К 75-летию Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН издательство Springer Nature опубликовало междисциплинарный юбилейный сборник статей “Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry and Planetary Sciences”, 673 стр. Одна из статей раздела «Аналитическая химия, радиохимия и радиоэкология» посвящена физическим методам прогнозирования хода реакций в органической химии (Gribov et al., 2023).

Органическая химия ныне способна создать вещество с заданными свойствами. Например, новое лекарство или пестицид. Это очень полезно для человечества и хорошо оплачивается, но это длительный процесс. Сначала создаётся структурная формула такого вещества. Затем формируется сложный план последовательных синтезов, выделение из продуктов синтеза нужного для дальнейшего изомера промежуточного вещества и, наконец, тестирование конечного продукта. Изомеризация промежуточных продуктов представляет для учёного-«синтезатора» проблему. Изомеров получается много, их надо идентифицировать и выделить перспективный. Это огромная работа.

Молекулярная физика учится делать прогноз – какие изомеры и с какими вероятностями могут присутствовать в промежуточных продуктах синтеза. Если такая картина физиком теоретически установлена, то работа учёного-«синтезатора» резко упрощается. Он может не обращать внимание на маловероятные изомеры, а сосредоточиться на перспективных для дальнейших синтезов.

Молекулярная физика давно освоила прогнозирование оптических спектров сложных органических молекул. А теперь пытается прогнозировать реакционные свойства органических молекул по аналогии со спектрами. Наука в целом подозрительно относится к методам работы по аналогии. Может получиться, а может – нет. Но известен факт. Если два разных явления описываются одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями, то аналогией можно надёжно пользоваться. А оказалось, что в квантовой физике оптические переходы между энергетическими уровнями молекулы и переходы при изомеризации молекулы таки описываются одними и теми же уравнениями.

Эти теоретические предпосылки работы физиков с химиками-органиками подробно описаны в данной работе (Gribov et al., 2023). Любому технически подготовленному читателю будет понятен язык энергетических уровней молекул и переходов между уровнями, используемый в тексте статьи. Смотрите пример с переходами в трехуровневой системе (Рис. 1). Молекула переходит с определённой частотой из одной изомерной формы в другую, если внешнее воздействие не вынудит её зафиксировать одну из форм. Обычно это происходит под воздействием кванта света. Поэтому в разделе 4 статьи авторы сосредоточились на фотохимических реакциях изомеризации. Приведено множество результатов, полученных в компьютерном моделировании этих процессов и проведено сравнение с экспериментальными данными в лёгкой для понимания идеи работы форме.

Для химика-органика отрадным является факт, что разработана и действует система компьютерных программ, позволяющая проделывать подобные исследования, уже не прибегая к услугам физиков, знающих теорию процессов изомеризации крупных органических молекул.

Публикация: Gribov L.A., Baranov V.I., Mikhailov I.V (2023) From the Theory of Spectra to the Theory of Chemical Reactions, In: Kolotov V.P., Bezaeva N.S. (eds) Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, and Planetary Sciences. Springer, Cham, 475-483, https://doi.org/10.1007/978-3-031-09883-3_37

Источник: ГЕОХИ РАН.