The types of silicon–oxygen bonds from the perspective of descriptors based on one-electron potentials
Автор: Klyuev I.V., Bartashevich E.V.
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry
Рубрика: Физическая химия
Статья в выпуске: 1 т.18, 2026 года.
Бесплатный доступ
The properties of multicomponent compounds are determined by the types and characteris-tics of chemical bonds, enabling the study of the nature of interatomic interactions in different phases of matter: from gases to solids, including a crystal phase. Copolymers based on polydimethylsiloxanes are widely used because of their chemical resistance, relative inertness, and ability to spontaneously restore their initial structure through a self-healing process after defect formation. This is experienced due to the so-called “siloxane equilibrium” phenomenon, in which the O–Si bond in a polysiloxane chain can dissociate to form the anion that can attack another chain leading to crosslinking and dynamic chain exchange. Since the ability for self-healing mainly depends on the formation of both covalent and noncovalent bonds; it is essential to develop quantitative criteria for the identification of the bond types in multiscale models. There-fore, the main goal of this study is to analyze the electronic descriptors for classifying different types of sili-con-oxygen bonds. For this purpose, we have modeled and analyzed various molecular and crystal structure models containing O–Si/O...Si bonds of different types. These bonds were categorized using electronic de-scriptors previously developed within the framework of the orbital-free density functional theory (OF-DFT) and based on one-electron potentials. One of these descriptors involves the comparison of the gaps between the positions of 1D extremes in electron density, electrostatic potential and total static potential functions along the interatomic line, which makes it possible to identify covalent bonds, coordination bonds and weak noncovalent interactions (or the tetrel bonds, TtB). The aim of our research is to determine the applicability of the electronic criterion and evaluate descriptors which enables identification of strong covalent (O–Si) or coordination bonds and weak (O...Si) noncovalent interactions in various systems containing silicon–oxygen interactions. We have started by analyzing the absolute difference between the positions of ex-tremes in electronic functions, which have allowed the identification of bond types. Next, we have analyzed the features of identical compounds in different phase states that affect the electronic structure and descrip-tor values, and also determined the impact of the formal charge on the values of electronic descriptors.
Orbital-free DFT, tetrel bond, silicon, electronic criterion, two-factor rule
Короткий адрес: https://sciup.org/147253377
IDR: 147253377 | УДК: 544.144 | DOI: 10.14529/chem260111
Типы связей кремний–кислород с позиции дескрипторов на основе одноэлектронных потенциалов
Свойства многокомпонентных соединений во многом определяются типами и характеристиками химических связей, которые, в свою очередь, позволяют изучить природу межатомных взаимодействий в разных фазовых состояниях вещества: от газовой фазы до кристалла или твердого тела. Сополимеры на основе полидиметилсилоксанов широко применяются благодаря их химической стойкости, относительной инертности, а также способности самопроизвольно восстанавливать свою структуру после появления дефектов. Известен эффект так называемого «силоксанового равновесия», при котором связь O–Si в полисилоксановой цепи может диссоциировать с образованием аниона, который может атаковать другую цепь, позволяя формироваться сшивкам и протекать динамическому обмену. Поскольку способность к самовосстановлению во многом зависит от формирования как ковалентных, так и нековалентных связей, полезным представляется иметь количественные критерии, которые позволят идентифицировать типы связей в многомасштабных моделях. Поэтому разработка электронных дескрипторов, нацеленных на установление типов связей кремний – кислород выступила основной целью данной работы. Мы смоделировали и проанализировали различные молекулярные и кристаллические структуры, содержащие связи O–Si/O...Si разных типов. За основу их категоризации были взяты ранее разработанные в рамках неорбитальной теории функционала плотности (OFDFT) электронные дескрипторы, вычисляемые на основе одноэлектронных потенциалов. Один из них включает сравнение длин отрезков между позициями экстремумов функций электронной плотности, электростатического потенциала и полного статического потенциала вдоль межатомной линии, что позволяет идентифицировать сильные ковалентные, координационные и слабые нековалентные связи. Задачей работы явилась проверка применимости электронного критерия и оценка дескрипторов, которые позволяют идентифицировать сильные ковалентные (O–Si), координационные и слабые (O...Si) нековалентные связи в самых разнообразных системах, содержащих кремнийкислородные взаимодействия. Для этого мы прибегли к анализу абсолютной разницы между позициями экстремумов электронных функций, которая позволяет идентифицировать типы связей. Проанализированы особенности, влияющие на электронное строение и величины дескрипторов для одинаковых соединений, находящихся в разных фазовых состояниях, а также определено влияние заряда системы на величины электронных дескрипторов.