементов — циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и т.д. в последнее время синтезируют огнеупорную, термостойкую, химостойкую, высокотвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств. Сверхтвердый материал — гексанит-Р как одна из кристаллических разновидностей нитрида бора, с температурой плавления свыше 3200 0С и твердостью, близкой к твердости алмаза, обладает рекордно высокой вязкостью, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена, таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конструкционной керамике был присущ общий недостаток — хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению. Большое преимущество технической керамики нового состава в том, что детали машин из нее производятся прессованием порошков с получением готовых изделий заданных форм и размеров. Химия кремнийорганических соединений позволила создать многотоннажное производство самых разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами. Эти полимеры незаменимы в ряде отраслей энергетики и авиапромышленности. Фтороуглероды — тетравторметан, гексафторэтан и их производные, где атом углерода несет слабый положительный заряд, а атом фтора с присущей фтору электроотрицательностью — слабый отрицательный заряд. В результате фтороуглероды обладают исключительной устойчивостью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси. Поэтому они применяются в качестве материала для протезов внутренних органов человека. Цель исследования: изучить синтез новых веществ с уникальными свойствами. Задачи: Провести обзор литературных источников на тему: «синтез новых веществ с уникальными свойствами»; Дать описание нанотехнологии и ее составляющих; Изучить практическое значение новых материалов Глава 1. Синтез новых веществ с уникальными свойствами 1.1 Химический синтез Химический синтез - это процесс создания или построения сложных молекул из более простых. В промышленности с помощью химического синтеза получают химические соединения химическими и физическими методами. В зависимости от природы продукта синтез может быть органическим или неорганическим. Следует отметить, что в органическом синтезе продуктом химической реакции может являться и более простое вещество, чем одно из исходных соединений. Разработка и совершенствование синтетических методов позволили получать многие важные химические продукты в промышленных масштабах. В неорганической химии с помощью синтетических методов в промышленных масштабах синтезируют азотную кислоту, аммиак, серную кислоту, соду, различные соединения [3, с. 345]. Налажено промышленное производство органических веществ, используемых в различных отраслях химической промышленности, а также продуктов тонкого органического синтеза, в т. ч., пептидного (гормонов, витаминов). Впервые термин «синтез» в химии был употреблен приблизительно в 121 г. н.э. знаменитым римским алхимиком Галадиеном. Понятие синтеза в современном смысле этого слова ввел немецкий химик Герман Кольбе. Впервые синтезировал и доказал возможность синтеза органических веществ вне живого организма (в лабораторных условиях) русский химик-органик Н. Зинин (1812-1880 гг.). Тонкий органический синтез развился в недрах органической химии и стал неотъемлемой частью химической технологии. Традиционно сложившимися областями использования тонкого органического синтеза являются производства красителей, лекарственных и душистых веществ. В более поздние годы применение тонкого органического синтеза значительно расширилось. Сформировалась потребность в продуктах тонкого органического синтеза для получения кинофотоматериалов и средств защиты растений. В настоящее время расширяется ассортимент продуктов тонкого органического синтеза в пищевой промышленности, открываются пути использования методов тонкого органического синтеза для получения аналогов некоторых природных волокон. С развитием биотехнологии тонкий органический синтез используют для воспроизведения структур генетического аппарата; в связи с этим возникли новые аспекты обеспечения надежного выделения в индивидуальном состоянии сложных органических веществ. Широкий диапазон использования тонкого органического синтеза определяет то многообразие знаний, которыми должны овладеть специалисты в данной области. В самом деле, без пластических масс, синтетических каучуков и смол, искусственных и синтетических волокон, синтетических моторных топлив, лекарственных, красящих и взрывчатых веществ, соединений, способствующих повышению продуктивности сельского хозяйства, и многих других ценных продуктов было бы невозможно нормальное существование и прогресс современного мира. Одним словом, в наши дни разностороннее практическое применение органических, а также неорганических соединений обусловлено развитием и совершенствованием теоретической и экспериментальной технологии химического синтеза [2, с. 154]. 1.2 Новые материалы из определенных веществ Одно из важнейших направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, строительства, медицины и сферы услуг – это новые материалы из определенных веществ. Изменения укладов жизни человечества связаны с открытием и освоением производства новых материалов. Материалы – это ступени нашей цивилизации, а новые материалы – это трамплин для прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия. Когда мы говорим о критериях, определяющих приоритетные, критические технологии (качество жизни, безопасность, конкурентоспособность и т.