Atoms in molecules
क्वांटम रसायन विज्ञान में, अणुओं में परमाणुओं का क्वांटम सिद्धांत (क्यू. टी. ए. आई. एम.), जिसे कभी-कभी अणुओं में परमाणु (ए. आई. एम.) के रूप में संदर्भित किया जाता है, आणविक और संघनित पदार्थ इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों (जैसे क्रिस्टल) का एक मॉडल है जिसमें आणविक संरचना की प्रमुख वस्तुएं-परमाणु और बंधन-एक प्रणाली के अवलोकन योग्य इलेक्ट्रॉन घनत्व वितरण कार्य की प्राकृतिक अभिव्यक्तियाँ हैं। एक अणु का इलेक्ट्रॉन घनत्व वितरण एक संभाव्यता वितरण है जो उस औसत तरीके का वर्णन करता है जिसमें नाभिक द्वारा लगाए गए आकर्षक क्षेत्र में वास्तविक स्थान में इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वितरित किया जाता है। क्यू. टी. ए. आई. एम. के अनुसार, आणविक संरचना इलेक्ट्रॉन घनत्व के स्थिर बिंदुओं द्वारा इलेक्ट्रॉन घनत्व के ढाल पथ के साथ प्रकट होती है जो इन बिंदुओं पर उत्पन्न होती है और समाप्त होती है। क्यू. टी. ए. आई. एम. को मुख्य रूप से प्रोफेसर रिचर्ड बेडर और मैकमास्टर विश्वविद्यालय में उनके शोध समूह द्वारा दशकों के दौरान विकसित किया गया था, जिसकी शुरुआत 1960 के दशक की शुरुआत में सरल अणुओं के सैद्धांतिक रूप से गणना किए गए इलेक्ट्रॉन घनत्वों के विश्लेषण से हुई थी और 90 के दशक में क्रिस्टल के सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक रूप से मापा गया इलेक्ट्रॉन घनत्व दोनों के विश्लेषण के साथ इसकी परिणति हुई थी। क्यू. टी. ए. आई. एम. का विकास इस धारणा से प्रेरित था कि चूंकि परमाणुओं और बंधनों की अवधारणाएं रसायन विज्ञान की व्याख्या, वर्गीकरण, भविष्यवाणी और संचार में सर्वव्यापी रूप से उपयोगी रही हैं और बनी हुई हैं, इसलिए उनका एक अच्छी तरह से परिभाषित भौतिक आधार होना चाहिए। क्यू. टी. ए. आई. एम. आणविक संरचना परिकल्पना की केंद्रीय परिचालन अवधारणाओं को पुनर्प्राप्त करता है, जो कि परमाणुओं को जोड़ने और संरचना प्रदान करने वाले बंधनों की परिभाषा के साथ गुणों के एक योगात्मक और विशेषता समूह के साथ परमाणुओं के एक कार्यात्मक समूह की अवधारणा है। क्यू. टी. ए. आई. एम. इलेक्ट्रॉन घनत्व की स्थलविज्ञान के आधार पर रासायनिक बंधन और रासायनिक प्रणाली की संरचना को परिभाषित करता है। बंधन के अलावा, क्यू. टी. ए. आई. एम. प्रति परमाणु आधार पर कुछ भौतिक गुणों की गणना की अनुमति देता है, अंतरिक्ष को परमाणु आयतन में विभाजित करके जिसमें बिल्कुल एक नाभिक होता है, जो इलेक्ट्रॉन घनत्व के स्थानीय आकर्षण के रूप में कार्य करता है। क्यू. टी. ए. आई. एम. में एक परमाणु को एक उचित खुली प्रणाली के रूप में परिभाषित किया गया है। एक प्रणाली जो ऊर्जा और इलेक्ट्रॉन घनत्व को साझा कर सकती है जो 3डी स्थान में स्थानीयकृत है। इन विशेषताओं के गणितीय अध्ययन को आमतौर पर साहित्य में आवेश घनत्व टोपोलॉजी के रूप में संदर्भित किया जाता है। क्यू. टी. ए. आई. एम. इस तथ्य पर आधारित है कि इलेक्ट्रॉन घनत्व वितरण के विशाल बहुमत का प्रमुख स्थलवैज्ञानिक गुण मजबूत अधिकतम की उपस्थिति है जो विशेष रूप से नाभिक पर होती है, जिनमें से कुछ जोड़े इलेक्ट्रॉन घनत्व की कटकों द्वारा एक साथ जुड़े होते हैं। एक इलेक्ट्रॉन घनत्व वितरण के ढाल सदिश क्षेत्र