Обобщение результатов разработки единой теории молекулярных и химических процессов

Обобщены результаты и подведены итоги работ по созданию единой теории молекулярных процессов как спектральной, так и химической природы.
Развитый подход основан на введении энергетических матриц, объединяющих характеристики состояний молекулярных подсистем разного типа. Для описания процессов предлагается совокупность кинетических дифференциальных уравнений первого порядка, коэффициентами которых являются вероятности спектральных и безызлучательных химических превращений.

Показано, что с одной и той же точки зрения удается описать важнейшие особенности, наблюдающиеся в оптических спектрах высокого временного разрешения (пико- и фемтосекундных), при фотоизомеризации, при химических превращениях.

На базе первых принципов выводится закон Аррениуса, обосновывается правило локальности химических превращений в больших молекулах (реакционные центры) и т.д. Анализ следствий общей теории позволяет сформулировать простые правила хода химических реакций и поиска их путей.
Исследованы механизм передачи информации и энергии в молекулярном пространстве и проблемы, связанные с преобразованием молекулами входной информации, включая заданную в нечетком виде, с распознаванием молекулами образов, с действием молекулярных логических элементов и др. Показаны целесообразность и пути развития на той же теоретической основе нового направления – молекулярной логики – с целью создания молекулярных приемно-преобразующих информационных систем.

По результатам этих исследований завершена работа над рукописью и осуществлено издание монографии (Грибов Л.А., Баранов В.И. Теория и методы расчета молекулярных процессов: спектры, химические превращения и молекулярная логика. – М.: КомКнига, 2006. – 480 с.).
Основной материал монографии получен авторами и является оригинальным. Подавляющая часть ее основного содержания ранее в монографических изданиях не публиковалась. По структуре, содержанию и методике изложения книга не имеет аналогов в отечественной и зарубежной литературе. Содержание книги по главам следующее.

Глава 1. Методологические основания квантовой химии
(молекулярные модели и их особенности; адиабатическое приближение; полуэмпирика и ab initio; геометрия, спектры и химические превращения молекул; общая постановка задачи об описании молекулярных процессов; характеристика процессов передачи энергии и информации в молекулярном пространстве).
Глава 2. Формально-логическая теория химических реакций
(мономолекулярные реакции изомерии и бимолекулярные реакции присоединения; бимолекулярные реакции разложения – углеводороды и соединения состава С, Н, О; C, H, N; С, Н, N, О).
Глава 3. Неадиабатическое приближение
(методы учета неадиабатичности электронно-колебательных движений – постановка задачи, вариационный метод решения полной электронно-колебательной задачи, структура и симметрийные свойства вариационной матрицы; характеристика общих закономерностей проявлений неадиабатичности электронно-колебательных движений в спектрах молекул).
Глава 4. Элементы теории колебаний и колебательных спектров молекул
(гармоническое и ангармоническое приближения – гамильтониан колебательной задачи в гармоническом приближении, соотношение между декартовыми, естественными и нормальными координатами разных типов, задача об ангармонических колебаниях и колебаниях большой амплитуды; скорость достижения вариационного предела при использовании различных базисных функций; простая модель описания ангармонических колебаний многоатомных молекул).
Глава 5. Теория мономолекулярных реакций изомеризации.
Общие принципы (постановка задачи; первое приближение теории фотохимических изомер–изомерных реакций; второе приближение теории изомер–изомерных превращений – линейная комбинация электронно-колебательных функций изомеров, безызлучательные межизомерные переходы, зависимость интегралов перекрывания волновых функций от величины отличий конфигураций изомеров, правила отбора по симметрии при изомер–изомерных переходах; проблема взаимного ориентирования изомеров).
Глава 6. Методы вычисления матричных элементов
(соотношение между нормальными координатами изомеров – обобщенная формула Душинского, особенности моделирования изомерных структур для вычисления соотношения их нормальных координат; общие методы вычисления интеграла перекрывания колебательных функций комбинирующих состояний в теории химических превращений; вычисление интегралов наложения методом аппроксимации колебательных волновых функций гауссовыми экспонентами; особенности моделирования изомерных переходов сложных молекул; температурная зависимость вероятности структурных межизомерных переходов молекул; вычисление интегралов перекрывания электронных функций; результаты некоторых модельных расчётов и следствия общей теории; высшие приближения в теории изомер–изомерных фотопреобразований молекул; вычисление вероятностей переходов при моделировании межизомерных структурных преобразований молекул).
Глава 7. Поиск путей химических реакций структурной изомеризации
(интегралы перекрывания электронных функций для некоторых углеводородов; закономерности изомер–изомерных структурных преобразований ациклических ненасыщенных углеводородов; изомер–изомерное преобразование молекулы бензола в ациклические структуры того же атомного состава; о некоторых направлениях изомеризации и образования разветвленных структурных форм ненасыщенных соединений).
Глава 8. Кинетика мономолекулярных реакций изомеризации
(постановка задачи; общие принципы расчета электронно-колебательных спектров; вычисление матричного элемента для оптического перехода между электронно-колебательными состояниями молекул при сильном различии комбинирующих геометрических структур; метод расчета динамических электронно-колебательных спектров многоатомных молекул; модель безызлучательных переходов при изомеризации; сопоставление теоретических моделей описания межизомерных переходов сложных молекул и их спектральных проявлений; моделирование процесса фотоизомеризации сложных молекул с использованием суперкомпьютера; влияние значений параметров молекулярной модели на кинетику фотохимических процессов; моделирование кинетики внутримолекулярных процессов температурной изомеризации).
Глава 9. Теория бимолекулярных реакций
(реакции разложения и присоединения; реакции замещения (обмена) общего типа; механизмы некоторых бимолекулярных реакций; безызлучательные переходы в ансамблях молекул).
Глава 10. Некоторые общие закономерности химических превращений
(теория процессов в реакционных центрах многоатомных молекул – локальность химических превращений; свойства реакционных центров; характеристичность колебаний реакционного центра; об одном факторе в теории кинетического изотопного эффекта; о низкочастотных периодических процессах в спектроскопии и химических превращениях; простая модель эффекта редупликации как следствие первых принципов; некоторые общие следствия – медленно протекающие реакции, механизмы химических реакций, реакции в малых и крупных молекулах, эффект квазивырождения в крупных молекулах).
Глава 11. Элементы молекулярной логики
(принципы приема и переработки информации молекулярными системами – процессы в молекулах и математическая логика, примеры связи формально-логического описания процессов с функциональным, распознавание образов; некоторые общие закономерности процессов распознавания образов сложными молекулярными системами; о направленной передаче сигналов и энергии в молекулярных системах; комплементарность, обучение и сравнение образов в молекулярном мире.

См. также: Результаты 2003-2006 гг