д.), одним из важнейших критериев является такая характеристика технологии – как способность коренным образом изменить, «перевернуть» всю структуру производства, а возможно, и социальных условий жизни человечества [8, с. 124]. К таким технологиям, вероятно, относятся информационные технологии, биотехнологии, генная инженерия. К этим же технологиям относятся и технологии получения новых материалов. По экспертным оценкам в ближайшие 20 лет 90% материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к революции в различных областях техники. О перспективности работ по новым материалам свидетельствует и тот факт, что почти 22% мировых патентов выдаются на изобретения в этой области. Об этом же говорит и динамика роста мировых рынков основных видов новых материалов до 2000 года. Особенно заметен прогресс в разработке производстве неорганических материалов – это керамика, материалы для микроэлектроники и пр. Современные материалы можно получить, используя современные технологии. К таким технологиям, очевидно, относятся информационные технологии, биотехнологии, генная инженерия. К этим же технологиям относятся и технологии получения новых материалов. По экспертным оценкам, в ближайшие 20 лет 90% материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к революции в различных областях техники. В этой связи ведущую роль играет химия. Но химия связана с другими науками, без которых развитие современных технологий невозможно. Именно поэтому инновации в химической отрасли часто выступают не изолированно, а соотносятся с другими науками, другими областями знаний и практическими сферами: физикой, биологией, экологией, утилизацией отходов, альтернативной энергетикой. В этих областях открытия в химии обычно реализуются, получают свое практическое применение. Прогресс медицины и охраны здоровья — это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга — это прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждет от химии новые современные материалы с магическими свойствами (наноматериалы), новые источники и аккумуляторы энергии, новые чистые и безопасные технологии и т. д. Химия, обладая огромными возможностями, создает ранее невиданные материалы, умножает плодородие почвы, облегчает труд человека, экономит его время, одевает, сохраняет его здоровье, создает ему уют и комфорт, изменяет внешность людей [16, с. 293]. Перед химиками стоят очень большие задачи — получение новых видов топлива, новых материалов и новых пластиков, которые удовлетворяли бы новым требованиям; предвидение химических свойств окружающей среды. «Успехи химии сейчас настолько впечатляющие, что можно говорить о прорывном ее развитии: наноматериалы, нанороботы, новая химия, "зеленая химия» и т. д. При этом настоящий «взрыв» химических знаний произошел в XIX веке, когда научились искусственным путем получать красители, душистые, лекарственные и многие другие вещества, которых в природе никогда не было и быть не могло. В 2013 году число известных человеку веществ достигло 27 миллионов. И еще более впечатляющие задачи стоят перед химией в будущем. К основным направлениям развития современной химии относятся: синтез новых, в том числе не существующих в природе, химических элементов и веществ; синтез дендримеров (молекулы, построенные по фрактальному типу — когда все вещество составлено одной гигантской молекулой (по принципу алмаза); синтез неметаллических (в том числе стеклообразных) полупроводников; синтез неметаллических (керамических) высокотемпературных сверхпроводников; создание мультисенсорных систем типа «электронный нос», «электронный язык» на основе неселективных сенсоров, разработка методов распознавания образов (с применением искусственных нейронных сетей) при интеграции химии, физики, математики; компьютерная химия, компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций; синтез и исследование наноструктур, развитие и применение на-нотехнологий; синтез фуллеренов и нанотрубок; синтез полимерных полупроводников; химия чрезвычайно быстротекущих реакций (фемтохимия); развитие химии одиночной молекулы; развитие компьютерной химии; создание «молекулярных машин»; создание и развитие «химической медицины», решение проблемы «химического бессмертия». 1.3 Роль информационных технологий в получении синтеза новых веществ с уникальными свойствами Следует подчеркнуть, что сейчас невозможно представить химию без новейших компьютеров. Современный исследователь-химик уже не может ограничиться лишь традиционными химическими знаниями, навыками и экспериментами. Параллельно и даже с некоторым опережением должно проводиться моделирование химических систем. Соответствующие методы получили столь большое распространение, что составили основу так называемого молекулярного дизайна, или моделирования молекул Владение методами компьютерной химии становится, таким образом, необходимым требованием к любому современному специалисту-химику. Более того, современные компьютерные программы обладают высокой распространенностью, поэтому работать с ними может, в принципе, любой школьник-старшеклассник. Можно смело утверждать, что прогресс в химии означает прогресс и в других областях науки и техники. Это объясняется практически неограниченными возможностями химической науки, которая позволяет интенсифицировать процессы во всех сферах материального производства, кардинально менять свойства старых материалов, создавать новые. Иллюстрацией возможностей химии именно в этой области служат два таких широко известных примера, как многообразное семейство химических волокон, появившихся на свет за последние два-три десятилетия, и создание специальных полимерных материалов, без которых невозможна современная электротехническая промышленность. Современная химия развивается в различных областях. Она изучает формы молекул, скорость реакций, строение единичных молекул. Важным аспектом является нанотехнологии [13, с. 231]. 