Квантово-механические расчеты помогают целенаправленно изменять свойства полициклических ароматических соединений.

Полициклические ароматические молекулы, вопреки своему названию, в большинстве случаев почти не имеют запаха. Зато они часто окрашены в яркие цвета, могут проводить электрический ток или даже светиться. Например, джинсы окрашены синими красителями из класса индиго, красный цвет машинам одной известной итальянской марки придают хинокридоны, а экраны смартфонов светятся не без помощи органических светодиодов. Основа всех этих молекул – несколько связанных между собой наподобие пчелиных сот циклов из атомов углерода.
Их отличительная особенность – общее электронное облако, которое располагается по обеим сторонам плоскости. От того, каким оно будет, зависят многие свойства соединения, в том числе и его цвет. Если над одним из углеродных циклов поместить атом металла, то электронное облако изменится, а с ним изменятся и свойства вещества: его цвет, электропроводность, поведение в химических реакциях. Казалось бы, вот удачный способ создавать молекулы с нужными характеристиками. Но если циклов в молекуле несколько, а атом металла один – как связать его с нужным кольцом?
Химикам из Института элементоорганических соединений Российской академии наук (ИНЭОС РАН) удалось решить эту задачу с помощью квантово-химических расчетов. Теоретические расчёты хороши тем, что они очень сильно экономят ценное время и не менее ценное здоровье химиков: ведь одно дело рассчитать на компьютере структуры десятка-другого молекул, и совсем другое дело – их сначала синтезировать, очистить, а затем и изучить различными методами. Поэтому в современных исследованиях молекулу сначала изучают, так сказать, в теории, а уж только потом химики, вооружившись колбами и реактивами, погружаются в тернистые дебри органического или неорганического синтеза.
Благодаря таким расчетам химикам из ИНЭОС РАН удалось быстро оценить устойчивость нескольких десятков возможных полициклических ароматических соединений и подобрать для них подходящие вспомогательные группы атомов (так называемых заместителей), которые смещают электронное облако молекулы и направляют атом металла в сторону нужного цикла. Но теория без практики – это всего лишь теория, поэтому свои квантово-химические предсказания исследователи проверили непосредственно в лаборатории. В качестве подопытной молекулы выбрали антрацен, способность которого излучать свет используется в детекторах радиации.
Молекула антрацена состоит из трёх сопряжённых циклов, и в обычной ситуации металл для «дружественных контактов» всегда предпочитает один из крайних циклов, игнорируя тот, что находится в середине. Однако если к молекуле антрацена присоединить несколько нужных фрагментов, которые, согласно расчётам, изменяют электронное облако, то атом металла перемещается в центр. При этом вещество полностью теряет яркую оранжевую окраску, что указывает на важные изменения в электронной структуре молекулы. Результаты исследований опубликованы в классическом научном журнале Angewandte Chemie, который в нынешнем году отмечает свое 130-летие.
В перспективе, используя подобные расчеты, можно целенаправленно создавать соединения с нужными свойствами, и не только на основе антрацена, но и на основе других подобных молекул.