الكيمياء البنيوية

الكيمياء البنيوية فرع من فروع الكيمياء، وتتناول ترابط وشكل الأنواع الكيميائية الفردية، بما في ذلك الجزيئات والأيونات والبوليمرات . يُعدّ فهم البنية أمرًا أساسيًا لفهم سلوك الأنواع الكيميائية، لذا يُعتبر هذا الموضوع جوهريًا. تتكامل البنية مع الفروع الرئيسية للكيمياء، أي الكيمياء غير العضوية ^{[ 2 ]} والكيمياء العضوية ^{[ 3 ]} . ومن دلائل أهمية الكيمياء البنيوية، أن العديد من جوائز نوبل في الكيمياء مُنحت لإسهامات أو تقنيات بنيوية مهمة في تحديد البنية ^{[ 4 ] .}

البنية الكيميائية للجزيء هي الترتيب الفراغي لذراته وروابطها الكيميائية. ويشمل تحديدها قيام الكيميائي بتحديد الهندسة الجزيئية ، وعند الإمكان والضرورة، البنية الإلكترونية للجزيء المستهدف أو أي مادة صلبة أخرى. تشير الهندسة الجزيئية إلى الترتيب الفراغي للذرات في الجزيء والروابط الكيميائية التي تربط الذرات معًا، ويمكن تمثيلها باستخدام الصيغة البنائية والنماذج الجزيئية ؛ ^{[ 5 ]} وتشمل أوصاف البنية الإلكترونية الكاملة تحديد شغل المدارات الجزيئية للجزيء . ^{[ 6 ] [ 7 ]} يمكن تطبيق تحديد البنية على مجموعة واسعة من الجزيئات، بدءًا من الجزيئات البسيطة جدًا (مثل الأكسجين أو النيتروجين ثنائي الذرة ) وصولًا إلى الجزيئات المعقدة جدًا (مثل البروتين أو الحمض النووي DNA ).

في الكيمياء، يكتسب مصطلح "البنية" معانيَ مختلفة تبعًا لنطاق الطول والزمن. فعلى مستوى الطول، تشير البنية محليًا إلى المسافات والزوايا بين الذرات. أما على نطاق أوسع، فتُعدّ التناظر والدورية من أهمّ السمات الوصفية.

طُوِّرت نظريات البنية الكيميائية لأول مرة على يد أوغست كيكولي ، وأرشيبالد سكوت كوبر ، وألكسندر بوتليروف ، وغيرهم، منذ حوالي عام 1858. وقدّم كيكولي أولى الأفكار حول التكافؤ ، مُشيرًا إلى أن لكل عنصر عددًا مُفضَّلًا من الروابط الكيميائية. وطوّر كوبر أولى مخططات البنية الكيميائية ، وهي طرق لتمثيل البنية على الورق. وكان بوتليروف أول من استخدم مصطلح "البنية" في الكيمياء، وأول من أدرك أن المركبات الكيميائية ليست مجرد مجموعة عشوائية من الذرات والمجموعات الوظيفية، بل لها ترتيب مُحدَّد يُحدَّد بتكافؤ العناصر المُكوِّنة للجزيء. ^{[ 4 ]}

في عام 1883، استنتج ألكسندر كروم براون التركيب البلوري لكلوريد الصوديوم ، وبنى نموذجًا له باستخدام إبر الحياكة وكرات الصوف. كما اقترح تركيبًا لحمض الإيثانويك يتطابق مع النماذج الحديثة قبل وقت طويل من تطوير تقنيات التحليل البنيوي التجريبي. ^{[ 4 ]}

في مطلع القرن العشرين، كانت مطيافية الضوء المرئي هي الوسيلة الوحيدة للحصول على معلومات هيكلية مباشرة، لكن هذا الوضع تغير سريعًا. ففي عام ١٩١٥، حصل ويليام هنري براغ وابنه ويليام لورانس براغ على جائزة نوبل لتطويرهما أشكالًا مبكرة من تحليل بنية البلورات بالأشعة السينية، وفي عام ١٩٢٢، مُنح فرانسيس أستون الجائزة لاختراعه أول مطياف كتلة . أدى اكتشاف ميكانيكا الكم في عشرينيات القرن العشرين إلى سلسلة من الدراسات الفيزيائية الأساسية التي أمكن تطبيقها لتحديد البنية الكيميائية، بما في ذلك تأثير رامان ، ومطيافية موسباور ، والرنين المغناطيسي النووي . ابتداءً من سبعينيات القرن العشرين، ساهمت الكواشف الإلكترونية وتقنيات التحليل بمساعدة الحاسوب في زيادة البيانات الهيكلية بشكل كبير وتقليص الوقت اللازم لإنشائها وتحليلها. ومن أبرز الإنجازات في الكيمياء الهيكلية تطوير هربرت أ. هاوبتمان وجيروم كارل للطرق المباشرة لعلم البلورات بالأشعة السينية ، مما أدى إلى حصولهما على جائزة نوبل في الكيمياء عام ١٩٨٥. ^{[ ٤ ]}

