Эволюция полей электронных сил от молекулы через супрамолекулярные ассоциаты к молекулярному кристаллу

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-23-00324

НазваниеЭволюция полей электронных сил от молекулы через супрамолекулярные ассоциаты к молекулярному кристаллу

Руководитель Файзуллин Роберт Рустемович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-502 - Кристаллохимия

Ключевые слова химическая связь, межатомные взаимодействия, атомы в молекулах, электронные силы, электронные потенциалы, квантово-химическая топология, квантовая химия, квантовая кристаллография, химическая кристаллография, прецизионная рентгеновская дифракция, мультипольное уточнение, определение кристаллических структур, теория функционала плотности, супрамолекулярная химия

Код ГРНТИ31.15.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
На основе экспериментальных данных прецизионной рентгеновской дифракции высокого разрешения для монокристаллов конкретных соединений будут получены мультипольные модели электронной плотности. Кроме того, для этих соединений будут проведены теоретические расчеты. По завершении проекта будет разработан вычислительный протокол для реконструкции векторных полей кинетической и электростатической электронных сил в свободных молекулах, их нековалентно связанных ассоциатах и кристаллах, исходя как из экспериментальных электронных плотностей, так и теоретических данных. В рамках предлагаемого подхода, а именно анализа суперпозиции векторных полей градиента электронной плотности, электростатической силы и полной кинетической силы, будут исследованы химические структуры конкретных полифункциональных органических соединений, образованные в них полярные ковалентные связи и нековалентные межатомные взаимодействия, формирующиеся при участии этих соединений. К последней группе относятся классическая и неклассическая водородные связи, галогенные и халькогенные связи, электронная пара‧‧‧π и π-стэкинг взаимодействия и контакты с участием нитрильной функциональной группы, а также атомов фтора, брома, карбонильного кислорода, серы. Первоочередная цель проекта заключается в установлении фундаментальных закономерностей в картине распределения электронной плотности, ее градиента и скалярных полей одноэлектронных потенциалов и характере поведения векторных полей электронных сил при структурной эволюции от свободных молекул (или заряженных многоатомных ионов), через супрамолекулярные комплексы, к кристаллам. Например, интерес представляют условия возникновения межъядерной поворотной поверхности для электронов в векторном поле полной кинетической (или статической) силы, деформация псевдоатомных областей в векторном поле электростатической силы и дефляция доменов локализации электронных пар (в терминах фермионного потенциала) при образовании нековалентных взаимодействий. Такие физически обоснованные закономерности могут лечь в основу современной теории инженерии кристаллов и дизайна кристаллических функциональных материалов. Мы считаем, что эти закономерности могут быть непосредственно применены в дизайне кристаллов и для объяснения свойств кристаллических и супрамолекулярных материалов. Силовое описание межатомных взаимодействий и межатомного электронного переноса в терминах суперпозиции атомных и псевдоатомных бассейнов может использоваться для количественной характеристики перераспределения заряда и, как следствие, диагностики соответствующих материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Различие между полем электростатической силы и полем полной статической силы целиком определяется полем обменной силы. Пространственно этот вклад может быть выявлен посредством суперпозиции полей электростатической силы и полной статической силы. В этом проекте было предложено проследить эволюцию этих полей, а следовательно, и вклад эффектов электронного обмена (фермиевской корреляцией), при последовательном усложнении системы — от отдельной молекулы через супрамолекулярные комплексы к кристаллу. Для количественного определения непосредственного вклада обменной силы в полную статическую силу был предложен оригинальный метод, заключающийся в расчете скалярной проекции частичной силы (обменной силы) на кумулятивную силу (полную статическую силу. Пространственное распределение этого дескриптора позволило выявить ранее не описанное явление: отрицательный вклад обменной силы в полную статическую силу в межъядерной области химически связанных атомов со стороны ядра атома-электронодонора. Показано, что данное явление тесно связано с локализацией квантово-химического отклика, индуцированного межатомным переносом заряда (в свою очередь, этот отклик выявляется через вышеупомянутую суперпозицию полей). Обнаружено формирование соответствующих областей с отрицательными значениями скалярной проекции при образовании нековалентных связей, например при ассоциации молекул. В настоящем исследовании предложено использовать обменную зарядовую плотность, то есть, ту зарядовую плотность, которая генерирует поле обменной силы, для определения доменов конденсации плотности электронных пар. Процесс конденсации плотности электронных пар ассоциирован с тем, что обменная зарядовая плотность приобретает отрицательные значения. Кроме того, предложено рассчитывать обменный компонент, используемый в этих трех дескрипторах, в приближении локальной плотности. Это позволило распространить применение указанных дескрипторов на анализ кристаллов, исходя из данных прецизионной рентгеновской дифракции. В этом контексте были исследованы кристаллы моногидрата щавелевой кислоты и 1-(5-бромпиридин-2-ил)этан-1-она.

Публикации

1. Карташов С.В., Файзуллин Р.Р. Evaluating and interpreting the exchange correlation contributions to the total static and interelectron interaction force densities, with a force-field perspective on the exchange charge density Physical Chemistry Chemical Physics, Phys. Chem. Chem. Phys., 2025, Vol. 27, Is. 16, P. 8521–8539 (год публикации - 2025)
10.1039/D5CP00061K

2. Карташов С.В., Файзуллин Р.Р. Chemical structure and its evolution in terms of the superimposed electrostatic, exchange, and total static force fields, and the role of the electronic forces in atomic charge redistribution Structural Chemistry (год публикации - 2026)
10.1007/s11224-025-02527-1

3. Карташов С.В., Файзуллин Р.Р. Functional roles of the electronic force fields in supramolecules and molecular crystals. Estimating the exchange-force component contributions from the inner-crystal electron density Structural Chemistry (год публикации - 2026)
10.1007/s11224-025-02549-9