O wiązaniu chemicznym inaczej

Artykuł podsumowuje alternatywne detektory struktury elektronowej i wiązań chemicznych cząsteczek niedawno sformułowane w ramach teorii informacji (IT). Redystrybucja elektronów towarzysząca tworzeniu wiązań, od wolnych atomów promolekuły (w pozycjach molekularnych) do związanych atomów cząsteczki (AIM), generuje stowarzyszone zmiany w rozkładach alternatywnych miar zawartości informacji w prawdopodobieństwach elektronowych. Te gęstości informacji stanowią czułe próbniki entropowej genezy oraz struktury/krotności wiązań chemicznych. Pokazano, że lokalne zmiany w molekularnej entropii Shannona i utraconej informacji (brakującej entropii) względem odniesienia promolekularnego dostarczają efektywnych narzędzi do wykrywania/lokalizowania wiązań chemicznych i monitorowania zmian w promocji/hybrydyzacji atomów związanych w otoczeniu molekularnym. Gęstość ujemnej nieaddytywnej informacji Fishera w rozdzielczości orbitali atomowych (AO ) podobnie generuje kryterium kontragradiencji (CG) efektywnej lokalizacji obszarów wiążących w układach molekularnych. Przedstawione będą ilustracyjne zastosowania tych nowych narzędzi w eksploracji struktury elektronowej i sieci wiązań chemicznych w wybranych cząsteczkach. Wprowadzona zostanie orbitalna teoria komunikacyjna (OCT) wiązania chemicznego, która może być zastosowana zarówno do rozpoznania sumarycznych/ zlokalizowanych rzędów wiązań jak też ich charakteru kowalencyjno-jonowego. W tym opisie cząsteczka jest treaktowana jako układ informacyjny, w którym propagowane są prawdopopodobieństwa („sygnały”) odpowiednich zdarzeń przynależności elektronów do funkcji bazowych. Ta molekularna sieć komunikacyjna generuje entropowe miary krotności wiązania chemicznego oraz jego komponent, kowalencyjnej (szumu komunikacyjnego) i jonowej (przepływu informacji), zarówno dla cząsteczki jako całości oraz jej fragmentów dwuatomowych. Prawdopodobieństwa warunkowe wyznaczające to rozpraszanie informacji w cząstecze lub jej wybranych fragmentach określa zasada superpozycji stanów mechaniki kwantowej zastosowana do podprzestrzeni wiązań chemicznych cząsteczki wyznaczonej przez jej zajęte orbitale molekularne (MO). Te prawdopodobieństwa są propoporcjonalne do kwadratów odpowiednich elementów macierzy gęstości, w standardowej teorii SCF LCAO MO znanej także pod nazwą macierzy ładunków i rzędów wiązań (CBO), związanych z indeksem Wiberga mierzącym krotność wiązania chemicznego. OCT stosuje typowe dla IT deskryptory rozpraszania prawdopodobieństw elektronowych w sieci komunikacyjnej generowanej przez wiązania chemiczne cząsteczki: średnia entropia warunkowa (molekularnego) „wyjścia” przy zadanym (molekularnym) „wejściu” mierzy szum komunikacyjny kanału na skutek delokalizacji elektronów, tym samym odzwierciedlając (w bitach) kowalencję wiązań chemicznych cząsteczki, podczas gdy komplementarny indeks wzajemnej informacji (promolekularnego) „wejścia” i molekularnego „wyjścia” (informacyjnej przepustowości) kanału wyznacza ich łączną jonowość. Przedstawiona zostanie argumentacja poglądu, że pojęcie wiązania chemicznego obejmuje wszystkie typy wzajemnych zależności między AO użytymi do reprezentacji podprzestrzeni wiązań chemicznych cząsteczki. W takiej uogólnionej perspektywie dddziaływanie między zadaną parą AO w układzie molekularnym obejmuje zarówno źródła bezpośrednie, od konstruktywnej interferencji zadanej pary AO w MO, oraz pośrednie, od uwikłanych zależości między tą parą AO w molekularnej podprzestrzeni wiązań chemicznych poprzez pozostałe funkcje bazy na skutek ich jednoczesnego uczestnictwa we wszystkich wiązaniach chemicznych układu. Tak więc przyczynki pośrednie (poprzez „mostek” orbitalny) uzupełniają znane wkłady bezpośrednie (poprzez „przestrzeń”) w wypadkowych miarach krotności wiązań chemicznych molekuł. Miary tych uwikłanych składowych wiązania chemicznego, realizowanych przez orbitalnych pośredników, można wyznaczyć zarówno w teorii SCF MO, stosując zmodyfikowane indeksy Wiberga, oraz w IT – poprzez entropowe deskryptory pośrednich (kaskadowych) systemów komunikacji. Jawne (bezpośrednie) i uwikłane (pośrednie) zależności między funkcjami bazy w podprzestrzeni wiązań chemicznych cząsteczki można wyrazić przez odpowiednie elementy macierzy CBO. Związane z nimi prawdopodobieństwa warunkowe, definiujące bezpośrednią i mostkową (kaskadową) propagację prawdopodobieństw elektronowych między AO , wyznaczają w ramach OCT odpowiednie deskryptory IT tych oddziaływań. Przedyskutowane zostaną ilustracyjne rezultaty otrzymane z teorii Hückela i obliczeń metodą Hartree-Focka (RHF) dla wybranych układów .-elektronowych oraz ze standardowych obliczeń SCF MO i Kohna-Shama (KS) dla butadienu, benzenu i reprezentacyjnych polimerów. Wypadkowe indeksy wiązań, łączące bezpośrednie i pośrednie przyczynki ich krotności, dają bardziej zrównoważoną perspektywę rozkładu wiązań w porównaniu do bardziej dychotomicznego obrazu wynikającego z oryginalnego ujęcia Wiberga, opartego wyłącznie na składowej bezpośredniej. Przykład liniowych polimerów demonstruje, że w przeciwieństwie do wiązań bezpośrednich, które mogą powstawać jedynie między wzajemnie nakładającymi się orbitalami na stosunkowo niewielkich odległościach, mechanizm pośredni efektywnie wydłuża ten zasięg na dalszych sąsiadów łańcucha polimeru.

Czasopismo: Wiadomości Chemiczne
Dziedziny: nauki ścisłe i przyrodnicze
Dyscypliny: nauki chemiczne