Функция Фукуи - Fukui function

В вычислительная химия, то Функция Фукуи или же пограничная функция - функция, которая описывает концентрацию электронов на граничной орбитали в результате небольшого изменения общего числа электронов.^[1] В сжатая функция Фукуи или же индикатор конденсированной реактивности это та же идея, но применяется к атому внутри молекулы, а не к точке в трехмерном пространстве.

Функция Фукуи позволяет прогнозировать, используя теория функционала плотности, где находятся наиболее электрофильные и нуклеофильные участки молекулы.^[2]

История и предыстория

Функция Фукуи названа в честь Кеничи Фукуи, который исследовал граничные орбитали, описываемые функцией, в частности HOMO и LUMO.^[3] Функции Фукуи частично связаны с пограничная теория молекулярных орбиталей (также известный как Теория реактивности и отбора Фукуи, также разработанный Кеничи Фукуи), в котором обсуждается, как нуклеофилы атакуют HOMO, одновременно помещая свои избыточные электроны в LUMO.^[4]

Расчет

Большинство химических реакций в целом связано с изменением электронной плотности. Функция Фукуи указывает на это изменение электронной плотности молекулы в заданном положении при изменении количества электронов. Сама функция может быть количественно определена математически следующим образом:

${\displaystyle f(r)={\frac {\partial \rho ({\textbf {r}})}{\partial N_{\text{electron}}}}}$

куда ${\displaystyle \rho ({\textbf {r}})}$ - электронная плотность. Сама функция Фукуи имеет две конечные версии этого изменения, которые могут быть определены следующими двумя функциями. Форма функции будет зависеть от того, был ли электрон удален или добавлен из молекулы. Функция Фукуи для присоединения электрона к молекуле выглядит следующим образом:

${\displaystyle f_{+}(r)=\rho _{N+1}({\textbf {r}})-\rho _{N}({\textbf {r}})}$.

Следующая функция будет представлять функцию Фукуи с точки зрения удаления электрона из молекулы:

${\displaystyle f_{-}(r)=\rho _{N}({\textbf {r}})-\rho _{N-1}({\textbf {r}})}$.

В ${\displaystyle f_{+}}$ функция представляет собой начальную часть нуклеофильной реакции. В ${\displaystyle f_{-}}$, с другой стороны, представляет собой начальную часть электрофильной реакции. Следовательно, реакция будет происходить там, где ${\displaystyle f_{\pm }}$ можно найти, чтобы иметь большое значение. Решение для любой из функций Фукуи приведет к представлению электронной плотности молекулы для электрофильности или нуклеофильности.^[5]

Приложения

Функцию Фукуи можно использовать для определения реакционной способности молекул по отношению к другим молекулам. Например, разница в функции Фукуи до и после связывания молекулы CO с наночастица Поверхность может быть использована для интерпретации реакционной способности наночастиц не только с CO, но и с другими наночастицами переходных металлов ядро-оболочка.^[6]

Было показано, что функция Фукуи связана с локальным мягкость системы. Это свойство позволило использовать его для биологических исследований с участием лиганда. стыковка, активный сайт обнаружение и сворачивание белка.^[7]

Рекомендации

1. ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "пограничная функция ". Дои:10.1351 / goldbook.FT07039
2. Ayers, P.W .; Yang, W .; Бартолотти, Л. Дж. (2010). «18. Функция Фукуи». В Чаттерадж, П. К. (ред.). Теория химической реактивности: взгляд на ДПФ (перепечатка). CRC Press. ISBN  9781420065435.
3. Льюарс, Э. (2010). Вычислительная химия: введение в теорию и приложения молекулярной и квантовой механики. с.503. ISBN  9789048138623.
4. К. Дж. Крамер, Основы вычислительной химии: теории и модели (Чичестер, Джон Вили, 2002).
5. Ф. Дженсен, Введение в вычислительную химию, (Wiley, Chichester, 1999), стр. 492.
6. Эллисон, Т.К., Тонг, Ю.Дж. (2012). Применение конденсированной функции Фукуи для прогнозирования реакционной способности наночастиц переходных металлов ядро-оболочка. Electrochimica Acta, том 101, страницы 334-340.
7. Фарвер, Дж., Мерц, К. (2010). Полезность принципа HSAB через функцию Фукуи в биологических системах. JCTC, т. 6. С. 548-559.