С помощью квантово-химических расчетов можно получить много полезной информации о строении, физико-химических свойствах и реакционной способности химических соединений. Методы квантовой химии позволяют рассчитывать параметры любых молекул, промежуточных соединений и даже переходных состояний. Поэтому в настоящее время эти методы широко применяют в химических исследованиях.
Ежегодно в области квантовой химии публикуется около 1,5 тыс. работ. Теоретические расчеты проведены уже для очень большого числа молекул самых различных классов как органических, так и неорганических соединений, начиная от простых двухатомных молекул и вплоть до соединений тяжелых элементов и нанообъектов, включающих очень большое число электронов. Все большее применение начинают находить и расчеты электронного строения, реакционной способности, электрических и магнитных взаимодействий в химических соединениях, проводимые с помощью методов квантовой химии.
В Институте физико-органической химии НАН Беларуси под руководством ведущего научного сотрудника, кандидата химических наук Владимира Зеленковского работает группа квантово-химического моделирования. Ученые проводят квантово-химические расчеты структур и изучают строение сложных органических молекул и нанообъектов, оказывают существенную помощь и поддержку химикам-экспериментаторам при получении и предсказании свойств новых химических соединений и наноматериалов.
Наряду с непосредственным рассмотрением взаимодействий, приводящих к образованию химической связи, и решением ряда самостоятельных задач в изучении электронного строения молекул, квантовая химия позволяет найти связи между типами взаимодействий в соединениях и определяемыми из эксперимента характеристиками электронного строения молекул. Именно в этом проявляются наиболее важные черты современной квантовой химии. С одной стороны, ее методы дают возможность перейти от экспериментальных величин и закономерностей к описанию взаимодействий на микроскопическом и на наноуровне. С другой стороны, сопоставление теоретических и экспериментальных значении характеристик электронного строения позволяет судить о корректности имеющихся представлений об электронном строении и о точности выполняемых квантово-химических расчетов. Обычно лишь с использованием представлений, нашедших свое обоснование в результатах квантово-химических расчетов и подтвержденных данными эксперимента, удается наметить новые пути синтеза соединений с заранее заданными свойствами.
Это приводит к значительной экономии рабочего времени, затрачиваемого химиками-экспериментаторами, а также дорогостоящих материалов и химических реактивов. Отсюда понятна та важная роль, которая принадлежит квантово-химическим расчетам в современной химии. Однако желающие использовать квантово-химические методы всегда должны помнить о приближенном характере как полуэмпирических, так и неэмпирических расчетов.
Квантовая механика и статистическая физика позволяют дать исчерпывающее объяснение любым экспериментальным данным о реакционной способности и строении органических соединений, предсказать возможные направления химических реакций. Но для реализации этих возможностей необходимо располагать очень мощными компьютерами и достаточно точными вычислительными методами. За последние годы в этих областях был достигнут существенный прогресс. Ученые-химики получили возможность широко использовать быстродействующие ЭВМ, а благодаря скорому развитию квантовой химии были разработаны достаточно эффективные полуэмпирические и неэмпирические варианты метода молекулярных орбиталей (МО), которые можно использовать для изучения строения и реакционной способности больших молекул и нанообъектов, представляющих интерес не только для органической химии, но даже для биохимии и медицины. С их помощью удается установить, какие факторы определяют направление и относительный выход продуктов реакции, получить недоступную для эксперимента информацию о геометрии и электронной структуре переходных состояний. Однако квантово-химические методы многообразны и неравноценны.
Подробное описание теории МО можно найти в целом ряде монографий и обзорных статей, однако при проведении прикладных квантово-химических расчетов необходимо иметь лишь общее представление о данной теории, уметь пользоваться квантово-химическими программами и научиться извлекать полезную информацию из результатов проведенных расчетов.
На практике обычно пользуются как полуэмпирическими, так и неэмпирическими методами, которые различаются методикой вычисления матричных элементов, описывающих взаимодействие электронов между собой, электронов и атомных ядер.
В полуэмпирических методах для этой цели используются приближенные эмпирические формулы и известные из эксперимента параметры атомов. В неэмпирических методах проводится непосредственный аналитический расчет матричных элементов. Для неспециалиста название «неэмпирический» является синонимом слова «точный», но в действительности это не так. Неэмпирические методы также приближенны, прежде всего, из-за неполноты использованного базиса. В результате все без исключения параметры молекул вычисляются с некоторой ошибкой. В полуэмпирических методах пренебрегают большей частью кулоновских интегралов, которые имеют небольшую абсолютную величину, но точность расчета при этом заметно снижается (величина каждого кулоновского интеграла, которым пренебрегают, мала, но их количество велико).
К сожалению, многие квантово-химические методы, которые лучше обоснованы с теоретической точки зрения, на практике дают плохие результаты и поэтому не применяются, а более грубые модели с удачно подобранными параметрами широко используются. Это связано с тем, что в любом квантово-химическом методе сделано достаточно много различных приближений. В некоторых методах ошибки, к которым приводят эти приближения, частично компенсируют друг друга, и в результате получается хорошая корреляция с экспериментальными данными.
Сказать заранее, будет или не будет иметь место такая компенсация, нельзя, поэтому выяснить область применения и охарактеризовать точность каждого конкретного метода можно лишь на основе численного эксперимента и систематизации полученного расчетного материала.
Следует помнить, что получить надежный численный результат для каждой конкретной реакции квантовая химия в настоящее время не позволяет. С ее помощью обычно удается сделать лишь весьма общие заключения о механизме химических реакций и о влиянии на них различных факторов, выбрать наиболее устойчивый из ряда возможных изомеров, а в отдельных случаях даже сформулировать новые концепции. В свою очередь, на основе этих представлений удается на качественном уровне предсказать некоторые параметры конкретных реакций.
 
Евгений ДИКУСАР, научный сотрудник ИФОХ НАН Беларуси
«Веды»