Спосіб отримання молекул з заданими властивостями хімічних зв’язків

Изобретение относится к области получения веществ с заранее заданными свойствами, в частности, к способам воздействия на энергетические состояния молекул с целью получения веществ с заданными свойствами, т. е. к области управляемого химического синтеза. Известен способ, при котором с помощью потоков электромагнитных излучений инициирование и увеличение выхода химических реакций при химическом синтезе (Баграташвили В.Н., Летохо в В.С., Макаров А.А. и др. Многофотонные процессы в молекулах в инфракрасном лазерном поле. - М., 1988). Суть способа заключается в получении свободных радикалов для инициирования химических реакций. Свободные радикалы получают на основе диссоциации молекул при воздействии на диссоциируемое вещество электромагнитными потоками энергии различных диапазонов (g, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное и др.). Недостаток способа заключается в том, что он не обеспечивает получение молекул с заданным химическими связями. Известен также способ инициирования направленных лазеро-химических реакций (А.с. СССР №1088784, кл. B01J19/08). Способ включает многофотонную диссоциацию молекул импульсным инфракрасным лазерным излучением с образованием химически активных радикалов. Для увеличения выхода реакции и расширения диапазона обрабатываемых веществ путем понижения энергетического порога многофотонной диссоциации за счет увеличения радикалов многофотонной диссоциации, молекулы перед многофотонной диссоциацией проводят в колебательное возбуждение. Приведение в колебательное возбуждение может быть произведено при воздействии лазерного излучения или ИК-излучением для термического нагрева. Указанный способ позволяет увеличить концентрацию радикалов многофотонной диссоциации, что дает возможность получать вещества с определенными, присущими им свойствами, Для получения молекул с заданными, а не выбранными как в указанном выше способе, химическими связями, а следовательно, веществ с заранее заданными, присущими или не присущими им свойствами, известные способы не подходят. В основу изобретения поставлена задача создания способа получения молекул с заданными энергетическими состояниями, которые при соединении молекул определяют свойства химических связей, образуемых молекулами, например, энергетический уровень диссоциации и силу этой связи. Поставленная задача решается тем, что в способе получения молекул с заданными свойствами химических связей с другими молекулами, включающем диссоциацию молекул под воздействием излучения согласно изобретению, на молекулу, имеющую не менее двух степеней свободы с различающимися по энергии квантовыми состояниями, воздействуют потоками резонансных электромагнитных излучений или заряженных частиц, энергия которых соответствует энергии квантовых переходов из существующего состояния в выбранное, причем воздействие осуществляется одновременно на обе степени свободы, переводя степень свободы с большей энергией квантовых переходов на выбранный энергетический уровень диссоциации, а вторую степень свободы переводят в одно из выбранных квантовых состояний степени свободы с меньшей энергией, согласованное с первой степенью свободы или в состоянии диссоциации воздействуют на квантовое состояние степени свободы с меньшей энергией квантовых переходов, переводя ее в состояние, соответствующее необходимой величине связи. По существующим в настоящее время взглядам, химические связи по своей природе относятся к электростатическим взаимодействиям электрических зарядов, входящих в состав атомов и молекул, образующи х связи, а энергетические состояния атомов и молекул влияют на распределение электрического потенциала в этих образованиях из заряженных частиц и через это распределение - на свойства химических связей. На распределение электрического потенциала влияют также входящие с ними в связь атомы и молекулы. В соответствии с изобретением предлагается новая интерпретация механизма образования химических связей, в частности так называемых "водородных" связей. Она возникла на основе рассмотрения взаимодействия вращательных состояний в молекулах типа симметричного волчка. Известно, что молекулы типа симметричного волчка имеют две степени свободы вращения: относительно оси симметрии и