Чешские ученые впервые в мире показали неравномерное распределение электронной плотности на атоме галогена. Это открытие подтвердило существование σ-дырок и позволит лучше понимать атомные и молекулярные взаимодействия, а также химические реакции. Исследование опубликовано в Science.
Несколько лет назад человечество научилось визуализировать атомы, но демонстрация субатомных структур не казалась возможной из-за низкой разрешающей способности имеющейся аппаратуры. Кроме того, около 30 лет назад теоретически было предсказано такое явление, как сигма-дырки. Существование этого феномена было косвенно подтверждено изучением кристаллов соединений, связанных с галогенами, путем рентгеновской кристаллографии. Химически связанные между собой атом галогена одной молекулы и атом азота или кислорода другой молекулы в теории должны отталкиваться друг от друга, но на самом деле они находятся близко и притягиваются друг к другу. Это наблюдение противоречило предположению о том, что указанные атомы имеют гомогенный отрицательный заряд и должны отталкиваться друг от друга из-за электростатических взаимодействий. Ассиметричное распределение электронной плотности на атоме галогена называется сигма-дыркой.
Чешские ученые исследовали субатомную структуру атома галогена с помощью зондовой силовой микроскопии Кельвина. Сначала они разработали теорию, описывающую механизм атомного разрешения метода. На основе этого они оптимизировали метод. Объединив экспериментальные результаты и квантовохимические расчеты, ученые смогли впервые визуализировать негомогенное распределение электронной плотности на атоме, т. е. сигма-дырку. Характеристическая форма сигма-дырки — это положительно заряженная «корона», окруженная поясом отрицательно заряженной электронной плотности. Сигма-дырки объясняют формирование галогенных связей, что имеет большое значение для супрамолекулярной химии.
«Я всю свою жизнь изучал нековалентные взаимодействия. Я очень доволен, что теперь мы можем видеть то, что раньше могли наблюдать только в теории. Экспериментальные измерения точно подтверждают нашу теоретическую гипотезу о существовании сигма-дырок и об их форме. Это поможет нам лучше понять эти взаимодействия и объяснить их, — поделился Павел Хобца, один из соавторов исследования. — Мы видим, что галогенные связи и нековалентные взаимодействия в целом играют решающую роль не только в биологии, но и в материаловедении. Именно поэтому наша статья в Science настолько важна».
Точное знание о том, как распределяются заряд на атомах, нужно для понимания взаимодействий между отдельными атомами и молекулами, в том числе химических реакций. На основе этого можно выдвигать предположения о реактивной способности некоторых молекул, а также о том, почему некоторые молекулярные структуры устроены именно таким образом. Новый метод визуализации субатомных структур может быть использован для изучения многих физических, химических и биологических систем.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
