Еще одна химия
Постепенно химиков перестал удовлетворять обычный эксперимент, и возникла идея применить расчеты для определения структуры молекулы. Все чаще вставал вопрос о том, каковы будут свойства молекулы, которая пока не синтезирована, а только нарисована на бумаге. Ответы на эти вопросы сегодня может дать квантовая химия, о которой будет рассказано ниже. Квантовая химия родилась в недрах более общей науки – квантовой механики. Далеко не сразу эта новая наука получила широкое признание ученых, поскольку она противоречит житейскому здравому смыслу, который основан на нашем повседневном опыте взаимодействия с окружающими предметами. Обычно мы имеем дело с весьма крупными объектами, состоящими из многих миллиардов молекул, но у нас нет опыта, связанного с одиночными атомами и молекулами, и потому их поведение, описываемое квантовой механикой, кажется порой нелогичным. Например, электрон можно рассматривать и как частицу, и как волну, хотя в обычном мире это разные понятия. Пример частицы, несущей энергию, – это летящий камень, но волна в нашем понимании – нечто иное. Мы видим волны при колебании водной поверхности, распространение звука тоже волновой процесс.
Именно такое необычное сочетание свойств стало причиной конфликта, в результате которого возникла отдельная ветвь химии – квантовая химия. В 1926 г. австрийский физик Эрвин Шрёдингер, будущий лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г., выступал на научном семинаре в Цюрихском университете, где рассказывал о новых идеях, утверждая, что объекты микромира ведут себя и как волны, и как частицы. По легенде, распространенной среди физиков, в результате слова попросил пожилой преподаватель, который сказал: "Шрёдингер, вы что, не видите, что все это чушь? Или мы тут все не знаем, что волны – они на то и волны, чтобы описываться волновыми уравнениями?". Самолюбивый Шрёдингер воспринял замечание как личную обиду и решил разработать волновое уравнение, описывающее поведение частиц в рамках квантовой механики. Шрёдингер справился с задачей, и в результате появилось знаменитое волновое уравнение, которое позволяет описать область пространственного расположения электрона у атомного ядра – а точнее, вероятность нахождения частицы в заданной точке пространства. На этом Шрёдингер не остановился – он решил показать применимость своего уравнения и предложил двум немецким физикам Фрицу Лондону и Вальтеру Гайтлеру провести расчет молекулы водорода на основе волнового уравнения. Расчет показал, что при образовании из двух атомов молекулы водорода электрон, принадлежавший первоначально одному из атомов Н, будет также принадлежать и другому, то есть атомы обобществляют свои электроны, что лежит в основе понятия о ковалентной связи. Проведенный расчет имел огромное значение для дальнейшего развития химии: впервые удалось показать, что с помощью квантовой механики можно понять природу химической связи. 1927 год считают годом зарождения квантовой химии.
Становление квантовой химии как самостоятельной науки связано с именем выдающегося немецкого физика Ганса Густавовича Гельмана. Для проведения расчетов Г. Гельман и американский физик Р. Фейнман сформулировали и доказали основные принципы расчета, получившие название "теорема Гельмана – Фейнмана". Эта теорема стала одним из основных инструментов квантовой химии. В 1934 г., спасаясь от нацистского режима в Германии, Гельман переехал на постоянное жительство в СССР. Он был зачислен как иностранный специалист в Физико-химический институт им. Л. Я. Карпова (Москва) на должность руководителя теоретической группы. Работая в институте, Гельман закончил писать книгу "Квантовая химия", а трое его учеников – М. Н. Головин, Н. Н. Туницкий и М. А. Ковнер – перевели рукопись на русский язык, после чего в 1937 г. была издана монография объемом 546 страниц. Параллельно Гельман совершенствовал и немецкий текст, который в том же году был издан в Вене. Благодаря этому фундаментальному труду впервые появился термин "квантовая химия". Долгие годы эта книга была единственной монографией, охватывающей почти все аспекты совсем еще юной науки.
В эти годы в СССР набрал максимальные обороты маховик сталинских репрессий. 9 марта 1938 г. Гельмана уволили из института и арестовали. Его обвинили в шпионаже и расстреляли 28 мая того же года (в то время для такого решения вполне достаточно было иметь иностранное гражданство). Ему было 35 лет. В 1957 г. его полностью реабилитировали посмертно, и в галерею Карповского института, где висят портреты работавших в его стенах наиболее выдающихся ученых, теперь помещен и портрет Г. Гельмана. Большинству отечественных квантовых химиков это имя неизвестно.
Постепенно выявились трудности, связанные с квантово-химическими расчетами. Оказалось, что точное решение уравнения Шрёдингера возможно только для молекулы водорода. При расчете более крупных молекул требуется вводить упрощения и приближения – и их удалось разработать. Это позволяет проводить расчет более сложных молекул с достаточно точным результатом. Основная сложность состояла в том, что при увеличении числа атомов в молекуле трудоемкость расчета возрастала почти с космической скоростью, и для полного расчета требовались огромные временные ресурсы.