относительно осей, перпендикулярны оси симметрии. Из существующего уровня знаний известно, что для нахождения спектра молекулы типа симметричного волчка, кроме определения уровней необходимо еще и знание правил отбора, основанных на том, что при излучении или поглощении электромагнитной энергии должен изменяться дипольный момент молекулы. Но у молекул типа симметричного волчка вследствие симметрии составляющая дипольного момента в направлении, перпендикулярном оси симметрии молекулы, равна нулю. Поэтому момент вращения относительно этой оси, вызываемый электрическим полем излучения, также равен нулю. Это означает, что согласно принципу соответствия, поле излучения не может изменить момент количества движения относительно оси молекулы, или - квантовое число момента относительно оси симметрии, квантовое число момента движения относительно осей, перпендикулярных оси симметрии). Дипольный момент симметричного волчка направлен вдоль оси молекулы, которая прецессирует с частотой - средний по величине момент инерции, - полный момент количества движения). Следовательно, вытекающая из классических представлений частота равна (как для линейной молекулы). Эта частота может быть получена с помощью правила отбора Используемые правила отбора и подтверждаются наблюдаемыми переходами для симметричного волчка. В полученных спектрах не наблюдается зависимости от т.е. от момента относительно оси симметрии. Частоты переходов определяются выражением где - вращательная постоянная для линейной молекулы и молекулы типа симметричного волчка. Однако, хотя расположенные в плоскости, перпендикулярной оси симметрии, молекулы при изменении момента вращения относительна оси симметрии не влияют на дополнительный момент в силу симметричного их расположения, но изменение их положения происходит в потенциальном электрическом поле атома, лежащего на оси симметрии. Изменение положения атомов должно сопровождаться излучением или поглощением электромагнитного поля. В наблюдаемых спектрах симметричных волчков не обнаружена зависимость от так как рассматриваемые вращательные состояния отличаются по энергии квантовых переходов, например для молекулы на три порядка. Вероятность спонтанного излучения квантовых переходов пропорциональна кубам частот излучений при переходе из одного квантового состояния в другое. Поэтому вероятность спонтанного излучения, обусловленного вращением относительно оси симметрии и осей, перпендикулярных оси симметрии, отличаются на 9 порядков, т.е. одновременный переход по этим вращательным состояниям маловероятен. Миллиарды переходов между квантовыми состояниями, обусловленными вращением вокруг осей, перпендикулярных оси симметрии молекул, сопровождаются одним переходом между квантовыми состояниями, обусловленными вращением симметричной молекулы относительно оси симметрии. В связи с этим, правило отбора и можно трактовать как независимость друг от друга квантовых переходов, обусловленных вращением симметричных молекул относительно разных степеней свободы в случае, если они отличаются по энергии. Из независимости квантовых переходов, обусловленных вращением по разным степеням свободы, следует несколько свойств молекул. Свойство №1. Из-за неодновременной релаксации квантового состояния по различным степеням свободы могут реализоваться такие условия, когда энергетические состояния по различным степеням свободы будут принадлежать различным энергетическим уравновешенным состояниям молекулы в целом. Т.е. молекула может переходить в неравновесное состояние из-за неодновременной релаксации квантовых состояний, принадлежащим различным степеням свободы. Возникшая неравномерность может быть скомпенсирована за счет неравновесного состояния другой молекулы, т.