Ученые впервые измерили частичные заряды молекул экспериментальным методом

Электронная кристаллография позволяет изучать атомное строение химических соединений. Автор: Gruene/Schroeder

Международная исследовательская группа под руководством Венского университета разработала новый метод прямого измерения частичных зарядов в молекулах. Результаты, опубликованные в журнале Nature, открывают новые возможности для понимания молекулярных взаимодействий и могут найти применение в разработке лекарств и материаловедении.

Электростатические силы — притяжение или отталкивание между атомами или молекулами — лежат в основе всех молекулярных взаимодействий. В химии эти силы описываются через частичные заряды: крошечные неравномерности в распределении электронов внутри молекулы. Эти тонкие сдвиги заряда определяют, как молекулы взаимодействуют друг с другом и окружающей средой.

В медицине, например, частичные заряды влияют на то, как препараты усваиваются, распределяются и метаболизируются — и могут формировать как терапевтические эффекты, так и потенциальные побочные действия. Однако до сих пор частичные заряды оставались чисто теоретическими: не существовало способа измерить их непосредственно.

Прорыв в измерении молекулярных зарядов

Исследовательская группа под руководством Тима Грюне, руководителя Центра анализа кристаллической структуры, и Кристиана Шрёдера с кафедры вычислительной биологической химии Венского университета разработала метод, позволяющий экспериментально определять частичные заряды.

«Мы использовали технику электронной дифракции, — объясняет Грюне. — Она предполагает направление тонкого пучка электронов на крошечный кристалл. Поскольку электроны заряжены, они чувствительны к электростатическому потенциалу внутри кристалла и, следовательно, к частичным зарядам атомов».

Команда объединила данные дифракции с новым методом анализа, называемым моделированием ионного фактора рассеяния (iSFAC). В этом подходе каждый атом молекулы моделируется одновременно как нейтральный и как заряженный вид. Сравнивая модель с экспериментальными данными, исследователи смогли количественно определить частичный заряд каждого атома.

Карты электростатического потенциала. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09405-0

«До сих пор частичные заряды оценивались с помощью вычислительных методов, — говорит Шрёдер. — Наша новая экспериментальная техника теперь предоставляет средства для оценки и уточнения этих теоретических моделей».

Широкие возможности применения

Чтобы продемонстрировать широкую применимость своего метода, исследователи изучили разнообразный набор кристаллических соединений, включая промышленный катализатор ZSM-5, аминокислоты тирозин и гистидин, винную кислоту из австрийского вина и широко используемый антибиотик ципрофлоксацин.

Для ципрофлоксацина, который входит в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения, анализ показал, что ион хлорида (Cl⁻) несет только около 40% полного отрицательного заряда. Это демонстрирует, насколько сильно среда молекулы может влиять на локальное распределение заряда.

Способность измерять частичные заряды открывает новые возможности для разработки фармацевтических препаратов с большей специфичностью и меньшими побочными эффектами, а также функциональных материалов с точно настроенными свойствами.

Дополнительная информация: Soheil Mahmoudi et al, Experimental determination of partial charges with electron diffraction, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09405-0

Источник: University of Vienna