|
Фундаментальная природа химических связей
|
|
|
|
Группа ученых из Университета Нагои в Японии впервые экспериментально наблюдала распределение электронов, расположенных на внешней оболочке, известных как валентные электроны, в органических молекулах. Поскольку взаимодействиями между атомами управляют валентные электроны, их открытия проливают свет на фундаментальную природу химических связей, что имеет значение для фармацевтики и химической инженерии. Результаты были опубликованы в журнале Американского химического общества.
|
|
|
|
Поведение электронов в атомах сложное, они образуют электронные орбитали, которые выполняют различные функции в зависимости от их близости к ядру. Электроны внутренней оболочки, называемые электронами остова, используются для самостабилизации и не взаимодействуют с другими атомами. С другой стороны, внешние электроны, или валентные электроны, определяют большинство свойств материала, особенно при соединении с другими атомами.
|
|
|
|
Понимание свойств материала требует получения информации о его валентных электронах. Однако экспериментально выделить информацию только о валентных электронах было сложно, в результате чего исследователям приходилось полагаться на теоретические модели и спектроскопию для ее оценки.
|
|
|
|
Проведя эксперименты по синхротронной рентгеновской дифракции мирового класса в SPring-8, группа обнаружила, что можно избирательно извлекать только валентную электронную плотность атомов в кристалле.
|
|
|
"Мы назвали этот метод методом CDFS. Используя этот метод, мы наблюдали за электронным состоянием молекулы глицина, разновидности аминокислоты", - сказал автор-корреспондент Хироси Сава. "Хотя метод был относительно прост в исполнении, результат был впечатляющим. Наблюдаемое электронное облако имело не гладкую, обволакивающую форму, как предсказывали многие, а скорее фрагментированное, дискретное состояние".
|
|
|
|
Чтобы понять природу результатов, группа составила цветовую карту своих наблюдений. В химии цветовая карта использует цвета для отображения различий в наборах данных в определенном диапазоне. Такие карты часто используются в сочетании со спектроскопическими методами, визуализацией и химическим анализом, чтобы обеспечить интуитивно понятный способ интерпретации сложных наборов данных.
|
|
|
|
Карта поперечного сечения на увеличенной диаграмме четко показывает нарушения в распределении электронов вокруг атомов углерода.
|
|
|
|
"Когда углерод образует связи с окружающими атомами, он перестраивает свое электронное облако, создавая гибридизованные орбитали. В этом случае самые внешние электроны L-образной оболочки имеют узлы, основанные на их волновой природе, известные как волновые функции", - пояснил Савва. "Это означает, что из-за волновой природы электронов на гибридных орбиталях есть участки, где электроны отсутствуют, что сильно отличается от представления многих людей о непрерывном "облаке" электронов".
|
|
|
|
Фрагментированное распределение электронного облака, наблюдаемое в эксперименте, демонстрирует квантово-механическую волновую природу электронов, как и предсказывали физики. Чтобы подтвердить, точно ли наблюдаемое электронное облако отражает истинное состояние, они провели передовые квантово-химические расчеты в сотрудничестве с Университетом Хоккайдо, которые подтвердили, что экспериментальные и теоретические результаты полностью совпадают.
|
|
|
|
Савва считает, что результаты показывают преимущества междисциплинарных исследований. "Я считаю, что это помогло сделать четкий вывод о неоднозначном понимании связанных состояний, которое озадачивало исследователей с 19-го века", - сказал Савва.
|
|
|
|
"Визуализация поведения электронов - сложная задача, однако результаты могут быть легко поняты как действия электронов в соответствии с волновыми функциями. Я считаю, что наши результаты удивили многих исследователей и подтвердили модель, предложенную квантовой химией".
|
|
|
|
Имея точное представление о распределении валентной электронной плотности, образующей эту молекулу, группа провела аналогичные эксперименты и расчеты на цитидине, немного более сложной молекуле. Они успешно извлекли электроны из двойных углеродных связей и четко наблюдали различия между углерод-углеродными и углерод-азотными связями.
|
|
|
|
"Это исследование позволило непосредственно визуализировать сущность химических связей, что потенциально может способствовать разработке функциональных материалов и пониманию механизмов реакций. Это связано с тем, что это помогает при обсуждении электронных состояний молекул, которые трудно определить, основываясь только на химической структурной формуле", - сказал Савва.
|
|
|
|
"Это может, например, объяснить, почему одни лекарства работают, а другие - нет. Области, где взаимодействие влияет на функциональность и структурную стабильность, такие как органические полупроводники и исследования структуры двойных спиралей ДНК, вероятно, получат наибольшую пользу от наших исследований".
|
|
|
|
Источник
|
