دانشمندان یک روش محاسباتی ایجاد کرده‌اند که نقشه‌های سه‌بعدی اثرات فضایی را اندازه‌گیری و تولید می‌کند. این تکنیک دقیق‌تر از روش‌های موجود است و آزمایش‌ها نشان می‌دهند که در طیف گسترده‌ای از موارد، از جمله آتروپایزومریسم، شیمی هماهنگی، و انانتیو انتخاب‌پذیری کاتالیز ارگانیک کار می‌کند.
اثرات استریک، برهمکنش های غیر پیوندی هستند که می توانند بر نتایج واکنش و ساختارهای مولکولی تأثیر بگذارند. مانع یا انسداد رایج‌ترین اثر فضایی است و زمانی رخ می‌دهد که شما سعی می‌کنید دو اتم را مجبور کنید که فضای یکسانی را اشغال کنند. با این حال، تجزیه و تحلیل و تجسم اثرات فضایی دشوار است، و علیرغم فراگیر بودن و اهمیت آنها، اغلب فقط به صورت کیفی، بدون جزئیات فضایی یا کمی صریح توصیف می شوند.
اکنون، اریک هنون از دانشگاه ریمز شامپاین آردن و همکارانش از سراسر فرانسه روش جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند اثرات فضایی را مستقیماً از محاسبات کوانتومی کمیت و تجسم کند.
این روش که تابع حذف مکان‌یابی فضایی (خود) نامیده می‌شود، بر اساس اصل طرد پائولی است، یک اثر کوانتومی که دو الکترون با اسپین یکسان را از اشغال فضای یکسان منع می‌کند. هنون توضیح می دهد: «این حد محرومیت هزینه دارد: انرژی جنبشی اضافی. این انرژی جنبشی اضافی را که ارتباط نزدیکی با اثرات فضایی دارد، خود محاسبه می کند.
این روش می‌تواند نقشه‌های سه‌بعدی تولید کند که دقیقاً مکان‌هایی را که برهمکنش‌های فضایی نقش بازی می‌کنند، تولید کند: “بنای محاسبات مکانیک کوانتومی واقعی، به جای اندازه‌گیری فقط فواصل هندسی بین مولکول‌های نزدیک، بسیار مهم است. رویکرد ما اثرات ظریفی را ثبت می‌کند که هندسه ساده از دست می‌دهد، مانند این واقعیت که اتم می‌گوید همه جهت‌های دافعه در اطراف یکسان نیست.”
رابرت پیتون، یک شیمیدان آلی محاسباتی در دانشگاه ایالتی کلرادو در ایالات متحده، می گوید این روش “به سمت تصویر صحیح تر از استریک ها حرکت می کند … متفاوت است زیرا به جای اینکه فقط یک مقدار انرژی به شما بدهند، یک نقشه فضایی ایجاد می کنند”.
در واقع، تعدادی روش برای مطالعه اثرات فضایی وجود دارد، از جمله روش‌های مکانیکی کوانتومی مبتنی بر انرژی و روش‌های هندسی و کلاسیک، اما هر کدام محدودیت‌هایی دارند. تجزیه و تحلیل تجزیه انرژی و تئوری اغتشاش سازگار با تقارن می‌تواند دافعه پائولی را کمیت کند، اما اغلب در نشان دادن مکان دقیق برهمکنش فضایی و اتم‌ها نادقیق هستند. و روش‌های هندسی، در عین سادگی، تمایل دارند اتم‌ها را به‌عنوان کره‌های سخت با ابعاد ثابت در نظر بگیرند و تصویری واقعی ارائه نکنند.
ناتالی فی، که کارش در دانشگاه بریستول در بریتانیا شامل مطالعات محاسباتی کاتالیزورهای آلی فلزی مرتبط مصنوعی است، می‌گوید: «رویکردهای مختلفی برای کمی‌سازی اثرات فضایی وجود دارد، که بیشتر آنها با نشان دادن اینکه با سایر توصیف‌گرهایی که قبلاً استفاده می‌شد همبستگی دارند، اجتماعی شده‌اند. “با این وجود، کاربرد برای چنین مشکلات مختلف – کاتالیز ارگانیک، آتروپوایزومرییسم – و مقایسه با پارامترهای تولمن (که به هر حال اشتباه است و تعیین آن تا حدودی دشوار است) با نتایج معقول جالب است؛ تجسم آسان نیز همیشه مفید است.
تیم هنون، خود را بر روی نمونه‌های کلاسیکی که معمولاً از تعاملات فضایی برای توضیح نتایج مختلف استفاده می‌شود، آزمایش کردند. به عنوان مثال، آنها یک واکنش آلی کاتالیزوری را بررسی کردند که در آن گزینش پذیری به یک محصول به برخوردهای فضایی بین یک گروه مزیتیل در کاتالیزور نسبت داده شد. ص– نصفه متوکسی فنیل در بستر واکنش. این فقط این فرضیه را تأیید کرد و همچنین تعاملات فضایی اضافی و کمتر آشکار را نشان داد.
سیستم دیگری که تیم روی آن کار می‌کند مجموعه‌ای از کمپلکس‌های نیکل فسفین است که در آن فعل و انفعالات فضایی اغلب دسترسی به جفت لیگاند فسفین را محدود می‌کند. محققان دریافتند که نتایج آنها با روش سنتی بررسی این – زوایای تولمن – ارتباط خوبی دارد، اما همچنین نشان دادند که برهمکنش بین مرکز نیکل و لیگاند کمتر از آنالیز تولمن است.
این بینش ممکن است برای شیمیدانان مفید باشد. همانطور که پیتون اشاره می کند، “شما می توانید تصور کنید که لیگاندهای مختلف را در یک کتابخانه با این ابزار مقایسه کنید و از آن برای مثال برای توصیف یا درک عملکرد، شاید حتی طراحی لیگاند استفاده کنید… در نهایت، این به ما امکان می دهد تا به این فکر کنیم که چگونه می توانیم سیستم ها و واکنش های بهتر و کارآمدتری طراحی کنیم.”
هنون تاکید می‌کند که خود درون مولکول‌ها کار می‌کند، نه فقط بین آنها. “روش های قبلی برای دو مولکول جداگانه طراحی شده بود که به یکدیگر نزدیک می شوند. اما موانع چرخشی در یک مولکول منفرد چطور؟ این دافعه فضایی درون مولکولی است و Self به طور طبیعی آن را کنترل می کند. روش های دیگر به شدت با این مشکل دست و پنجه نرم می کنند. این دیدگاه های جدیدی را باز می کند.”
با این حال، فی در مورد تأثیرات آینده این کار محتاط است: «زمان نشان خواهد داد – تا کنون به دلیل دقت نظری و تجسم آسان، امیدوارکننده است، اما پارامترهای Tolman، برای مثال، به‌طور باورنکردنی برای کاتالیز فلزی آلی تثبیت شده‌اند، بنابراین ممکن است کمی طول بکشد تا ببینیم آیا این واقعاً ارزش افزوده دارد یا خیر.
