Yüksek Başarımlı Hesaplamalarla Güncel Kimyasal Problemlerin Çözümü: Tepkimelerde Elektronların Davranışı Nasıl Modellenir?

• Yavuz Dede (Gazi Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü)

Kuantum mekaniğinin kimyaya uygulanması temelde “Elektronlar ne yapıyor?” sorusunun cevaplanmasına ilişkindir. Pek çok modern hesaplamalı kimya tekniği için bu sorunun cevabı, dalga fonksiyonu analizi veya moleküler orbital (MO) analizi ile elde edilmektedir. Elektronların davranışları, kimyasal sistemin yapısal ve enerjitik özellikleriyle doğrudan bağlantılı olduğundan, MO analizi bir kimyasal hesaplamadan elde edeceğimiz en incelikli bilgilerden biridir. Modern kimya tarihinde MO analizi ile aydınlatılan önemli problemler mevcuttur. Woodward, Hoffmann ve Fukui’ye 1981’de Nobel Kimya Ödülü getiren çalışmalar buna güzel bir örnektir. Bu sunumda yakın zamanda gerçekleştirdiğimiz ve halen üzerinde çalıştığımız örneklerle MO analizinin küçük molekül aktivasyonu (KMA) tepkimelerinde nasıl kullanıldığı anlatılacaktır. KMA doğadan kolaylıkla elde edilebilen, az sayıda atomdan oluşan (su, oksijen, azot, karbondioksit, basit hidrokarbonlar vb.) bileşikleri daha karmaşık ve değerli kimyasallara çevirme süreçlerinin ilk basamaklarıdır. Biyolojik sistemler tarafından gerçekleştirilen KMA tepkimeleri pek çok yaşamsal faaliyetin devamı için zaruridir. KMA prensiplerinin detaylı anlaşılması sayesinde fosil yakıtı bağımlılığının azalması, yenilenebilir enerji kaynaklarının etkinleştirilmesi, yapay fotosentez gibi alanlarda önemli dönüşümler beklenebilir. Küçük moleküller doğada pek çok farklı etkene rağmen oldukça kararlıdırlar. KMA tepkimeleri bu kararlı yapılara önemli bir müdahale olması nedeniyle büyük bir enerji engeliyle karşılaşırlar. Bu nedenle KMA’da en zor adım çoğu zaman küçük molekülde bir kovalent bağın kırıldığı ve “aktivasyon” olarak adlandırılan basamaktır. Özellikle su, metan ve oksijen aktivasyonlarında tepkimenin yürütülmesi için hangi MOların ne şekilde düzenlenmesi gerektiği tartışılacaktır. Dalga fonksiyonu ve MO analizinin yol gösterici olma özelliği örneklenecektir.