Управление химическими процессами

Химическая реакция – это физический процесс перегруппировки атомов и перестройки электронных оболочек, в результате которого из исходных, реагирующих частиц образуются конечные частицы – продукты.

Две фундаментальные характеристики управляют этим процессом – энергия и угловой момент (момент количества движения). Значение первогоиз них было ясно уже давно, со времен зарождения химии как науки, рольуглового момента в химическом превращении осознана лишь недавно.

Подавляющее большинство химических реакций требует преодоленияэнергетического барьера и «доставки» энергии реагирующим частицам. Каков энергетический барьер реакции, или, другими словами, сколько энергиинужно доставить частице, чтобы обеспечить ее химическое реагирование –эта проблема не имеет еще общего решения.

Теоретические расчеты барьеров и поверхностей потенциальнойэнергии химических реакций современными методами квантовой химии (не эмпирическими и полуэмпирическими) пока не решают этой проблемы: онитрудоемки и часто не надежны. Многочисленные эмпирические соотношениядля оценок энергетического барьера и скоростей реакций (правило Поляни,уравнение Гамета, правило Тафеля, правило Вудворда-Гоффмана, соотношениеБренстеда-Уинстейна и т.д.) так же имеют ограниченное применение иприближенны. В целом проблема химической реакционной способности какпроблема связи между электронно-ядерным строением химических частиц искоростью или энергетическим барьером их реакций остаются традиционнойи все еще далекой от разрешения.

Главная причина такого положения состоитв том, что ассортимент химических частиц (атомов, молекул, ионов, радикалов) огромен,потенциалы их кулоновского и обменного взаимодействий различны, а пути химического превращения разнообразны. Именно из-за многообразия электронных оболочек и путей их преобразований пока не удаетсяпостроить общую количественную теорию химической реакционной способности,хотя с точки зрения теоретической физики сами элементарные взаимодействия в химии довольно просты и включают только электромагнитныевзаимодействия ядро-ядро, электрон-электрон, электрон-ядро. Управлять химической реакцией, это значит изменять ее скорость инаправление. То есть изменять величину энергетического барьера путем передачи энергии на внутренние степени свободы в такой форме, что эта энергия эффективно могла быть использована химической частицей для преодоления барьера.

Основной принцип управления – химический, он предполагает модификацию электронных оболочек реагирующих частиц за счет процессов ихсольватации и комплексообразования. Исследование сольватационных (процессов) эффектов с целью нахождения эффективных способов изменения реакционной способности и управления химическими реакциями составляетодно из важных направлений современной химии. Наибольший вклад в сольватацию вносит, как правило, комплексообразование. С помощью современных физических методов достигнуты значительные успехи в понимании процессовкомплексообразования. Получены прямые доказательства обобществления электронных оболочек партнеров в комплексе; часто удается установить, какие электронные орбитали участвуют в «стыковке» партнеров в комплексе; найдены основные типы комплексов, сформулированы признаки икритерии комплексообразования; для многих комплексов определены ихструктурно-физические и динамические свойства.

Комплексообразование должно влиять на реакционную способностьлюбой химической частицы, так как оно изменяет распределение электрических зарядов, энергию молекулярных орбиталей, пространственноеэкранирование и, следовательно, энергетический барьер реакции. Гораздо болеетрудным является вопрос о том, как и в какую сторону изменяется реакционная способность – возрастает ли химическая активность частиц при комплексообразовании или, напротив, снижается. Этот вопрос не простой и не имеетобщего и единственного ответа. Ответ зависит от двух принципиально важных обстоятельств: