Новости химической науки > Определение степени ковалентности водородных связей

При разговорах о природе водородной связи одним из наиболее дискуссионных вопросов является то, в какой степени ковалентные взаимодействия (связь, реализующаяся за счет объединения электронной плотности партнеров) принимает участие в этом типе межмолекулярного взаимодействия.

Обеспокоенные существованием большого количества противоречащих друг другу взглядов на механизм образования водородной связи, а также постоянному усложнению теоретических концепций, описывающих этот тип связи, исследователи из Германии решили подробно изучить природу этих связей, а также оценить вклад ковалентных взаимодействий в образование водородной связи.

Ричард Дронсковски (Richard Dronskowski) с коллегами изучили строение кристаллов, в формировании кристаллической решетки которых участвует водородное связывание для того, чтобы определить – за счет чего кристаллическая решетка этих соединений остается стабильной, а также для того, чтобы сравнить степень ковалентности коротких и длинных водородных связей. Для решения этих задач они провели квантовохимические расчеты ab initio по своему собственному алгоритму, который позволял вычленять из энергии взаимодействия вклады отдельных орбиталей и измерять степень ковалентности водородных связей, соотнося полученные результаты с деталями структуры объектов исследования. Как поясняет Дронсковски, новый подход весьма значительно отличается от методик, традиционно применяющихся в молекулярной кристаллографии (анализ плотности заряда), а также от обычных квантовохимических расчетов для газовой фазы и, соответственно, позволяет получить более релевантные значения.

Новая методика позволяет оценить вклады отдельных орбиталей и определить природу связывания отдельных атомов. (Рисунок из Chem. Commun., 2014, 50, 11547 (DOI: 10.1039/c4cc04716h))

Водородные связи представляют одни из наиболее важных межмолекулярных взаимодействий в химии и биологии, тем не менее ярлык «водородная связь» соответствует целой суперпозиции ковалентных, ионных, ориентационных и дисперсионных взаимодействий, весьма различных по природе и прочности, соотношение которых часто вызывает ожесточенные споры.

Славомир Грабовски (Slawomir Grabowski), эксперт по водородной связи из Университета страны Басков отмечает, что реализованный в работе Дронсковски подход с выделением орбитального вклада должен расширить наши представления о компонентах водородной связи. Он добавляет, что прочные и очень прочные водородные связи являются предметом особого внимания, так как они вовлечены в процессы переноса протона в различных биохимических процессах. Грабовски добавляет, что прочные водородные связи часто обладают свойствами, типичными для ковалентных связей.

Дронсковски поясняет, что результаты, полученные в его группе, позволяют предположить то, что не существует четкой однозначной границы между ковалентной и нековалентной водородной связи – переход между двумя этими типами происходит постепенно. Он отмечает, что природа, в частности – энергия, наиболее прочных водородных связей ‘похожа на природу ковалентных связей, однако не все прочные водородные связи обусловлены тем, что донор и акцептор водородной связи объединяются друг с другом за счет объединения электронной плотности.

Источник: Chem. Commun., 2014, 50, 11547 (DOI: 10.1039/c4cc04716h)

метки статьи: #квантовая химия, #межмолекулярные взаимодействия, #природа химической связи, #супрамолекулярная химия