е. за счет связи с нею. Свойство №2. Если симметричная молекула при релаксации по одной из степеней свободы возвращается в равновесное состояние, то неравновесность исчезает и связь с молекулой, компенсирующей неравновесность, прекращается, т. е. происходит диссоциация. Вышеуказанные теоретические свойства подтверждены экспериментально. Известно, что биполимеры, входящие в состав биологических молекул, характеризуются присущими им температурами плавления. Плавление биполимеров всегда сопровождается коллективными актами диссоциации. При синтезе белков и нуклеиновых кислот связи между кислотами и нуклеотидами в белках и ДНК осуществляются посредством создания "водородных" связей между амино- и кетогруппами. Причем для удовлетворения валентных соотношений при замещении кетогруппы в кетокислотах на аминную гр уппу молекула аммиака разбивается на гр уппу и которые связываются с одним и тем же углеродом. В то же время при дезаминировании молекула аммиака восстанавливается. Описанный выше механизм связывания не требует такого деления молекулы. Для доказательства были рассчитаны частоты квантовых переходов молекулы относительно осей, перпендикулярных оси симметрии молекулы, а затем энергия этих переходов по формуле пересчитана в температуру. Данные, полученные в результате расчета, приведены в табл.1. Из расчетов видно, что полученные температуры, соответствующие квантовым переходам, хорошо согласуются с температурой плавления биополимеров, у которых "водородные" связи образованы между группой и кислородом, входящим в состав други х молекул, образующи х "водородную" связь. Это совпадение свидетельствует о том, что принятая версия образования неравновесных состояний в симметричных молекулах верна. Вторым доказательством правильности принятой версии является то, что при воздействии на молекулу потоками электромагнитных излучений, частота которых совпадает со спектром молекулы аммиака полученным для ее свободного состояния (газообразного), удалось влиять на свойства связей в биполимерных и неорганических молекулах. Спектр частот, полученный для в свободном состоянии не изменился для входящей в состав биополимеров. Это свидетельствует о том, что структура связанной молекулы осталась такой же, как и у свободной молекулы (что противоречит современным взглядам о пептидных связях в аминокислотах и "водородных" - в н уклеотидах). Каждому данному значению может удовлетворять ряд значений из условия: т.е. может иметь различных значений и, так как энергия не зависит от знака то уровни с одинаковыми значениями по абсолютной величине совпадают. Следовательно, для уровней с большим 0, имеет место двойное вырождение и таким образом для каждого существует только уровней. В нашем случае при рассмотрении неравновесных состояний в качестве причины связывания молекул вышесказанное позволяет утверждать, что каждой температуре (энергии) диссоциации связей, создаваемых за счет неравновесных состояний, присуща гетерогенность, имеющая значений. Другими словами, аминокислота может связываться со своими партнерами способами. Так как рассматриваемая неравномерность возникает не за счет изменения количества зарядов, входящи х в молекулу (количество зарядов с переходом в неравновесное состояние не меняется), то ее появление может регистрироваться появлением нескомпенсированного магнитного момента (происходит изменение параметров движения зарядов). Таким образом можно сделать заключение о том, что механизм "водородных" связей носит характер магнитного взаимодействия. Это косвенно подтверждается тем, что вступивший в связь с аминогруппой кислород находится в триплетном состоянии, т.е. он за счет неспаренных электронов обладает парамагнитным моментом. Все рассуждения относительно молекул типа симметричного волчка можно распространить на любой тип молекулы, имеющей не менее двух степеней свободы с квантовыми состояниями, отличающимися по энергии. При описанном механизме связывания молекул энергия неравновесных состояний не зависит от партнера, а зависит только от внутреннего энергетического состояния молекулы, т.е. связывание молекул между собой происходит без потери энергии, т.е. сам акт связывания молекул косит безантропийный характер, что дает право утверждать об обратимости процессов связывания биологических молекул и что является теоретической основой биологической памяти, возможности передачи информации по наследству. Суть способа, основанного на указанном механизме "водородных связей", состоит в следующем. На молекулу, имеющую не менее двух степеней свободы с различающимися по энергии квантовыми состояниями, воздействуют потоками электромагнитных излучений или заряженных частиц. Энергия электромагнитных излучений или заряженных частиц соответствует энергии квантового перехода молекулы из существующего квантового состояния в выбранное. Воздействие может осуществляться на обе степени