1. Struktura 1.1 Struktura molekul

Molekula = soubor atomů charakteristika molekuly:  sumární vzorec H2O, C2H6, ...  strukturní vzorec vazby mezi atomy H—O—H topologie molekuly 2-četná osa  Euklidovská charakteristika (symetrie) H2O  geometrická struktura rovina symetrie přesné hodnoty

Hmotnostní spektrometrie znám hmotnost → znám sumární vzorec Hmotnostní spektrometrie rozdělení částic podle vstup zdroj (ionizace) analýza detektor výstupní data

1919 - Francis William Aston (1877-1945) 1922 Nobelova cena za chemii 2002 N.c. za chemii John B. Fenn, Koichi Tanaka, Kurt Wüthrich "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" v současné době se používá (pro biomolekuly) MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) John B. Fenn * 1917 Koichi Tanaka * 1959

geometrie molekul  1-atomová A Ne, Ar, ... topologie triviální H2, Cl2, ... A A a AB HCl, CO, ... A B O  3-atomová A3 O3 A A A a O O A2B AB2 CO2 O C O N2O O N N B elektronegativní H2O O H H

N2O O N N

 4-atomová AB3 NH3 N N N N N N H F N N N N BF3 B E d rovina H charakteristická frekvence 23 870 /s 1949 NIST

A2B2 H2O2 2 formy   ... víceatomové ribosome cytochrome C

Isomerie  konstituční izomerie stejný sumární vzorec, liší se pořadí atomů a vazeb (strukturní vzorec) CH3 CH3-C-CH3 C5H12 CH3-CH2-CH-CH3 CH3 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

1 2 3 6 4 5 benzen C6H6 NH2 Etyl (C2H5) 1-amino 2-etylbenzen NH2 Etyl NH2 Etyl skupinová konstituční izomerie CH3-O-CH3 ... dimethyleter CH3-CH2-OH ... ethanol

stejný sumární i strukturní vzorec, liší se uspořádáním v prostoru  stereoizomerie stejný sumární i strukturní vzorec, liší se uspořádáním v prostoru E  e s C H C H ethan staggered eclipse

některé molekuly stáčí rovinu polarizovaného světla (opticky aktivní)  chiralita některé molekuly stáčí rovinu polarizovaného světla (opticky aktivní) Pasteur .... kyselina vinná ... molekuly, jež nelze ztotožnit se zrcadlovým obrazem (neobsahuje prvky symetrie zahrnující zrcadlení) chiral kheir (řecky ruka) Lord Kelvin v r. 1904, (Baltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light) ..."I call any geometrical figure, or group of points, chiral, and say it has chirality, if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself."

  značení: D (R) enantiomery L (S) (50:50 racemát ... není opticky aktivní) H2O2  rotace o 180°  pomeranče citróny (až 80. léta jasné) Nobelova cena 2001: William S. Knowles, Ryoji Noyori and K. Barry Sharpless za vývoj katalitické asymetrické syntézy

D-alanine L-alanine Chirální molekula neobsahuje rovinu symetrie 2-chloropropan 2-chlorobutan

Symetrie molekul C C V V H i prvky symetrie: n-četná osa, zrcadlová rovina, inverze  alespoň jeden bod pevný (není translace)  vlastní (nemění se orientace)  vzdálenosti se nemění  nevlastní (změna orientace)

prvky symetrie: identita E inverze i n-četná osa Cn rovina zrcadlení  inverzní osa = S6 (zrcadlová osa) ve 2D: C2 = i ve 3D: C2  i prvky symetrie  operace symetrie (bodové ortogonální transformace) R C4 C43 R R C42 = C2 C44 = E R

dané operace symetrie (pro danou molekulu) tvoří grupu dané operace symetrie (pro danou molekulu) tvoří grupu .... bodová grupa symetrie je definované násobení 1) pro a, b z G, ab z G 2) asociativnost, (ab)c = a(bc) 3) jednotkový prvek, ea = a a z G 4) inverzní prvek a-1 a, a-1a = e provedu postupně vyhovuje E provedu zpět grupy se značí ... konvence (Schoenfliesova, mezinárodní symbolika) n-četná osa otáčení .... grupa Cn 4 navíc rovina .... Cnv 4mm horizontální rovina .... Cnh 6/m

Symetrie molekul ve 2D + - C Cv  Cn Cnv CS C1  2n n 2 1 C3v CS řád grupy = počet operací symetrie 2n n 2 1 C3v CS

F Y Z I K A I V operace symetrie  maticové vyjádření

CClBrFCH2 C1 HOCl CS C2 H2O2 C2v H2O

Dh H2 CO2 Cv CO N2O D2d C3H4 -42m

pravidelné mnohostěny P = řád stěny V = četnost vrcholu h = počet hran p = počet stěn v = počet vrcholů P.p = 2h V.v = 2h p + v = h + 2 těleso P V p v h Td tetraedr 3 3 4 4 6 (čtyřstěn) CCl4 CH4 SiF4 krychle 4 3 6 8 12 oktaedr 3 4 8 6 12 UF6 SF6 Oh pentagonální 5 3 12 20 30 dodekaedr trigonální 3 5 20 12 30 ikosaedr B12H12 Fulleren C60 C540 (ikosaedr) Ih

Fulleren 1985 ... Curl, Smalley, Kroto 1996 N.c. za chemii (1952 - Radushkevich and Lukyanovich: obrázky nanotubes (?); později i další autoři - 1970 Eiji Osawa) Eulerův teorém: struktura složená z 5-ti a 6-ti úhelníků obsahuje 12 5-ti úhelníků nejmenší C60 (20 6-ti úhelníků) C540 (ikosaedr)

Richard Buckminster Fuller (1895 - 1993) Poliedro de Caracas Montreal Biosphere, 1967 (pavilon USA na EXPO '67) projekt Eden, Anglie

Robert F. Curl Jr. (*1933) Sir Harold W. Kroto (*1939) Richard E. Smalley (*1943)