1.4 Природные и синтетические соединения с физиологической активностью Важной задачей химии, в частности фармацевтической, является создание новых высокоэффективных лекарств. Перед такой химией стоит задача создания лекарств против онкологии, СПИДа, сердечных проблем (инсультов и инфарктов) и т. п. Как решается эта задача, в чем сложность этой задачи? Разработка таких лекарств является важной задачей компьютерной химии, поскольку очень важно «видеть в пространстве предполагаемую молекулу». Химия совместно с биологией решила много проблем, например, расшифровку строения и синтез биологически важных алкалоидов, витаминов и стероидов, а вершинами ее достижений в середине нашего века надо считать полные химические синтезы хинина, стрихнина, пенициллина и т. п. Пути биологии и химии в познании механизмов жизнедеятельности пролегают рядом, и это естественно, ибо живая клетка — настоящее царство больших и малых молекул, непрерывно взаимодействующих, возникающих и исчезающих... Биоорганическая химия — наука, которая изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями.  Итак, объектами изучения биоорганической химии являются: 1) биологически важные природные и синтетические соединения: белки и пептиды, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды; 2) биополимеры смешанного типа — гликопротеины, нуклеопротеины и т. п.; алкалоиды, витамины, антибиотики, гормоны, феромоны, токсины; 3) синтетические лекарственные препараты, пестициды и др. Биополимеры — высокомолекулярные природные соединения, которые являются основой всех организмов. Это белки, пептиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды. Биорегуляторы — соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды, лекарственные препараты и др. Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, установление строения белков и нуклеиновых кислот позволило развить представления о матричном биосинтезе белка и роли нуклеиновых кислот в сохранении и передаче генетической информации [18, с. 219]. К проблемам, решение которых связано с исследованиями в области биохимии, относятся: создание строго специфичных высокоактивных катализаторов (на основе изучения строения и механизма действия ферментов); прямое превращение химической энергии в механическую (на основе изучения мышечного сокращения); использование в технике химических принципов хранения и передачи информации, осуществляемых в биологических системах, принципов саморегулирования многокомпонентных систем клетки в первую очередь избирательной проницаемости биологических мембран и многое др. Одним из важных аспектов химической активности молекул, в том числе лекарств, является хиральность. Хиральность. Молекулы, в которых имеется хотя бы один атом углерода, соединенный с четырьмя различными заместителями, называются асимметрическими, или хиральными. Другими словами, это молекулы, не имеющие ни центра, ни плоскости симметрии. Хиральность (от др.-греч. — "рука") — свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве. Попытайтесь надеть левую перчатку на правую руку или пожать правую руку друга левой рукой — и тогда вы поймете, что такое хиральность. На первый взгляд может показаться, что это одна и та же молекула, изображенная по-разному. Однако, если вы соберете модели обеих форм и попытаетесь совместить их так, чтобы все атомы совпали друг с другом, вы быстро убедитесь, что это невозможно, т. е. оказывается, что молекула несовместима со своим зеркальным отражением. Таким образом, две хиральные молекулы, относящиеся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение, не тождественны. Эти молекулы (вещества) являются изомерами, получившими название энантиомеров, или оптических изомеров. Большинство химических и физических свойств пары энантиомеров идентичны. Однако энантиомеры по-разному взаимодействует с другими хиральными молекулами, в частности с веществами природного происхождения, образующимися в биологических объектах. Например, если один из энантиомеров токсичен, то другой может и не обладать этим свойством. Если одни из энантиомеров представляет собой витамин, то второй такими свойствами не обладает. Эти различия в биохимических свойствах энантиомеров связаны с тем, что биохимические процессы в живом организме катализируются ферментами (энзимами). Ферменты представляют собой хиральные соединения белковой природы. Для того чтобы соединение было биологически активным, его геометрия должна соответствовать строению определенного участка фермента. Например, аминокислоты (кроме глицина) существуют в двух стерео-изомерных формах — L и D, вращающих плоскость поляризации света соответственно влево и вправо. Все живые организмы синтезируют и усваивают только L-аминокислоты, a D-аминокислоты для них либо безразличны, либо вредны. Молекулы, не имеющие элементов симметрии, называются хиральными. Изомеры, молекулы которых хиральны и являются зеркальными изображениями друг друга, называются энантиомерами. Энантиомеры имеют идентичные физические и химические свойства и различаются характером взаимодействия с другими хиральными веществами, например ферментами [26, с. 239]. |