Такой подход дополняет традиционные методы, основанные на распределении электронной плотности, и позволяет более обоснованно интерпретировать особенности химических связей, электронных пар и реакционной способности соединений. Ученые рассчитывают, что новая методика найдет применение в разработке материалов, катализаторов и лекарственных соединений, где важно понимать природу межатомных взаимодействий.
От электронной структуры молекул зависит устойчивость и реакционная способность веществ. Поэтому ее определение и интерпретация остается одной из важных задач химии. На протяжении десятилетий основным инструментом для этого служил орбитальный подход, позволяющий визуализировать связи через перекрытие молекулярных орбиталей. Орбитали — это зоны вокруг атомных ядер, в которых наибольшая вероятность нахождения электронов.
Однако орбитали в том виде, в котором их преподают в классических курсах химии, являются лишь математическими конструкциями и не отражают напрямую физическую реальность. Топологические (пространственные) подходы, основанные на анализе формы электронного облака, такие как теория атомов в молекулах, позволяют определить ключевые элементы структуры, например химические связи и участвующие в них атомы. Но они не позволяют судить о роли отдельных электронных взаимодействий в формировании той или иной структурной особенности.
Исследователи из Института органической и физической химии имени А. Е. Арбузова Казанского научного центра РАН (Казань) смогли частично решить эту задачу, предложив новый метод изучения электронного строения сложных молекул. Авторы исследовали с помощью нового подхода молекулу N-оксида пиколиновой кислоты, ионную пару соли Аппеля (циклического органического соединения, содержащего атомы азота и серы), а также ключевые стадии реакции замещения брома на фтор в этилбромиде, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.
Внутри молекул, помимо распределения электронов, можно выделить и другие характеристики структуры — так называемые силовые поля. Подобно классическим электрическим полям, они описывают, как «тянет» или «толкает» электронные облака в разные стороны.
В частности, одно из таких полей — обменная сила — связано с особенностями распределения электронов, обусловленными их спином (собственным магнитным моментом). Наличие у электронов такой характеристики, как спин, требует определенной согласованности в их движении — явления, известного как Ферми-корреляция. Эта корреляция проявляется в виде направленного «давления» внутри электронной структуры.
Чтобы интерпретировать обменную силу в контексте других взаимодействий, исследователи предложили анализировать ее проекцию на полное статическое силовое поле. Такой подход позволяет выявить участки, где обменная сила действует согласованно с общей силовой картиной или, наоборот, противоположно ей. В свою очередь, области особого поведения проекции оказалось возможным соотнести с важными химическими объектами — электронными парами, как неподеленными, так и обобществленными в результате образования химической связи.
«Наш подход открывает новые возможности для понимания природы химических связей. Основные результаты работы имеют качественный характер, однако разработанные индикаторы могут стать основой количественных моделей, что в перспективе будет полезно при проектировании молекул с заданными свойствами. В дальнейшем мы планируем расширить круг исследуемых соединений и проверить выводы работы, используя данные рентгеноструктурного эксперимента», — рассказал частник проекта Сергей Карташов, младший научный сотрудник, аспирант Института органической и физической химии имени А. Е. Арбузова.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