свободы или только на одну. В первом случае степень свободы с большей энергией квантового перехода переводят на выбранный энергетический уровень диссоциации, а вторую степень свободы переводят в квантовое состояние, согласованное с выбранным квантовым состоянием первой степени свободы. Во втором случае на молекулу воздействуют излучением, энергия которого соответствует квантовому переходу степени свободы с меньшей энергией в выбранное квантовое состояние. Способ получения молекул с заранее заданными свойствами поясняется чертежом (фиг.), на котором представлена блок-схема экспериментальной установки, на которой: 1 генератор, 2 - антенна, 3 - пробирка с раствором, 4 - электронный термометр, 5 - источник излучения, 6 - безэховая камера, 7 - спектрофотометр, 8 экранированная камера, 9 - охладитель. Способ осуществляется следующим образом. В безэховую камеру 6 помещают радиопрозрачную пробирку 3, в которой находится раствор, например парааминобензойная кислота (ПАБК) и с помощью источника излучения 5, например инфракрасного, нагревают раствор до температуры, на несколько градусов превышающей выбранный температурный уровень диссоциации. После этого, не отключая источника 5 в охладителе 9. охлаждают пробирку 3 до температуры, на несколько градусов ниже выбранного уровня диссоциации. Одновременно с охлаждением генератором 1 (например высокостабильным генератором частоты ГЧ-79, снабженным дополнительной петлей автоподстройки частоты) производят облучение раствора частотой, равной значению квантового перехода из существующего уровня диссоциации в выбранный в соответствии с табл.1 ч2. При охлаждении раствора до выбранной температуры генератор 1 и источник излучения 5 отключают, пробирку 3 с раствором охлаждают до температуры комнатной и на спектрометре (типа "Specord") производят измерение оптической плотности. После измерения плотности пробирку 3 помещают в экранированную камеру 8. Оценку результатов производят по разности оптической плотности опытного и контрольного растворов, причем для сравнения берут четыре контрольных растворов из одного разведения: - раствор, который не подвергали нагреву и облучению; - раствор, облученный, но не нагреваемый; - раствор, нагреваемый, но не облученный; - раствор, для которого значение частоты на генераторе на 10 - 15кГц отлично от частоты на генераторе для опытного образца. Пример 1. Для получения вещества с уровнем диссоциации 69°C из вещества с уровнем диссоциации 41°C раствор ПАБК, включающий нагревают до температуры 73°C энергией, в спектр которой входит частота квантового перехода по (7152ГГц), что эквивалентно температуре нагрева, и при охлаждении до температуры 60°C облучают энергией с частотой 2449, 860ГГц (в соответствии с табл.1 и 2). Следует заметить, что при сообщении молекуле энергии, равной величине квантового перехода по, процесс диссоциации и соединения молекул уравновешивается. Для уменьшения вероятности соединение диссоциированных молекул, раствор нагревают до 73°, что приводит к повышенной диффузии диссоциированных молекул. Оптическая плотность раствора до изменения уровня диссоциации была равна 1,1, после его изменения 1,8. Изменение оптической плотности свидетельствует об изменении свойства вещества. Пример 2. Для получения молекул с уровнем диссоциации 13°C из молекул с уровнем диссоциации 41°C раствор нагревают до 13°C с помощью ИК излучения, спектр которого имеет в своем составе частоту 5960ГГц, эквивалентную 13°C и для согласования выбранного уровня диссоциации со значениями квантовых переходов, соответствующи х уровню диссоциации 13°C, одновременно облучают одной из частот из табл.2. Оптическая плотность раствора ПАБК до изменения уровня диссоциации составляла 1,1, после изменения уровня 1,6, что свидетельствует об изменении свойства вещества. Пример 3. Для изменения силы химических связей, т.е. свойств молекулы, раствор ПАБК нагревают выше температуры, соответствующей уровню диссоциации, но ниже уровня температуры, эквивалентной следующему уровню диссоциации 69,6°C 41°C, а затем в состоянии диссоциации (не охлаждая и не нагревая) облучают одной из частот согласно табл.3. В результате оказанного воздействия на молекулы раствора ПАБК происходит изменение оптической плотности вещества, что свидетельствует об изменении его свойств.