Ученые СПбГУ создали инновационную вычислительную модель, с высокой точностью описывающую поведение положительно заряженных частиц (протонов) в молекулах, соединенных прочными водородными связями. Главное открытие команды под руководством Елены Тупикиной заключается в том, что для точных расчетов критически важно учитывать не только характеристики растворителя, окружающего молекулу, но также спонтанное движение протона и его квантовую "неопределенность" позиции внутри структуры.
Значимость для науки и технологий
Этот принципиально новый подход позволит существенно повысить точность и предсказательную силу компьютерных моделей, применяемых для анализа сложных химических соединений. Развитие метода открывает оптимистичные перспективы для ускоренного создания перспективных материалов и эффективных лекарственных препаратов. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
«`html
Водородные мостики — удивительные связи между атомом водорода и двумя электроотрицательными атомами, как кислород, — распространены в живых системах и крайне важны для их взаимодействия с водой, другими молекулами и друг с другом. Ученые исследуют структуру этих связей с помощью метода спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Его суть в помещении вещества в магнитное поле и наблюдении за поведением атомов. Результаты измерения — уникальные спектры ("отпечатки пальцев" молекулы), позволяющие детально проанализировать строение химических соединений.
Химический сдвиг и влияние окружения
Внешнее магнитное поле воздействует на магнитные поля атомов вещества; изменения зависят от типа и расположения соседних атомов. Это явление называется химическим сдвигом. Его измерение в эксперименте или компьютерной модели позволяет установить структуру молекул и прочность их связей. Чтобы оценить влияние среды, ученые вводят растворитель и исследуют его воздействие на поведение протонов и величину сдвига.
Сложность моделирования и важность точности
Компьютерное моделирование химических сдвигов часто требует большего, чем простое добавление молекул растворителя. Статические модели не учитывают динамику частиц — их движение под действием внешних сил. Точность расчетов здесь критически важна: она дает ключ к пониманию тончайших атомарных процессов, таких как электронная структура и механизмы действия различных веществ, включая мощные природные катализаторы — ферменты.
Прорывное моделирование из СПбГУ
Исследователи Санкт‑Петербургского государственного университета совершили значимый шаг: впервые в мире они количественно оценили влияние трех ключевых факторов на водородные сдвиги в моделировании. Эти факторы — молекулы растворителя в среде, ядерная динамика протона и его квантовая делокализация (способность протона как квантового объекта проявлять волновые свойства и находиться одновременно в разных областях пространства).
Мощные методы вычислений
Химики СПбГУ задействовали комлекс передовых вычислительных подходов: квантово-химические расчеты, моделирование методом молекулярной динамики и решение уравнения Шредингера — основы квантовой механики для расчета вероятности нахождения частицы в пространстве. Все ресурсоемкие вычисления были успешно проведены на суперкомпьютерных мощностях.
Результаты и их значение
Расчеты водородных сдвигов для трех хорошо изученных модельных соединений (анион бифторида HF2—, катион Цунделя H5O2+ и катион пиридина-пиридиния) показали: учет динамики протона и его делокализации существенно повышает точность предсказаний по сравнению с ранее доступными моделями. Например, для катиона пиридина-пиридиния в среде фреона модель с динамикой дала сдвиг 22 миллионные доли — значение, значительно ближе к экспериментальным данным, чем статическая модель (20.8 единиц). Это великолепно подтверждает: комплексный подход радикально повышает точность расчетов и их согласование с реальностью.
Перспективы для науки и прогресса
«Работа открывает для специалистов по водородным связям готовые решения (!) для существенного улучшения совпадения расчетных и экспериментальных результатов, — говорит руководитель проекта Елена Тупикина, доцент СПбГУ, эксперт кафедры физической органической химии. — Более глубокое понимание природы водородных связей крайне важно для создания революционных лекарств, материалов и катализаторов, ведь эти связи играют фундаментальную роль в биологии и технологиях. Новые высокоточные методы моделирования позволят глубже понять механизмы работы ферментов и создавать передовые материалы для энергетики и медицины будущего». И это не пустые слова: в 2025 году Елена Тупикина получила премию им. Л. Эйлера Правительства Санкт-Петербурга за разработку новейших методов оценки ключевых параметров водородных связей в биомолекулах.
«`
Учёные провели захватывающее исследование, проливающее свет на удивительные особенности перемещения протонов в водородных связях! Это открытие знаменует важный шаг в понимании фундаментальных процессов химического взаимодействия.
Новые горизонты в изучении динамики молекул
Потрясающие результаты эксперимента раскрывают механизмы движения протонов с невиданной детализацией. Исследователи обнаружили уникальные закономерности, которые могут перевернуть наши представления о молекулярных реакциях.
Перспективы для инновационных технологий
Полученные знания открывают фантастические возможности для создания передовых материалов и революционных технологий будущего! Дальнейшее изучение этих процессов обещает прорыв в самых разных областях науки.
Источник: scientificrussia.ru