के संदर्भ में, यह एक अणु के त्रि-आयामी बेसिन (परमाणुओं) में एक पूर्ण, गैर-अतिव्यापी विभाजन से मेल खाता है जो साझा द्वि-आयामी पृथक्करण (अंतर-परमाणु सतहों) द्वारा एक साथ जुड़े होते हैं। प्रत्येक अंतरपरमाण्विक सतह के भीतर, इलेक्ट्रॉन घनत्व संबंधित आंतरिक नाभिकीय काठी बिंदु पर अधिकतम होता है, जो नाभिक की संबंधित जोड़ी के बीच रिज के न्यूनतम पर भी स्थित होता है, रिज को ढाल प्रक्षेपवक्र (बंधन पथ) की जोड़ी द्वारा परिभाषित किया जाता है जो काठी बिंदु पर उत्पन्न होता है और नाभिक पर समाप्त होता है। चूँकि क्यू. टी. ए. आई. एम. परमाणु हमेशा इलेक्ट्रॉन घनत्व के प्रवणता सदिश क्षेत्र में शून्य प्रवाह वाली सतहों से बंधे होते हैं, इसलिए उनके पास अन्य उप-प्रणाली परिभाषाओं की तुलना में कुछ अद्वितीय क्वांटम यांत्रिक गुण होते हैं, जिसमें अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक गतिज ऊर्जा, आणविक इलेक्ट्रॉनिक विरियल प्रमेय के अनुरूप एक इलेक्ट्रॉनिक विरियल प्रमेय की संतुष्टि और कुछ दिलचस्प परिवर्तनशील गुण शामिल हैं। क्यू. टी. ए. आई. एम. धीरे-धीरे रासायनिक प्रणालियों के संबंध में संभावित प्रश्नों को संबोधित करने का एक तरीका बन गया है, विभिन्न स्थितियों में रसायन विज्ञान में किसी अन्य मॉडल या सिद्धांत द्वारा शायद ही पहले संभाला गया हो। अनुप्रयोग क्यू. टी. ए. आई. एम. को एक्स-रे विवर्तन द्वारा देखे गए पड़ोसी अणुओं के बीच असामान्य रूप से कम दूरी वाले कुछ कार्बनिक क्रिस्टल के विवरण पर लागू किया जाता है। उदाहरण के लिए, आणविक क्लोरीन की क्रिस्टल संरचना में दो अणुओं के बीच प्रायोगिक Cl.Cl दूरी 327 पिकोमीटर है जो 350 पिकोमीटर की वैन डेर वाल्स त्रिज्या के योग से कम है। एक क्यू. टी. ए. आई. एम. परिणाम में 12 बंधन पथ प्रत्येक क्लोरीन परमाणु से अणु में अन्य क्लोरीन परमाणु सहित अन्य क्लोरीन परमाणुओं के लिए शुरू होते हैं। इस सिद्धांत का उद्देश्य धातु हाइड्रोजन के धातु गुणों को भी इसी तरह से समझाना है। इस सिद्धांत को तथाकथित हाइड्रोजन-हाइड्रोजन बंधनों पर भी लागू किया जाता है क्योंकि वे फेनेंथ्रीन और क्राइसीन जैसे अणुओं में होते हैं। इन यौगिकों में दो ऑर्थो हाइड्रोजन परमाणुओं के बीच की दूरी फिर से उनकी वैन डेर वाल्स त्रिज्या से कम होती है और इस सिद्धांत पर आधारित सिलिको प्रयोगों के अनुसार, उनके बीच एक बंधन पथ की पहचान की जाती है। दोनों हाइड्रोजन परमाणुओं में समान इलेक्ट्रॉन घनत्व होता है और वे बंद कोश होते हैं और इसलिए वे तथाकथित डाइहाइड्रोजन बंधनों से बहुत अलग होते हैं जो (CH3) 2NHBH3 जैसे यौगिकों के लिए अभिनिर्धारित होते हैं और तथाकथित एगॉस्टिक अंतःक्रियाओं से भी अलग होते हैं। मुख्यधारा के रसायन विज्ञान में दो गैर-बंधन परमाणुओं की निकटता अस्थिर करने वाले स्टेरिक प्रतिकर्षण की ओर ले जाती है लेकिन क्यू. टी. ए. आई. एम. में देखी गई हाइड्रोजन हाइड्रोजन अंतःक्रिया वास्तव में स्थिर होती है। यह सर्वविदित है कि किंक्ड फेनेंथ्रीन और क्राइसीन दोनों अपने रैखिक आइसोमर एंथ्रेसीन और टेट्रेसीन की तुलना में लगभग 6 किलो कैलोरी/मोल (25 किलो जे/मोल) अधिक स्थिर हैं। क्लार के नियम द्वारा एक पारंपरिक व्याख्या दी गई है। क्यू. टी. ए. आई. एम. से पता चलता है कि फेनेंथ्रीन