קואורדינטת התגובה

בכימיה, קואורדינטת התגובהAtkins, P., & De Paula, J. (2006). Atkins' physical chemistry (8th ed.). W.H. Freeman and Company. .  (באנגלית: Reaction coordinate) היא משתנה חד-ממדי מופשט שנבחר לתיאור התקדמות מערכת כימית לאורך מסלול תגובה. קורדינאטת התגובה מתארת את השינויים המבניים והאנרגטיים המשתנים במהלך התגובה, כגון אורכי קשרים וזוויות קשר, המעורבים ישירות ביצירת התוצרים מהמגיבים. לדוגמה, בהתפרקות הומוליטית של מולקולת מימן (H2 - > 2H), ניתן להגדיר את קואורדינטת התגובה כאורך הקשר H–H, מכיוון שזהו הפרמטר המרכזי אשר משתנה לאורך התגובה.

קואורדינטת התגובה היא מושג גאומטרי הנותן אינדיקציה על מהלך התגובה והיא שונה לחלוטין מהיקף התגובה  המודד את התקדמות התגובה בהתבסס על הרכב המערכת המסתמך על ריכוז הצורונים.

בסימולציות חישוביות מתקדמות נעשה שימוש במשתנים קולקטיביים (CV, collective variables) לשם בחינת התקדמות התגובה, תוך הפחתת מספר דרגות החופש במערכת. סימולציות רגילות מתקשות לעקוב אחר תגובות כימיות מסוימות, שכן אלה אינן מתרחשות בפרקי זמן חישוביים מציאותיים. תופעה זו נובעת ממחסומי אנרגיה גבוהים המפרידים בין המגיבים לתוצרים. משתנים קולקטיביים מאפשרים הגדרת קואורדינטות תגובה יעילות, המתארות את ההתנהגות המרכזית של המערכת בממד נמוך יותר. כלומר, משתנה קולקטיבי מתאר אוסף של משתנים אינדיבידואליים  המאוחדים למשתנה אחד:



כאשר A מייצגת מטריצת המרה. משתנים קולקטיביים רבים מתפרסים לאורך קואורדינטת התגובה באמצעות פונקציה רציפה:



דוגמה לכך היא מולקולות מורכבות - המרחק בין שתי המולקולות הוא המשתנה הקולקטיבי, כאשר מיקומי האטומים הם המשתנים האינדיבידואליים  וקואורדינטת התגובה  מתארת את המסלול המלא של האיחוד וההתפרקות. באמצעות הטיית המשתנים הקולקטיביים ניתן להכווין את הסימולציה ליעד הרצוי. שימוש בטכניקות הטיה במשתנים קולקטיביים מאפשר ביצוע של סימולציות מוגברות (Enhanced Simulations), המאיצות את הדינמיקה של המערכת לאורך קואורדינטת התגובה.Stracke, K., & Evans, J. D. (2024). The use of collective variables and enhanced sampling in the simulations of existing and emerging microporous materials. Nanoscale, 16(19), 9186–9196. https://doi.org/10.1039/D4NR01024H

במסגרת משתנה קולקטיבי ניתן לכלול את פרמטר הסדר, המתאר מעברים בין מצבים במערכות פיזיקליות וכימיות ומבדיל בין התצורות האופייניות של המגיבים והתוצרים. קואורדינטת התגובה היא פרמטר סדר מיוחד המתאר באופן מדויק את המסלול המלא של התגובה – מהמגיבים, דרך מצב המעבר, ועד לתוצרים.Peters, B. (2016). Reaction Coordinates and Mechanistic Hypothesis Tests. Annual Review of Physical Chemistry, 67(1), 669–690. https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-040215-112215 כאמור, היא יכולה להיות מוגדרת, בין השאר, באמצעות תכונות גאומטריות (אורכי קשר, זוויות קשר) או באמצעות פונקציות הסתברותיות (committors). פונקציית committor מוגדרת כהסתברות שמסלול מסוים יוביל לתוצרים ולא למגיבים.Ma, P., Elber, R., & Makarov, D. E. (2020). Value of Temporal Information When Analyzing Reaction Coordinates. Journal of Chemical Theory and Computation, 16(10), 6077–6090. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.0c00678

על פי תאוריית מצב המעבר, קואורדינטת התגובה מסייעת בהמחשת המסלול המקשר בין המגיבים לתוצרים, דרך מצב המעבר. כאשר עבור כל שלב בתגובה, קואורדינטת התגובה מוגדרת כאחת מהקואורדינטות העקומומיות (curvilinear coordinates) הנגזרות מהקואורדינטות הרגילות של המגיבים. לרוב מבטאים את האנרגיה החופשית כתלות בקואורדינטת התגובה, כלומר את ייצוגה של האנרגיה לאורך שלבים שונים בתגובה. קואורדינטת התגובה נבחרת כך שהיא תתאר את המסלול המוגדר לפי הגרדיאנט של הפוטנציאל האנרגטי, בכיוון העלייה המתונה ביותר / הירידה התלולה ביותר מהמגיבים לתוצרים. כלומר, הנתיב היעיל ביותר מבחינה אנרגטית בין המגיבים לתוצרים.reaction coordinate. (2014). In The IUPAC Compendium of Chemical Terminology. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). https://doi.org/10.1351/goldbook.R05168 מידול התגובה הכימית נעשה כך שעבור אזור אופייני למגיבים משטח הפוטנציאל הוא חיובי בכל הכיוונים (קעור, בעל עקמומיות חיובית) וכל הכוחות (כלומר, גרדיאנטים של הפוטנציאל לאורך כל הקואורדינטות הפנימיות) מתאפסים, ואילו בהגעה למצב המעבר משטח הפוטנציאל לאורך קואורדינטת התגובה הוא שלילי (קמור, בעל עקמומיות שלילית), אך העקמומיות בכל שאר הכיוונים היא חיובית וכל הכוחות מתאפסים. בסופה של התגובה הכימית, בהגעה לתוצרים, מתקבל המצב הראשוני בו משטח הפוטנציאל חיובי בכל הכיוונים וכל הכוחות מתאפסים.Simons, J. (2003). An introduction to theoretical chemistry. Cambridge University Press. .

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:קינטיקה כימית
קטגוריה:כימיה תאורטית
קטגוריה:כימיה קוונטית
קטגוריה:כימיה פיזיקלית