Возникшие трудности привели к тому, что в середине 1950-х гг. был разработан принципиально иной способ расчета. В основу была положена идея рассматривать молекулу как объект классической механики Ньютона и проводить расчет с помощью предложенных им уравнений. Молекулу представляют как некую механическую модель – с учетом массы, зарядов атомов и упругости связей, однако при этом не учитывают поведение электронов. Такие расчеты были вполне "по силам" появившимся в это время ламповым компьютерам – между прочим, первые ЭВМ занимали огромное помещение. Обобщенно метод называют молекулярной механикой. Расчеты были вполне доступны, однако они могли описать лишь молекулы, находящиеся в «спокойном» состоянии, но не в процессе реакции. Молекулярную механику используют и в настоящее время – чаще для расчета крупных полимерных молекул и в основном биомолекул. Что неожиданно – метод оказался подспорьем в квантовой химии, о чем будет рассказано далее.
Появление полупроводниковых компьютеров способствовало быстрому развитию квантовой химии, и стали широко применяться квантово-химические расчеты, ранее выполнявшиеся ручными вычислениями. Все заметно упростилось и ускорилось, когда вычисления стали выполнять современные компьютеры. Возникли специальные программы, позволяющие химику-синтетику проводить подобные расчеты самостоятельно. Наиболее известна квантово-химическая программа Gaussian, разработанная с участием Джона Попла, лауреата Нобелевской премии 1998 г. по химии. Всего было создано свыше десятка подобных различных программ. Весьма привлекательна для рядовых химиков компактная бесплатная программа Priroda, созданная сотрудником МГУ имени М. В. Ломоносова Д. Н. Лайковым. Она отличается очень высоким быстродействием.
С помощью таких программ химик, исходя всего лишь из структурной формулы, может рассчитать:
а) наиболее энергетически выгодную пространственную структуру молекулы;
б) энтальпию образования вещества – фактически это энергия, которая выделяется при образовании молекулы из всех составляющих ее элементарных частиц;
в) тепловой эффект реакции;
г) заряды на атомах, входящих в состав молекулы;
д) ожидаемый инфракрасный и ядерно-магнитный спектр конкретного соединения;
е) внешний вид молекулярных орбиталей (о них подробнее рассказано в главе "Самая главная частица и ее жилище").
Существует еще целый ряд неупомянутых параметров, которые можно вычислить с помощью таких программ и которые химики используют для объяснения происходящих превращений. В процессе расчета программа выводит на экран молекулу в виде объемной модели. При желании можно посмотреть, как программа будет деформировать молекулу в поисках оптимальной структуры (фильм, увлекательный для химика). Кроме того, можно увидеть, как выглядят упомянутые в пункте е) полупрозрачные области наиболее вероятного расположения электронов – орбитали, внешне напоминающие облака.
Напомним, что все это можно проделать для пока не полученной, а только нарисованной молекулы. В отличие от упомянутой ранее молекулярной механики, при расчетах учитывается поведение электронов, что делает получаемые результаты намного более точными.
Постепенно химиков перестали удовлетворять знания о внутреннем строении молекулы – они захотели узнать, как она реагирует с другими молекулами. Иными словами, ученые заинтересовались не тем, как она выглядит, а тем, что с ней происходит. Были разработаны некоторые экспериментальные приемы, позволяющие понять механизмы протекающих реакций. Например, в реагирующую молекулу можно ввести изотопную метку – заменить, например, один из атомов на его более тяжелый изотоп – и далее проследить, в какое место она переместится в процессе реакции. Впрочем, таким способом мы фиксируем лишь начальный и конечный момент – и не можем увидеть процесс, поскольку химическое взаимодействие – то есть перемещение электронов – проходит молниеносно и потому скрыто от глаз исследователей.
Частично решить эту проблему позволила работа американского химика А. Зевейла, лауреата Нобелевской премии 1999 г. по химии. Он направлял на реагирующие молекулы очень короткие (фемтосекундные, 10–15 с) лазерные импульсы и анализировал полученные спектры, то есть получал «фотографию» быстродвижущихся объектов, используя мгновенную «фотовспышку». Однако этот метод экспериментально труден и применим только к простым объектам.
Все упомянутые расчетные программы, в том числе и Gaussian, оперируют с молекулами, которые находятся в "спокойном" состоянии, а не в процессе реакции. Могут ли эти программы показать не то, как выглядит молекула, а то, как она реагирует с другими молекулами? Теоретически такое возможно, но при расчете крупных биомолекул для проведения вычислений нужно невероятное количество времени, а если принять во внимание то, что процесс расчета иногда останавливается и требует внесения исправлений и уточнений, то станет ясно, что дождаться результатов расчета будет практически нереально.
Наблюдать протекание химических реакций с помощью квантовой химии стало возможным благодаря усилиям трех нобелевских лауреатов: американского ученого Мартина Карплуса и двух израильских ученых – Майкла Левитта и Арье Варшеля, получивших в 2013 г. Нобелевскую премию "за развитие метода масштабных моделей для сложных химических систем".