فيما يتعلق بالبنية الكيميائية، يجب التمييز بين الاتصال الخالص للذرات داخل الجزيء (التركيب الكيميائي)، ووصف الترتيب ثلاثي الأبعاد ( التكوين الجزيئي ، ويتضمن على سبيل المثال معلومات عن الكيرالية ) والتحديد الدقيق لأطوال الروابط والزوايا وزوايا الالتواء، أي التمثيل الكامل للإحداثيات الذرية (النسبية).

عند تحديد هياكل المركبات الكيميائية ، يهدف المرء عمومًا إلى الحصول، أولًا وبأقل قدر ممكن، على نمط ودرجة الترابط بين جميع الذرات في الجزيء؛ وعند الإمكان، يسعى إلى الحصول على الإحداثيات المكانية ثلاثية الأبعاد للذرات في الجزيء (أو أي مادة صلبة أخرى). ^{[ 8 ]}

بشكل عام، يركز علم الكيمياء البنيوية غير العضوية على المواد الصلبة، وخاصة المواد الصلبة البلورية، حيث أن الغالبية العظمى من المركبات غير العضوية هي فلزات متحدة مع عناصر لا فلزية لتكوين مواد صلبة. عادةً ما تكون هذه البنى عبارة عن شبكات منتظمة ذات امتداد لانهائي في بعدين أو ثلاثة أبعاد. وهذا يسمح بتطبيق طرق حيود الأشعة السينية والنيوترونات عالية الفعالية لتحديد البنية الكيميائية. ^{[ 11 ] : 4}

يتناول علم الكيمياء البنيوية العضوية الجزيئات المحدودة التي غالبًا ما توجد في حالات بخارية وسائلة وصلبة في ظل ظروف مختلفة. يمكن دراسة الجزيئات المحدودة البسيطة في الحالة البخارية باستخدام حيود الإلكترون، ولكن غالبًا ما تتطلب هذه الدراسة تقنيات طيفية مقترنة بالنظرية. ^{[ 11 ] : 4}

طُوِّرت العديد من الطرق لتحديد التركيب الكيميائي. وتختلف هذه التقنيات باختلاف طبيعة العينة: غازية، سائلة، وصلبة. ومن أهم هذه التقنيات علم البلورات بالأشعة السينية ، الذي يُستخدم لتحليل المواد الصلبة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} كما تُعدّ مطيافية الرنين النووي المغناطيسي (NMR ) تقنيةً شائعة الاستخدام في الكيمياء العضوية ، ولكنها قابلة للتطبيق على أنواع مختلفة من العينات. ^{[ 14 ]}

إلى جانب البنى الثابتة، يركز علم الكيمياء البنيوية أيضًا على الديناميكيات، مثل التغير المستمر . في مثل هذه الحالات، يجب أن يتوافق النطاق الزمني للتقنية مع النطاق الزمني للديناميكيات. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، حيث تُحلل الديناميكيات باستخدام مطيافية الرنين النووي المغناطيسي الديناميكي. ^{[ 15 ]}

Chemfig و tikz عبارة عن إضافات لحزمة LaTeX خاصة بالهياكل الكيميائية. ^{[ 16 ]}

• ChemDraw - برنامج لرسم مخططات التركيب الكيميائي
• مولد الرسوم البيانية الكيميائية
• قاعدة بيانات علم البلورات
• مبدأ استبعاد باولي
• الكيمياء البنيوية
• الصيغة البنائية

• غالاغر، وارن (2006). "المحاضرة 7: تحديد البنية باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية". كيمياء 406: الكيمياء الفيزيائية الحيوية (ملف PDF) (ملاحظات الدورة التدريبية المنشورة ذاتيًا). أو كلير، ويسكونسن، الولايات المتحدة الأمريكية: جامعة ويسكونسن-أو كلير، قسم الكيمياء . تاريخ الاسترجاع: 2 يوليو 2014 .
• وارد، إس سي؛ لايتفوت، إم بي؛ برونو، آي جيه؛ غروم، سي آر (2016-04-01). "قاعدة بيانات كامبريدج الهيكلية" . مجلة أكتا كريستالوغرافيكا، القسم ب . 72 (2): 171-179 . رمز Bibcode : 2016AcCrB..72..171G . doi : 10.1107/S2052520616003954 . ISSN 2052-5206 . PMC 4822653. PMID 27048719 .