के लिए 8 किलो कैलोरी/मोल (33 के. जे./मोल) द्वारा गणना की गई स्थिरीकरण कार्बन से हाइड्रोजन में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण से उत्पन्न 8 किलो कैलोरी/मोल (33 के. जे./मोल) द्वारा यौगिक के अस्थिर होने का परिणाम है, जो एच. एच. बंधन पथ के कारण स्थिरीकरण के 12.1 किलो कैलोरी (51 के. जे./मोल) द्वारा ऑफसेट होता है। दो हाइड्रोजन परमाणुओं के बीच महत्वपूर्ण बिंदु पर इलेक्ट्रॉन घनत्व कम है, 0.012 e फेनेंथ्रीन के लिए। बन्ध पथ का एक अन्य गुण इसकी वक्रता है। क्यू. टी. ए. आई. एम. में अध्ययन किया गया एक अन्य अणु बाइफिनाइल है। इसके दो फिनाइल वलय समतल आणविक ज्यामिति (केंद्रीय सी-सी बंधन के चारों ओर एक घूर्णन में सामना करना पड़ता है) के साथ एक दूसरे के संबंध में 38 डिग्री कोण पर उन्मुख होते हैं जो 2 किलोकैलरी/मोल (8.8 किलोकैलरी/मोल) द्वारा अस्थिर होते हैं और लंबवत 2 किलोकैलरी/मोल (10.5 किलोकैलरी/मोल) द्वारा अस्थिर होते हैं। इस घूर्णन बाधा के लिए उत्कृष्ट व्याख्या ऑर्थो-हाइड्रोजन परमाणुओं (समतलीय) के बीच स्टेरिक प्रतिकर्षण और दोनों रिंगों (लंबवत) पर पाई घनत्व के विलयन का टूटना है। क्यू. टी. ए. आई. एम. को प्रोटीन में सॉल्वेटेड पोस्ट-ट्रांसलेशनल संशोधनों के इलेक्ट्रॉन टोपोलॉजी का अध्ययन करने के लिए भी लागू किया गया है। उदाहरण के लिए, लाइसिन-आर्जिनिन व्युत्पन्न उन्नत ग्लाइकेशन अंत-उत्पादों के एक समूह में सहसंयोजक रूप से बंधे बल स्थिरांक को इलेक्ट्रॉनिक संरचना गणनाओं का उपयोग करके प्राप्त किया गया था और फिर प्रत्येक लागू कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान कार्यों में अंतर को स्पष्ट करने के लिए बंधन पथ का उपयोग किया गया था। इसके अलावा, क्यू. टी. ए. आई. एम. का उपयोग ग्लुकोसेपेन और आसपास के पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधनों के एक बंधन पथ नेटवर्क की पहचान करने के लिए किया गया था। क्यू. टी. ए. आई. एम. में डाइहेड्रल कोण को 38° से घटाकर 0° करने पर ऊर्जा में वृद्धि कई कारकों का योग है। विनाशकारी कारक जुड़ने वाले कार्बन परमाणुओं के बीच बंधन की लंबाई में वृद्धि (क्योंकि उन्हें आने वाले हाइड्रोजन परमाणुओं को समायोजित करना पड़ता है) और कार्बन से हाइड्रोजन में इलेक्ट्रॉनिक चार्ज का हस्तांतरण है। स्थिरीकरण कारक पाई-इलेक्ट्रॉनों का एक वलय से दूसरे वलय में विस्थापन बढ़ाना है और जो संतुलन को कम करता है वह ऑर्थो हाइड्रोजेन के बीच हाइड्रोजन-हाइड्रोजन बंधन है। हाइड्रोजन बन्ध अपने आलोचकों के बिना नहीं है। एक के अनुसार, इसके आइसोमर्स की तुलना में फेनेंथ्रीन की सापेक्ष स्थिरता को अनुनाद स्थिरीकरण की तुलना करके पर्याप्त रूप से समझाया जा सकता है। एक अन्य आलोचक का तर्क है कि फेनेंथ्रीन की स्थिरता को केंद्रीय दोहरे बंधन में अधिक प्रभावी पाई-पाई ओवरलैप के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है; बंधन पथों के अस्तित्व पर सवाल नहीं उठाया जाता है, लेकिन इससे प्राप्त स्थिर ऊर्जा है। मैकमास्टर यूनिवर्सिटी पॉपलियर ग्रुप होम पेज मल्टीडब्ल्यूएफएन होम पेज एआईएम 2000 होम पेज एआईएमएएल होम पेज एक्सडी होम पेज क्वांटम केमिस्ट्री संदर्भ परमाणु और 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